高中物理 第三章 電磁振蕩與電磁波 第二節(jié) 電磁場(chǎng)與電磁波學(xué)案（含解析）粵教版選修3-4

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1、 第二節(jié)　電磁場(chǎng)與電磁波 學(xué)習(xí)目標(biāo) 重點(diǎn)難點(diǎn) 1．能說(shuō)出麥克斯韋電磁場(chǎng)理論的主要內(nèi)容． 2．能說(shuō)出電磁波的特點(diǎn)及其與機(jī)械波的異同． 3．能說(shuō)出麥克斯韋電磁場(chǎng)理論的重要地位． 重點(diǎn)：1．對(duì)麥克斯韋電磁場(chǎng)理論的理解． 2．電磁波的特點(diǎn)． 難點(diǎn)：對(duì)電磁場(chǎng)理論的進(jìn)一步推斷． 一、麥克斯韋電磁場(chǎng)理論的基本思想 變化的磁場(chǎng)周?chē)a(chǎn)生電場(chǎng)是一種普遍存在的現(xiàn)象； 變化的電場(chǎng)周?chē)a(chǎn)生磁場(chǎng)是一種普遍存在的現(xiàn)象． 二、電磁波的產(chǎn)生及其特點(diǎn) 1．電磁場(chǎng) 變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)，變化的電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)，變化的電場(chǎng)和磁場(chǎng)總是相互聯(lián)系，形成一個(gè)不可分離的統(tǒng)一體，這就是電磁場(chǎng)． 2．電磁波的

2、產(chǎn)生 如果在空間某區(qū)域有周期性變化的電場(chǎng)，這個(gè)變化的電場(chǎng)就會(huì)在周?chē)臻g產(chǎn)生周期性變化的磁場(chǎng)；這個(gè)變化的磁場(chǎng)又會(huì)在較遠(yuǎn)的空間引起周期性的電場(chǎng)……這樣，變化的電場(chǎng)和磁場(chǎng)就不局限于空間某區(qū)域．而是由近及遠(yuǎn)地向周?chē)臻g傳播出去，電磁場(chǎng)這樣由近及遠(yuǎn)地傳播，就形成了電磁波． 3．電磁波的特點(diǎn) （1）電磁波中電場(chǎng)和磁場(chǎng)相互垂直，電磁波在與兩者均垂直的方向傳播．因此，電磁波是橫波． （2）電磁波在空間以一定的速度傳播，經(jīng)過(guò)一個(gè)周期的時(shí)間，傳播一個(gè)波長(zhǎng)的距離，即其波長(zhǎng)λ，頻率f（或周期T）和波速v之間遵從波動(dòng)的一般關(guān)系：v＝＝λf． （3）電磁波的頻率即為電磁振蕩的頻率．由波源決定，與介質(zhì)無(wú)關(guān)．電磁波

3、在真空中的傳播速度等于光在真空中的傳播速度，即v＝c＝3.0×108m/s． （4）電磁波與機(jī)械波一樣，也能產(chǎn)生反射、折射、干涉、衍射等現(xiàn)象，也是傳播能量的一種形式． （5）電磁波的傳播不需要借助任何介質(zhì)，在真空中也能傳播． 預(yù)習(xí)交流 機(jī)械波的產(chǎn)生必須有產(chǎn)生振動(dòng)的振源和傳播振動(dòng)的介質(zhì)，電磁波與機(jī)械波一樣，具有波的共性，電磁波的傳播是否必須有介質(zhì)？ 答案：不是．電磁波的傳播不需要任何介質(zhì)，在真空中也能傳播．因?yàn)殡姶挪ǖ膫鞑ナ且揽侩妶?chǎng)和磁場(chǎng)的相互“激發(fā)”，而不是依靠介質(zhì)的機(jī)械傳遞． 一、麥克斯韋的電磁場(chǎng)理論 1．麥克斯韋根據(jù)什么現(xiàn)象認(rèn)為“變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)”？關(guān)于“變化的

4、電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)”的觀點(diǎn)，他是在什么情況下提出的？ 答案：（1）麥克斯韋是在法拉第電磁感應(yīng)現(xiàn)象的基礎(chǔ)上提出“變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)”的假設(shè)． （2）“變化的電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)”是他相信自然規(guī)律和諧統(tǒng)一而假設(shè)的，他相信磁場(chǎng)和電場(chǎng)有對(duì)稱(chēng)之類(lèi)．他認(rèn)為：既然變化的磁場(chǎng)能夠在空間產(chǎn)生電場(chǎng)，那么變化的電場(chǎng)也能夠在空間產(chǎn)生磁場(chǎng)． 2．麥克斯韋關(guān)于電磁場(chǎng)理論主要論點(diǎn)是什么？用麥克斯韋的電磁場(chǎng)理論說(shuō)明電磁波是怎樣產(chǎn)生的． 答案：（1）麥克斯韋關(guān)于電磁場(chǎng)理論的兩大支柱是：①變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)，②變化的電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)． （2）根據(jù)這兩個(gè)基本點(diǎn)，麥克斯韋進(jìn)一步推斷：如果在空間某處有變化的電場(chǎng)，那么這個(gè)變化的電場(chǎng)就在空間產(chǎn)生

5、變化的磁場(chǎng)；這個(gè)變化的磁場(chǎng)又會(huì)引起新的變化的電場(chǎng)，如此下去變化的電場(chǎng)和磁場(chǎng)交替產(chǎn)生，從而形成由近及遠(yuǎn)傳播的電磁波． 3．學(xué)生討論：按照麥克斯韋的電磁場(chǎng)理論，變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)，變化的電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)，變化的電場(chǎng)和磁場(chǎng)總是相互聯(lián)系，不可分割的．空間中只要存在變化的磁場(chǎng)（或電場(chǎng)），就一定能形成電磁場(chǎng)嗎？ 答案：不一定．如果磁場(chǎng)（或電場(chǎng)）均勻變化，其周?chē)a(chǎn)生穩(wěn)定的電場(chǎng)（或磁場(chǎng)），穩(wěn)定的電場(chǎng)（或磁場(chǎng)）周?chē)荒茉佼a(chǎn)生磁場(chǎng)（或電場(chǎng)），不能形成電磁場(chǎng)；如果磁場(chǎng)（或電場(chǎng)）是非均勻變化的，其周?chē)a(chǎn)生非均勻變化的電場(chǎng)（或磁場(chǎng)），非均勻變化的電場(chǎng)（或磁場(chǎng)）周?chē)之a(chǎn)生非均勻變化的磁場(chǎng)（或電場(chǎng)）……這樣變化的磁場(chǎng)（或電

6、場(chǎng)）和變化的電場(chǎng)（或磁場(chǎng)）交替產(chǎn)生，從而形成電磁場(chǎng)． 某電路的電場(chǎng)隨時(shí)間變化的圖象如圖所示，能發(fā)射電磁波的電場(chǎng)是哪一種（　?。? 點(diǎn)撥：變化的電場(chǎng)有均勻變化和非均勻變化之分，由此產(chǎn)生新的電場(chǎng)有穩(wěn)定和變化之分． 答案：D 解析：圖A中電場(chǎng)不隨時(shí)間變化，不產(chǎn)生磁場(chǎng)，圖B和圖C中電場(chǎng)都隨時(shí)間做均勻變化，只能在周?chē)a(chǎn)生穩(wěn)定的磁場(chǎng)，也不會(huì)產(chǎn)生和發(fā)射電磁波，圖D中電場(chǎng)隨時(shí)間做不均勻的變化，能在周?chē)臻g產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，而這種磁場(chǎng)的變化也是不均勻的，又能產(chǎn)生變化的電場(chǎng)，從而交織成不可分割的統(tǒng)一體，即形成電磁場(chǎng)，才能發(fā)射電磁波． 1．在變化的磁場(chǎng)中所產(chǎn)生的電場(chǎng)的電場(chǎng)線是閉合的；而靜電場(chǎng)中的

7、電場(chǎng)線是不閉合的． 2．恒定的電場(chǎng)不產(chǎn)生磁場(chǎng)；恒定的磁場(chǎng)不產(chǎn)生電場(chǎng)． 3．均勻變化的磁場(chǎng)在周?chē)臻g產(chǎn)生恒定的電場(chǎng)；均勻變化的電場(chǎng)在周?chē)臻g產(chǎn)生恒定的磁場(chǎng)． 4．周期性變化的電場(chǎng)產(chǎn)生同頻率的周期性變化的磁場(chǎng)；周期性變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生同頻率的周期性變化的電場(chǎng)． 二、電磁波與機(jī)械波的異同 學(xué)生討論：電磁波和機(jī)械波一樣，能產(chǎn)生反射、折射、干涉、衍射等現(xiàn)象，是傳播能量的一種方式，能傳遞信息．除此之外，電磁波和機(jī)械波還有哪些相同點(diǎn)和不同點(diǎn)？ 答案：（1）相同點(diǎn)：電磁波的波長(zhǎng)、頻率、波速關(guān)系與機(jī)械波一樣，滿足v＝λf，T＝的關(guān)系，且傳播過(guò)程中頻率不變，波速由介質(zhì)決定． （2）不同點(diǎn)：①產(chǎn)生的機(jī)

8、理不同：電磁波是電磁運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，是變化的電磁場(chǎng)在空間的傳播；機(jī)械波是機(jī)械運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，是振動(dòng)這一運(yùn)動(dòng)形式在介質(zhì)中的傳播． ②電磁波傳播不需要介質(zhì)，機(jī)械波必須有介質(zhì)才能傳播． ③電磁波是橫波，電場(chǎng)方向和磁場(chǎng)方向互相垂直且都與波的傳播方向垂直；機(jī)械波有橫波也有縱波． ④電磁波波速比機(jī)械波波速大得多，任何頻率的電磁波在真空中的傳播速度都等于光在真空中的速度，即c＝3.0×108 m/s，電磁波傳播雖然不需要介質(zhì)，但在其他介質(zhì)中的速度都比在真空中的?。? ⑤電磁波向外傳播的是電磁能，機(jī)械波傳播的是機(jī)械能． 以下關(guān)于機(jī)械波與電磁波的說(shuō)法中，不正確的是（　?。? A．機(jī)械波與電磁波本質(zhì)上是一致

9、的 B．機(jī)械波的波速只與介質(zhì)有關(guān)，而電磁波在介質(zhì)中的波速，不僅與介質(zhì)有關(guān)，而且與電磁波的頻率有關(guān) C．機(jī)械波可能是縱波，而電磁波必定是橫波 D．它們都能發(fā)生反射、折射、干涉和衍射現(xiàn)象 答案：A 解析：機(jī)械波由振動(dòng)產(chǎn)生，電磁波由周期性變化的電場(chǎng)（或磁場(chǎng)）產(chǎn)生，機(jī)械波是能量波，傳播需要介質(zhì)，速度由介質(zhì)決定；電磁波是物質(zhì)波，傳播不需要介質(zhì)．波速由介質(zhì)和本身頻率共同決定，機(jī)械波有橫波，也有縱波，而電磁波一定是橫波，故選項(xiàng)B、C、D正確． 1．電磁波和機(jī)械波都屬于波，具有波的共性．都能發(fā)生反射、折射、干涉、衍射等現(xiàn)象． 2．電磁波和機(jī)械波的產(chǎn)生機(jī)理不同．兩種波有本質(zhì)的區(qū)別： （1）機(jī)械波

10、只能在介質(zhì)中傳播；電磁波既能在介質(zhì)中傳播，又能在真空中傳播． （2）機(jī)械波可能是橫波，也可能是縱波；電磁波一定是橫波． （3）機(jī)械波的波速只由介質(zhì)決定，與振源無(wú)關(guān)；電磁波的波速由介質(zhì)和自身的頻率共同決定． 1．關(guān)于電磁場(chǎng)理論，下列說(shuō)法正確的是（　?。? A．穩(wěn)定的電場(chǎng)周?chē)墚a(chǎn)生磁場(chǎng) B．變化的電場(chǎng)周?chē)a(chǎn)生的磁場(chǎng)一定也是變化的 C．均勻變化的電場(chǎng)周?chē)a(chǎn)生的磁場(chǎng)一定也是均勻變化的 D．振蕩電場(chǎng)周?chē)a(chǎn)生同頻率的振蕩磁場(chǎng) 答案：D 解析：穩(wěn)定的電場(chǎng)周?chē)荒墚a(chǎn)生磁場(chǎng)，A錯(cuò)誤；均勻變化的電場(chǎng)周?chē)a(chǎn)生穩(wěn)定的磁場(chǎng)，B、C錯(cuò)誤；振蕩電場(chǎng)周?chē)a(chǎn)生同頻率的振蕩磁場(chǎng)，D正確． 2．下列關(guān)于電磁

11、波與機(jī)械波的說(shuō)法正確的是（　?。? A．機(jī)械波和電磁波的傳播都需要介質(zhì) B．機(jī)械波和電磁波都是橫波 C．機(jī)械波和電磁波都是傳播能量或信息的一種方式 D．公式v＝λf都適用 答案：CD 解析：電磁波的傳播不需要介質(zhì)，A錯(cuò)誤；機(jī)械波有可能是縱波，B錯(cuò)誤；機(jī)械波和電磁波都是傳播能量或信息的方式，C正確；v＝λf適用于一切波，D正確． 3．電磁波從真空傳入水中時(shí)，下列說(shuō)法正確的是（　　）． A．頻率不變，波速變大，波長(zhǎng)變長(zhǎng) B．頻率不變，波速變小，波長(zhǎng)變短 C．波速不變，頻率變小，波長(zhǎng)變長(zhǎng) D．波速不變，頻率變大，波長(zhǎng)變短 答案：B 解析：電磁波和機(jī)械波一樣，從真空傳入水中時(shí)

12、，頻率不變，但電磁波在真空中傳播的速度最快，所以從真空傳入水中時(shí)波速變小，由v＝λf知λ也變短，B正確． 4．下列關(guān)于電磁場(chǎng)的說(shuō)法中不正確的是（　?。? A．只要空間某處有變化的電場(chǎng)或磁場(chǎng)，就會(huì)在其周?chē)a(chǎn)生電磁場(chǎng)，從而形成電磁波 B．任何變化的電場(chǎng)周?chē)欢ㄓ写艌?chǎng) C．振蕩電場(chǎng)和振蕩磁場(chǎng)交替產(chǎn)生，相互依存，形成不可分離的統(tǒng)一體，即電磁場(chǎng) D．電磁波的理論在先，實(shí)踐證明在后 答案：A 解析：任何變化的電場(chǎng)周?chē)欢ㄓ写艌?chǎng)，B正確；如果電場(chǎng)或磁場(chǎng)均勻變化，則不能產(chǎn)生電磁場(chǎng)，A錯(cuò)誤；振蕩電場(chǎng)和振蕩磁場(chǎng)交替產(chǎn)生，形成電磁場(chǎng)，C正確；麥克斯韋預(yù)言了電磁波的存在，赫茲通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了電磁波的存在，D正確． 5．雷雨天氣，從收音機(jī)中會(huì)不斷地傳出很響的“咔嚓”聲，這是為什么？ 答案：雷雨天形成閃電時(shí)會(huì)發(fā)出很強(qiáng)的電磁波，收音機(jī)接收到后會(huì)感應(yīng)出電流，使揚(yáng)聲器發(fā)出聲響，形成很響的“咔嚓”聲． 4