电磁场理论的建立

2020--2021人教物理选修1--1第4章电磁波及其应用练习含答案人教选修1--1第四章电磁波及其应用1、电磁场理论的建立，开拓了广泛的现代技术应用空间，促进了现代社会的发展，建立电磁场理论的科学家是()A．牛顿B．爱迪生C．爱因斯坦D．麦克斯韦2、(双选)如图所示，有一水平放置、内壁光滑、绝缘的真空圆形管，半径为R，有一带正电的粒子静止在管内，整个装置处于竖直向上的磁场中．要使带电粒子能沿管做圆周运动，所加的磁场可能是()A．匀强磁场B．均匀增加的磁场C．均匀减少的磁场D．由于洛伦兹力不做功，不管加什么样的磁场都不能使带电粒子绕着管运动3、电磁波从真空传入水中时，下列说法正确的是()A．频率不变，波速变大，波长变大B．频率不变，波速变小，波长变小C．波速不变，频率变小，波长变大D．波速不变，频率变大，波长变小4、(多选)关于电视信号的发射，下列说法正确的是()A．摄像管输出的电信号可以直接通过天线向外发射B．摄像管输出的电信号必须“加”在高频等幅振荡电流上，才能向外发射C．伴音信号和图像信号是同步向外发射的D．摄像管摄取景物并将景物反射的光转化为电信号，实现光电转换5、(多选)下列说法正确的是()A．电磁波可以通过光缆进行有线传输，也可以进行无线传输，但光缆比无线电波传递的信息量大B．现代信息技术三大基础是信息的拾取、信息的记录和信息的处理C．通过数字电视可以在因特网上浏览，可以收发电子邮件D．过去的电视机要想接收数字信号，必须加装一个“机顶盒”6、在电磁波谱中，红外线、可见光和X射线三个波段的频率大小关系是() A．红外线的频率最大，可见光的频率最小B．可见光的频率最大，红外线的频率最小C．X射线频率最大，可见光的频率最小D．X射线频率最大，红外线的频率最小7、提出电磁场理论的科学家是()A．法拉第B．赫兹C．麦克斯韦D．安培8、下列能说明电磁波具有能量的依据是()①可见光射入人的眼睛，人看到物体②放在红外线区域的温度计升温很快③收音机调到某个台时，调谐电路发生电谐振④γ射线具有很强的贯穿能力A．①②④B．①②③C．①②③④D．②③④9、关于电视接收的原理，下列说法中正确的是()A．电视接收天线接收到的电磁波中包含有图像信号和伴音信号B．电视接收天线收到的电磁波经过处理还原成图像，天线上并不产生感应电流C．电视接收机收到电磁波，通过电子枪的扫描显示电视节目的图像信号和伴音信号D．电视接收机收到电磁波，经扬声器得到电视节目的伴音信号10、下列应用了温度传感器的是()A．电视遥控器B．话筒C．电子秤D．电饭煲11、关于电磁波，下列说法正确的是()A．所有电磁波的频率相同B．电磁波只能在真空中传播C．电磁波在任何介质中的传播速度相同D．电磁波在真空中的传播速度是3×108 m/s12、波长为0.6 μm的红光，从10 m外的交通信号灯传到你的眼睛，大约需要多长时间？它的频率是多少？13、现有热敏电阻、电炉丝、电源、电磁继电器、滑动变阻器、开关和导线若干．如图所示，试设计一个温控电路．要求温度低于某一温度时，电炉丝自动通电供热，超过某一温度时，又可以自动断电，画出电路图并说明工作过程．2020--2021人教物理选修1--1第4章电磁波及其应用练习含答案人教选修1--1第四章电磁波及其应用1、电磁场理论的建立，开拓了广泛的现代技术应用空间，促进了现代社会的发展，建立电磁场理论的科学家是()A．牛顿B．爱迪生C．爱因斯坦D．麦克斯韦D[麦克斯韦预言了电磁波的存在，并建立了电磁场理论，即“麦克斯韦定律”，故D正确．]2、(双选)如图所示，有一水平放置、内壁光滑、绝缘的真空圆形管，半径为R，有一带正电的粒子静止在管内，整个装置处于竖直向上的磁场中．要使带电粒子能沿管做圆周运动，所加的磁场可能是()A．匀强磁场B．均匀增加的磁场C．均匀减少的磁场D．由于洛伦兹力不做功，不管加什么样的磁场都不能使带电粒子绕着管运动BC[磁场对静止的电荷不产生力的作用，但当磁场变化时可产生电场，电场对带电粒子产生电场力作用，带电粒子在电场力作用下可以产生加速度．]3、电磁波从真空传入水中时，下列说法正确的是()A．频率不变，波速变大，波长变大B．频率不变，波速变小，波长变小C．波速不变，频率变小，波长变大D．波速不变，频率变大，波长变小B[电磁波的波长λ、波速v和频率f与机械波一样，满足c＝λf，传播过程中，频率不变，C、D两项错误．但电磁波在真空中的速度最大，而在介质中速度都会减小，故从真空传入水中时波速变小，波长变小．]4、(多选)关于电视信号的发射，下列说法正确的是()A．摄像管输出的电信号可以直接通过天线向外发射B．摄像管输出的电信号必须“加”在高频等幅振荡电流上，才能向外发射C．伴音信号和图像信号是同步向外发射的D．摄像管摄取景物并将景物反射的光转化为电信号，实现光电转换BCD[摄像管输出的电信号频率低，不易直接发射出去，必须“加”在高频等幅振荡电流上才能发射出去；伴音信号和图像信号是同步发射的；摄像过程实现的是光电转换．故正确答案为B、C、D.]5、(多选)下列说法正确的是()A．电磁波可以通过光缆进行有线传输，也可以进行无线传输，但光缆比无线电波传递的信息量大B．现代信息技术三大基础是信息的拾取、信息的记录和信息的处理C．通过数字电视可以在因特网上浏览，可以收发电子邮件D．过去的电视机要想接收数字信号，必须加装一个“机顶盒”ACD[电磁波可以通过光缆进行有线传输，如光信号，因为光的频率比无线电波频率高，所以相同时间内传递的信息量大，因此A项正确．现代信息技术三大基础是信息的拾取、信息的传输和信息的处理，故B项错误．数字电视由于使用了与计算机及现代通信兼容的技术，因此通过数字电视可以在因特网上浏览，可以收发电子邮件，可以实现网上购物、网上银行等业务．过去的电视接收模拟信号，要接收数字信号，就必须加“机顶盒”，故C、D均正确．]6、在电磁波谱中，红外线、可见光和X射线三个波段的频率大小关系是() A．红外线的频率最大，可见光的频率最小B．可见光的频率最大，红外线的频率最小C．X射线频率最大，可见光的频率最小D．X射线频率最大，红外线的频率最小D[红外线、可见光和伦琴射线(X射线)三个波段的波长是从长到短，所以其频率是从低到高．则频率最高的是伦琴射线(X射线)，频率最小的是红外线．] 7、提出电磁场理论的科学家是()A．法拉第B．赫兹C．麦克斯韦D．安培C[麦克斯韦总结前人电磁规律的成果进一步创造建立了完整的电磁场理论．]8、下列能说明电磁波具有能量的依据是()①可见光射入人的眼睛，人看到物体②放在红外线区域的温度计升温很快③收音机调到某个台时，调谐电路发生电谐振④γ射线具有很强的贯穿能力A．①②④B．①②③C．①②③④D．②③④C[人眼看到物体，说明人眼感受到了可见光的能量，①对；红外线具有热作用，说明红外线具有能量，②对；电谐振在调谐电路中的感应电流的能量来源于空中的无线电波，③对；γ射线的贯穿能力强说明γ射线具有很高的能量，④对．]9、关于电视接收的原理，下列说法中正确的是()A．电视接收天线接收到的电磁波中包含有图像信号和伴音信号B．电视接收天线收到的电磁波经过处理还原成图像，天线上并不产生感应电流C．电视接收机收到电磁波，通过电子枪的扫描显示电视节目的图像信号和伴音信号D．电视接收机收到电磁波，经扬声器得到电视节目的伴音信号A[电视机接收到的电磁波是带有图像信号和伴音信号的高频电流，故A项对，B项错；图像信号和伴音信号必须经过处理，才可经显像管和扬声器得到图像和声音，故选项C、D错．]10、下列应用了温度传感器的是()A．电视遥控器B．话筒C．电子秤D．电饭煲D[电视机的遥控器是应用了红外线传感器，A错误；电容式话筒使用了位移传感器，故B错误；电子秤使用的压力传感器，故C错误；电饭锅的工作原理：开始煮饭时，用手压下开关按钮，永磁体与感温磁体相吸，手松开后，按钮不再恢复到原状态，则触点接通，电饭锅通电加热，水沸腾后，由于锅内保持100 ℃不变，故感温磁体仍与永磁体相吸，继续加热，直到饭熟后，水分被大米吸收，锅底温度升高，当温度升至“居里点103 ℃”时，感温磁体失去铁磁性，在弹簧作用下，永磁体被弹开，触点分离，切断电源，从而停止加热．故D正确．] 11、关于电磁波，下列说法正确的是()A．所有电磁波的频率相同B．电磁波只能在真空中传播C．电磁波在任何介质中的传播速度相同D．电磁波在真空中的传播速度是3×108 m/sD[电磁波的频率不一定相同，就是无线电电磁波也有很多频道和频率，选项A错；电磁波既能在真空中传播，也能在介质中传播，选项B错；不同频率的电磁波在不同的介质中的传播速度都不相同，选项C错；电磁波在真空中的传播速度是3×108 m/s，选项D正确．]12、波长为0.6 μm的红光，从10 m外的交通信号灯传到你的眼睛，大约需要多长时间？它的频率是多少？[解析]由速度公式v＝xt可求得时间，可根据电磁波波长、频率和波速关系式c＝λf可得频率，其中t＝xc＝103×108s≈3.33×10－8 s由c＝λf得f＝cλ＝3×1086×10－7Hz＝5×1014 Hz.[答案] 3.33×10－8 s5×1014 Hz13、现有热敏电阻、电炉丝、电源、电磁继电器、滑动变阻器、开关和导线若干．如图所示，试设计一个温控电路．要求温度低于某一温度时，电炉丝自动通电供热，超过某一温度时，又可以自动断电，画出电路图并说明工作过程．[解析]热敏电阻与滑动变阻器及电磁继电器构成低压控制电路．(1)电路如图所示．(2)工作过程：闭合开关S，当温度低于设计值时热敏电阻阻值大，通过电磁继电器的电流不能使它工作，K接通电炉丝加热．当温度达到设计值时，热敏电阻阻值减小到某值，通过电磁继电器的电流达到工作电流，K断开，电炉丝断电，停止供热．当温度低于设计值时，又重复前述过程．[答案]见解析。

电磁场与电磁波的历史与发展一、历史的前奏静磁现象和静电现象：公元前6、7世纪发现了磁石吸铁、磁石指南以及摩擦生电等现象。

1600年英国医生吉尔伯特发表了《论磁、磁体和地球作为一个巨大的磁体》的论文。

使磁学从经验转变为科学。

书中他也记载了电学方面的研究。

静电现象的研究要困难得多，因为一直没有找到恰当的方式来产生稳定的静电和对静电进行测量。

只有等到发明了摩擦起电机，才有可能对电现象进行系统的研究，这时人类才开始对电有初步认识。

1785年库仑公布了用扭秤实验得到电力的平方反比定律，使电学和磁学进入了定量研究的阶段。

1780年，伽伐尼发现动物电，1800年伏打发明电堆，使稳恒电流的产生有了可能，电学由静电走向动电，导致1820年奥斯特发现电流的磁效应。

于是，电学与磁学彼此隔绝的情况有了突破，开始了电磁学的新阶段。

19世纪二、三十年代成了电磁学大发展的时期。

首先对电磁作用力进行研究的是法国科学家安培，他在得知奥斯特发现之后，重复了奥斯特的实验，提出了右手定则，并用电流绕地球内部流动解释地磁的起因。

接着他研究了载流导线之间的相互作用，建立了电流元之间的相互作用规律——安培定律。

与此同时，比奥 沙伐定律也得到发现。

英国物理学家法拉第对电磁学的贡献尤为突出。

1831年发现电磁感应现象，进一步证实了电现象与磁现象的统一性。

法拉第坚信电磁的近距作用，认为物质之间的电力和磁力都需要由媒介传递，媒介就是电场和磁场。

电流磁效应的发现，使电流的测量成为可能。

1826年欧姆(Georg Simon Ohm，1784—1854)因而确定了电路的基本规律——欧姆定律。

及至1865年，麦克斯韦把法拉第的电磁近距作用思想和安培开创的电动力学规律结合在一起，用一套方程组概括电磁规律，建立了电磁场理论，预测了光的电磁性质，终于实现了物理学史上第二次理论大综合。

爱因斯坦在纪念麦克斯韦100周年的文集中写道：“自从牛顿奠定理论物理学的基础以来，物理学的公理基础的最伟大的变革，是由法拉第和麦克斯韦在电磁现象方面的工作所引起的”。

电磁场理论发展历史及其在现代科技中的应用摘要：电磁场理论在现代科技中有着广泛的应用。

现代电子技术如通讯、广播、导航、雷达、遥感、测控、嗲面子对抗、电子仪器和测量系统，都离不开电磁场的发射，控制、传播和接收；从工业自动化到地质勘测，从电力、交通等工业农业到医疗卫生等国民经济领域，几乎全都涉及到电磁场理论的应用。

不仅如此，电磁学一直是，将来仍是新兴科学的孕育点。

在本文中主要介绍电磁场理论发现和发展的历史以及在现代科技中的也应用。

关键词：电磁学电磁场理论现代科技对电磁场现象的研究是从十六世纪下半叶英国伊莉莎白女王的试医官吉尔伯特开始，然而他的研究方法很原始，基本上是定性地对现象的总结。

对电磁场的近代研究是从十八世纪的卡文迪许、库伦开始，他们开创了用测量仪器对电磁场现象做定量的规律，引起了电磁场从定性到定量的飞跃。

库仑定律的建立基于英国科学家卡文迪许在1772年做的一个一个电学实验，他用一个金属球壳使之带电，发现电荷全部分布在球壳的外表面，球腔中任何一点都没有电的作用。

库伦定律揭示了电荷间的静电作用力与它们之间的距离平方成反比。

安培在假设了两个电流元之间的相互作用力沿着它们的连线之间的作用力正比于它们的长度和电流强度，而与它们之间的距离的平方成反比的公式，即提出了著名的安培环路定理。

基于这与牛顿万有引力定律十分类似，.泊松、.高斯等人仿照引力理论，对电磁现象也引入了各种场矢量，如电场强度、电通量密度（电位移矢量）、磁场强度、磁通密度等，并将这些量表示为空间坐标的函数。

但是当时对这些量仅是为了描述方便而提出的数学手段，实际上认为电荷之间或电流之间的物理作用是超距作用。

直到M.法拉第,他认为场是真实的物理存在,电力或磁力是经过场中的力线逐步传递的，最终才作用到电荷或电流上。

他在1831年发现了著名的电磁感应定律，并用磁力线的模型对定律成功地进行了阐述，但是电磁感应定律的确认是在1851年，这一过程花了20年。

麦克斯韦电磁场理论的提出背景在论文《论法拉弟力线》发表后不久，麦克斯韦就认识到对各种力线的类比，只能对各种物理现象的共性作出几何学的抽象，它很容易掩盖电磁场的特殊性质。

例如，根据伯努利方程，流线最密的地方压力最小；而根据法拉第的假设，磁力线有纵向收缩和横向扩张的趋势，因而磁力线最密的地方场强最大。

麦克斯韦还从电解质的运动认识到电的运动是平移运动，而从光偏振面的磁致旋转现象认识到磁的运动好像是介质中分子的旋转运动。

因此，电磁现象有别于流体力学现象，电与磁也各有其特殊的性质。

工作过程在1861－1862年发表的第二篇电磁学论文《论物理力线》中，麦克斯韦开始从物理的角度去研究法拉第力线，并取得了对电磁现象认识的决定性突破，为最终创立电磁场理论奠定了基础。

麦克斯韦希望从某种介质的结构以及它所产生的张力和运动，来说明观察到的电磁现象。

麦克斯韦从1856年W.汤姆孙关于磁具有旋转的性质的思想中受到启发，借用了“分子涡旋”（molecular vortices）概念，将磁旋转假设从普通的介质引伸到以太，构筑了一个场的机械性质的模型——“电磁以太模型”：充满空间的介质在磁作用下具有旋转的性质，即规则地排列着许多分子涡旋（在真空中则是涡旋以太）；它们以磁力线为轴形成涡旋管，涡旋管转动的角速度正比于磁场的强度H，涡旋介质的密度正比于介质的磁导率μ。

在论文的第一部分“应用于磁现象的分子涡旋理论”中，法拉第关于力线的应力性质得到了很好的说明：涡旋管旋转的离心效应，使管在横向扩张，同时产生纵向收缩。

因此磁力线在纵向表现为张力，即异性磁极的吸引；在横向表现为压力，即同性磁极的排斥。

在论文的第二部分“应用于电流的分子涡旋理论”中，揭示了电场变化与磁场变化之间的关系。

首先要解决的是模型的一个缺陷：相互紧密邻接的涡旋管的表面是沿相反方向运动的，因而必然会互相妨碍对方的运动。

所以麦克斯韦设想相邻涡旋管之间充填着一层起惰轮（idle wheels）或滚珠轴承作用的微小粒子。

麦克斯韦建立电磁场理论的基本思考线索是什么？
第一次飞跃（第一阶段）：1855~1856年，他发表了第一篇关于电磁理论的论文：《论法拉第的力线》。

在这篇论文中，采用数学推理和类比方法，用数学语言表述法拉第的力线概念。

他用不可压缩的流体的流线类比电场线，从而得到一个物理现象的几何图象。

并对电磁感应作出理论解释，他的目标是统一已知的电学和磁学定律。

第二次飞跃（第二阶段）：1861~1863年，他发表了《论物理的力线》的论文。

这时他已突破了仅靠几何上类比的方法，转用模型来建立假说。

他创造性地提出了两个重要的假设：位移电流和涡旋电场。

利用他构造的电磁以太模型，不仅说明法拉第磁感应的应力性质，还建立了主要电磁想象之间的联系，预言了电磁波的存在。

第三次飞跃（第三阶段）：1865年，他发表了《电磁场的动力学理论》的论文：全面论述了电磁场理论，提出了电磁场的普遍方程组，共20个方程，包含20个变量，后经赫兹和亥维赛的整理和约简，就成了经典电动力学主要基础的麦克斯韦方程组。

在这部著作中，他明确论述了光与电磁现象的同一性，奠定了光的电磁理论基础。

电磁场理论发展史——著名实验和相关科学家纲要：一、定性研究1、吉尔伯特的研究2、富兰克林二、定量研究1、反平方定律的提出2、电流磁效应的发现3、电磁感应定律及楞次定律4、麦克斯韦方程5、电磁波的发现三、小结、定性研究1、吉尔伯特的研究他发现不仅摩擦过的琥珀有吸引轻小物体的性质，而且一系列其他物体如金刚石、水晶、硫磺、明矾等也有这种性质，他把这种性质称为电性，他是第一个用“电力”、“电吸引”、“磁极”等术语的人。

吉尔伯特把电现象和磁现象进行比较，发现它们具有以下几个截然不同的性质：1.磁性是磁体本身具有的，而电性是需要用摩擦的方法产生；2.磁性有两种——吸引和排斥，而电性仅仅有吸引（吉尔伯特不知道有排斥）；3.磁石只对可以磁化的物质才有力的作用，而带电体可以吸引任何轻小物体；4.磁体之间的作用不受中间的纸片、亚麻布等物体的影响，而带电体之间的作用要受到中间这些物质的影响。

当带电体浸在水中，电力的作用可以消失，而磁体的磁力在水中不会消失；5.磁力是一种定向力，而电力是一种移动力。

2、富兰克林的研究富兰克林（公元1706一1790）原来是费城的印刷商，他通过书本和科学上的来往获得了丰富知识，他利用莱顿瓶做出的第一项重要工作，是根据莱顿瓶内外两种电荷的相消性，在杜菲的“玻璃电”和“树脂电”的基础上提出正电和负电的概念。

富兰克林所做的第二项重要工作是统一了天电和地电。

、定量研究1、反平方定律的提出1750年前后，彼得堡科学院院士埃皮努斯在实验中发现；当发生相互作用的电荷之间的距离缩短时，两者之间的吸引力和排斥力便增加。

1766年富兰克林写信给他在德国的一位朋友普利斯特利（公元1733一1804），介绍了他在实验中发现在金属杯中的软木球完全不受金属杯电性的影响的现象。

他请普利斯特利给予验证。

英国科学家卡文迪许在1772年做了一个电学实验，他用一个金属球壳使之带电，发现电荷全部分布在球壳的外表面，球腔中任何一点都没有电的作用。

经典电磁场理论的建立和发展及其重要意义电子13班肖青秀2110501112电磁场理论的产生是物理学史上划时代的里程碑之一，电磁场理论体系的核心是麦克斯韦方程组，麦克斯韦全面总结电磁学研究的全部成果，建立完整的电磁场理论体系，完成物理学的又一次大综合，他的理论成果为现代无线电电子工业奠定理论基础。

1 经典电磁场理论体系完整的电磁场理论包括：1）麦克斯韦方程组：它是在库仑定律、毕奥-萨法尔定律、法拉第电磁感应定律以及麦克斯韦提出位移电流假说的基础上建立起来的。

它反映了电磁场的运动规律。

变化的电场和磁场可以互相激发而在空间独立存在。

由此，麦克斯韦预言了电磁波的存在，并预言了光是一种电磁波。

不随时间变化，则为静态场。

若电磁场的若电磁场很慢，则为拟稳场，说明市电在小尺度上可以用直流电路的计算方法。

麦克斯韦方程组的建立是物理系史上的第三次大综合。

2）洛伦兹力密度公式：它反映了电荷、电流受到的电磁场的作用力。

3）电荷守恒定律：它反映了自然界中关于电荷守恒的一个基本规律。

4）介质的电磁性质方程：它反映了物质在电磁场的作用下的性质，还反映了介质的结构。

以上四点构成了完整的电磁场理论。

经典电磁场理论体系的核心是麦克斯韦方程组。

在方程组中，电场和磁场相互联系、相互激发组成一个统一的电磁场。

麦克斯韦方程组的积分形式：其中：1）式描述了电场的性质，即电场的高斯定理。

2）式描述了磁场的性质，即磁场的高斯定理。

3）式描述了变化的磁场激发感生电场的规律。

4）式描述了变化的电场激发磁场的规律。

此外，还要加上电磁场量和表征介质电磁特性的量之间的关系：麦克斯韦方程组概括了电磁场的基本性质和规律，构成完整的经典电磁场理论体系，它不仅是整个宏观电磁理论的基础，而且也是许多现代电磁技术的理论基础。

麦克斯韦的电磁理论充分体现了物理概念创新、逻辑体系严密、数学形式简单优美、电场与磁场以及时间与空间的明显对称等明显的特点。

2 经典电磁场理论建立的过程以麦克斯韦方程组为核心的经典电磁理论，是由伟大的英国科学家麦克斯韦提出的，但在该理论建立的过程中凝结着无数各国科学工作者的科研成果，探究经典电磁场理论建立的过程及指导思想对科学探索研究仍然具有重要作用。