高中物理知识全解4.4电磁波

1 高中物理知识全解 4.4 电磁波

麦克斯韦电磁场理论：周期性变化的的电场产生周期性变化的磁场，而周期性变化的的磁场又产生周期性变化的电场，于是变化的电场和变化的磁场交替产生，由近及远地向四周传播，即形成了电磁波。

1、振荡的磁场产生同频率振荡的电场，振荡的电场产生同频率振荡的磁场。

2、变化的磁场可以产生涡旋电场，变化的电场可以产生涡旋磁场。电磁波的电场强度与磁感应强度相互垂直，而且两者均与波的传播方向垂直，所以电磁波是横波。

3、均匀变化的磁场产生稳定的电场，均匀变化的电场产生稳定的磁场；恒定的电场不能产生磁场，恒定的磁场不能产生电场。

4、电磁波在真空中的传播速度为光速C，空气中电磁波的传播速度可近似为光速C。

5、赫兹在人类历史上首先捕捉到了电磁波。

【例题】如下图所示，一个水平放置的玻璃环形小槽，槽内光滑，槽的宽度和深度处处相同。现将一直径略小于槽宽的带正电的小球放入槽内，让小球获一初速度v0如图示方向在槽内开始运动，与此同时，有一变化的磁场竖直向下穿过小槽外径所包围的面积，磁感应强度的大小随时间成正比增大。设小球运动过程中带电量不变，那么 （ ）

A．小球受到的向心力大小不变

B．小球受到的向心力大小增大

C．磁场力对小球做功

D．小球受到的磁场力不断增大

【例题】带电圆环绕圆心旋转，在环的圆心处有一闭合小线圈，小线圈和圆环在同一平面内，则 ( )

A．只要圆环在转动，小线圈内就一定有感应电流

B．不管圆环怎样转动，小线圈内都没有感应电流

C．圆环在做变速转动时，小线圈内一定有感应电流

2 D．圆环做匀速转动时，小线圈内没有感应电流

一：电磁振荡

LC回路（LC回路是最简单的振荡电路）：

[

理解：一个周期内LC回路电磁振荡中的各物理量的变化情况。

正向放电过程：电容板上的电荷量逐渐减少，电容板间电场强度逐渐减弱，电场能逐渐减小；电路中的电流逐渐增大，电感的感应磁场强度逐渐增强，磁场能逐渐增大。

正向放电完毕时刻：电容板上的电荷量为零，电容板间电场强度为零，电场能为零；电路中的电流最大，电感的感应磁场强度最强，磁场能最大。

反向充电过程：电容板上的电荷量逐渐增大，电容板间电场强度逐渐增强，电场能逐渐增大；电路中的电流逐渐减小，电感的感应磁场强度逐渐减弱，磁场能逐渐减小。

反向充电完毕时刻：电容板上的电荷量最大，电容板间电场强度最强，电场能最大；电路中的电流为零，电感的感应磁场强度为零，磁场能为零。

反向放电过程：电容板上的电荷量逐渐减少，电容板间电场强度逐渐减弱，电场能逐渐减小；电路中的电流逐渐增大，电感的感应磁场强度逐渐增强，磁场能逐渐增大。

反向放电完毕时刻：电容板上的电荷量为零，电容板间电场强度为零，电场能为零；电路中的电流最大，电感的感应磁场强度最强，磁场能最大。 正向充电过程：电容板上的电荷量逐渐增大，电容板间电场强度逐渐增强，电场能逐渐增大；电路中的电流逐渐减小，电感的感应磁场强度逐渐减弱，磁场能逐渐减小。

正向充电完毕时刻：电容板上的电荷量最大，电容板间电场强度最强，电场能最大；电路中的电流为零，电感的感应磁场强度为零，磁场能为零。

总结：电磁振荡在一个周期内是电荷与电流的相互转化，电场能与磁场能的相互转化，如果没有能量损失，振荡可以永远持续下去，振荡电流的幅度保持不变。但是，任何电路都有电阻，电路中有一部分能量转化为内能；再根据麦克斯韦电磁场理论，电路中还有一部分能量以电磁波的形式辐射出去。这样，振荡电路中的能量会逐渐减小，直到最后停止振荡。实际电路中由电源通过晶体管等电子器件为LC电路补充能量，使电磁振荡能够持续下去。

I、电磁振荡如果没有能量损失，也不受其它外界影响，这时的周期和频率叫振荡电路的固有周期和固有频率。

3

1T=2LCf

线圈中磁场方向变化的周期和电容器中电场方向变化的周期均为： T=2LC

电容器充、放电的周期和电场能与磁场能相互转化的周期均为：T=LC

II、LC回路中产生的电流呈正弦函数变化。

III、由动态平衡可知电路中的感应电动势总是和平行板电容器两板间的电压相等。

【例题】如下图所示，电源电动势为，内阻为r，则接通开关S后，下列说法正确的是（ ）

A、a，f两点间的电压始终为

B、b，f两点间的电压由0开始随时间逐渐增大，最终等于

C、b，e两点间的电压由0开始随时间逐渐增大，最终等于

D、a，b两点间的电压逐渐减小，最后等于0

对。答案：CD

二：电磁波的发射与接收

①无线电波的发射

注意：要使电磁波有效地发射，则振荡电路必须具备如下两个特点

1、将振荡电路由闭合回路变成开放电路

实际应用中的开放电路，线圈的一端用导线与大地相连，这条导线叫地线；线圈的另一端与高高地架在空中的天线相连。无线电波就是由这样巨大的开放电路发射出去的。

2、要有足够高的振荡频率，振荡频率越高发射电磁波的本领越强，也能够携带更多的信息。

I、电磁波的频率越大即能量越高，越容易在空气中传播。

II、电磁波的频率越小，则波长越大，越容易衍射， 故越容易沿地面传播。

调制：使电磁波随着传递信号而改变，从而达到利用电磁波传递信号的目的。（载波）

4

1、调幅：使高频电磁波的振幅随信号的强弱而变化。

2、调频：使高频电磁波的频率随信号的强弱而变化。

②电磁波的接收

调谐：通过调节电容可以改变电路的固有频率，使它跟要接收的电磁波频率相同，这个频率的电磁波在调

谐电路中激起最强的振荡电流（即电谐振），于是就选择了这个电台。

1、解调：调制的逆过程。

2、调幅波的解调也叫检波。

③电磁波与信息化社会 电磁波可以通过电缆、光缆进行有线传播，也可以实现无线传播。电磁波的频率越高，相同时间内传递的信息量越大。光的频率比无线电波的频率高得多，因此光缆可以传递大量信息。

应用：电视、雷达、移动电话、因特网等。

三：电磁波谱

按照波长或频率的顺序把这些电磁波排列起来，就是电磁波谱。如果把每个波段的频率由低至高依次排列的话，它们是无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线及γ射线。（以无线电波的波长最长，γ射线的波长最短）

注意：36910110101010mmmmnm埃

1、无线电波（波长：大于1毫米），应用于通信，广播及其它信号传输。

2、微波（波长：1毫米~1米），这些波多用在雷达和其它通讯系统。

注意：微波是一种高频率的电磁波，但微波被食物吸收时，食物内的极性分子（如水分子等）会以很高的频率快速振荡，使分子间相互作用而产生大量热。微波炉就是利用食物分子本身产生的热，里外同时快速加热食物的。微波能够穿过陶瓷器、玻璃等，但是微波遇到金属时会被金属反射。

注意：雷达利用发射和接受微波的时间间隔来确定距离，所以可以根据12xt来确定和目标间的距离

例：若空气中有一微波区域，则飞机经过该区域时，飞机的金属外壳对微波的反射作用而使飞机安全无恙；但微波对飞鸟是致命的，因为微波是高频信号，易在飞鸟身上产生涡流。

3、红外线（波长：0.76微米～400微米），红外线的热效应特别显著，在生产中广泛用于对谷物、木材、皮革、颜料、油漆等的干燥处理。一切物体都发射红外线，热物体的红外线辐射比冷物体的红外线辐射强，利用这一特点我们可以制作红外线夜视镜等。主要应用还有红外探测，红外线遥感等。

例：理疗医用“神灯”照射伤口，可使伤口愈合得较好。这里的“神灯”又称红外线灯，它利用

5 的是红外线的热效应，使人体局部受热，血液循环加快，从而有利于伤口的愈合。

4、可见光（波长：400nm—700nm），这是人们所能感光的极狭窄的一个波段。

I、波长依次减小：红、橙、黄、绿、青、蓝、紫。

II、应用于光的干涉、光的衍射实验等。

注意：光是否发生干涉现象或衍射现象与人是否能看到光的干涉现象或衍射现象是没有任何关系的。

例：无线电波射到1m的孔上会产生明显衍射现象，但是这种明显的衍射现象是人眼无法直接观察到的。

5、紫外线（波长：5nm—370nm），具有较高的能量，可以灭菌消毒（例：紫外线灯）。少量紫外线对人体有益，但过量会伤害人的眼睛和皮肤，足以破坏细胞核中的物质。有显著的化学效应和荧光效应，可以设计防伪商标及制成验钞机等。

6、X射线（伦琴射线）【波长：0.01nm—10nm】，具有很强的穿透性，一般对人体不会造成太大的伤害，但过量的X射线辐射会引起生物体的病变。X射线可以穿透物质，在医学中可以用来检查人体内部器官即人体透视（例：X光机）。工业中可用来探测金属部件内部的缺陷，还可以应用于机场安检等。

注意：高速运动的电子碰到障碍物时，会产生X射线。（因为电子被急剧地阻挡而失去动能，电子失去的动能一部分转化为热能，另一部分以X射线的形式辐射）

【例题】下图为伦琴射线管的示意图，K为阴极钨丝，发射的电子的初速度为零，A为对阴极（阳极），当AK之间加直流电压U=30KV时，电子被加速打在对阴极A上，使之发出伦琴射线，设电子的动能全部转化为伦琴射线的能量。（已知电子电量e=1.6×10-19C,质量m=9.1×10-31Kg,普朗克常量h=6.63×10-34 JS）

求：（1）电子到达对阴极的速度（取一位有效数字）。

（2）由对阴极发出的伦琴射线的最短波长。 （3）若AK间的电流为10mA，那么每秒钟从对阴极最多能辐射出多少个伦琴射线光子。

7、γ射线（波长：小于0.01nm），γ射线有很强的穿透力，工业中可用来探测金属部件内部的缺陷，γ射线对细胞有杀伤力，医疗上用来治疗肿瘤。

6 注意：γ射线对人体细胞伤害太大，不能用来进行人体透视。

注意：电磁波具有能量，电磁波是一种物质。 太阳辐射：阳光从太阳中辐射出来，其中含有可见光，还有无线电波，红外线，紫外线，X射线，γ射线。太阳辐射能量集中在可见光、红外线和紫外线三个区域，而且在波长为75.510m的黄绿光附近辐射的能量最强，人眼也正好对这个区域的电磁波辐射最敏感，这样就能看到最多的东西，获得最丰富的信息。