2017_2018高中物理第4章电磁波与电信息技术章末分层突破教师用书教科版选修1

1 电磁波2 电磁波谱学习目标知识脉络1.知道麦克斯韦的电磁场理论．(重点)2．理解变化的电场和磁场相互激发形成电磁场．(难点)3．知道电磁波的基本性质．(重点)4．会用v＝λf解决问题．5．知道电磁波的不同波段和用途.[知识梳理]一、电磁波1．麦克斯韦的大胆假设(1)变化的磁场能产生电场．(2)变化的电场也能产生磁场．2．电磁波(1)变化的电场和磁场相互激发不断向外传播，这就是电磁波．(2)赫兹用实验的方法验证了电磁波的存在．3．电磁波的基本性质(1)电磁波具有能量与质量，是物质运动的一种形式．(2)电磁波可以在真空中传播，它的传播速度等于光速，即v＝c＝3×108 m/s.(3)单位时间内电磁波所发送的能量与振荡频率有关；频率愈大，发送的能量愈多．二、电磁波谱1．电磁波的波长、频率和波速的关系式为c＝λf，频率越高的电磁波，波长越短．2．通常把电磁波分为七个波段：无线电波、微波、红外辐射(红外线)、可见光、紫外辐射(紫外线)、X射线(伦琴射线)、γ射线．[基础自测]1．思考判断(1)均匀变化的磁场产生均匀变化的电场．( ) (2)电磁波的传播不需要介质．( ) (3)赫兹证实了麦克斯韦的电磁场理论．( ) (4)波在传播过程中，频率不变( )(5)电磁波在真空中的速度最大，其值为3.0×108m/s.( ) (6)红外线的波长大于紫外线的波长．( )【提示】 (1)× (2)√ (3)√ (4)√ (5)√ (6)√2．电磁波在现代生活中有着广泛的应用，建立完整的电磁场理论并预言电磁波存在的科学家是( )A ．法拉第B ．麦克斯韦C ．奥斯特D ．爱因斯坦B [麦克斯韦是建立完整的电磁场理论并预言电磁波存在的科学家．]3．电磁波在空中的传播速度为v ，北京交通广播电台的频率为f ，该电台所发射电磁波的波长λ为( )A ．vf B ．1vfC ．f vD ．vfA [根据光速、频率、波长之间关系有：v ＝λf ，所以波长为：λ＝v f，故A 正确，BCD 错误．]4．在电磁波中，频率不同的电磁波具有不同的特性、真空中，红外线、紫外线和X 射线的波长由长到短排列顺序正确的是( )A ．X 射线、紫外线、红外线B ．X 射线、红外线、紫外线C ．红外线、紫外线、X 射线D ．紫外线、红外线、X 射线C [真空中，红外线、紫外线和X 射线的波长由长到短排列顺序正确的是：红外线、紫外线、X 射线．故C 正确．][合 作 探 究·攻 重 难]电磁波的产生和特点1(1)对变化的磁场产生电场的探究图4­1­1探究实验1：装置如图4­1­1所示，当穿过螺线管的磁场随时间变化时，上面的线圈中产生感应电动势，引起感应电流使灯泡发光．①线圈中产生感应电动势说明了什么？麦克斯韦认为变化的磁场在线圈中产生电场，正是这种电场(涡旋电场)在线圈中驱使自由电子做定向移动，产生感应电流．②如果用不导电的塑料线绕制线圈，线圈中还会有电流、电场吗？(没有)③想象线圈不存在时线圈所在处的空间还有电场吗？(有)实验结论：如图4­1­2(甲)所示，麦克斯韦认为线圈只不过是用来显示电场的存在，如图4­1­2(乙)所示线圈不存在时，变化的磁场同样在周围空间产生电场，即这是一种普遍存在的现象，跟闭合电路线圈是否存在无关．线圈的作用只是用来显示电流的存在．图4­1­2④静电场其电场线的特点是起于正电荷止于负电荷，不会闭合，而变化的磁场产生的电场其电场线是闭合的．(2)对变化的电场产生磁场的探究探究实验2：①静止电荷周围的小磁针不偏转，运动电荷周围的小磁针发生偏转．②在电容器充放电时，周围的小磁针发生摆动．实验分析：静止电荷的周围是稳定的电场，不产生磁场，电荷运动时，周围产生的是变化的电场，产生磁场使小磁针摆动，在给电容器充、放电时，两极板上的电荷量发生变化，引起两板间的电场发生变化，从而在周围产生磁场使小磁针摆动．在给电容器充、放电的时候，不仅导体中电流要产生磁场，而且在电容器两极板间周期性变化着的电场周围也要产生磁场．实验结论：在变化的电场周围空间中产生磁场．2．电磁波的特点(1)电磁波是横波，在传播方向上任一点电场E和磁场B随时间按正弦规律变化，E的方向和B的方向彼此垂直且与电磁波的传播方向垂直．(2)电磁波的传播速度v＝λf，在真空中的传播速度等于光速．(3)电磁场中以电场和磁场的形式贮存着能量——电磁能．电磁波的发射过程就是辐射能量的过程．(4)麦克斯韦预言了电磁波的存在，赫兹证实了电磁波的存在，测出了波长和频率，证实了电磁波在真空中传播速度等于光速，验证了电磁波的反射、折射、衍射和干涉等现象．(多选)下列说法正确的是( )A．恒定电流能够在周围空间产生稳定的磁场B．稳定电场能够在周围空间产生稳定的磁场C．均匀变化的电场能够在周围空间产生稳定的磁场D．均匀变化的电场和磁场互相激发，形成由近及远的电磁场AC[根据奥斯特实验可以验证电流的磁效应，当电流恒定时产生的磁场是稳定的，故A正确．稳定的电场不能产生磁场，故B错误．电场变化时产生磁场，且均匀变化时产生稳定磁场，故C正确．均匀变化的电场产生稳定磁场，而稳定的磁场不能再次激发电场，故不能形成由近及远的电磁场，D错误．]在理解麦克斯韦的电磁场理论时，要注意静电场不产生磁场，稳定的磁场也不产生电场.[针对训练]1．电磁波在真空中的传播速度为________m/s，某电台发射的电磁波的频率为300 kHz，它的波长为________m.【解析】电磁波在真空中的传播速度为c＝3×108 m/s根据c＝λf，有λ＝c/f＝3×108300×103m＝1 000 m【答案】3×108 1 000电磁波谱及其应用1无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线合起来，构成了范围非常广泛的电磁波谱．可见光只是其中很窄的一个波段．由于它们都是本质相同的电磁波，所以它们的行为都遵循共同的规律，但另一方面，由于它们的频率不同而又呈现出不同的特性．例如，波长较长的无线电波，很容易表现出干涉、衍射现象，但对波长越来越短的可见光、紫外线、X射线、γ射线，要观察到它们的干涉、衍射现象越来越困难了．2．电磁波谱中各种波段的特征用途比较电磁波谱无线电波红外线可见光紫外线伦琴射线γ射线特性波动性强热作用强感光性化学作用穿透力强穿透力最强荧光效应强用途通讯广播、导航加热、遥测遥感、红外摄像、红外制导照明、照相等杀菌消毒、治疗皮肤病等检查、探测、透视、治疗探测、治疗产生机理振荡电路中自由电子的周期性运动原子外层电子受到激发原子内层电子受到激发原子核受激发说明振荡电路中产生一切物体都能辐射由七种色光组成一切高温物体都能辐射伦琴射线管中高速电子流射至阳极产生放射性元素衰变时产生递变规律――――――――――――→频率变大，衍射能力减弱A．红外线的波长比紫外线的波长短B．可见光不属于电磁波C．无线电波的波长比γ射线波长要长D．无线电波的波长大于1 mmCD[按照波长由小到大的顺序排列，电磁波可划分为γ射线、X射线、紫外线、可见光、红外线和无线电波，而波长大于1 mm的电磁波属于无线电波．所以C、D正确．]从无线电波到γ射线都是本质相同的电磁波，其行为服从共同的规律，但因波长或频率不同又表现出不同的特点.要熟记各部分的波长、频率范围及其关系，知道同一电磁波的波长与频率成反比.[针对训练]2．(多选)电磁波按波长大小的顺序把它们排列成谱，如图4­1­3所示，由电磁波谱可知( )图4­1­3A．微波是不可见光B．红外线可以杀菌消毒C．紫外线的波长比红外线长D．X射线能穿透物质，可以用来检查生物骨骼结构AD[微波是不可见光，选项A正确；红外线有热作用，紫外线可以杀菌消毒，选项B 错误；紫外线的波长比红外线短，选项C错误；X射线能穿透物质，可以用来检查生物骨骼结构，选项D正确；故选AD.][当堂达标·固双基]1．电磁场理论预言了什么( )A．预言了变化的磁场能够在周围空间产生电场B．预言了变化的电场能够在周围产生磁场C．预言了电磁波的存在，电磁波在真空中的速度为光速D．预言了电能够产生磁，磁能够产生电C[麦克斯韦预言了电磁波的存在，并计算出了电磁波的传播速度等于光速．]2．对红外线的作用及来源不正确的叙述有( )A．一切物体都在不停地辐射红外线B．红外线有很强的荧光效应C．红外线最显著的作用是热作用D．红外线容易穿过云雾、烟尘B[一切物体都在不停地辐射红外线，且热的物体比冷的物体的红外线辐射本领大，A 正确．荧光效应是紫外线特性，红外线没有，红外线的最显著作用是热作用，B错误，C正确．红外线波长较长，衍射能力比较强，D正确．故选B.]3．根据麦克斯韦的电磁场理论，下列说法中正确的是( )A．在电场周围一定产生磁场，在磁场周围一定产生电场B．在变化的电场周围一定产生变化的磁场，在变化的磁场周围一定产生变化的电场C．均匀变化的电场周围一定产生均匀变化的磁场D．周期性变化的电场周围一定产生周期性变化的磁场D[根据麦克斯韦的电磁场理论，只有变化的电场才能产生磁场，均匀变化的电场产生稳定的磁场，非均匀变化的电场产生变化的磁场．故选D.]4．①验钞机的紫外线、②电视机遥控器的红外线、③C T机的X射线，它们都是电磁波，按频率从高到低的排列顺序是( )A．①②③B．③②①C．②③①D．③①②D[CT机的X射线的频率高于验钞机的紫外线的频率；验钞机的紫外线的频率高于电视机遥控器的红外线的频率．故D项正确．]。

章末分层突破①液晶②等离子③滚筒④微波⑤电磁感应⑥磁效应⑦电磁感应⑧隔⑨通⑩阻⑪通产品质量与售后服务以及品牌等，还有一个因素则是家庭的经济条件．购进家电后，一般的使用步骤是首先阅读说明书的安装和安全注意事项，看电源是否符合要求；再按要求安装好机器，检查确认后接通电源；然后按说明书的指引学习使用各种功能．说明书应保管好，以供日后遗忘或者维护时查阅．如图4­1是一种电水壶的铭牌．某同学用这种电水壶烧水，他将水放至最大水量，测得水的温度是18 ℃，通电5 min 50 s 水烧开(标准大气压下)，试通过计算，回答下列问题：(1)此水壶正常工作时的电流是多大？ (2)该电水壶电热丝的电阻是多少？(3)若测得电源电压实际为210 V ，算一算此电水壶工作的效率是多大？ 【解析】 (1)水壶的额定电压为220 V ，额定功率为1 280 W ，根据公式：I 额＝P 额U 额＝1 280220A ＝5.82 A.(2)由于电水壶是纯电阻用电器，所以R ＝U 额I 额＝2205.82Ω＝37.8 Ω. (3)电压为210 V 时，实际功率P 实＝U 2实R5 min 50 s 放出热量Q ＝P 实t ＝408 333 J ；电水壶传给水的热量Q ′＝cm ·Δt ＝344 400 J所以电水壶效率η＝Q ′Q×100%＝84.3%. 【答案】 (1)5.82 A (2)37.8 Ω (3)84.3%1.用电器正常工作的条件(1)用电器两端的实际电压等于其额定电压； (2)用电器中的实际电流等于额定电流； (3)用电器的实际电功率等于其额定功率．由于以上三个条件中的任何一个得到满足时，其余两个条件同样满足，因此它们是用电器正常工作的等效条件，灵活选用等效条件，往往能够简化解题过程．2．用电器接入电路时的约定(1)纯电阻用电器接入电路中，若无特别说明，应认为其电阻不变；(2)用电器的实际功率超过额定功率时，认为它将被烧毁，不考虑其安全系数； (3)没有注明额定值的用电器(如用于限流的变阻器等)接入电路时，认为其工作的物理量均小于其额定值，能安全使用．如图4­2所示电路中E 为电源，其电动势E ＝9.0 V ，内阻可忽略不计，AB 为滑动变阻器，其电阻R ＝30 Ω，L 为一小灯泡，其额定电压U ＝6.0 V ，额定功率P ＝1.8 W ；S 为开关，开始时滑动变阻器的触头位于B 端，现在接通开关S ，然后将触头缓慢地向A 方滑动，当到达某一位置C 处时，小灯泡刚好正常发光，则CB 之间的电阻应为( )图4­2A ．10 ΩB ．20 ΩC ．15 ΩD ．5 Ω【解析】 灯泡的工作电流I ＝P U ＝1.86 A ＝0.3 A此时AC 间电阻R 1＝U 1I ＝9－60.3Ω＝10 Ω故CB 间电阻为R 2＝R －R 1＝20 Ω 故B 选项正确． 【答案】 B1．如图4­3所示的电路中，若要灯泡持续发光，则S 端应该接入( )【导学号：75392143】图4­3A．交流电源B．直流电源C．滑动变阻器D．开关【解析】电容器在电路中通交流电，隔直流电，要想使灯泡持续发光，S端应接入交流电源，故A正确．【答案】 A2．关于电感器的性质，下列说法正确的是( )A．直流电能够通过电感器，但电感器对直流电有很大的阻碍作用B．交流电能够通过电感器，但电感器对交流电有很小的阻碍作用C．直流电和交流电都不能通过电感器D．直流电和交流电都能通过电感器，但电感器对直流电的阻碍作用很小，而对交流电的阻碍作用很大【解析】根据电感器在电路中对直流电和交流电所起的作用，可判定D正确．【答案】 D3．家庭电路中的保险丝烧断了，下列做法中正确的是( )【导学号：75392144】A．用钢丝代换B．为了保险，选择尽量粗的保险丝代换C．选择额定电流稍小于电路中最大正常工作电流的保险丝替换D．选择额定电流等于或稍大于电路中最大正常工作电流的保险丝替换【解析】用钢丝或尽量粗的保险丝代换时对电路不会起到保护作用；用小于正常工作电流的保险丝又使电路不能正常工作，故应选等于或稍大于电路中最大正常工作电流的保险丝，故选D.【答案】 D4．关于家庭电路，下列说法中正确的是( )A．家庭电路采用的是电压为220 V的交流电B．洗衣机、电冰箱等家用电器都使用三孔插座，是为了节约用电C．在家庭电路中，已有两盏灯正常发光，若再打开电视，则电路中的总电流变小D．可以用铜丝代替保险丝，这样可以防止断电【解析】使用三孔插座，是为了防止因漏电而发生触电事故，故B错，在家庭电路中，并联的用电器越多，总电阻越小，家庭电路的电压220 V不变，则电路中的总电流变大，故C错；保险丝不断电则无法起到保护电路的作用，故D错．【答案】 A5．如图4­4所示，某学生做研究串联电路电压特点的实验时，接成如图所示的电路，接通S后，他将高内阻的电压表并联在A、C两点间时，电压表的读数为U；当并联在A、B 两点间时，电压表读数也为U；当并联在B、C两点间时，电压表读数为零，故障的原因可能是( )图4­4A．AB段断路B．BC段断路C．AB段短路D．BC段无法判断【解析】由题意可得U AB＝U AC＝U，说明由A、B分别至电源的线路均已接通，若BC段完好，则AB段断路；若BC段短路，则AB段可能断路，也可能完好．又由题意得U BC＝0，因而可能AB段断路，或BC段短路，也有可能出现两者同时发生的情况．【答案】 A。

学业分层测评(建议用时：45分钟)1．电磁场理论是谁提出的( )【导学号：46852238】A．法拉第B．赫兹C．麦克斯韦D．安培【解析】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．【答案】 C2．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/s【解析】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3×108m/s，选项D 正确．【答案】 D3．电磁场理论预言了( )【导学号：46852239】A．变化的磁场能够在周围空间产生电场B．变化的电场能够在周围空间产生磁场C．电磁波的存在，电磁波在真空中的速度为光速D．电能够产生磁，磁能够产生电【答案】 C4．(多选)关于电磁场的理论，下面说法中正确的是( )A．变化的电场周围产生的磁场一定是变化的B．变化的电场周围产生的磁场不一定是变化的C．均匀变化的磁场周围产生的电场也是均匀变化的D．振荡电场周围产生的磁场也是振荡的【答案】BD5．某电路中电场随时间变化的图象如图4­1­2所示，能发射电磁波的电场是( )【导学号：46852240】图4­1­2【解析】A是稳定的电场不产生磁场，所以不产生电磁波，B、C的电场都是均匀变化的，会产生稳定的磁场，而稳定的磁场不会产生电场，所以不会产生电磁波，D是振荡的电场，会产生振荡的磁场，电场和磁场交替产生，在空间传播，就能形成电磁波．【答案】 D6．(多选)下列关于电磁波的叙述中，正确的是( )A．电磁波是电磁场由发生区域向远处的传播B．电磁波在任何介质中的传播速度均为cC．电磁波在真空中传播时，传播速度为cD．光是一种电磁波【答案】ACD7．关于电磁场和电磁波，下列说法中不正确的是( )A．变化的电场周围产生变化的磁场，变化的磁场周围产生变化的电场，两者互相联系，统称为电磁场B．电磁场从发生区域由近及远地传播形成电磁波C．电磁波是一种物质，可在真空中传播．所以，平时说真空没有实物粒子，但不等于什么都没有，还有“场”这种特殊物质D．电磁波可在真空中传播，也可在介质中传播【解析】根据麦克斯韦电磁场理论，非均匀变化的电场周围产生变化的磁场，均匀变化的电场周围产生的是稳定的磁场，所以A项错误．【答案】 A8．麦克斯韦电磁场理论的两个基本论点是：变化的磁场产生________，变化的电场产生________，从而预言了________的存在.【导学号：46852241】【答案】电场磁场电磁波9．火星探测器从火星向地球发回成功着陆的信号，发回的信号属于( )【导学号：46852242】A．电磁波B．声波C．超声波D．次声波【解析】从火星到地球之间绝大部分空间是真空，没有传播声波的介质，而电磁波的传播不需要介质，所以选项A正确．【答案】 A10．(多选)如图4­1­3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( )图4­1­3A．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【解析】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．【答案】BC11．如图4­1­4所示，赫兹实验所用的感应圈是一种利用电磁感应产生数十千伏高电压的实验装置，当火花在感应圈的两个金属球间跳动时，旁边导线环的两个小球间也跳过火花，请你解释这个现象．【导学号：46852243】图4­1­4【解析】当火花在感应圈的两个金属球间跳动时，必定产生一个快速变化的电磁场．这种变化的电磁场以电磁波的形式在空间快速传播．当电磁波经过导线环时，迅速变化的电磁场在导线环中激发出感应电动势，使得导线环的两个小球间也产生了火花．在赫兹实验中，感应圈成了电磁波发射器，导线环成了电磁波的检测器．【答案】见解析12．如图4­1­5所示是著名物理学家费曼设计的一个实验，在一块绝缘板中部安装一个线圈，并接有电源，板的四周有许多带负电的小球．将整个装置悬挂起来．接通电源瞬间，整个圆盘将转动一下，你知道这是为什么吗？图4­1­5【解析】接通电源瞬间，线圈中产生变化的电流，从而产生变化的磁场，根据麦克斯韦电磁场理论，该变化的磁场在空间产生电场，带负电的小球在电场中因受电场力而带动圆盘转动一下．【答案】见解析。

高中物理·选修1-1·教科版
章末整合
• 一、麦克斯韦电磁场理论 • 1．变化的磁场产生电场 • (1)均匀变化的磁场产生稳定的电场； • (2)振荡磁场产生振荡电场． • 2．变化的电场产生磁场 • (1)均匀变化的电场产生稳定的磁场； • (2)振荡电场产生振荡磁场．
• 【例1】 (单选)关于麦克斯韦电磁场理论， 下列说法正确的是
• 解析 紫外线具有杀菌、消毒的作用，X射 线穿透能力较强，因此医院里常用紫外线 对病房和手术室进行消毒，用X射线透视人 体；在人造地球卫星上对地球进行拍摄是 利用射线的衍射能力较强，容易透过云雾 烟尘，因而用波长较长的红外线．
再见
• 【例2】 (多选)下列关于电磁波的说法中 正确的是
•( ) • A．电磁波传播不需要质 • B．电磁波在任何介质中传播速率相同 • C．电磁波不能产生干涉 • D．电磁波能产生衍射 • 答案 AD
• 解析 电磁波具有波的共性，可以发生反 射、折射、干涉、衍射等现象．电磁波的 传播不需要介质，且在真空中传播的速度 是光速．电磁波在介质中的波速和频率有 关．电磁波由一种介质进入另一种介质， 频率是不变的．故选项A、D正确．
• 变式训练 (多选)应用麦克斯韦电磁场理论 判断如图所示的表示电场产生磁场(或磁场 产生电场)的关系图象中(每个选项中上图是 表示变化的场，下图是表示变化的场产生 的另外的场)，正确的是
•( )
答案 BC 解析 A 图中的上图磁场是稳定的，由麦克斯韦电磁场理论可 知周围空间不会产生电场，A 图中的下图是错误的；B 图中的 上图是均匀变化的电场，应该产生稳定的磁场，下图的磁场是 稳定的，所以 B 图正确；C 图中的上图是振荡的磁场，它能产 生同频率的振荡电场，且相位相差π2，C 图是正确的；D 图的 上图是振荡的电场，在其周围空间产生振荡的磁场，但是下图 中的图象与上图相比较，相位相差 π，故 D 不正确．