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- 2021-05-27 发布
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第1讲 电磁波的发现
[目标定位] 1.理解麦克斯韦电磁场理论的两个支柱:变化的磁场产生电场,变化的电场产生磁场.了解变化的电场和磁场相互联系形成统一的电磁场.2.了解电磁场在空间传播形成电磁波.3.了解麦克斯韦电磁场理论以及赫兹实验在物理学发展中的贡献.体会两位科学家研究物理问题的方法.
一、伟大的预言
1.变化的磁场产生电场
(1)在变化的磁场中放一个闭合的电路,由于穿过电路的磁通量发生变化,电路里会产生感应电流.这个现象的实质是变化的磁场在空间产生了电场.
(2)即使在变化的磁场中没有闭合电路,也同样要在空间产生电场.
2.变化的电场产生磁场
变化的电场也相当于一种电流,也在空间产生磁场,即变化的电场在空间产生磁场.
3.麦克斯韦不仅预言了电磁波的存在,而且揭示了电、磁、光现象在本质上的统一.
想一想 麦克斯韦从什么现象认识到变化的磁场能产生电场?关于“变化的电场能够产生磁场”的观点,他是在什么情况下提出的?
答案 麦克斯韦从法拉第电磁感应现象认识到变化的磁场能够产生电场.麦克斯韦确信自然界规律的统一与和谐,相信电场与磁场有对称之美.他认为:既然变化的磁场能够在空间产生电场,那么变化的电场也能够在空间产生磁场.
二、电磁波
1.电磁波的产生:如果在空间某区域有不均匀变化的电场,那么这个变化的电场就在空间引起变化的磁场;这个变化的磁场又会引起新的变化电场……于是,变化的电场和磁场交替产生,由近及远地传播.电磁场这样由近及远地传播,就形成电磁波.
2.特点
(1)电磁波可以在真空中传播.
(2)电磁波的传播速度等于光速.
(3)光在本质上是一种电磁波.
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(4)光是以波动形式传播的一种电磁振动.
想一想 空间存在如图4-1-1所示的电场,那么在空间能不能产生磁场?在空间能不能形成电磁波?
图4-1-1
答案 如图所示的电场是均匀变化的,根据麦克斯韦电磁场理论可知会在空间激发出磁场,但磁场恒定,不会再在较远处激发起电场,故不会产生电磁波.
三、赫兹的电火花
1.赫兹首先捕捉到电磁波,在以后的一系列实验中,证明了电磁波与光具有相同的性质.他还测得,电磁波在真空中具有与光相同的传播速度c.
2.赫兹证实了麦克斯韦关于光的电磁理论.
3.赫兹被誉为无线电通信的先驱.后人为了纪念他,把频率的单位定为赫兹.
想一想 是赫兹预言了电磁波的存在,并用实验证实其存在的吗?
答案 不是.麦克斯韦预言了电磁波的存在,赫兹通过实验证实了电磁波的存在.
一、对麦克斯韦电磁场理论的理解
1.变化的磁场产生电场
如图4-1-2所示,麦克斯韦认为在变化的磁场周围产生电场,是一种普遍存在的现象,跟闭合电路(导体环)是否存在无关.导体环的作用只是用来显示电流的存在.
图4-1-2
注意 在变化的磁场中所产生的电场的电场线是闭合的;而静电场中的电场线是不闭合的.
2.变化的电场产生磁场
根据麦克斯韦理论,在给电容器充电的时候,不仅导体中的电流要产生磁场,而且在电容器两极板间变化着的电场周围也要产生磁场.(如图4-1-3所示).
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图4-1-3
3.小结
(1)变化的磁场在周围空间产生电场,变化的电场也在周围空间产生磁场.
(2)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.
(3)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.
例1 关于电磁场理论的叙述正确的是( )
A.变化的磁场周围一定存在着电场,与是否有闭合电路无关
B.周期性变化的磁场产生同频率变化的电场
C.变化的电场和变化的磁场相互关联,形成一个统一的场,即电磁场
D.电场周围一定存在磁场,磁场周围一定存在电场
答案 AB
解析 变化的磁场周围产生电场,当电场中有闭合回路时,回路中有电流.若无闭合回路,电场仍然存在,A正确;若形成电磁场必须有周期性变化的电场和磁场,B对,C、D错.
针对训练1 如图4-1-4所示是某一固定面的磁通量的变化图象,在它周围空间产生的电场中的某一点场强E应是( )
图4-1-4
A.逐渐增强 B.逐渐减弱
C.不变 D.无法确定
答案 C
解析 由图象可知,磁场在均匀变化,故在磁场周围产生的电场是稳定不变的.
二、对电磁波的理解
1.电磁波的形成
变化的电场和磁场交替产生,形成电磁场,电磁场由近及远传播,形成电磁波.
2.电磁波的特点
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(1)电磁波是横波.电磁波中的电场和磁场互相垂直,电磁波在与二者均垂直的方向传播.
(2)电磁波的传播不需要介质.在真空中传播速度等于光速c=3.00×108 m/s.
(3)电磁场储存电磁能,电磁波的发射过程就是辐射能量的过程.
(4)电磁波具有波的一切特性,能够发生反射、折射等现象.
例2 下列关于电磁波的说法中正确的是( )
A.只要电场和磁场发生变化,就能产生电磁波
B.电磁波的传播需要介质
C.停止发射电磁波,发射出去的电磁波仍能独立存在
D.电磁波具有能量,电磁波的传播是伴随着能量向外传递的
答案 CD
解析 要想产生持续的电磁波,变化的电场(或磁场)产生的磁场(或电场)必须是非均匀变化的,所以A选项错误;电磁波是物质波,电磁波的传播可以不需要介质而在真空中传播,B选项错误;电磁波可以脱离“波源”而独立存在,C选项正确;电磁波可以使电荷移动,说明电磁波具有能量,电磁波传播的过程,也就是能量的传播过程,所以D正确.
针对训练2 关于电磁波在真空中的传播速度,以下说法正确的是( )
A.电磁波的频率越高,传播速度越大
B.电磁波的波长越长,传播速度越大
C.电磁波的能量越大,传播速度越大
D.所有电磁波在真空中的传播速度都相等
答案 D
解析 电磁波在真空中的传播速度为光速,与其他因素无关.
对麦克斯韦电磁场理论的理解
1.关于电磁场理论,下列说法中正确的是( )
A.在电场的周围空间一定产生磁场
B.任何变化的电场周围空间一定产生变化的磁场
C.均匀变化的电场周围空间产生变化的磁场
D.振荡电场在周围空间产生变化的磁场
答案 D
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解析 由麦克斯韦电磁场基本理论知:不变化的电场周围不产生磁场,变化的电场周围一定产生磁场,产生的磁场性质是由电场的变化情况决定的,均匀变化的电场产生稳定的磁场,不均匀变化的电场产生变化的磁场,振荡的电场产生同频率振荡的磁场,反之亦然,故选项D正确.
2.在空间某处存在一个变化的磁场,则下列说法正确的是( )
A.在变化的磁场周围一定能产生变化的电场
B.在磁场中放一个闭合线圈,线圈里一定有感应电流
C.在磁场中放一个闭合线圈,线圈里不一定有感应电流
D.变化的磁场周围产生电场,跟闭合线圈的存在与否无关
答案 CD
解析 均匀变化的磁场周围产生稳定的电场,A错;在磁场中放置一个闭合线圈,如果穿过线圈的磁通量没有变化,则不会产生感应电动势,也就不会有感应电流,B错,C对;变化的磁场周围一定产生电场,与是否存在线圈无关,D对.
对电磁波的理解
3.关于电磁场和电磁波,下列叙述中正确的是( )
A.均匀变化的电场在它周围空间产生电磁波
B.电磁波必须依赖于介质传播
C.电磁波中每一处的电场强度和磁感应强度总是互相垂直,且与波的传播方向垂直
D.只要空间某个区域有振荡的电场或磁场,就能产生电磁波
答案 CD
解析 均匀变化的电场在它周围产生稳定的磁场,由电磁场理论知,稳定的磁场不再产生电场,所以不能形成电磁波,故A项错;电磁波是周期性变化的电场与磁场的交替激发,所以传播不需要介质,B项错.
4.对于声波和电磁波的比较,下面说法中正确的是( )
A.它们都能发生反射现象
B.声音是由物体振动产生的,电磁波是由变化的电磁场产生的
C.光是一种电磁波,B超利用的是超声波
D.它们都能在真空中传播
答案 ABC
解析 声波和电磁波都属于波,所以它们都具有波的共性,能发生反射现象,故选项A正确
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;但它们产生的机理不同,声音是由物体振动产生的,电磁波是由变化的电磁场产生的,故选项B正确;光是一种电磁波,B超利用的是超声波,故选项C正确;电磁波既能在介质中传播又能在真空中传播,而声波只能在介质中传播,故选项D错误.
(时间:60分钟)
题组一、对麦克斯韦电磁场理论的理解
1.下列说法中,正确的有( )
A.最早发现电和磁有密切联系的科学家是奥斯特
B.电磁感应现象是法拉第发现的
C.建立完整的电磁场理论的科学家是麦克斯韦
D.最早预见到有电磁波存在的科学家是赫兹
答案 ABC
解析 最早预见到有电磁波的科学家是麦克斯韦,赫兹用实验证明了电磁波的存在,D项不正确;由物理学史的知识可知,其他三项都是正确的.
2.按照麦克斯韦的电磁场理论,以下说法正确的是( )
A.恒定的电场周围产生恒定的磁场,恒定的磁场周围产生恒定的电场
B.变化的电场周围产生磁场,变化的磁场周围产生电场
C.均匀变化的电场周围产生均匀变化的磁场,均匀变化的磁场周围产生均匀变化的电场
D.均匀变化的电场周围产生稳定的磁场,均匀变化的磁场周围产生稳定的电场
答案 BD
解析 麦克斯韦的电磁场理论的核心内容是:变化的电场周围产生磁场;变化的磁场周围产生电场.对此理论全面正确的理解为:不变化的电场周围不产生磁场;变化的电场周围可以产生变化磁场,也可以产生不变化磁场;均匀变化的电场周围产生稳定的磁场;周期性变化的电场产生同频率的周期性变化的磁场,由变化的磁场产生电场的规律与以上类似,故正确答案为B、D.
3.根据麦克斯韦电磁场理论,下列说法正确的是( )
A.电场周围一定产生磁场,磁场周围也一定产生电场
B.变化的电场周围一定产生磁场,变化的磁场周围也一定产生电场
C.变化的电场周围一定产生变化的磁场
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D.电磁波在真空中的传播速度为3.00×108 m/s
答案 BD
解析 根据麦克斯韦的电磁场理论,只有变化的电场周围产生磁场,变化的磁场周围产生电场,但变化的电场周围不一定产生变化的磁场,如均匀变化的电场产生的是稳定的磁场,所以正确的选项是B、D.
4.某电场中电场强度随时间变化的图象如图所示,能产生磁场的电场是( )
答案 ABC
解析 根据麦克斯韦电磁场理论可知变化的电场产生磁场,选项A、B、C正确.
题组二、对电磁波的理解
5.下列说法正确的是( )
A.电磁波即电磁场在空间的传播
B.麦克斯韦依据光速和电磁波速度相同而预言光是一种电磁波
C.赫兹不仅证实了电磁波的存在,还证实了光和电磁波具有相同的性质
D.电磁波和机械波最大的不同点是其传播不需要介质
答案 ABCD
6.下列关于机械波与电磁波的说法正确的是( )
A.声波是机械波,耳朵能够听到声波,是因为耳朵和声源之间有空气
B.水波的传播需要水,没有水就没有水波
C.电磁波传播需要空气,没有空气,即使产生了电磁波也传不出来
D.电磁波的传播速率等于光速,不受其它因素影响
答案 AB
解析 机械波的传播需要介质,在真空中不能传播;电磁波可以在真空中传播,选项A、B正确,C错误;电磁波只有在真空中的速度才等于光速,选项D错误.
7.某电路中电场随时间变化的图象如图所示,能发射电磁波的电场是( )
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答案 D
解析 由麦克斯韦电磁场理论,当空间出现恒定的电场时(如A图),由于其不激发磁场,故无电磁波产生;当出现均匀变化的电场(如B图、C图),会激发出磁场,但磁场恒定,不会再在较远处激发起电场,故也不会产生电磁波;只有周期性变化的电场(如D图),才会激发出周期性变化的磁场,周期性变化的磁场又激发出周期性变化的电场……,如此不断激发,便会形成电磁波.
8.下列关于电磁波的说法中,正确的是( )
A.电磁波可以在真空中传播
B.电磁波不能在空气中传播
C.麦克斯韦第一次通过实验验证了电磁波的存在
D.法拉第第一次通过实验验证了电磁波的存在
答案 A
解析 电磁波可以在真空中传播,A对,B错;麦克斯韦预言了电磁波的存在,赫兹第一次用实验证实了电磁波的存在,故C、D错.
9.关于电磁波,下列说法正确的是( )
A.光不是电磁波
B.电磁波需要有介质才能传播
C.只要有电场和磁场,就可以产生电磁波
D.真空中,电磁波的传播速度与光速相同
答案 D
解析 光也是一种电磁波,在真空中传播的速度为3.0×108 m/s,传播过程中不需要介质,故A、B错误,D正确;只有非均匀变化的电场或磁场,才能产生电磁波,故C错误.
10.有一种“隐形飞机”,可以有效避开雷达的探测,秘密之一在于它的表面有一层特殊材料,这种材料能够______(填“增强”或“减弱”)对电磁波的吸收作用,秘密之二在于它的表面制成特殊形状,这种形状能够________(填“增强”或“减弱”)电磁波反射回雷达设备.
答案 增强 减弱
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解析 题目介绍了电磁波在军事上的用途.电磁波如果遇到尺寸明显大于波长的障碍物就要发生反射,雷达就是利用电磁波的这个特性工作的.要有效避开雷达的探测,就要设法减弱电磁波的反射.据此即可确定答案.
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