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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

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