高中物理 第十四章 1 电磁波的发现教材梳理教案 新人教版选修3-41

电磁波的发现疱丁巧解牛知识巧学一、伟大的预言麦克斯韦的电磁理论1.电磁场理论的核心之一：变化的磁场产生电场（1）变化的磁场在线圈中产生感应电动势.（2）实验基础：实验装置如图14-1-1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流，使灯泡发光.图14-1-1 麦克斯韦认为变化的磁场在线圈中产生电场，正是这种电场在线圈中引起了感应电流. 如图1-4-12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14-1-2辨析比较 感应电场与静电场的区别 变化的磁场产生的电场，称之为感应电场，也叫涡旋场，跟前面学过的静电场一样，处于电场中的电荷受力的作用，且F=qE.但它们有显著区别，表现为：静电场的电场线是非闭合曲线，而感应电场的电场线是闭合曲线；静电场有电势的概念，而感应电场中无电势的概念；在同一静电场中，电荷运动一周（路径闭合），电场力做功一定为零，而在感应电场中，电荷沿闭合线运动一周，电场力做功一般不为零（超导体为零）；静电场的产生“源”于“电荷”，而感应电场的产生“源”于变化的磁场.联想发散 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.电磁场理论的核心之二：变化的电场产生磁场 麦克斯韦认为：由电现象和磁现象的相似性和变化的磁场能产生电场的观点认为变化的电场就像导线中的电流一样，会在空间产生磁场. 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（图14-1-3）.图14-1-3深化升华 （1）恒定的电场不产生磁场；（2）恒定的磁场不产生电场；（3）均匀变化的磁场在周围空间产生恒定的电场；（4）均匀变化的电场在周围空间产生恒定的磁场；（5）振荡电场产生同频率的振荡磁场；（6）振荡磁场产生同频率的振荡电场.3.电磁场 如果在空间某区域中有周期性变化的电场，那么这个变化的电场就在它周围空间产生周期性变化的磁场；这个变化的磁场又在它周围空间产生新的周期性变化的电场， 变化的电场和变化的磁场是相互联系着的，形成不可分割的统一体，这就是电磁场.辨析比较 有单独存在的静电场，也有单独存在的静磁场，但没有静止的电磁场.误区警示 不要认为变化的电场一定能产生变化的磁场，变化的磁场产生电场，变化的电场产生磁场是正确的，但均匀变化的电场（磁场）产生稳定的磁场（电场），而稳定的电场（磁场）不会再产生磁场（电场）.记忆要诀 电场、磁场的变化关系二、电磁波1.电磁波的产生 变化的电场和变化的磁场总是交替产生，并且由发生的区域向周围空间传播，电磁场由发生区域向远处的传播就是电磁波.2.电磁波的特点（1）电磁波是横波，在传播方向上的任一点E和B随时间做正弦规律变化，E与B彼此垂直且与传播方向垂直.（2）电磁波传播不需要任何介质，在真空中也能传播，因为电磁波的传播是依靠电场和磁场的相互“激发”，而不是靠介质的机械传递（其实，电磁场本身就是一种特殊形态的物质，无需借助其他物质来传播）.（3）电磁波具有波的共性，能产生干涉、衍射等现象，电磁波与物质相互作用时，能发生反射、吸收、折射等现象.辨析比较 电磁波与机械波的区别机械波电磁波研究对象力学现象电磁现象周期性变化的物理量位移随时间和空间做周期性变化电场强度E和磁感应强度B随时间和空间做周期性变化传播特点需要介质；波速由介质决定，与频率无关；有横波、纵波传播无需介质；在真空中波速为c，在介质中传播时，波速与介质和频率都有关；只有横波产生由质点（波源）的振动产生由周期性变化的电流（电磁振荡）激发3.电磁波的波速、波长与频率的关系c=f =联想发散 同一种电磁波在不同介质中传播时，频率不变（频率由波源决定），波速、波长发生改变.在介质中的速度都比真空中速度小.不同电磁波在同一种介质中传播时，传播速度不同，频率越高波速越小，频率越低波速越大.4.电磁波的实验证明 麦克斯韦预言了电磁波的存在，但他没有看到科学实验对电磁场理论的证明，把天才的预言变成世人公认的真理，是德国科学家赫兹的功劳.1886年，赫兹用实验证明了麦克斯预言的正确性，第一次发现了电磁波，他还能通过实验观察到了电磁波的反射、折射、干涉、偏振和衍射等现象，通过实验测量证明了电磁波在真空中具有与光相同的速度c. 赫兹的实验为无线电技术的发展开拓了道路，后人为纪念他，把频率的单位定为赫兹.联想发散 麦克斯韦的电磁场理论总结了近百年来电磁学的研究成果，使经典电磁学达到了前所未有的高峰.实现了电、磁、光的统一，被认为是19世纪科学史上最伟大的统一.电磁场理论的建立，经历了“实践理论实践”这一科学发展的过程，是物理学发展史上的典型案例.实现了从经典物理学向现代物理学的重大转折.典题热题知识点一 电磁场理论例1关于电磁场理论，下列说法中正确的是（ ）A.在电场周围一定产生磁场，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，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解析：根据麦克斯韦的电磁场理论，只有变化的电场才产生磁场，均匀变化的电场产生恒定的磁场，非均匀变化的电场产生变化的磁场.答案：D深化升华 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，静磁场也不产生电场，还要注意根据电场（或磁场）的变化情况来确定所产生的是什么样的磁场（或电场）.例2根据麦克斯韦的电磁场理论，下面几种说法中正确的有( )A.在电场周围空间一定产生磁场B.任何变化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能产生变化的磁场D.周期性振荡的电场在其周围空间产生同频率的振荡磁场解析：由麦克斯韦电磁场理论可知，空间某处有变化的电场时，就会在其周围空间产生磁场.只有变化的电场周围才能产生磁场，所以选项A错误.如果电场的变化是均匀的，则产生的磁场是稳定的，B选项错误，C选项错误.而周期性变化的振荡电场在其周围空间将产生同频率的振荡磁场，D选项正确.答案：D方法归纳 变化的电场周围可以产生磁场，但此磁场可能稳定也可能变化，如果电场是均匀变化的，所产生的磁场将稳定不变（此磁场不会再产生电场），所以我们可以说“变化的电场产生磁场”，但不能说“变化的电场产生变化的磁场”.知识点二 电磁波例3如图14-1-4所示的四种电场中，哪一种能产生电磁波( )图14-1-4解析：图A表示的电场，其函数为E=E0，是一个稳定的电场，它不能产生磁场，也就不能产生电磁波.图B和图C表示的电场，其函数分别为E=kt，E=kt+E0，都是随时间均匀变化的.它们能在周围空间产生一个稳定的磁场，而这个稳定的磁场就不能再产生电场了，因此B、C不能产生电磁波.图D表示的电场，其函数为E=Em sint，是一个按正弦规律变化的电场，是一种周期性的振荡电场，所以它要在周围空间产生同频率的振荡磁场，这个振荡磁场又会在其周围空间产生同频率的振荡电场，这样就形成了一个不可分割的变化的电场和变化的磁场组成的统一体，它向空间传播时就形成了电磁波.所以D正确.答案：D巧解提示 能否产生电磁波，要看变化的电场和磁场是否能一直持续地再产生变化的磁场和电场，也就是说，所产生的磁场或电场必须是变化的，而不能是稳定的.图B表示的电场随时间均匀增大，图C表示的电场先随时间均匀减小，后随时间均匀增大，但从图象可以看出，图线的斜率不变，即是定值，所以图C表示的电场也是随时间均匀变化的.知识点三 电磁场理论与带电粒子在电场中运动相结合例4一个带正电粒子在垂直于匀强磁场的平面内做匀速圆周运动，如图14-1-5所示，当磁感应强度均匀增大时，此粒子的（ ）图14-1-5A.动能不变 B.动能增大C.动能减小 D.以上情况都可能解析：当磁场均匀增加时，根据麦克斯韦电磁场理论，将产生一恒定的电场，带电粒子将受一电场力作用，该力对带电粒子做正功，所以粒子的动能将增大，选项B正确.答案：B方法归纳 该题是电磁场理论与带电粒子在电场中运动的一个综合性题目，处理时注意根据选项中动能变化与外力做功有关入手讨论.同时注意电场的存在与有无闭合回路无关.例5将图14-1-6所示的带电的平行板电容器C的两个极板用绝缘工具缓缓拉大板间距离的过程中，在电容器周围空间（ ）图14-1-6A.会产生变化的磁场B.会产生稳定的磁场C.不产生磁场D.会产生周期性变化的磁场解析：根据麦克斯韦电磁场理论，电场周围是否会产生磁场，产生怎样的磁场，都取决于电场是否变化及变化情况.若电场不变化，周围不产生磁场；若均匀变化，则产生稳定的磁场；若非均匀变化，则产生变化的磁场；如果电场周期性变化，则产生磁场也周期性变化，本题中由于电容器始终跟电源相连，两极板间电压不变，根据E=可知在d缓慢增大的时候，E是非均匀变化的，因此在它们周围产生变化的磁场，选项A正确.答案：A方法归纳 正确掌握麦克斯韦电磁场理论，是解答此类题的根本；而掌握电容器的电容和哪些因素有关，是什么关系，它们如何影响电容器极板间电场，是解题关键.问题探究方案设计探究问题 静电场和变化的电场是否都能产生磁场？探究过程：如图14-1-7所示，静止电荷周围的小磁针不偏转.电荷一旦运动起来，其周围的小磁针就发生偏转.图14-1-7 一个静止的电荷，它产生的是静电场，即空间各点的电场强度不随时间而变化.这个电荷一旦运动起来，电场就发生变化，即空间各点的电场强度将随着时间而变化.另一方面，运动的电荷在空间要产生磁场.用场的观点来分析这个问题，就可以说：这个磁场是由变化的电场产生的.探究结论:磁场是由变化的电场产生的.方案设计探究问题 捕捉电磁波，试设计一个实验证明电磁波的产生.探究过程：打开收音机开关，转动送台旋钮，使收音机收不到电台的广播，然后开大音量.在收音机附近，将电池盒的两根引线反复通断，会听到收音机中发出“喀喀”的响声.打开电扇，将它靠近收音机，看到什么结果.探究结论:电流变化周围产生电磁波.