1、第十四章电磁波 141 电磁波 【教学目标】 1知道麦克斯韦电磁场理论的两大支柱：变化的磁场产生电场；变化的电场产生磁场。 变化的磁场和电场相互联系形成统一的电磁场。 2知道电磁场在空间传播形成电磁波。 3知道电磁波在真空中的传播速度。 4知道赫兹实验以及它的重大意义。 重点：麦克斯韦电磁场理论 难点：电磁波的产生 【自主预习】 1._建立了经典的电磁场理论。它的内容是：变化的磁场产生_；变化的 电场产生_。 2如果在空间某区域中有_变化的电场，那么它就在空间引起_变化的 磁场；这个变化的磁场又引起新的变化电场于是，变化的电场和变化的磁场_ 产生，由近及远地向周围传播，从而形成了电磁波。电磁波
2、是_波。 3_观察到了电磁波的反射、折射、干涉、偏振和衍射等现象。他还通过测量 证明，电磁波在真空中具有_速度_。从而证实了麦克斯韦关于光的电磁理 论。 4. 伟大的预言 (1)电磁场理论 在 19 世纪 60 年代，英国物理学家麦克斯韦在总结前人研究电磁现象成果的基础上， 建立了完整的电磁场理论，预言电磁波的存在。 1)变化的磁场产生电场 2)变化的电场产生磁场 注意：麦克斯韦电磁场理论的解释： 恒定的电场不产生磁场； 恒定的磁场不产生电场； 均匀变化的磁场在周围空间产生恒定的电场； 均匀变化的电场在周围空间产生恒定的磁场； 振荡(周期性变化)电场产生同频率的振荡(周期性变化) 磁场； 振荡
3、(周期性变化)磁场产生同频率的振荡(周期性变化) 电场。 (2)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。 5.电磁波 (1)产生：变化的电场和变化的磁场总是交替产生，由发生区域向周围空间传播开去，就 形成电磁波。 (2)特点 是横波，电场强度 E 和磁感应强度 B 的方向都与传播方向垂直。 是一种波动，在真空中传播的速度为 3.0108 m/s，在介质中传播速度小于光速。 机械波的波速公式 v f 对电磁波
4、仍适用。 电磁波本身是一种物质，它具有能量，因而在传播过程中不需要介质。 选修 3-4 具有波的特征，能产生反射、折射、衍射、干涉等现象。 【典型例题】 一、麦克斯韦电磁场理论 【例 1】根据麦克斯韦电磁场理论，下列说法中正确的是( ) A变化的电场(或磁场)产生的磁场( 或电场)一定是变化的 B变化的电场(或磁场)产生的磁场 (或电场)一定是稳定的 C周期性变化的电场(或磁场)产生的磁场( 或电场)一定是周期性变化的 D周期性变化的电场(或磁场)一定可以产生电磁波 【例 2】 应用麦克斯韦的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(每个选项中的上图表示变化的场
5、，下图表示变化的场产生的另外的场) ，正 确的是 ( ) 二、电磁场 【例 3】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都是 3.8108 m/s C电磁波由真空进入介质传播时，波长将变短 D电磁波不能产生干涉、衍射现象 【例 4】 下列关于电磁波的说法正确的是 ( ) A均匀变化的磁场能够在空间产生电场 B电磁波在真空和介质中传播速度相同 C只要有电场和磁场，就能产生电磁波 D电磁波在同种介质中只能沿直线传播 三、赫兹的电火花 【例 5】关于物理学史，下列说法中正确的是 ( ) A最早发现电和磁有密切联系的科学家是奥斯特
6、 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最早证明有电磁波存在的科学家是赫兹 【课后练习】 1根据麦克斯韦电磁场理论，下列说法正确的是( ) A在电场的周围空间，一定存在着和它联系着的磁场 B在变化的电场周围空间，一定存在着和它联系着的磁场 C恒定电流在其周围不产生磁场 D恒定电流周围存在着稳定的磁场 2关于电磁波，下列说法中正确的是( ) A电磁波是横波 B电磁波的传播需要介质 C电磁波能产生干涉和衍射现象 D电磁波中电场和磁场的方向处处相互垂直 3关于对电磁场和电磁波的认识中正确的是( ) A均匀变化的电场在它周围空间产生均匀变化的磁场 B电磁波和机械波一
7、样依赖于介质传播 C只要空间某个区域有振荡电场或振荡磁场就能产生电磁波 D电磁场由发生区域向外传播就形成电磁波 4关于电磁波传播速度表达式 vf，下述结论中正确的是( ) A波长越长，传播速度就越大 B频率越高，传播速度就越小 C发射能量越大，传播速度就越大 D电磁波的传播速度与传播介质有关 5电磁波与机械波相比较( ) A电磁波传播不需要介质，机械波传播需要介质 B电磁波在任何介质中传播速度都相同，机械波的速度大小取决于介质 C机械波有横波、纵波，而电磁波只有横波 D机械波和电磁波都具有一切波的特性 6下列关于电磁波的说法正确的是( ) A电磁波必须依赖介质传播 B电磁波可以发生衍射现象 C
8、电磁波不会发生偏振现象 D电磁波无法携带信息传播 7某空间出现了如图 221 所示的一组闭合的电场线，这可能是( ) A沿 AB 方向磁场在迅速减弱 B沿 AB 方向磁场在迅速增强 C沿 BA 方向磁场在迅速增强 D沿 BA 方向磁场在迅速减弱 8声波和电磁波均可传递信息，且都具有波的共同特征。下列说法正确的是( ) A声波的传播速度小于电磁波的传播速度 B声波和电磁波都能引起鼓膜振动 C电磁波都能被人看见，声波都能被人听见 D二胡演奏发出的是声波，而电子琴演奏发出的是电磁波 9一个带正电的粒子在垂直于匀强磁场的平面内做匀速圆周运动，如图 222 所示。当 磁感应强度均匀增大时，此粒子的( )
9、 A动能不变 B动能增大 C动能减小 D以上情况都可能 10目前雷达发射的电磁波频率多在 200 MHz 至 1 000 MHz 的范围内。下列关于雷达和 电磁波说法正确的是( ) A真空中上述雷达发射的电磁波的波长范围在 0.3 m 至 1.5 m 之间 B电磁波是由恒定不变的电场或磁场产生的 C测出从发射电磁波到接收反射波的时间间隔可以确定雷达和目标的距离 D波长越短的电磁波，反射性能越强 11.电磁波与声波比较，下列说法正确的是 ( ) A电磁波的传播不需要介质，声波的传播需要介质 B由空气进入水中时，电磁波速度变小，声波速度变大 C由空气进入水中时，电磁波波长变小，声波波长变大 D电磁
10、波和声波在介质中的传播速度，都是由介质决定的，与频率无关 12如图 225 所示，在内壁光滑、水平放置的玻璃圆环内，有一直径略小于环口径的 带正电的小球，正以速率 v0 沿逆时针方向匀速转动。若在此空间突然加上方向竖直向上、 磁感应强度 B 随时间成正比例增加的变化磁场，设运动过程中小球 的带电量不变，那么( ) A小球对玻璃杯的压力不断增大 B小球受到的磁场力不断增大 C小球先沿逆时针方向做减速运动，过一段时间后，沿顺时 针方向做加速运动 D磁场力对小球一直不做功 例题答案： 1. 【答案】C、D 【解析】均匀变化的电场(或磁场 )产生稳定的磁场(或电场)；周期性变化的电场( 或磁场)产 生
11、周期性变化的磁场(或电场 )，周期性变化的电场和周期性变化的磁场相互联系着形成统 一的电磁场，电磁场传播出去就形成了电磁波，可见正确答案为 C、D。 2. 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 /2，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 ，故不正确。所以只有 B、C 两图正确。) 答案：B、C
12、3. 【答案】A、C 【解析】搞清电磁波的产生机理，以及电磁波在真空中传播速度为光速 c3.0108 m/s， 且 c f，从一种介质进入另一种介质，频率不发生变化，波长、波速变化。另外电磁波 仍具有波的特征。 电磁波只有在真空中的传播速度才为 3.0108 m/s，而在其他介质中传播速度均小于 3.0108 m/s。电磁波与其他波一样具有干涉、衍射等波的特性。当电磁波由真空进入介质 传播时，频率不变，那么 c f，v f。因为 cv，所以 波长变短，波速变 小，故选 A、C。 4. 解析：变化的磁场就能产生电场，A 正确；若只有电场和磁场而电场和磁场都稳定 或电场、磁场仅均匀变化都不能产生电
13、磁波，C 错；光也是电磁波，在真空和介质中传播 的速度不同，可判断 B 错；D 选项中没有强调是“均匀”介质，若介质密度不均匀会发生 折射，故 D 错。 答案：A 5. 【答案】A、B、C、D 【解析】1820 年 4 月，丹麦科学家奥斯特在一次演讲中发现了电流的磁效应；1831 年，英国科学家法拉第发现了电磁感应现象；19 世纪中叶，英国科学家麦克斯韦建立了经 典电磁场理论；1866 年，德国科学家赫兹证明了电磁波的存在。 6. 课后练习答案： 1. 解析：电场按其是否随时间变化分为稳定电场 (静电场)和变化电场( 如运动电荷形成 的电场) ，稳定电场不产生磁场，只有变化的电场周围空间才存在
14、对应磁场，故 B 对，A 错； 恒定电流周围存在稳定磁场，磁场的方向可由安培定则判断，D 对，C 错。 答案：B、D 2. 解析：电磁场由近及远的传播形成电磁波，电磁波在传播过程中，电场、磁场以及 传播方向三者相互垂直，电磁波是一种波，它具有波的一切特征，它能发生反射、折射、 干涉、衍射等现象，电磁波在真空中的速度最大，它的传播不需要介质。 答案：A、C、D 3. 解析：电磁波是一种物质，传播时不需要媒介，可以在真空中传播。 答案：C、D 4. 解析：电磁波和机械波相同之处为频率 f 由波源决定，却能产生干涉，衍射都遵循 公式 vf，但不同的是电磁波传播不需要介质，而机械波传播必须要有介质，机
15、械波波速 有介质决定，电磁波的波速由介质和频率共同决定。 答案：D 5. 解析：由电磁波和机械波的异同点可知，A 、C、D 项正确。 答案：A、C、D 6. 解析：根据电磁波的产生机理及传播特性可知，电磁波传播不需要介质，选项 A 错误；干涉、衍射是电磁波和所有波都具有的共同特性，选项 B 正确；由于电磁波是横波， 故能发生偏振现象，选项 C 错误；电磁波能够携带图象、声音等信息进行传播，选项 D 错 误。 答案：B 7. 解析：根据电磁感应理论，闭合回路中磁通量变化时，使闭合电路中产生感应电流， 该电流可用楞次定律判断，其中感应电流的方向和电场线方向一致。 答案：B、D 8. 解析：声波属于
16、机械波，其传播需要介质，传播速度小于电磁波的传播速度；鼓膜 的振动是空气的振动带动的，人耳听不到电磁波；电磁波的传播不需要介质，人耳听不到 电磁波；二胡和电子琴发出的都是声波。 答案：A 9. 解析：当磁场均匀增加时，根据麦克斯韦电磁场理论，将激起稳定的电场，带电粒 子将受一个电场力作用，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 10. 解析：由公式 vf 可得， min m0.3 m， max vfmax 31081 000106 vfmin m1.5 m，A 正确；电磁波是由周期性变化的电场或磁场产生的，B 错误；由 3108200106 雷达的工作原理可知
17、C 正确；波长越短的电磁波，传播的直线性越好，反射性能越强，D 正确。 答案：A、C、D 11. 【答案】A、B、C 【解析】本题可以根据电磁波的特点和声波的特点进行分析。选项 A、B 均与事实相符，所 以 A、B 正确；根据 ，电磁波波速变小，频率不变，波长变小；声波速度变大， 频率不变，波长变大，所以选项 C 正确；电磁波在介质中的速度，与介质有关，也与频率 有关，在同一种介质中，频率越大，波速越小，所以选项 D 错误。 12. 解析：因为玻璃圆环所在处有均匀变化的磁场，在周围产生稳定的旋涡电场，对 带正电的小球做功。由楞次定律，判断电场方向为顺时针方向。在电场力作用下，小球先 沿逆时针方向做减速运动，后沿顺时针方向做加速运动。小球在水平面内沿轨迹半径方向 受两个力作用：环的弹力 FN 和磁场的洛伦兹力 FBqv，而且两个力的矢量和时刻等于小 球做圆周运动的向心力。考虑到小球速度大小的变化和方向的变化以及磁场强弱的变化， 弹力 FN 和洛伦兹力 F 不一定始终在增大。磁场力始终与圆周运动的线速度方向垂直，所 以磁场力对小球不做功。 答案：C、D
