【高中物理】电磁波的发现及应用(课件) 2023-2024学年高中物理同步备课（人教版2019必修第三册）.pptx

第十三章 电磁感应与电磁波初步13.4电磁波的发现及应用2023-20242023-2024学年高中物理必修第三册目录contents电磁场01010202电磁波0303电磁波谱0404电磁波通信新课导入古时用古时用点燃烟火点燃烟火传递重要消息。白天施传递重要消息。白天施烟，夜间点火，台台相连烟，夜间点火，台台相连烽火台烽火台。为方便传递信息，在古代神话小说里为方便传递信息，在古代神话小说里就出现的就出现的顺风耳顺风耳和和千里眼千里眼。电视塔电视塔 电磁波为信息的传递插上了翅膀。广播、电视、移动通信等通信方电磁波为信息的传递插上了翅膀。广播、电视、移动通信等通信方式，使古代人式，使古代人“顺风耳顺风耳、千里眼千里眼”的梦想变成了现实。的梦想变成了现实。移动通信基站移动通信基站电磁波是如何产生的呢？电磁波是如何产生的呢？电磁场01库仑库仑安培安培奥斯特奥斯特法拉第法拉第 法拉第发现电磁感应的法拉第发现电磁感应的那年那年，一位，一位科学巨星科学巨星在英国爱丁堡在英国爱丁堡诞生诞生了，了，他就是他就是麦克斯韦麦克斯韦。历史上电磁学领域的大咖库仑定律安培定则分子电流假说等电流的磁效应电磁感应现象等 麦麦克克斯斯韦韦是是继继法法拉拉第第之之后后，依依据据库库仑仑、高高斯斯、欧欧姆姆、安安培培、毕毕奥奥、萨萨伐伐尔尔、法法拉拉第第等等前前人人的的一一系系列列发发现现和和实实验验成成果果，建建立立了了第第一一个个完完整整的的电电磁磁理理论论体体系系，不不仅仅科科学学地地预预言言了了电电磁磁波波的的存存在在，而而且且揭揭示示了了光光、电电、磁磁现现象象的的本本质质的的统统一一性性，完完成成了了物物理理学学的的又又一一次次大大综综合合。这这一一理理论论自自然然科科学学的的成成果果，奠奠定定了了现现代代的的电电力力工工业业、电电子子工工业业和无线电工业的基础。和无线电工业的基础。韦伯穿过一个又一个欧姆。把回音带给我“我是你忠实而又真诚的法拉，充电到一个伏特，表示对你的爱。麦克斯韦麦克斯韦麦克斯韦麦克斯韦（J.C.Maxwell,18311879)英国物理学家英国物理学家电磁感应现象：电磁感应现象：在变化的磁场中放入一个闭合的在变化的磁场中放入一个闭合的导体回路，闭合导体回路中就产生感应电流。导体回路，闭合导体回路中就产生感应电流。为什么闭合电路中磁通量发生了变化，就会产生电流呢?麦克斯韦麦克斯韦认为变化的磁场在线圈中产生电认为变化的磁场在线圈中产生电场，正是这种场，正是这种电场电场(涡旋电场涡旋电场)在线圈中驱使在线圈中驱使自由电子做定向的移动，引起了感应电流。自由电子做定向的移动，引起了感应电流。2 2、想象线圈不存在时线圈所在处的空间还有电场吗？、想象线圈不存在时线圈所在处的空间还有电场吗？想一想：1 1、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？、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？有电场、无电流有电场、无电流有电场有电场总结：麦克斯韦认为线圈只不过用来显总结：麦克斯韦认为线圈只不过用来显示电场的存在，线圈不存在时，变化的示电场的存在，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，跟闭合电路是否一种普遍存在的现象，跟闭合电路是否存在无关。存在无关。麦克斯韦的电磁场理论变化变化的磁场产生电场的磁场产生电场均匀变化均匀变化的磁场产生的磁场产生稳定稳定的电场的电场周期性变化的周期性变化的磁场产生磁场产生同频率同频率的的振荡振荡电场电场正弦曲线正弦曲线振荡振荡磁场磁场振荡振荡电场电场E与与B频率相同频率相同恒定的恒定的磁场产生电场磁场产生电场吗？吗？非均匀变化的磁场非均匀变化的磁场产生产生什么样的什么样的电场电场？不！变化的！EtOBtOBOEOt麦克斯韦经过反复思考麦克斯韦经过反复思考提提出假设出假设：变化的电场也相：变化的电场也相当于一种电流，也在空间当于一种电流，也在空间产生磁场，即变化的电场产生磁场，即变化的电场在空间产生磁场。在空间产生磁场。既然变化的磁场能够在空间产生电场，那么，变化的电场能不能在既然变化的磁场能够在空间产生电场，那么，变化的电场能不能在空间产生磁场？空间产生磁场？麦克斯韦的假设麦克斯韦的电磁场麦克斯韦的电磁场理论理论变化变化的电场产生磁场的电场产生磁场 均匀变化均匀变化的电场产生的电场产生稳定稳定的磁场的磁场周期性变化的周期性变化的电场产生电场产生同频率同频率的的振荡振荡磁场磁场t正弦曲线正弦曲线振荡振荡电场电场振荡振荡磁场磁场B与与E频率相同频率相同恒定的电场产生磁场吗？恒定的电场产生磁场吗？不产生！非均匀变化的电场产非均匀变化的电场产生生什么样的磁场呢？什么样的磁场呢？变化的磁场！BtOEtOEOBOt 变化变化的电场和的电场和变化变化的磁场总是相互联系的，它们形成一个不可分离的磁场总是相互联系的，它们形成一个不可分离的的统一统一场，这就是场，这就是电磁场电磁场。BBEEEE 它它既不是电场既不是电场也不是磁场，更不是电场和磁场的叠加，而是电场和也不是磁场，更不是电场和磁场的叠加，而是电场和磁场磁场相互依赖相互依赖，形成，形成不可分割不可分割的整体。的整体。电磁场电场电场磁场磁场电场电场电场电场磁场磁场电场电场电磁场的传播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电场在周围空间产生恒定的磁场均匀变化的磁场在周围空间产生恒定的电场不均匀变化的电场在周围空间产生变化的磁场不均匀变化的磁场在周围空间产生变化的电场振荡电场产生同频率的振荡磁场振荡磁场产生同频率的振荡电场对麦克斯韦电磁理论的理解(1)变化的磁场周围产生电场，是一种普遍存在的现象，跟闭合电路是否存变化的磁场周围产生电场，是一种普遍存在的现象，跟闭合电路是否存在无关。在无关。(2)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。是不闭合的。注意：电磁波02麦克斯韦的电磁场麦克斯韦的电磁场理论：理论：不均匀变化的电场会产生变化的磁场，变化的磁场又会产生变化电场不均匀变化的电场会产生变化的磁场，变化的磁场又会产生变化电场于是，于是，变化的电场和变化的电场和变化变化磁场交替产生，由近及远地传播。磁场交替产生，由近及远地传播。(1)(1)变化的磁场产生电场变化的磁场产生电场(2)(2)变化的电场产生磁场变化的电场产生磁场根据以上两个基本论点，麦克斯韦进一步推断：根据以上两个基本论点，麦克斯韦进一步推断：18861886年，年，赫兹赫兹通过实验第一次捕捉到了通过实验第一次捕捉到了电磁波电磁波，证实了证实了麦克斯韦的电麦克斯韦的电磁场理论，为无线电技术的发展开拓了道路。并测出电磁波传播速度与光磁场理论，为无线电技术的发展开拓了道路。并测出电磁波传播速度与光速相同，证实了光是电磁波。速相同，证实了光是电磁波。赫兹的实验赫兹的电火花现象：当感应圈两个现象：当感应圈两个金属球间有火花跳过金属球间有火花跳过时，立刻产生一个交时，立刻产生一个交变电磁场，形成电磁变电磁场，形成电磁波在空间传播，经过波在空间传播，经过导线环时激发出感应导线环时激发出感应电动势，使得导线环电动势，使得导线环中也产生了火花。中也产生了火花。赫兹的电火花实验 微弱的微弱的电火花电火花闪烁着麦克斯韦理论的光闪烁着麦克斯韦理论的光辉，赫兹向全世界宣告：辉，赫兹向全世界宣告：电磁波发现了电磁波发现了。赫兹实验的电装置实验现象：当感应圈两个金属球间有火花跳过时，立刻产生一个交变电磁场，形成电磁波在空间传播，经过导线环时激发出感应电动势，使得导线环中也产生了火花。捕捉电磁波非均匀变非均匀变化的磁场化的磁场变变化化电电场场若是均匀变化若是均匀变化稳定磁场稳定磁场不再激发不再激发若非均匀变化若非均匀变化变化磁场变化磁场若是均匀变化若是均匀变化稳定电场稳定电场若非均匀变化若非均匀变化激激发发电磁波形成示意图电磁波中的电场和磁场互相垂直，电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，所磁波在与二者均垂直的方向传播，所以电磁波是横波。以电磁波是横波。EB v 空气、水，是声波和水波传播的空气、水，是声波和水波传播的介质介质。电磁波电磁波可以在真空中传可以在真空中传播，播，不需要介质不需要介质。电磁波的传播电磁波的传播电磁波的传播速度等于光电磁波的传播速度等于光速，光是以波动形式传播速，光是以波动形式传播的一种电磁振动，即光是的一种电磁振动，即光是一种电磁波。电磁波可以一种电磁波。电磁波可以在真空中传播速度等于光在真空中传播速度等于光速速c=3108m/s电磁波的传播速度电磁波谱03 在一列水波中，凸起的最高处叫在一列水波中，凸起的最高处叫作作波峰波峰;凹下的最低处叫作凹下的最低处叫作波谷波谷。邻近。邻近的两个波峰（或波谷）的距离叫作的两个波峰（或波谷）的距离叫作波波长长。在。在1s1s内有多少次波峰（或波谷）内有多少次波峰（或波谷）通过，通过，波的频率波的频率就是多少。水波不停就是多少。水波不停地向远方传播，用来描述波传播快慢地向远方传播，用来描述波传播快慢的物理量叫作的物理量叫作波速波速。波的特性描述波的物理量4、频率（频率（f）：1s内波峰或波谷通过的次数，单位是赫兹（内波峰或波谷通过的次数，单位是赫兹（Hz）。）。1、波长（波长（）：相邻两个波峰或波谷之间的距离，：相邻两个波峰或波谷之间的距离，单位是米（单位是米（m）。）。2、波速（波速（v）：电磁波传播的快慢，单位是米每秒（：电磁波传播的快慢，单位是米每秒（m/s）。）。3、周期（周期（T）：波峰或波谷传播一个波长距离所用时间，单位是秒（：波峰或波谷传播一个波长距离所用时间，单位是秒（s）。）。5、关系：波速、波长、频率三者之间的关系是：波速、关系：波速、波长、频率三者之间的关系是：波速=波长波长频率。公示表示为：频率。公示表示为：真空中真空中c=f：波长越大，频率越小：波长越大，频率越小!v=/T=f（2）电磁波的频率由电磁波的频率由振源振源决定，同一电磁波在不同介质中传播，决定，同一电磁波在不同介质中传播，v和和变化，变化，v介介c；（1）电磁波可以在真空中传播速度等于光速电磁波可以在真空中传播速度等于光速c=310 8m/s；则存在则存在c=f（4）电磁波具有波的电磁波具有波的共性共性，能发生反射、折，能发生反射、折射、干涉、衍射、多普勒效应和偏振现象；射、干涉、衍射、多普勒效应和偏振现象；（3）不同电磁波不同电磁波在同一介质中传播，速在同一介质中传播，速 度不同，度不同，f越高，越高，v越小；越小；f越低，越低，v越大；越大；电磁波的特点 电磁波的频率范围很广。电磁波的频率范围很广。无线电波、红外线、可见光、紫外线、伦琴射无线电波、红外线、可见光、紫外线、伦琴射线、线、射线都是电磁波。射线都是电磁波。可见光可见光只是电磁波中的一小部分。只是电磁波中的一小部分。按电磁波按电磁波的的波波长或频率大小长或频率大小的的顺序把它们排列起来顺序把它们排列起来,就是就是电磁波谱电磁波谱。电磁波谱1.1.无线电波：无线电波：波长大于波长大于1mm1mm，分为分为长波、中波、短波长波、中波、短波和和微波，微波，主要用于主要用于无无线电通讯线电通讯；2.2.红外线：红外线：波长比无线电波短，比可见光长，波长比无线电波短，比可见光长，所有所有的物体都在不停地发射的物体都在不停地发射红外线，主要用于红外线，主要用于遥感、加热遥感、加热；3.3.可见光：可见光：波长在波长在700nm700nm400nm400nm，分为分为红红、橙橙、黄黄、绿绿、青青、蓝蓝、紫紫七种，七种，可被视网膜感知；可被视网膜感知；电磁波谱4.4.紫外线：紫外线：波长在波长在400nm400nm5nm5nm，有较高的能量。可用于有较高的能量。可用于灭菌消毒灭菌消毒，荧光效应荧光效应等；等；5.5.X X射线：射线：波长比紫外线更短，有比紫外线更高的能量，有波长比紫外线更短，有比紫外线更高的能量，有较强的穿透作用较强的穿透作用，可，可用于透视、检查金属内部缺陷。用于透视、检查金属内部缺陷。6.6.射线射线:波长比波长比X X射线更短，频率非常高。射线更短，频率非常高。有很高的能量和有很高的能量和很强的穿透作用很强的穿透作用，可用于检查金属内部缺陷。可用于检查金属内部缺陷。电磁波谱1.1.电磁波具有能量电磁波具有能量2.2.电磁波是一种物质电磁波是一种物质3.3.光是一种电磁波，光是一种电磁波，光具有能量光具有能量风扇波导管磁控管控制面板屏蔽网门 赫兹通过实验证实赫兹通过实验证实了了电磁波电磁波的的存在存在,这意味着这意味着,电磁场不仅仅是一种电磁场不仅仅是一种描述方式描述方式,而且是真正而且是真正的的物质物质存在。存在。生活中常用生活中常用微波炉微波炉来加热食物来加热食物,食物增加的食物增加的能量是微波给它的能量是微波给它的,可见可见,电磁波电磁波具有具有能量能量。电磁波的能量微波炉加热食物微波炉加热食物太阳能热水器太阳能热水器电磁波通信04电磁波携带信息，既可以电磁波携带信息，既可以有线有线传播，也可以传播，也可以无线无线传播。传播。电信网、广播电视网、互联网、卫星宽带通信网络电信网、广播电视网、互联网、卫星宽带通信网络万物互联的全新时代万物互联的全新时代典例分析05【例题】【例题】按照麦克斯韦的电磁场理论，以下说法中正确的是（按照麦克斯韦的电磁场理论，以下说法中正确的是（）A、恒定的磁场在周围产生恒定的电场、恒定的磁场在周围产生恒定的电场B、变化的磁场在周围产生变化的电场、变化的磁场在周围产生变化的电场C、均匀变化的磁场在周围产生均匀变化的电场、均匀变化的磁场在周围产生均匀变化的电场D、均匀变化的磁场在周围产生恒定的电场、均匀变化的磁场在周围产生恒定的电场D【例题】【例题】(多选多选)根据麦克斯韦电磁场理论，下列说法正确的是根据麦克斯韦电磁场理论，下列说法正确的是()A有电场的空间一定能产生磁场，有磁场的空间也一定能产生电场有电场的空间一定能产生磁场，有磁场的空间也一定能产生电场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生变化的电场C周期性变化的电场周围一定产生周期性变化的磁场周期性变化的电场周围一定产生周期性变化的磁场D周期性变化的磁场周围一定产生周期性变化的电场周期性变化的磁场周围一定产生周期性变化的电场CD【例题】【例题】关于电磁波，下列说法中正确的是关于电磁波，下列说法中正确的是（）A、均匀变化的电场和均匀变化的磁场互相激发，由产生处向远处传播、均匀变化的电场和均匀变化的磁场互相激发，由产生处向远处传播形成电磁波形成电磁波B、振荡电场和振荡磁场互相激发，由产生处向远处传播形成电磁波、振荡电场和振荡磁场互相激发，由产生处向远处传播形成电磁波C、电磁波的振荡电场和振荡磁场方向互相垂直，且与传播方向互相垂、电磁波的振荡电场和振荡磁场方向互相垂直，且与传播方向互相垂直直D、电磁波能够发生反射、干涉、衍射、偏振现象、电磁波能够发生反射、干涉、衍射、偏振现象BCD【例题】【例题】任何电磁波在真空中都具有相同的（任何电磁波在真空中都具有相同的（）A、频率频率 B、波长波长C、波速波速 D、能量能量C【例题】【例题】下列各组电磁波，按波长由长到短排列正确的是（下列各组电磁波，按波长由长到短排列正确的是（）A.紫外线、可见光、红外线、紫外线、可见光、红外线、射线射线B.可见光、红外线、紫外线、可见光、红外线、紫外线、射线射线C.射线、红外线、紫外线、可见光射线、红外线、紫外线、可见光D.红外线、可见光、紫外线、红外线、可见光、紫外线、射线射线D【例题例题】中央广播电台发射中央广播电台发射“中波中波”段某套节目的信号、家用微波炉段某套节目的信号、家用微波炉中的微波、中的微波、DVD机中的激光机中的激光(可见光可见光)、人体透视用的、人体透视用的X光，这些都是光，这些都是电磁波，它们的频率分别为电磁波，它们的频率分别为f1、f2、f3、f4，则由，则由cf可以判断正确的可以判断正确的是是()Af1f2f3f4 Bf1f2f3f4Cf1f2f3f4 Df1f2f3f4C