人教版 (2019)必修 第三冊第十三章 電磁感應(yīng)與電磁波初步4 電磁波的發(fā)現(xiàn)及應(yīng)用優(yōu)秀綜合訓(xùn)練題

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一、電磁場
1．麥克斯韋電磁場理論
(1)變化的磁場產(chǎn)生電場
①在變化的磁場中放入一個閉合電路，由于穿過電路的磁通量發(fā)生變化，電路中會產(chǎn)生感應(yīng)電流．這個現(xiàn)象的實質(zhì)是變化的磁場在空間產(chǎn)生了電場．
②即使在變化的磁場中沒有閉合電路，也同樣會在空間產(chǎn)生電場．
(2)變化的電場產(chǎn)生磁場
變化的電場就像導(dǎo)線中的電流一樣，會在空間產(chǎn)生磁場，即變化的電場產(chǎn)生磁場．
2．電磁場：變化的電場和磁場互相聯(lián)系，所形成的不可分割的統(tǒng)一體．
二、電磁波
1．產(chǎn)生：周期性變化的電場和周期性變化的磁場交替產(chǎn)生，由近及遠(yuǎn)地向周圍傳播，形成電磁波．
2．特點
(1)電磁波可以在真空中傳播．
(2)電磁波的傳播速度等于光速．
(3)光在本質(zhì)上是一種電磁波．即光是以波動形式傳播的一種電磁振動．
三、電磁波譜 電磁波的能量 電磁波通信
1．電磁波譜
(1)概念：按電磁波的波長或頻率大小的順序把它們排列起來，就是電磁波譜．
(2)電磁波的波速c與波長λ、頻率f的關(guān)系是c＝λf.
(3)電磁波在真空中的速度c＝3×108 m/s.
(4)各種電磁波按波長由大到小排列順序為：無線電波、紅外線、可見光、紫外線、X射線、γ射線．
(5)各種電磁波的特性
①無線電波：用于廣播、衛(wèi)星通信、電視等的信號傳輸．
②紅外線：用來加熱理療等．
③可見光：照亮自然界，也可用于通信．
④紫外線：用于消毒．
⑤X射線：用于診斷病情．
⑥γ射線：可以摧毀病變的細(xì)胞．
2．電磁波的能量
(1)光是一種電磁波，光具有能量．
(2)電磁波具有能量，電磁波是一種物質(zhì)．
判斷下列說法的正誤．
(1)變化的磁場可以產(chǎn)生電場，但變化的電場不能產(chǎn)生磁場．( × )
(2)電磁波在空氣中可以傳播，在真空中不能傳播．( × )
(3)光在真空中的速度與電磁波在真空中的速度相同，光是一種電磁波．( √ )
(4)無線電波、紅外線、可見光、紫外線都屬于電磁波．( √ )
一、麥克斯韋電磁場理論
1．麥克斯韋電磁場理論
(1)變化的磁場周圍會產(chǎn)生電場
麥克斯韋提出，在變化的磁場周圍會激發(fā)出一種電場，不管有無閉合電路，變化的磁場激發(fā)的電場總是存在的，如圖所示．
(2)變化的電場周圍會產(chǎn)生磁場
麥克斯韋從場的觀點得出，即使沒有電流存在，只要空間某處的電場發(fā)生變化，就會在其周圍產(chǎn)生磁場．
2．對麥克斯韋電磁場理論的理解
例1 (2021·南寧一中月考)關(guān)于麥克斯韋電磁場理論，下列說法正確的是( )
A．電場周圍一定產(chǎn)生磁場，磁場周圍一定產(chǎn)生電場
B．穩(wěn)定的電場周圍產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場，穩(wěn)定的磁場周圍產(chǎn)生穩(wěn)定的電場
C．均勻變化的電場周圍產(chǎn)生均勻變化的磁場，均勻變化的磁場周圍產(chǎn)生均勻變化的電場
D．周期性變化的電場周圍產(chǎn)生周期性變化的磁場，周期性變化的磁場周圍產(chǎn)生周期性變化的電場
答案 D
解析 穩(wěn)定的電場不能產(chǎn)生磁場，穩(wěn)定的磁場不能產(chǎn)生電場，A、B錯誤；均勻變化的電場周圍產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場，均勻變化的磁場周圍產(chǎn)生穩(wěn)定的電場，C錯誤；根據(jù)麥克斯韋電磁場理論，可知周期性變化的電場周圍產(chǎn)生周期性變化的磁場，周期性變化的磁場周圍產(chǎn)生周期性變化的電場，D正確．
二、電磁波
1．電磁波的形成
周期性變化的電場和磁場交替產(chǎn)生，形成電磁場，電磁場由近及遠(yuǎn)傳播，形成電磁波．
2．電磁波的特點
(1)在傳播方向上，任意一點的E和B都隨時間周期性變化，E和B相互垂直，且與電磁波的傳播方向垂直．如圖．
(2)電磁波可以在真空中傳播．電磁波在真空中傳播速度等于光速c＝3×108 m/s.
(3)電磁場儲存電磁能，電磁波的發(fā)射過程就是輻射能量的過程．
(4)只有周期性變化的電場和磁場相互激發(fā)才能形成電磁波．
(5)電磁波是電磁場在空間中的傳播，電磁場是一種客觀存在的物質(zhì)——場物質(zhì)．
3．電磁波的波速
對于電磁波，用λ表示電磁波的波長、f表示頻率、c表示波速，則有c＝λf.
例2 (多選)關(guān)于電磁波，下列說法中正確的是( )
A．只要電場或磁場發(fā)生變化，就能產(chǎn)生電磁波
B．麥克斯韋首先預(yù)言了電磁波的存在，赫茲最先用實驗證實了電磁波的存在
C．電磁波和機(jī)械波都依賴于介質(zhì)才能傳播
D．電磁波具有能量，電磁波的傳播是伴隨著能量向外傳遞的
答案 BD
解析 要想產(chǎn)生電磁波，變化的電場(或磁場)產(chǎn)生的磁場(或電場)必須是周期性變化的，A錯誤；麥克斯韋首先預(yù)言了電磁波的存在，赫茲最先用實驗證實了電磁波的存在，選項B正確；電磁波可以在真空中傳播，選項C錯誤；電磁波具有能量，電磁波的傳播過程，也就是能量的傳播過程，D正確．
例3 電磁波在真空中傳播的速度c＝3×108 m/s，有一個廣播電臺的頻率f＝90.0 MHz，這個電臺發(fā)射的電磁波的波長λ為( )
A．2.70 m B．270 m
C．3.00 m D．3.33 m
答案 D
解析 根據(jù)c＝λf可得，λ＝eq \f(3×108,90.0×106) m≈3.33 m．故選D.
三、電磁波譜
1．電磁波譜
電磁波按波長由大到小排列順序為無線電波、紅外線、可見光、紫外線、X射線、γ射線．它們共同構(gòu)成了范圍廣闊的電磁波譜．
2．不同電磁波的特性和用途
例4 下面列出一些醫(yī)療器械的名稱和這些器械運用的物理現(xiàn)象．請將相應(yīng)的字母填寫在運用這種現(xiàn)象的醫(yī)療器械后面的空格上．
(1)X光機(jī)， .
(2)紫外線燈， .
(3)理療醫(yī)用“神燈”照射傷口，可使傷口愈合得較好．這里的“神燈”是利用 ．
A．紅外線具有顯著的熱效應(yīng)
B．紫外線具有很強(qiáng)的熒光作用
C．紫外線具有殺菌消毒作用
D．X射線具有很強(qiáng)的穿透力
答案 (1)D (2)C (3)A
解析 (1)X光機(jī)是用來透視人體內(nèi)的器官的，因此需要具有較強(qiáng)穿透力的電磁波，但又不能對人體造成太大的傷害，因此采用了X射線，因此選D.
(2)紫外線燈主要是用來殺菌的，因此它應(yīng)用的是紫外線的殺菌作用而非熒光作用，因此選C.
(3)“神燈”又稱紅外線燈，主要是用于促進(jìn)局部血液循環(huán)，它利用的是紅外線的熱效應(yīng)，使人體局部受熱，血液循環(huán)加快，因此選A.
四、電磁波的能量 電磁波通信
1．電磁波的能量
(1)電磁波是物質(zhì)存在的一種特殊形式
電磁波和我們學(xué)過的電場、磁場一樣，是一種特殊的物質(zhì)，不是由分子、原子所組成的，與通常的實物不同，但它是客觀存在的，具有通常物質(zhì)所具有的質(zhì)量和能量等客觀屬性．
(2)電磁波具有能量
從場的觀點來看，電場具有電場能，磁場具有磁場能，電磁場具有電磁能，電磁波發(fā)射的過程就是輻射能量的過程，電磁波在空間傳播，電磁能就隨之一起傳播．
2．電磁波通信
(1)傳播途徑
電磁波攜帶的信息，既可以有線傳播，也可以實現(xiàn)無線傳播．
有線傳播利用金屬導(dǎo)線、光纖等有形媒介傳送信息，如臺式電腦、電話等，具體的媒介有：光纖、電纜、電話線、網(wǎng)線等．
無線傳播僅利用電磁波而不通過線纜傳遞信息，如收音機(jī)、手機(jī)、GPS、無線鼠標(biāo)等．
(2)傳輸特點
電磁波的頻率越高，相同時間傳遞的信息量越大，由于光的頻率比無線電波的頻率高得多，因此光纜可以傳遞大量的信息．
例5 (2021·武漢市華中師大一附中期中)5G是“第五代移動通信技術(shù)”的簡稱，目前世界各國正大力發(fā)展5G網(wǎng)絡(luò)，5G網(wǎng)絡(luò)使用的無線電波通信頻率在3.0 GHz以上的超高頻段和極高頻段，比目前4G及以下網(wǎng)絡(luò)(通信頻率在0.3～3.0 GHz的特高頻段)擁有更大的帶寬和更快的傳輸速率.5G網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率(指單位時間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量大小)可達(dá)20 Gbps.關(guān)于5G網(wǎng)絡(luò)使用的無線電波，下列說法正確的是( )
A．在真空中的傳播速度更快
B．在真空中的波長更長
C．在真空中的波長與4G網(wǎng)絡(luò)使用的無線電波相同
D．頻率更高，相同時間傳遞的信息量更大
答案 D
解析 無線電波在真空中的傳播速度與光速相同，保持不變，其速度與頻率沒有關(guān)系，A錯誤；由c＝λf，知頻率變大，波長變短，B、C錯誤；無線電波頻率越高，相同時間內(nèi)傳遞的信息量越大，D正確．
考點一 麥克斯韋電磁場理論
1．(多選)在電磁學(xué)發(fā)展的過程中，許多科學(xué)家做出了貢獻(xiàn)．下列說法正確的是( )
A．奧斯特發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng)
B．法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象
C．麥克斯韋預(yù)言了電磁波的存在，楞次用實驗證實了電磁波的存在
D．庫侖發(fā)現(xiàn)了點電荷間的相互作用規(guī)律，密立根通過油滴實驗測定了元電荷的數(shù)值
答案 ABD
解析 奧斯特發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng)，法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，A、B正確；麥克斯韋預(yù)言了電磁波的存在，赫茲用實驗證實了電磁波的存在，C錯誤；庫侖發(fā)現(xiàn)了點電荷間的相互作用規(guī)律，密立根通過油滴實驗測定了元電荷的數(shù)值，D正確．
2．(多選)(2021·寧波效實中學(xué)期中)關(guān)于電磁場理論，下列說法正確的是( )
A．電場周圍一定產(chǎn)生磁場，磁場周圍一定產(chǎn)生電場
B．變化的電場周圍一定產(chǎn)生磁場，變化的磁場周圍一定產(chǎn)生電場
C．變化的電場周圍一定產(chǎn)生變化的磁場
D．電磁波在真空中的傳播速度為3×108 m/s
答案 BD
解析 根據(jù)麥克斯韋的電磁場理論，只有變化電場周圍產(chǎn)生磁場，變化的磁場周圍產(chǎn)生電場，但變化的電場周圍不一定產(chǎn)生變化的磁場，如均勻變化的電場產(chǎn)生的是穩(wěn)定的磁場，電磁波在真空中的傳播速度為3×108 m/s.故選B、D.
3．(多選)某電場中電場強(qiáng)度隨時間變化的圖像如選項圖所示，能產(chǎn)生磁場的電場是( )
答案 ABC
解析 根據(jù)麥克斯韋電磁場理論可知變化的電場產(chǎn)生磁場，選項A、B、C正確．
考點二 電磁波譜及電磁波的應(yīng)用
4．(多選)(2021·武漢二中期中)下列關(guān)于電磁波的敘述正確的是( )
A．電磁波是電磁場由發(fā)生區(qū)域向遠(yuǎn)處傳播形成的
B．電磁波在任何介質(zhì)中的傳播速度均為3.0×108 m/s
C．電磁波由真空進(jìn)入介質(zhì)中，波長將變短
D．電磁波的傳播不需要介質(zhì)
答案 ACD
解析 變化的電場、磁場相互激發(fā)并由近及遠(yuǎn)地向周圍傳播，形成電磁波，選項A正確．電磁波只有在真空中傳播時速度才為3×108 m/s，在介質(zhì)中傳播時，速度均小于3×108 m/s，選項B錯誤．根據(jù)λ＝eq \f(v,f)，可知電磁波從真空進(jìn)入介質(zhì)中，頻率不變，波速變小，所以波長λ變短，選項C正確．電磁波的傳播不需要介質(zhì)，能在真空中傳播，選項D正確．
5．(多選)(2022·常州市高二期中)在抗擊新冠肺炎疫情的戰(zhàn)役中，為了發(fā)現(xiàn)高危人群中的疑似病人，通常利用紅外線測量人體的溫度．關(guān)于電磁波的應(yīng)用，下列說法正確的是( )
A．紅外線、X射線、γ射線中紅外線的波長最短
B．銀行的驗鈔機(jī)和家用電器的遙控器發(fā)出的光都是紫外線
C．微波可用于廣播及其他信號的傳播
D．X射線可以用于診斷病情，γ射線可以摧毀病變的細(xì)胞
答案 CD
解析 紅外線、X射線、γ射線中紅外線的頻率最小，波長最長，選項A錯誤；銀行的驗鈔機(jī)發(fā)出的光是紫外線，家用電器的遙控器發(fā)出的光是紅外線，選項B錯誤；微波不但能加熱物體，而且能傳播信息，故可以用于通信、廣播及其他信號傳輸，故C正確；X射線有很高的穿透本領(lǐng)，常用于醫(yī)學(xué)上透視人體，γ射線有極強(qiáng)的穿透能力和很高的能量，可以摧毀病變的細(xì)胞，故D正確．
6．(多選)在電磁波譜中，下列說法正確的是( )
A．各種電磁波有明顯的頻率和波長區(qū)域界限
B．γ射線的頻率一定大于X射線的頻率
C．X射線的波長有可能等于紫外線波長
D．可見光波長一定比無線電波的短
答案 CD
解析 X射線和γ射線、X射線和紫外線有一部分頻率重疊，界限不明顯，故A、B錯誤，C正確；可見光波長一定比無線電波波長短，故D正確．
7．下列說法中正確的是( )
A．變化的電場一定產(chǎn)生變化的磁場
B．電磁波按波長從長到短順序排列依次是：γ射線、X射線、紫外線、可見光、紅外線、無線電波
C．X射線的穿透本領(lǐng)比γ射線更強(qiáng)
D．電磁波在真空中的傳播速度等于光速
答案 D
解析 根據(jù)麥克斯韋電磁場理論可知，均勻變化的電場產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場，選項A錯誤；電磁波按波長從短到長順序排列依次是：γ射線、X射線、紫外線、可見光、紅外線、無線電波，選項B錯誤；γ射線的穿透本領(lǐng)比X射線更強(qiáng)，選項C錯誤；電磁波在真空中的傳播速度等于光速，選項D正確．
8．下列說法正確的是( )
A．根據(jù)麥克斯韋電磁場理論可知變化的電場周圍存在變化的磁場
B．紅外線遙感技術(shù)是利用紅外線的化學(xué)作用
C．在醫(yī)院里常用紫外線對病房和手術(shù)室消毒，是因為紫外線比紅外線的熱效應(yīng)顯著
D．工業(yè)上的金屬探傷是利用γ射線具有較強(qiáng)的穿透能力
答案 D
解析 根據(jù)麥克斯韋電磁場理論可知變化的電場周圍存在磁場，不一定是變化的磁場，選項A錯誤；紅外線遙感技術(shù)是利用紅外線的衍射作用和熱效應(yīng)，選項B錯誤；在醫(yī)院里常用紫外線對病房和手術(shù)室消毒，是因為紫外線具有殺菌消毒的化學(xué)作用，選項C錯誤；工業(yè)上的金屬探傷是利用γ射線具有較強(qiáng)的穿透能力，選項D正確．
9．關(guān)于電磁波的特性和應(yīng)用，下列說法正確的是( )
A．紅外線和X射線都有很強(qiáng)的穿透本領(lǐng)，常用于醫(yī)學(xué)上透視人體
B．過強(qiáng)的紫外線照射有利于人的皮膚健康
C．電磁波中頻率最大的是X射線
D．紫外線和X射線都可以使感光底片感光
答案 D
解析 X射線有很強(qiáng)的穿透本領(lǐng)，常用于醫(yī)學(xué)透視人體，紅外線沒有穿透本領(lǐng)，A錯誤；過強(qiáng)的紫外線照射對人的皮膚有害，B錯誤；電磁波中頻率最大的是γ射線，C錯誤；紫外線和X射線都具有明顯的化學(xué)效應(yīng)，可以使感光底片感光，故D正確．
10．以下關(guān)于電磁波的說法不正確的是( )
A．無線電通信利用的是電磁波
B．醫(yī)院B超發(fā)出的超聲波是電磁波
C．遙控器發(fā)出的紅外線是電磁波
D．透視使用的X射線是電磁波
答案 B
解析 無線電通信用的是無線電波，它是電磁波；超聲波是聲波，不是電磁波；遙控器發(fā)出的紅外線是電磁波；X射線也是電磁波．所以A、C、D正確，B錯誤．
11．(多選)(2021·合肥一中期中)下列能說明電磁波具有能量的是( )
A．可見光射入人的眼睛，人看到物體
B．放在紅外線區(qū)域的溫度計升溫很慢
C．電臺發(fā)射的電磁波在收音機(jī)的天線里感應(yīng)出了電流
D．γ射線的穿透能力強(qiáng)，可用于探測金屬部件內(nèi)部的缺陷
答案 ACD
解析 人眼看到物體，說明人眼感受到了可見光的能量，A項正確；紅外線具有熱效應(yīng)，會使放在該區(qū)域的溫度計升溫很快，說明紅外線具有能量，B錯誤；電臺發(fā)射的電磁波在收音機(jī)的天線里感應(yīng)出了電流，電流的能量來源于電磁波，C項正確；γ射線的穿透能力強(qiáng)，說明γ射線具有很高的能量，D項正確．
12．(2021·長沙市一中期中)電磁波在生活中有著廣泛的應(yīng)用．不同波長的電磁波具有不同的特性，因此也有不同的應(yīng)用．下列器材與其所應(yīng)用的電磁波對應(yīng)關(guān)系不正確的是( )
A．雷達(dá)——無線電波 B．手機(jī)——X射線
C．消毒柜——紫外線 D．遙控器——紅外線
答案 B
解析 雷達(dá)是利用了無線電波中的微波來測距的，故A正確；手機(jī)采用的是無線電波，X射線對人體有很大的輻射，不能用于通信，故B錯誤；紫外線具有殺菌消毒作用，故C正確；紅外線可以用于遙控器，故D正確．
13．(多選)目前雷達(dá)發(fā)射的電磁波頻率多在200 MHz至1 000 MHz的范圍內(nèi)．下列關(guān)于雷達(dá)和電磁波的說法正確的是( )
A．真空中上述雷達(dá)發(fā)射的電磁波的傳播速度為3×108 m/s
B．電磁波是由恒定不變的電場或磁場產(chǎn)生的
C．測出從發(fā)射電磁波到接收到反射波的時間間隔可以確定雷達(dá)和目標(biāo)的距離
D．雷達(dá)使用的是無線電波的微波波段
答案 ACD
解析 真空中電磁波的傳播速度為3×108 m/s，A正確；電磁波是由周期性變化的電場和磁場產(chǎn)生的，B錯誤；由雷達(dá)的工作原理可知，C正確；雷達(dá)使用的是無線電波的微波波段，D正確．
14．頻率為5×1014 Hz的紅光，從10 m外的交通信號燈直接傳到你的眼睛，大約需要多長時間？在這個距離中有多少個波長？
答案 3.3×10－8 s 1.7×107個
解析 傳到眼睛需要的時間是
t＝eq \f(x,c)＝eq \f(10,3×108) s≈3.3×10－8 s，
由c＝λf得，
該紅光的波長λ＝eq \f(c,f)＝eq \f(3×108,5×1014) m＝6×10－7 m.
在這個距離中的波長數(shù)為n＝eq \f(x,λ)＝eq \f(10,6×10－7)≈1.7×107(個)．
15．波長為50～100 m的無線電波可通過電離層的反射向遠(yuǎn)處傳播，這些無線電波的頻率范圍是多大？若傳到相隔1 500 km的遠(yuǎn)處至少需要多長時間？
答案 3×106～6×106 Hz 5×10－3 s
解析 由c＝λf得，
f1＝eq \f(c,λ1)＝eq \f(3×108,50) Hz＝6×106 Hz，
f2＝eq \f(c,λ2)＝eq \f(3×108,100) Hz＝3×106 Hz，
所以頻率范圍為3×106～6×106 Hz
由x＝ct可得t＝eq \f(x,c)＝eq \f(1 500×103,3×108) s＝5×10－3 s.恒定的磁場不產(chǎn)生電場
恒定的電場不產(chǎn)生磁場
均勻變化的磁場在周圍空間產(chǎn)生恒定的電場
均勻變化的電場在周圍空間產(chǎn)生恒定的磁場
不均勻變化的磁場在周圍空間產(chǎn)生變化的電場
不均勻變化的電場在周圍空間產(chǎn)生變化的磁場
周期性變化的磁場在周圍空間產(chǎn)生同頻率的周期性變化的電場
周期性變化的電場在周圍空間產(chǎn)生同頻率的周期性變化的磁場
種類
波長范圍
特性
應(yīng)用
無線電波
大于1 mm
波動能力強(qiáng)
通信、廣播、射電望遠(yuǎn)鏡
紅外線
760～106 nm
熱作用強(qiáng)
烘干、紅外遙感、測溫、夜視儀
可見光
400～760 nm
感光性強(qiáng)
照明、照相
紫外線
10～400 nm
化學(xué)作用、熒光作用
消毒、熒光效應(yīng)、促使人體合成維生素D
X射線
0.001～10 nm
較強(qiáng)的穿透能力
透視人體、檢查金屬零件的質(zhì)量
γ射線
小于10－3 nm
穿透能力最強(qiáng)
醫(yī)學(xué)上的γ刀技術(shù)、探測金屬內(nèi)部的缺陷