2020春新教材高中物理第5章初识电磁场与电磁波第3节初识电磁波及其应用第4节初识光量子与量子世界教案鲁科

第3节初识电磁波及其应用第4节初识光量子与量子世界

物理观念科学态度与责任

核心素养1.了解电磁波，知道电磁场的物质性。

2.了解电磁波的应用及其带来的影响。

3.知道光是一种电磁波，知道光的能量是

不连续的。

4.初步了解微观世界的量子化特征。

知道手机与通信卫星是电磁波的应用，

通过应用实例的调查，认识科学对技术

的推动作用，体会科技进步对人类生活

和社会发展的影响。激发学生热爱科学

的兴趣，担当科学技术发展的重任。

知识点一对电磁波的认识

[观图助学]

如图所示，在变化的磁场中放一个闭合电路，电路中电流表示数是否发生变化？

1.电磁波的产生

(1)英国物理学家麦克斯韦提出：变化的磁场在周围空间激发出一种电场，变化的电场也能够产生磁场。

(2)周期性变化的磁场周围会产生周期性变化的电场，周期性变化的电场周围也会产生周期性变化的磁场。变化的电场和变化的磁场相互联系在一起，就会在空间形成一个统一的，不可分割的电磁场。

(3)空间交替变化的电磁场传播出去就形成电磁波。赫兹证实了电磁波的存在。

(4)电磁波特点：①横波，②传播速度与光速相同。

2.电磁波应用

(1)手机通话是靠一种特殊的无线通信系统来实现的。

(2)雷达是一种检测飞行器、船只等远距离物体位置的系统。

(3)卫星通信利用地球同步卫星传递微波通信信号。

3.电磁污染及防护

(1)电磁污染又称电磁波污染或射频辐射污染。

(2)电磁辐射的防护。从物理学的角度看，可以从电磁波源，电磁波的传播途径及受辐射的人三个方面进行防护。

[思考判断]

(1)在变化的电场周围，一定存在着和它联系着的磁场。(√)

(2)电磁波的传播不需要介质。(√)

(3)光是一种电磁波。(√)

知识点二光量子与量子世界

1.光的量子化

(1)光的微粒说和光的波动说。光的微粒说可以解释光的反射、光的颜色等；光的波动说可解释干涉、衍射、偏振等现象。

(2)爱因斯坦在解释光电效应时提出了光量子假说，认为光的发射、传播和接收都是一份份光子的形式进行的。后来光量子正式命名为光子。

(3)光即具有波动性，又具有粒子性，即具有波粒二象性。

2.初识量子世界：量子假说认为，物质辐射(或吸收)的能量E只能是最小能量单位的整数倍，即E＝nε(n＝1，2，3，…)。一份能量就是一个能量子，能量子的能量ε与频率ν成正比即ε＝hν。

赫兹做电磁波传播实验

核心要点电磁波

[要点归纳]

一、电磁波特点

1.根据麦克斯韦的电磁场理论，电磁波在真空中传播时，它的电场强度与磁感应强度互相垂直，而且二者均与波的传播方向垂直，如图所示。因此电磁波是横波。

2.电磁波中的电场强度E与磁感应强度B这两个物理量随时间和空间做周期性的变化。

3.光的本质是电磁波。

4.电磁波能产生反射、折射、干涉、偏振和衍射等现象。

二、电磁波的应用

1.无线电波(radio wave)：无线电波用于通信和广播。如手机、卫星通讯等。

电视塔能发射无线电波

2.红外线(infrared ray)

红外线是一种光波，它的波长比无线电波短，比可见光长。所有物体都发射红外线。主要用于加热、遥测等。

红外体温计不与身体接触也可以测体温

3.可见光(visible light)

阳光是由各种色光组成的。主要用于照明、照相等。

4.紫外线(ultraviolet ray)

人眼看不到比紫光波长更短的电磁波。在紫光之外，波长范围在5 nm到370 nm之间的电磁

波是紫外线。主要应用：日光灯、杀菌消毒、治疗皮肤病等。

紫外线消毒柜

5.X射线(X－ray)和γ射线(γ－ray)

波长比紫外线更短的电磁波就是X射线和γ射线。主要应用：探测、治疗等。

“CT”是“计算机辅助X射线断层以摄影”的简称

6.电磁波谱

如无线电波、光波、X射线、γ射线都是电磁波

[试题案例]

[例1] 现在车辆常安装GPS(全球卫星定位系统)接收器，可用来接收卫星发射的信号，实现对车辆的精确定位和导航。卫星向GPS接收器传送信息通过的是( )

A.激光

B.电磁波

C.红外线

D.紫外线

解析GPS接收器通过接收卫星发射的导航信号，实现对车辆的精确定位并导航。卫星向GPS 接收器传送信息依靠的是电磁波。故选B。

答案 B

[例2] (多选)关于电磁波，下列说法正确的是( )

A.电磁波在真空中的传播速度与电磁波的频率无关

B.周期性变化的电场和磁场可以相互激发，形成电磁波

C.电磁波在真空中自由传播时，其传播方向与电场强度、磁感应强度均垂直

D.利用电磁波传递信号可以实现无线通信，但电磁波不能通过电缆、光缆传输

解析 电磁波在真空中传播速度等于光速与频率无关，A 正确；电磁波是周期性变化的电场和磁场相互激发得到的，B 正确；电磁波的传播方向与电场(E )方向、磁场(B )方向均垂直，C 正确；光是一种电磁波，可在光缆中传输，D 错误。 答案 ABC

[针对训练1] 为了体现高考的公平、公正，高考时很多地方在考场使用手机信号屏蔽器，该屏蔽器在工作过程中以一定的速度由低端频率向高端频率扫描，该扫描速度可以在手机接收报文信号时形成乱码干扰，手机不能检测从基站发出的正常数据，使手机不能与基站建立连接，达到屏蔽手机信号的目的，手机表现为搜索网络、无信号、无服务系统等现象。由以上信息可知( )

A.由于手机信号屏蔽器的作用，考场内没有电磁波了

B.电磁波必须在介质中才能传播

C.手机信号屏蔽器工作时基站发出的电磁波不能传播到考场内

D.手机信号屏蔽器是通过发射电磁波干扰手机工作来达到目的的

解析 电磁波在空间的存在，不会因手机信号屏蔽器而消失，故A 错误；电磁波可以在真空中传播，B 错误；由题意知手机信号屏蔽器工作过程中以一定的速度由低端频率向高端频率扫描，干扰由基站发出的电磁波信号，使手机不能正常工作，故C 错误，D 正确。 答案 D

核心要点

光量子与量子世界

[要点归纳] 1.能量子公式

ε＝hν＝hc

λ

，λ为电磁波波长，ν是电磁波的频率，h 是一个常量，后被称为普朗克常量

(Planck costant)，其值为h ＝6.63×10－34

J·s。

2.能量的量子化

在微观世界中能量不能连续变化，只能取分立值，这种现象叫做能量的量子化。 3.量子化假设的实验证实

普朗克公式与实验结果比较，发现它与实验结果“令人满意地相符”。比较图线如下图所示，曲线是根据普朗克的公式作出的，小圆代表实验值。

[试题案例]

[例3] 神光“Ⅱ”装置是我国规模最大的高功率固体激光系统，利用它可获得能量为2 400 J 、波长λ＝0.35 μm 的紫外激光。已知普朗克常量h ＝6.63×10－34

J·s，则该紫外激光所

含光子数为多少？

解析 紫外激光的波长已知，由此可求得紫外激光能量子的值，再根据紫外激光发射的总能量为2 400 J ，即可求得紫外激光所含光子数。紫外激光能量子的值为

ε0＝hc λ＝6.63×10－34×3×1080.35×10

－8

J ＝5.68×10－19 J 则该紫外激光所含光子数

n ＝E ε0＝ 2 4005.68×10

－19＝4.23×1021

个。 答案 4.23×1021

(个)

[针对训练2] 根据爱因斯坦的“光子说”可知( ) A.“光子说”本质就是牛顿的“微粒说” B.只有光子数很多时，光才具有粒子性 C.一束单色光的能量可以连续变化 D.光的波长越长，光子的能量越小

解析 “光子说”提出光子既有波长又有动量，是波动说和粒子说的统一，不同于牛顿的“微粒说”，故A 错误；当光子数很少时，显示粒子性；大量光子显示波动性，故B 错误；爱因斯坦的“光子说”提出在空间传播的光是不连续的，而是一份一份的，每一份叫做一个光子，每个光子的能量为E ＝hν，故光的能量是不连续的，故C 错误；光的波长越大，根据ν＝c

λ

，频率越小，故能量E ＝hν越小，故D 正确。 答案 D

[针对训练3] 下列宏观概念中，是量子化的有( ) A.物质的质量 B.弹簧振子的能量 C.汽车的个数

D.卫星绕地球运行的轨道 答案 C

1.(电磁场理论)关于麦克斯韦的电磁场理论，下列说法正确的是( ) A.稳定的电场产生稳定的磁场

B.均匀变化的电场产生均匀变化的磁场，均匀变化的磁场产生均匀变化的电场

C.变化的电场产生的磁场一定是变化的

D.振荡的电场在周围空间产生的磁场也是振荡的

解析麦克斯韦的电磁场理论要点是：变化的磁场(电场)要在周围空间产生电场(磁场)，若磁场(电场)的变化是均匀的，产生的电场(磁场)是稳定的，若磁场(电场)的变化是振荡的，产生的电场(磁场)也是振荡的，故D选项正确。

答案 D

2.(电磁波谱)麦克斯韦的电磁场理论指出：变化的电场产生磁场，变化的磁场产生电场。电场和磁场在空间的交替传播就形成了电磁波。从1888年赫兹用实验证实了电磁波的存在至今，电磁波已经与我们的生活紧密相关：机场安检门使用频率为7 kHz的电磁波，GPS定位系统使用频率为10.23 MHz(1 MHz＝106Hz)的电磁波，手机工作时使用频率为800～1 900 MHz 的电磁波，无线WiFi使用频率为

2.4 GHz(1 GHz＝109Hz)的电磁波，地铁行李安检时使用频率为1018 Hz的电磁波。根据图中给出的电磁波谱和相关信息，下列说法正确的是( )

A.手机工作时使用的电磁波是纵波

B.机场安检门使用的电磁波只能在空气中传播

C.地铁行李安检时使用的电磁波是利用了电磁波的穿透本领

D.无线WiFi使用的电磁波比GPS定位系统使用的电磁波的波长长

解析手机工作时使用的电磁波均为横波，故A错误；电磁波可以在真空中传播，也可以在介质中传播，故B错误；地铁行李安检时使用的电磁波是利用了电磁波的穿透本领，故C 正确；无线WiFi使用的电磁波比GPS定位系统使用的电磁波频率高，波长短，故D错误。答案 C

3.(电磁波应用)验钞机发出的光能使钞票上的荧光物质发光，电视机、空调的遥控器发出的光能控制电视机、空调的工作状态。对于它们发出的光，以下判断正确的是( )

A.它们发出的都是红外线

B.它们发出的都是紫外线

C.验钞机发出的是红外线，遥控器发出的是紫外线

D.验钞机发出的是紫外线，遥控器发出的是红外线

解析紫外线有较强的荧光作用，能使荧光物质发出荧光，故验钞机发出的是紫外线，红外线波长较长，容易发生衍射，故能很方便地遥控家用电器。故D正确。

答案 D

4.(光量子)光是一种电磁波，可见光的波长的大致范围是400～700 nm。400 nm、700 nm

电磁辐射的能量子的值各是多少(h＝6.63×10－34J·s)?

解析根据公式ν＝c

λ

和ε＝hν可知：400 nm对应的能量子

ε1＝h

c

λ1

＝6.63×10－34×

3.0×108

400×10－9

J＝4.97×－19 J。

700 nm对应的能量子

ε2＝h

c

λ2

＝6.63×10－34×

3.0×108

700×100－9

J＝2.84×10－19 J。

答案 4.97×10－19 J 2.84×10－19 J

基础过关

1.(多选)关于电磁波的发现和对电磁波的理解，下列说法正确的是( )

A.电磁波是一种假想的物质

B.电磁波是客观存在的物质

C.麦克斯韦用实验证实了电磁波的存在

D.赫兹用实验证实了电磁波的存在

答案BD

2.关于电磁波的特性和应用，下列说法正确的是( )

A.红外线和X射线都有很高的穿透本领，常用于医学上透视人体

B.过强的紫外线照射有利于人的皮肤健康

C.电磁波中频率最大的为γ射线，最容易发生衍射现象

D.紫外线和X射线都可以使感光底片感光

解析X射线有很高的穿透本领，常用于医学透视人体，红外线具有明显的热效应，常用于加热物体，选项A错误；过强的紫外线照射对人的皮肤有害，选项B错误；电磁波中频率最大的为γ射线，其波长最短，最不容易发生衍射现象，选项C错误。

答案 D

3.硅光电池是利用光电效应将光辐射的能量转化为电能。若有N个波长为λ0的光子打在光电池极板上，这些光子的总能量为(h为普朗克常量，c为真空中的光速)( )

A.h·c

λ0B.Nh·

c

λ0

C.N·hλ0

D.2Nhλ0

答案 B

4.手机通讯靠电磁波传送。现将一只手机悬挂在密封的玻璃罩内，拨通手机发现手机发出铃声和闪烁的光；逐渐抽出玻璃罩内的空气，发现铃声逐渐变弱直至消失而闪烁的光依然存在；

再让空气逐渐进入玻璃罩内，发现铃声逐渐变强并仍然有闪烁的光。根据上述现象得到的下列结论中正确的是( )

A.声音、电磁波均不能在密封的容器中传播

B.声音不能在密封的容器中传播，而电磁波能在密封的容器中传播

C.声音的传播需要空气，而电磁波的传播不需要空气

D.声音、电磁波均需要空气才能传播

解析将一只手机悬挂在密封的玻璃罩内，拨通手机发现手机发出铃声和闪烁的光，说明声音和电磁波都能在密封的容器中传播，故A、B均错误；逐渐抽出玻璃罩内的空气，发现铃声逐渐变弱直至消失而闪烁的光依然存在，说明空气介质在减少时，声音变小到消失，充分说明声音的传播需要空气，真空不能传播声音；而闪烁的光依然存在，说明电磁波的传播不需要空气，在真空中仍然能够传递给手机，使手机发光，故C正确，D错误。

答案 C

5.(多选)我国成功研发的反隐身先进米波雷达堪称隐身飞机的克星，它标志着我国雷达研究又创新的里程碑，米波雷达发射无线电波的波长在1～10 m范围内，则对该无线电波的判断正确的是( )

A.米波的频率比厘米波频率低

B.和机械波一样须靠介质传播

C.同光波一样会发生反射现象

D.不可能产生干涉和衍射现象

解析米波比厘米波的波长长，故米波的频率较低，A正确；米波雷达发射的是无线电波，可在真空中传播，同光波一样会发生反射、干涉、衍射等现象，B、D错误，C正确。

答案AC

6.关于电磁波的说法中正确的是( )

A.只要有电场和磁场，就能产生电磁波

B.电磁波会发生偏振现象，是纵波

C.电磁波能产生干涉和衍射现象

D.紫外线的频率比红外线的频率小

解析由麦克斯韦电磁场理论知，变化的电场产生磁场，变化的磁场产生电场，振荡的电场和磁场交替产生，由近及远地传播，形成电磁波，A错误；电磁波会发生偏振现象，是横波，B错误；干涉和衍射现象是波特有的现象，电磁波能产生干涉和衍射现象，C正确；紫外线的频率比红外线的频率大，D错误。

答案 C

7.下列关于电磁波的说法正确的是( )

A.电磁波只能在真空中传播

B.电场随时间变化时一定产生电磁波

C.做变速运动的电荷会在空间产生电磁波

D.麦克斯韦第一次用实验证实了电磁波的存在

解析电磁波在介质中也能传播，比如光是一种电磁波，在水和玻璃等介质中也能传播，故A错误；均匀变化的电场产生恒定的磁场，不能再产生电场，因而不能产生电磁波，故选项B错误；做变速运动的电荷会在空间产生变化的电磁场，形成电磁波，故C正确；麦克斯韦预言了电磁波的存在，是赫兹第一次用实验证实了电磁波的存在，故选项D错误。

答案 C

能力提升

8.(多选)关于生活中遇到的各种波，下列说法正确的是( )

A.电磁波可以传递信息

B.声波不能传递信息

C.手机在通话时涉及的波既有电磁波又有声波

D.太阳光中的可见光和医院“B超”中的超声波传播速度不相同

解析声波、电磁波都能传递能量和信息，A项正确，B项错误；在手机通话过程中，既涉及电磁波又涉及声波，C项正确；可见光属于电磁波，B超中的超声波是声波，波速不同，D 项正确。

答案ACD

9.关于电磁场理论，下列说法正确的是( )

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

解析根据麦克斯韦电磁场理论，只有变化的电场能产生磁场，均匀变化的电场产生稳定的磁场，非均匀变化的电场才产生变化的磁场，故D正确，A、B、C错误。

答案 D

10.第26届国际计量大会于2018年11月通过决议，正式更新了千克、安培、开尔文和摩尔四个基本单位的定义，国际测量界的百年夙愿终于实现——国际测量体系将全部建立在基本物理常数上，大大提高了计量的稳定性和精确性。比如，最受关注的“千克”，不再以具体实物的质量来定义，而将以量子力学中的普朗克常数h为基准，经过一系列物理换算，算出质量。已知普朗克常数与频率的乘积可以表示能量，下列属于用国际单位制的基本单位来表示普朗克常数h单位的是( )

A.J/s

B.kg·m2/s

C.kg·m2/s3

D.N·m·s

解析 根据公式E ＝hν，因能量E 的单位为J ，频率ν的单位为s －1

，那么普朗克h 单位：J·s＝N·m·s＝kg·m s 2·m·s＝kg·m 2s

，故B 正确，A 、C 、D 错误。 答案 B

11.珠海国际航展会上，中国展出了先进概念机“歼—31”，标志着中国继美国之后，成为世界上第二个同时研发两款第四代隐形战机的国家。隐形飞机的原理是在飞机研制过程中设法降低其可探测性，使之不易被敌方发现、跟踪和攻击。根据你所学的物理知识判断，下列说法正确的是( )

A.运用隐蔽色涂层，无论距你多近的距离，即使你拿望远镜也不能看到它

B.使用吸收雷达电磁波材料，在雷达屏幕上显示的反射信息很小、很弱，很难被发现

C.使用吸收雷达电磁波涂层后，传播到复合金属机翼上的电磁波在机翼上不会产生感应电流

D.主要是对发动机、喷气尾管等因为高温容易产生紫外线辐射的部位采取隔热、降温等措施，使其不易被对方发现

解析 雷达向外发射电磁波，当电磁波遇到飞机时就要发生反射，雷达通过接收反射回来的电磁波，就可以测定飞机的位置，所以要想降低飞机的可探测性，可以使用吸收雷达电磁波材料，在雷达屏幕上显示的反射信息很小、很弱，很难被发现，选项B 正确。

答案 B

12.近日，芜湖步行街旁中和路新装52盏“智慧路灯”，除基本照明外，每盏路灯将安装Wifi 信号发射、手机充电接口等设备。Wifi 信号是频率较小的电磁波，下列关于Wifi 信号说法正确的是( )

A.Wifi 信号不能在真空中传播

B.Wifi 信号不会产生污染

C.电饭煲是利用Wifi 信号来加热食物的电器

D.智能手机可以接收该Wifi 信号进行网络连接

答案 D

13.如图中A 为某火箭发射场，B 为山区，C 为城市。发射场正在进行某型号火箭的发射实验。为了转播火箭发射的实况，在发射场建立了发射台用于发射广播与电视信号。

已知传输无线电广播所用的电磁波波长为550 m ，而传输电视信号所用的电磁波波长为0.566

m。为了不让山区挡住信号的传播，使城市居民能收听和收看火箭发射的实况，必须通过建在山顶上的转发站来转发________(填“无线电广播信号”或“电视信号”)。这是因为________________________________________。

解析从题中知，传输无线电广播所用电磁波长为550 m，根据波发生明显衍射现象的条件，知该电磁波很容易发生衍射现象绕过山坡而传播到城市所在的C区，因而不需要转发装置。电视信号所用的电磁波波长为0.566 m，其波长很短，衍射现象很不明显，几乎沿直线传播，能传播到山顶却不能传播到城市所在的C区，要想使信号传到C区，必须通过建在山顶的转发站来转发。

答案电视信号电视信号波长较短，很难发生衍射现象

14.科学技术是一把双刃剑。电磁波的应用也是这样。它在使人类的生活发生日新月异变化的同时也存在副作用——电磁污染。频率超过0.1 MHz的电磁波的强度足够大时就会对人体构成威胁。按照有关规定，人体所受到的电磁辐射强度(即单位时间内垂直通过单位面积的电磁波的能量)不得超过某一规定值I e。已知某无线通信设备发射电磁波的功率为P，设该通信设备向四面八方均匀地发射电磁波，且电磁波在传播过程中无能量损失。由数学知识可知，球面的面积S＝4πr2(式中r为球半径)，球半径与球面总是垂直的。根据上述资料，可估算出人体到该通信设备发射电磁波处的安全距离至少应为多少时，人体所受的电磁辐射强度才不会超过规定值？

解析设人到发射电磁波处的距离为r。

以发射电磁波处为球心，以r为半径作一球面，

若球面上电磁波的辐射强度为I e。

则4πr2I e＝P，所以r＝

P 4πI e

即人离波源的距离至少为

P

4πI e

才是安全区。

答案

P 4πI e