人教版 (2019)必修 第三册电磁波的发现及应用学案设计

这是一份人教版 (2019)必修 第三册电磁波的发现及应用学案设计，共15页。学案主要包含了情景思辨，基础知识·准落实，核心要点·快突破，教学效果·勤检测等内容，欢迎下载使用。
知识点一 电磁场
1.麦克斯韦电磁场理论
（1）变化的磁场产生 。
（2）变化的电场产生 。
2.电磁场：变化的 和磁场总是相互联系的，形成一个不可分割的统一的电磁场。
知识点二 电磁波
1.电磁波：麦克斯韦预言，周期性变化的 和 交替产生，由近及远地向周围传播，就形成了电磁波。
2.电磁波的特性
（1）可以在 中传播，不需要 。
（2）在真空中的传播速度等于 。
3. 通过实验证明了电磁波是真实存在的。
知识点三 电磁波谱
1.描述波的三个概念是 、 、 。三者之间的关系是波速＝ 。
2.电磁波的波速c与波长λ及频率f的关系：c＝ 。在真空中，c＝3×108 m/s。
3.电磁波谱：按电磁波的波长或频率大小的顺序把它们排列起来，就是电磁波谱。
4.各种电磁波的特性及应用
（1）无线电波中的长波、中波、短波可以用于广播及其他信号的传输，微波用于 通信、电视等的信号传输。
（2）红外线可用来 理疗。
（3）可见光让我们看见这个世界，也可用于 。
（4）紫外线可以 。
（5）X射线片可以用于诊断病情。
（6）γ射线可以摧毁病变的细胞。
知识点四 电磁波的能量
1.利用微波炉可以加热食物，说明电磁波具有能量。
2.光是一种电磁波——传播着的 ，光具有能量。
知识点五 电磁波通信
1.负责通话的电信网、广播电视网和互联网相互渗透、相互兼容，逐步整合为统一的信息通信网络。
2.以互联网为基础的信息服务中的各种信息都是通过 来传递的。
3.电磁波携带的信息，既可以有线传播，也可以 传播。

知识点六 热辐射
1.热辐射
（1）定义：我们周围的一切物体都在辐射 。这种辐射与物体的 有关，所以叫作热辐射。
（2）特点：当温度升高时，热辐射中波长 的电磁波的成分越来越强。
2.黑体
（1）定义：能够 吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射的物体。
（2）特点
①黑体不反射电磁波，但可以向外 电磁波。
②黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的 有关。
知识点七 能量子 能级
1.能量子
（1）定义：普朗克认为，当带电微粒辐射或吸收能量时，只能辐射或吸收某个最小能量值ε的 。这个不可再分的最小能量值ε叫作能量子。
（2）能量子大小：ε＝ ，其中ν是电磁波的频率，h称为普朗克常量。h＝6.626×10－34 J·s（一般取h＝6.63×10－34 J·s）。
（3）爱因斯坦的推广：光本身就是由一个个不可分割的能量子组成，频率为ν的光的能量子为 ，这些能量子叫作 。
2.能级
（1）定义：原子 的能量值。
（2）原子的稳定性：原子处于能量最 的状态时最稳定。
（3）能级跃迁规律：原子由高能态向低能态跃迁时放出的光子的 等于前后两个能级之差。
（4）原子的发射光谱是一些 的亮线。
【情景思辨】
如图所示，利用雷达可以探测空中飞行物的位置。判断下列说法的正误。
（1）电磁波的传播不需要介质，可在真空中传播。（ ）
（2）电磁波和光在真空中的传播速度都是3.0×108 m/s。（ ）
（3）麦克斯韦预言并验证了电磁波的存在。（ ）
（4）电磁波是带有能量的，在介质中传播时能把部分能量传递给介质。（ ）
（5）光的波粒二象性彻底推翻了麦克斯韦的电磁理论。（ ）
（6）光子说并没有否定电磁说，在光子的能量ε＝hν中，ν表示波的特性，ε表示粒子的特性。（ ）
要点一 麦克斯韦电磁场理论
对麦克斯韦电磁场理论的理解
【典例1】 （多选）下列说法正确的是（ ）
A.变化的磁场周围一定存在着电场，与是否有闭合电路无关
B.恒定电流能够在周围空间产生恒定的磁场
C.恒定电场能够在周围空间产生恒定的磁场
D.均匀变化的电场能够在周围空间产生恒定的磁场
尝试解答
1.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，变化的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
2.某电路中电场随时间变化的图像如下列各图所示，能发射电磁波的电场是（ ）
要点二 电磁波
1.电磁波的特点
（1）只有周期性变化的电场和磁场相互激发才能形成电磁波。
（2）电磁场中储存着能量，电磁波的发射过程就是辐射电磁能的过程。
（3）电磁波可以在真空中传播，且任何频率的电磁波在真空中的传播速度都等于光在真空中的传播速度，即c＝3×108 m/s。
（4）电磁波传播虽然不需要介质，但它可以在其他介质如光纤中传播，且速度都比在真空中的小。
2.波长、频率与波速之间的关系
（1）波速＝波长×频率，即c＝λf。
（2）频率由波源决定，与介质无关，而波长、波速的大小与介质有关，所以同一电磁波在不同介质中传播时，频率不变，波速、波长发生改变。
（3）不同频率的电磁波在同一介质中传播时，传播速度不同。
【典例2】 波长为0.6 μm的红光，从10 m外的交通信号灯传到你的眼睛，大约需要多长时间？它的频率是多少？
尝试解答
1.（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.电磁波可以由电磁振荡产生，若波源的电磁振荡停止，空间的电磁波随即消失
2.甲坐在人民大会堂台前60 m处听报告，乙坐在家里离电视机5 m处看电视直播，已知乙所在处与人民大会堂相距1 000 km，不考虑其他因素，则（空气中声速为340 m/s）（ ）
A.甲先听到声音B.乙先听到声音
C.甲、乙同时听到声音D.不能确定
要点三 电磁波谱
【探究】
“光子刀”具有附带损伤小，术后恢复快等特点，被广泛应用于各种恶性肿瘤的治疗中。那么，你知道这种“光子刀”工作在什么波段？该波段有什么特点吗？
【归纳】
1.各种频率不同的电磁波既有共性，又有个性
（1）共性：本质上都是电磁波，它们的行为遵循相同的规律。
（2）个性：不同电磁波的频率或波长不同，表现出不同的特性。
2.电磁波谱及其应用：按电磁波的波长或频率大小的顺序把他们排列成谱。无线电波、红外线、可见光、紫外线、伦琴射线（X射线）、γ射线等合起来，便构成了范围非常广阔的电磁波谱，但相邻波谱之间并没有严格的界限。
【典例3】 下列各组电磁波，按频率由高到低的正确排列顺序是（ ）
A.无线电波、红外线、可见光、X射线
B.X射线、红外线、可见光、无线电波
C.X射线、可见光、红外线、无线电波
D.无线电波、可见光、红外线、X射线
尝试解答
1.（多选）关于电磁波的应用，下列说法正确的是（ ）
A.医院里常用X射线对病房和手术室进行消毒
B.工业上利用γ射线检查金属部件内有无砂眼或裂缝
C.刑侦上用紫外线拍摄指纹照片，因为紫外线波长短，分辨率高
D.卫星用红外遥感技术拍摄云图照片，因为红外线穿透能力较强
2.近年来军事行动中，士兵都使用“红外夜视仪”，在夜间也能清楚地看清目标，主要是因为（ ）
A.“红外夜视仪”发射出强大的红外线，照射被视物体
B.一切物体均在不停地辐射红外线
C.一切高温物体均在不停地辐射红外线
D.“红外夜视仪”发射出X射线，被射物体受到激发而发出红外线
要点四 对黑体和黑体辐射的理解
1.对黑体的理解
（1）绝对的黑体实际上是不存在的，但可以用某装置近似地代替。如图所示，如果在一个空腔壁上开一个小孔，那么射入小孔的电磁波在空腔内表面会发生多次反射和吸收，最终不能从空腔射出，这个小孔就成了一个绝对黑体。
（2）黑体不一定是黑的，只有当自身辐射的可见光非常微弱时看上去才是黑的；有些可看作黑体的物体由于有较强的辐射，看起来还会很明亮，如炼钢炉口上的小孔。一些发光的物体（如太阳、白炽灯灯丝）也被当作黑体来处理。
2.一般物体与黑体的比较
【典例4】 关于黑体及黑体辐射，下列说法正确的是（ ）
A.黑体是真实存在的
B.普朗克引入能量子的概念，得出黑体辐射的强度按波长分布的公式，与实验符合得非常好，并由此开创了物理学的新纪元
C.随着温度升高黑体辐射的各波长的强度有些会增强，有些会减弱
D.黑体辐射无任何实验依据
尝试解答
1.（多选）下列叙述正确的是（ ）
A.一切物体都在辐射电磁波
B.一般物体辐射电磁波的情况只与温度有关
C.黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体温度有关
D.黑体能够完全吸收入射的各种波长的电磁波
2.（多选）以下关于辐射强度与波长关系的说法正确的是（ ）
A.物体在某一温度下只能辐射某一固定波长的电磁波
B.当铁块呈现黑色时，说明它的温度不太高
C.当铁块的温度较高时会呈现赤红色，说明此时辐射的电磁波中该颜色的光强度最强
D.早、晚时分太阳呈现红色，而中午时分呈现白色，说明中午时分太阳温度最高
要点五 能量子和能级
1.能量的量子化
在微观世界里，能量不能连续变化，只能取分立值，这种现象叫作能量的量子化。
2.能量子观点与黑体辐射实验的比较
普朗克的能量子假设认为微观粒子的能量是量子化的，或者说微观粒子的能量是分立的。借助于能量子的假说，普朗克得出黑体辐射的强度按波长分布的公式，与实验符合得很好。
3.对能级跃迁的理解
（1）原子的能量是量子化的，量子化的能量值叫能级。
（2）原子从高能态向低能态跃迁时放出光子，光子的能量等于前后两个能级之差。
（3）放出的光子的能量是分立的，所以原子的发射光谱是一些分立的亮线。
【典例5】 （多选）关于原子的能级跃迁，下列说法正确的是（ ）
A.原子从低能级跃迁到高能级要放出光子，放出光子的能量等于原子在始、末两个能级的能量差
B.原子不能从低能级向高能级跃迁
C.原子吸收光子后从低能级向高能级跃迁，放出光子后从较高能级跃迁到较低能级
D.原子跃迁时无论是吸收光子还是放出光子，光子的能量都等于始、末两个能级的能量差的绝对值
尝试解答
1.（多选）下列说法正确的是（ ）
A.原子的能量是连续的，原子的能量从某一能量值变为另一能量值，可以连续变化
B.原子从低能级向高能级跃迁时放出光子
C.原子从高能级向低能级跃迁时放出光子，且光子的能量等于前后两个能级之差
D.由于能级的存在，原子放出的光子的能量是分立的，所以原子的发射光谱只有一些分立的亮线
2.神光Ⅱ装置是国际上为数不多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？
1.下列关于麦克斯韦的电磁场理论说法正确的是（ ）
A.变化的磁场产生的电场一定是变化的
B.不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不均匀变化的电场
C.稳定的磁场产生不稳定的电场
D.周期性变化的磁场在周围空间产生的电场是周期性变化的
2.磁场的磁感应强度B随时间t变化的四种情况如图所示，其中能产生电场的磁场和能产生持续电磁波的磁场分别为（ ）
A.②③④ ③④B.①③④ ③④
C.②③④ ②④D.①③④ ②④
3.（多选）2021年12月9日，中国空间站太空授课活动取得圆满成功。“太空教师”翟志刚、王亚平、叶光富在中国空间站为广大青少年带来了一场精彩的太空科普，这次讲课是利用电磁波传输的。下列关于电磁波的叙述，正确的是（ ）
A.电磁波是以波动的形式由发生区域向远处传播的电磁场
B.电磁波在任何介质中的传播速度均为3×108 m/s
C.电磁波由真空进入介质中传播时，波长将变短
D.电磁波由真空进入介质中传播时，频率将变大
4.关于对热辐射的认识，下列说法中正确的是（ ）
A.热的物体向外辐射电磁波，冷的物体只吸收电磁波
B.温度越高，物体辐射的电磁波越强
C.辐射强度按波长的分布情况只与物体的温度有关，与材料种类及表面状况无关
D.常温下我们看到的物体的颜色就是物体辐射电磁波的颜色
5.（多选）下列关于氢原子能级叙述中正确的是（ ）
A.电子绕核运动有加速度，就要向外辐射电磁波
B.处于定态的原子，其电子做变速运动，但它并不向外辐射能量
C.原子内电子的可能轨道是连续的
D.原子内电子的轨道是不连续的
6.能引起人的眼睛视觉效应的最小能量为10－18 J，已知可见光的平均波长为0.6 μm，普朗克常量h＝6.63×10－34 J·s，恰能引起人眼的感觉，进入人眼的光子数至少为（ ）
A.1个B.3个
C.30个D.300个
4.电磁波的发现及应用5.能量量子化
【基础知识·准落实】
知识点一
1.（1）电场 （2）磁场 2.电场
知识点二
1.电场 磁场 2.（1）真空 介质 （2）光速 3.赫兹
知识点三
1.波长 频率 波速 波长×频率 2.λf 4.（1）卫星
（2）加热 （3）通信 （4）消毒
知识点四
2.电磁场
知识点五
2.电磁波 3.无线
知识点六
1.（1）电磁波 温度 （2）较短 2.（1）完全 （2）①辐射
②温度
知识点七
1.（1）整数倍 （2）hν （3）hν 光子 2.（1）量子化
（2）低 （3）能量 （4）分立
情景思辨
（1）√ （2）√ （3）× （4）√ （5）× （6）√
【核心要点·快突破】
要点一
知识精研
【典例1】 ABD 变化的磁场周围产生电场，当电场中有闭合回路时，回路中有电流，若无闭合回路，电场仍然存在，A正确；电场按其是否随时间变化分为恒定电场和变化的电场（如运动电荷形成的电场），恒定电场不产生磁场，只有变化的电场周围空间才存在对应磁场，C错误，D正确；恒定电流周围存在恒定磁场，B正确。
素养训练
1.D 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，A、B、C错误，D正确。
2.D 图A中电场不随时间变化，不会产生磁场；图B和图C中电场都随时间做均匀的变化，只能在周围产生恒定的磁场，也不会产生和发射电磁波；图D中电场随时间做不均匀的变化，能在周围空间产生变化的磁场，而这磁场的变化也是不均匀的，又能产生变化的电场，从而交织成一个不可分割的统一体，即形成电磁场，能发射电磁波。
要点二
知识精研
【典例2】 3.33×10－8 s 5×1014 Hz
解析：由速度公式v＝xt可求得时间，可根据电磁波波长、频率和波速关系式c＝λf可得频率，
其中t＝xc＝103×108 s≈3.33×10－8 s
由c＝λf，得f＝cλ＝3×1086×10－7 Hz＝5×1014 Hz。
素养训练
1.ABC 电磁波在真空中的传播速度均相同，与电磁波的频率无关，故A正确；变化的磁场产生电场，变化的电场产生磁场，周期性变化的电场和磁场相互激发，形成电磁波，故B正确；电磁波是横波，每一处的电场强度和磁感应强度总是相互垂直的，且与波的传播方向垂直，故C正确；电磁波可以由电磁振荡产生，当发射电路的电磁振荡停止，只是不能产生新的电磁波，但已发出的电磁波不会立即消失，还要继续传播一段时间，故D错误。
2.B 声音传到甲所需时间为t1＝60340 s≈0.176 s，传到乙所需时间为t2＝1×1063×108 s＋5340 s≈0.018 s，故B正确。
要点三
知识精研
【探究】 提示：这种“光子刀”工作在γ射线波段；该波段频率高，能量大，穿透能力强，被广泛应用于工业金属探伤、医学肿瘤治疗等领域。
【典例3】 C 频率顺序由高到低排列，电磁波谱可大致分为：γ射线（伽马射线）、X射线（伦琴射线）、紫外线、可见光、红外线、微波、无线电波，故C正确，A、B、D错误。
素养训练
1.BC 医院里用紫外线杀菌消毒，故A错误；卫星用红外遥感技术拍摄云图照片是利用了一切温度不同的物体都有频率不同的红外辐射的特点，再说红外线穿透能力并不强，故D错误，B、C正确。
2.B 一切物体均在不停地向外辐射红外线，不同物体辐射出的红外线不同，采用“红外夜视仪”可以清楚地分辨出物体的形状、大小和位置，不受白天和夜晚的影响，即可确认出目标，从而采取有效的行动。“红外夜视仪”发射出强大的红外线，照射被视物体，与结论不相符，选项A错误；一切物体均在不停地辐射红外线，与结论相符，选项B正确；一切高温物体均在不停地辐射红外线，与结论不相符，选项C错误； “红外夜视仪”发射出X射线，被射物体受到激发而发出红外线，与结论不相符，选项D错误。
要点四
知识精研
【典例4】 B 黑体并不是真实存在的，故A错误；普朗克引入能量子的概念，得出黑体辐射的强度按波长分布的公式，与实验符合得非常好，并由此开创了物理学的新纪元，故B正确；随着温度的升高，各种波长的辐射强度都增加，故C错误；黑体辐射是有实验依据的，故D错误。
素养训练
1.ACD 根据热辐射的定义可知A正确；根据热辐射和黑体辐射的特点知一般物体辐射电磁波的情况除与温度有关外，还与材料种类和表面状况有关，而黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体温度有关，B错误，C正确；根据黑体的定义可知D正确。
2.BC 随着温度的升高，各种波长的波的辐射强度都增加，而热辐射不是仅辐射一种波长的电磁波，故A错误；由热辐射知识可知B、C正确；太阳早、晚时分呈现红色，而中午时分呈现白色，是由于大气吸收与反射了部分光的原因，不能说明中午时分太阳温度最高，故D错误。
要点五
知识精研
【典例5】 CD 原子处于高能级时不稳定，可自发地向低能级跃迁，以光子的形式释放能量；光子的吸收是光子辐射的逆过程，原子在吸收光子后，会从较低能级向较高能级跃迁，但不管是吸收光子还是辐射光子，光子的能量都等于始、末两个能级的能量差的绝对值，故选项C、D正确。
素养训练
1.CD 原子的能量是量子化的，原子从高能级会自发地向低能级跃迁，向外放出光子。光子的能量hν＝E初－E末，由于能级的分立性，放出的光子的能量也是分立的，所以原子的发射光谱只有一些分立的亮线，故C、D正确。
×1021个
解析：紫外激光能量子的值为
ε＝hcλ＝6.63×10－34×3×1080.35×10－6 J≈5.68×10－19 J
则该紫外激光所含光子数
n＝Eε＝2 4005.68×10－19≈4.23×1021（个）。
【教学效果·勤检测】
1.D 根据麦克斯韦的电磁场理论可知，变化的磁场周围能产生电场，均匀变化的磁场周围产生稳定的电场，故A错误；不均匀变化的电场产生变化的磁场，磁场有可能不是均匀变化的；均匀变化的磁场周围产生稳定的电场，故B错误；稳定的磁场其周围不产生电场，故C错误；周期性变化的磁场在周围空间产生的电场是周期性变化的，周期性变化的电场在周围空间产生的磁场也是周期性变化的，故D正确。
2.C 根据麦克斯韦的电磁场理论，变化的磁场产生电场，故②③④都可以产生电场；周期性变化的磁场产生周期性变化的电场，周期性变化的电场产生周期性变化的磁场，从而产生电磁波，故只有②④可以产生电磁波。综上所述可知选项C正确。
3.AC 电场、磁场相互激发并以波动的形式向外传播，形成电磁波，选项A正确；电磁波只有在真空中传播时波速为3×108 m/s，在其他介质中传播时波速均小于3×108 m/s，选项B错误；电磁波从真空进入介质中，频率不变，波速减小，根据λ＝vf知，波长λ减小，选项C正确，D错误。
4.B 一切物体都不停地向外辐射电磁波，且温度越高，辐射的电磁波越强，对于一般材料的物体，辐射强度按波长的分布除与物体的温度有关外，还与材料的种类和表面状况有关，常温下看到的物体的颜色是反射光的颜色，故B正确，A、C、D错误。
5.BD 按照经典物理学的观点，电子绕核运动有加速度，一定会向外辐射电磁波，很短时间内电子的能量就会消失，与客观事实相矛盾，由能级和能量子理论可知选项A、C错误，B正确；原子内原子轨道是不连续的，D正确。
6.B 每个光子的能量为E0＝hcλ，能引起人的眼睛视觉效应的最小能量E为10－18 J，由E＝nE0得能引起人眼的感觉，进入人眼的光子数至少为n＝EE0＝Eλhc＝10－18×6×10－76.63×10－34×3×108个≈3个，故选B。
课标要求
素养目标
1.初步了解电磁场、电磁波，知道电磁场的物质性。
2.知道光的能量是不连续的，了解量子假设的内容。
3.能用电磁波等相关知识说明电磁技术的一些应用。
4.能体会电磁波的应用对人类生活和社会发展带来的影响，能理性讨论电磁污染及其防护的问题
1.通过实验分析了解电磁场的概念及电磁波的产生与传播。（物理观念）
2.通过阅读教材，了解日常生活中电磁波的应用，电磁污染及防护。（科学态度与责任）
3.通过阅读教材了解人类对光的认识过程，知道光的能量是量子化的。（物理观念）
4.通过阅读教材，了解量子理论的基本假设。（物理观念）
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
周期性变化的电场产生同频率的周期性变化的磁场
周期性变化的磁场产生同频率的周期性变化的电场
波谱
特性
应用
无线电波
波动性强
通讯广播、导航等
红外线
热作用
加热理疗
可见光
感光性强
照明、照相
紫外线
荧光效应
杀菌消毒、医疗等
X射线
穿透能力较强
工业探伤、医学透视
γ射线
穿透能力最强
工业探伤、医学治疗
一般物体
黑体
热辐射
特点
辐射电磁波的情况与温度有关，与材料的种类及表面状况有关
辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的温度有关
吸收、反
射特点
既吸收又反射，其能力与材料的种类及入射波长等因素有关
完全吸收各种入射电磁波，不反射