2025年高二物理上學(xué)期單元測(cè)試（電磁波）一、電磁波的發(fā)現(xiàn)19世紀(jì)中葉，麥克斯韋在總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上，提出了電磁場(chǎng)理論，并預(yù)言了電磁波的存在。他的理論主要包含兩個(gè)核心要點(diǎn)：變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)，變化的電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)。這一理論突破了傳統(tǒng)電磁學(xué)的局限，揭示了電與磁之間的內(nèi)在聯(lián)系。麥克斯韋認(rèn)為，變化的磁場(chǎng)能夠在周圍空間產(chǎn)生電場(chǎng)，這種電場(chǎng)與是否存在閉合電路無(wú)關(guān)，是一種普遍現(xiàn)象。例如，當(dāng)磁場(chǎng)隨時(shí)間均勻變化時(shí)，會(huì)產(chǎn)生恒定的電場(chǎng)；而當(dāng)磁場(chǎng)非均勻變化時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生變化的電場(chǎng)。同樣，變化的電場(chǎng)也能產(chǎn)生磁場(chǎng)，這一假設(shè)將電場(chǎng)與磁場(chǎng)緊密地聯(lián)系在一起。根據(jù)麥克斯韋的理論，變化的電場(chǎng)和磁場(chǎng)相互激發(fā)，形成一個(gè)不可分割的統(tǒng)一體，即電磁場(chǎng)。這種電磁場(chǎng)能夠以波的形式在空間傳播，這就是電磁波。電磁波具有以下重要特點(diǎn)：首先，它是橫波，電場(chǎng)和磁場(chǎng)的振動(dòng)方向都與傳播方向垂直；其次，電磁波的傳播不需要介質(zhì)，可以在真空中傳播，這一點(diǎn)與機(jī)械波有本質(zhì)區(qū)別；再次，電磁波具有波的所有特性，包括反射、折射、干涉和衍射等；最后，電磁波在真空中的傳播速度等于光速，約為3×10^8m/s，這一結(jié)論為后來(lái)光的電磁理論奠定了基礎(chǔ)。1887年，赫茲通過(guò)實(shí)驗(yàn)首次證實(shí)了電磁波的存在。他設(shè)計(jì)了一個(gè)能夠產(chǎn)生高頻電磁振蕩的裝置，當(dāng)裝置工作時(shí)，能夠向周圍空間發(fā)射電磁波。同時(shí)，他還設(shè)計(jì)了一個(gè)共振電路作為接收器，成功接收到了電磁波信號(hào)。赫茲的實(shí)驗(yàn)不僅證實(shí)了麥克斯韋的預(yù)言，還為無(wú)線電技術(shù)的發(fā)展開辟了道路。二、電磁振蕩大小和方向都做周期性迅速變化的電流稱為振蕩電流，產(chǎn)生振蕩電流的電路叫做振蕩電路。最簡(jiǎn)單的振蕩電路是由電感線圈和電容器組成的LC振蕩電路。當(dāng)開關(guān)置于線圈一側(cè)時(shí)，電容器開始放電，由于線圈的自感作用，放電電流不能立刻達(dá)到最大值，而是逐漸增大，同時(shí)電容器極板上的電荷逐漸減少。當(dāng)放電完畢時(shí)，電容器極板上沒有電荷，放電電流達(dá)到最大值。在這個(gè)過(guò)程中，電容器中的電場(chǎng)能逐漸轉(zhuǎn)化為線圈中的磁場(chǎng)能。放電完畢后，由于線圈的自感作用，電流不會(huì)立即減小為零，而是保持原來(lái)的方向繼續(xù)流動(dòng)，并逐漸減小。此時(shí)，電容器開始反向充電，極板上的電荷逐漸增多。當(dāng)反向充電完畢時(shí)，電流減小為零，電容器極板上的電荷量達(dá)到最大值，磁場(chǎng)能又全部轉(zhuǎn)化為電場(chǎng)能。此后，電容器再次放電、充電，如此反復(fù)，電路中就產(chǎn)生了振蕩電流。電磁振蕩的周期和頻率是描述振蕩電路特性的重要物理量。LC振蕩電路的周期T與電感L和電容C的關(guān)系為T=2π√(LC)，頻率f=1/T=1/(2π√(LC))。在無(wú)阻尼振蕩中，振蕩電流的振幅保持不變，能量在電場(chǎng)能和磁場(chǎng)能之間不斷轉(zhuǎn)化，總能量守恒。而在實(shí)際情況中，由于電路存在電阻等損耗，振蕩電流的振幅會(huì)逐漸減小，這種振蕩稱為阻尼振蕩。為了維持持續(xù)的振蕩，需要不斷地補(bǔ)充能量。在電磁振蕩過(guò)程中，電容器極板上的電荷量、電路中的電流、電場(chǎng)強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度都隨時(shí)間做周期性變化。當(dāng)電容器極板上的電荷量最大時(shí)，電路中的電流為零，電場(chǎng)能最大，磁場(chǎng)能為零；當(dāng)電荷量為零時(shí)，電流最大，磁場(chǎng)能最大，電場(chǎng)能為零。電場(chǎng)能和磁場(chǎng)能的相互轉(zhuǎn)化是電磁振蕩的本質(zhì)。三、電磁波譜電磁波按照波長(zhǎng)或頻率的不同，可以分為無(wú)線電波、紅外線、可見光、紫外線、X射線和γ射線等不同波段，它們共同構(gòu)成了電磁波譜。無(wú)線電波是波長(zhǎng)最長(zhǎng)的電磁波，通常分為長(zhǎng)波、中波、短波和微波等。長(zhǎng)波的波長(zhǎng)可達(dá)數(shù)千米，主要用于超遠(yuǎn)程無(wú)線電通信和導(dǎo)航；中波和短波常用于廣播和電報(bào)通信；微波的波長(zhǎng)較短，一般在1mm至1m之間，廣泛應(yīng)用于電視、雷達(dá)、導(dǎo)航和微波爐等領(lǐng)域。無(wú)線電波是由自由電子在振蕩電路中的周期性運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的。紅外線的波長(zhǎng)范圍大約在0.76μm至1mm之間，其產(chǎn)生機(jī)理是物體內(nèi)部的分子和原子的熱運(yùn)動(dòng)。一切物體都在不停地輻射紅外線，溫度越高，輻射的紅外線越強(qiáng)。紅外線具有顯著的熱效應(yīng)，可用于加熱物體，如烤箱、紅外體溫計(jì)等。此外，紅外線在遙感技術(shù)中也有重要應(yīng)用，通過(guò)探測(cè)物體發(fā)出的紅外線，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)地?zé)帷⒒鹎?、臺(tái)風(fēng)等的監(jiān)測(cè)?？梢姽獾牟ㄩL(zhǎng)范圍在380nm至760nm之間，是電磁波譜中人類肉眼能夠感知的部分。不同波長(zhǎng)的可見光呈現(xiàn)出不同的顏色，從長(zhǎng)波到短波依次為紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫?？梢姽馐怯稍踊蚍肿拥耐鈱与娮邮芗ぐl(fā)后產(chǎn)生的，其主要用途包括照明、攝影和光合作用等。紫外線的波長(zhǎng)比可見光短，范圍在10nm至380nm之間。高溫物體如太陽(yáng)是紫外線的主要來(lái)源。紫外線具有化學(xué)作用，能使許多物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，如使照相底片感光；同時(shí)，紫外線還具有熒光作用，可用于驗(yàn)鈔等；此外，紫外線還能殺菌消毒，但過(guò)量的紫外線照射對(duì)人體有害。X射線的波長(zhǎng)很短，一般在0.01nm至10nm之間，是由高速電子撞擊金屬靶時(shí)產(chǎn)生的。X射線具有很強(qiáng)的穿透能力，可用于醫(yī)學(xué)透視、檢查金屬部件的缺陷等。但X射線對(duì)生物體有一定的損害作用，使用時(shí)需要注意防護(hù)。γ射線是波長(zhǎng)最短的電磁波，波長(zhǎng)小于0.01nm，由原子核受激發(fā)后產(chǎn)生。γ射線具有極強(qiáng)的穿透能力和能量，在醫(yī)學(xué)上可用于治療腫瘤，在工業(yè)上可用于探傷等。但γ射線對(duì)生物體的危害也很大，需要采取嚴(yán)格的防護(hù)措施。不同波段的電磁波具有不同的特性和用途，但它們?cè)诒举|(zhì)上是相同的，都是電磁場(chǎng)的傳播形式，都遵循電磁波的基本規(guī)律。四、電磁波的應(yīng)用電磁波在現(xiàn)代社會(huì)中有著廣泛的應(yīng)用，涉及通信、醫(yī)療、工業(yè)、軍事等多個(gè)領(lǐng)域。在通信領(lǐng)域，無(wú)線電波是最重要的信息載體之一。無(wú)線電廣播、電視、移動(dòng)通信、衛(wèi)星通信等都是利用無(wú)線電波來(lái)傳遞信息的。不同頻率的無(wú)線電波具有不同的傳播特性，例如長(zhǎng)波可以沿著地球表面?zhèn)鞑?，適用于遠(yuǎn)距離通信；短波可以通過(guò)電離層反射傳播，也能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信；而微波則主要用于直線傳播，需要借助中繼站或衛(wèi)星進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信。紅外線在生活中的應(yīng)用也非常普遍。紅外遙控器通過(guò)發(fā)射紅外線來(lái)控制電器的開關(guān)和調(diào)節(jié)；紅外體溫計(jì)利用紅外線的熱效應(yīng)來(lái)測(cè)量人體溫度，具有快速、準(zhǔn)確、非接觸等優(yōu)點(diǎn)；紅外成像技術(shù)可以將物體發(fā)出的紅外線轉(zhuǎn)化為可見圖像，廣泛應(yīng)用于夜間監(jiān)控、醫(yī)療診斷等領(lǐng)域?？梢姽獾膽?yīng)用主要集中在照明和顯示方面。各種光源如白熾燈、熒光燈、LED燈等都是利用可見光來(lái)提供照明的。此外，可見光通信技術(shù)也正在發(fā)展中，它利用LED燈的快速閃爍來(lái)傳輸數(shù)據(jù)，具有高速、安全、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)。紫外線在消毒和殺菌方面有著重要應(yīng)用。紫外線消毒柜利用紫外線的殺菌作用，可以對(duì)餐具、衣物等進(jìn)行消毒；在醫(yī)療領(lǐng)域，紫外線可用于治療皮膚病等疾病。同時(shí)，紫外線還可用于光刻技術(shù)，在半導(dǎo)體制造中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。X射線在醫(yī)學(xué)診斷中有著不可替代的地位。X射線透視和攝影可以清晰地顯示人體內(nèi)部的骨骼和器官結(jié)構(gòu)，幫助醫(yī)生診斷疾病。在工業(yè)上，X射線探傷技術(shù)可用于檢測(cè)金屬材料和焊接件的內(nèi)部缺陷，確保產(chǎn)品質(zhì)量。γ射線在醫(yī)學(xué)治療和工業(yè)探傷中也有重要應(yīng)用。γ刀是一種利用γ射線進(jìn)行腫瘤治療的先進(jìn)設(shè)備，它可以將高能γ射線聚焦在腫瘤部位，殺死癌細(xì)胞，而對(duì)周圍正常組織的損傷較小。在工業(yè)上，γ射線探傷可以檢測(cè)大型設(shè)備和管道的內(nèi)部缺陷，具有穿透能力強(qiáng)、檢測(cè)精度高等優(yōu)點(diǎn)。電磁波譜中的各個(gè)波段雖然特性不同，但它們共同構(gòu)成了一個(gè)完整的電磁輻射體系，為人類社會(huì)的發(fā)展提供了強(qiáng)大的技術(shù)支持。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，電磁波的應(yīng)用領(lǐng)域還將不斷拓展，為人類帶來(lái)更多的便利和福祉。五、電磁波與機(jī)械波的比較電磁波和機(jī)械波是兩種不同類型的波，它們?cè)诋a(chǎn)生機(jī)理、傳播特性等方面存在著明顯的區(qū)別。從產(chǎn)生機(jī)理來(lái)看，機(jī)械波是機(jī)械振動(dòng)在介質(zhì)中的傳播，例如聲波是由物體的振動(dòng)產(chǎn)生的，需要空氣、水等介質(zhì)才能傳播。而電磁波是由變化的電磁場(chǎng)產(chǎn)生的，不需要介質(zhì)，可以在真空中傳播。在傳播速度方面，機(jī)械波的傳播速度由介質(zhì)的性質(zhì)決定，不同介質(zhì)中機(jī)械波的傳播速度不同。例如，聲波在空氣中的傳播速度約為340m/s，在水中的傳播速度約為1500m/s。而電磁波在真空中的傳播速度是恒定的，等于光速，在不同介質(zhì)中傳播時(shí)，速度會(huì)發(fā)生變化，且傳播速度與介質(zhì)的折射率有關(guān)。從波的性質(zhì)來(lái)看，機(jī)械波可以是橫波也可以是縱波，例如聲波是縱波，而水波則既有橫波成分又有縱波成分。電磁波則是橫波，電場(chǎng)和磁場(chǎng)的振動(dòng)方向都與傳播方向垂直。此外，機(jī)械波在傳播過(guò)程中，介質(zhì)中的質(zhì)點(diǎn)只在平衡位置附近振動(dòng)，不會(huì)隨波遷移。而電磁波本身就是一種物質(zhì)，它的傳播過(guò)程伴隨著能量的傳遞。盡管電磁波和機(jī)械波存在著諸多區(qū)別，但它們都具有波的共同特性，如都有波長(zhǎng)、頻率和波速等物理量，都能發(fā)生反射、折射、干涉和衍射等現(xiàn)象。這些共性為我們研究波的性質(zhì)和應(yīng)用提供了統(tǒng)一的理論基礎(chǔ)。六、無(wú)線電波的發(fā)射和接收無(wú)線電波的發(fā)射需要滿足兩個(gè)基本條件：一是要有足夠高的頻率，二是要將信號(hào)加載到高頻電磁波上。高頻電磁振蕩信號(hào)由振蕩器產(chǎn)生，然后通過(guò)調(diào)制器將需要傳輸?shù)男盘?hào)（如聲音、圖像等）加載到高頻信號(hào)上。調(diào)制方式主要有調(diào)幅和調(diào)頻兩種。調(diào)幅是使高頻信號(hào)的振幅隨調(diào)制信號(hào)的變化而變化；調(diào)頻則是使高頻信號(hào)的頻率隨調(diào)制信號(hào)的變化而變化。發(fā)射天線的作用是將調(diào)制后的高頻電磁能量輻射到空間中。天線的形狀和尺寸根據(jù)發(fā)射頻率的不同而有所差異，例如長(zhǎng)波天線通常比較高大，而短波天線則相對(duì)較短。無(wú)線電波的接收過(guò)程與發(fā)射過(guò)程相反。接收天線用于接收空間中的電磁波，并將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。調(diào)諧器的作用是選擇需要接收的頻率信號(hào)，通過(guò)調(diào)節(jié)電路的參數(shù)，使接收電路與所需頻率的電磁波發(fā)生共振，從而將該頻率的信號(hào)提取出來(lái)。檢波器的作用是將調(diào)制在高頻信號(hào)上的低頻信號(hào)解調(diào)出來(lái)，恢復(fù)原始的信息信號(hào)。最后，通過(guò)放大器將解調(diào)后的信號(hào)放大，送到揚(yáng)聲器或顯示器等終端設(shè)備，實(shí)現(xiàn)信息的還原。在無(wú)線電通信中，為了避免不同頻率信號(hào)之間的干擾，需要對(duì)頻率進(jìn)行分配和管理。各國(guó)都有專門的機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)無(wú)線電頻率的規(guī)劃和使用，確保無(wú)線電通信的有序進(jìn)行。七、電磁振蕩的周期和頻率LC振蕩電路的周期和頻率是描述其振蕩特性的重要參數(shù)。周期T是指完成一次全振蕩所需的時(shí)間，頻率f是指單位時(shí)間內(nèi)完成全振蕩的次數(shù)，它們之間的關(guān)系為T=1/f。根據(jù)電磁學(xué)理論，LC振蕩電路的周期T與電感L和電容C的關(guān)系為T=2π√(LC)。這一公式表明，振蕩電路的周期與電感和電容的乘積的平方根成正比。因此，要改變振蕩電路的周期和頻率，可以通過(guò)改變電感或電容的大小來(lái)實(shí)現(xiàn)。例如，增大電感或電容，會(huì)使周期增大，頻率減小；反之，減小電感或電容，會(huì)使周期減小，頻率增大。在實(shí)際應(yīng)用中，為了獲得穩(wěn)定的振蕩頻率，通常需要采用石英晶體振蕩器。石英晶體具有穩(wěn)定的諧振頻率，其頻率受溫度、電壓等因素的影響較小，因此可以提供高精度的振蕩信號(hào)。石英晶體振蕩器廣泛應(yīng)用于電子鐘表、通信設(shè)備、計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域。八、電磁波的能量電磁波具有能量，這是電磁波的一個(gè)重要特性。電磁波的能量與頻率有關(guān)，頻率越高，能量越大。電磁波在傳播過(guò)程中，能量會(huì)隨著傳播距離的增加而逐漸衰減，這是由于電磁波在傳播過(guò)程中會(huì)與介質(zhì)相互作用，導(dǎo)致能量損失。電磁波的能量可以被物體吸收，從而產(chǎn)生各種效應(yīng)。例如，紅外線被物體吸收后會(huì)使物體溫度升高，這就是紅外線的熱效應(yīng)；紫外線被物體吸收后可能會(huì)引起化學(xué)反應(yīng)，如使照相底片感光；X射線和γ射線具有很強(qiáng)的穿透能力，同時(shí)也具有較高的能量，能夠破壞生物體的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，因此在醫(yī)療上可用于治療腫瘤，但也需要注意防護(hù)。在無(wú)線電通信中，電磁波的能量是信息傳輸?shù)妮d體。發(fā)射天線將高頻電磁能量輻射出去，接收天線接收到電磁波后，將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)信息的傳遞。為了提高通信質(zhì)量，需要保證電磁波在傳輸過(guò)程中有