《神奇的電磁波》講義

《神奇的電磁波》講義一、課程導(dǎo)入：身邊的神秘現(xiàn)象同學(xué)們，今天咱們要開始學(xué)習(xí)一個超級有趣的東西——電磁波。在講電磁波之前呢，我想先跟大家分享一個我自己的經(jīng)歷。有一次我去山區(qū)旅行，那地方風(fēng)景特別美，但是呢，手機信號特別差。我本來想給家里人發(fā)個消息報平安的，結(jié)果怎么都發(fā)不出去。我就特別納悶兒，這是為啥呢？后來我才知道啊，這和咱們今天要學(xué)的電磁波有關(guān)系。那什么是電磁波呢？其實啊，它就在我們身邊，雖然我們看不見也摸不著它，但是它的作用可大了去了。比如說，我們每天看電視、聽廣播、用手機，這些都離不開電磁波。二、電磁波的發(fā)現(xiàn)歷程1、早期的探索在很久很久以前啊，人們就發(fā)現(xiàn)了一些奇怪的現(xiàn)象。比如說，雷電的時候，天空中會有很強烈的光亮和巨大的聲響。當(dāng)時人們不知道這是怎么回事兒，就覺得特別神奇。還有啊，在古代，人們發(fā)現(xiàn)一種叫琥珀的東西，用絲綢摩擦之后，能吸引一些小的東西，像小紙片啊之類的。這其實就是一種靜電現(xiàn)象，雖然當(dāng)時人們還不知道這和電磁波有什么關(guān)系，但這也是一種早期的探索。2、科學(xué)家的偉大發(fā)現(xiàn)后來啊，有很多聰明的科學(xué)家開始研究這些現(xiàn)象。其中有一個特別厲害的科學(xué)家叫麥克斯韋。他就像一個超級偵探一樣，通過大量的研究和計算，發(fā)現(xiàn)了電磁現(xiàn)象背后的秘密。他提出了麥克斯韋方程組，這個方程組就像是一個魔法公式一樣，能夠準(zhǔn)確地描述電場和磁場的關(guān)系。麥克斯韋通過這個方程組預(yù)測了電磁波的存在。他就想啊，既然電場和磁場能互相產(chǎn)生，那是不是會有一種波動，既能傳播電場又能傳播磁場呢？就像水波一樣，只不過這個波是看不見摸不著的。不過呢，當(dāng)時很多人都不太相信他的這個想法。就好像有人說天上有個看不見的城堡一樣，大家都覺得很不可思議。但是麥克斯韋很堅定自己的想法。又過了一段時間，另一個科學(xué)家赫茲，他通過實驗證明了電磁波的存在。赫茲做了一個很巧妙的實驗，他用一個裝置產(chǎn)生了一種快速變化的電流，然后在附近的另一個裝置上檢測到了一種微弱的信號。這個信號就是電磁波產(chǎn)生的。這就好比是在黑暗中找到了一把神秘的鑰匙，打開了電磁波這個神秘世界的大門。三、電磁波是什么？1、概念解釋那電磁波到底是什么呢？咱們可以把它想象成是一種能量的傳播方式。就像我們在水里扔一塊石頭，會產(chǎn)生一圈一圈的水波向四周傳播一樣，當(dāng)電荷在空間中振動的時候，就會產(chǎn)生電磁波，然后這個電磁波就會帶著能量向周圍傳播。電磁波啊，是由電場和磁場交替變化而產(chǎn)生的一種波。電場和磁場就像一對好伙伴一樣，它們相互依存，一起向前傳播。比如說，我們家里的電燈，當(dāng)電流通過燈絲的時候，燈絲中的電子就會來回振動。這個振動就會產(chǎn)生變化的電場，這個變化的電場又會產(chǎn)生變化的磁場，這樣電場和磁場就像接力賽一樣，一個產(chǎn)生另一個，然后就形成了電磁波，然后這個電磁波就會從電燈那里傳播出去。2、電磁波的特性（1）電磁波是一種橫波什么是橫波呢？咱們可以想象一下繩子上的波。如果我們拿著一根繩子的一端，上下抖動，就會看到一個波沿著繩子傳播。這個波的振動方向是和波的傳播方向垂直的，電磁波也是這樣的。電場和磁場的振動方向都是和電磁波的傳播方向垂直的。這就好比是我們走路的時候，身體是左右晃動的，但是我們前進的方向是向前的，晃動的方向和前進的方向是垂直的。（2）電磁波具有波速、波長和頻率波速就是電磁波傳播的速度。在真空中啊，電磁波的速度是一個固定的值，大概是每秒30萬千米，這個速度可快了，就像閃電俠一樣。波長呢，就是電磁波在一個周期內(nèi)傳播的距離。頻率就是單位時間內(nèi)電磁波振動的次數(shù)。這三個東西之間有一個很重要的關(guān)系，就像一個小公式一樣：波速等于波長乘以頻率。比如說，我們聽廣播的時候，不同的電臺會有不同的頻率，這個頻率就決定了這個電臺的電磁波的特性。我給大家舉個例子啊。我們學(xué)校的廣播電臺，它發(fā)射的電磁波有一個特定的頻率。如果這個頻率是100兆赫茲，我們可以根據(jù)波速和頻率的關(guān)系算出它的波長。假設(shè)波速是每秒30萬千米，我們先把30萬千米換算成米，就是3乘以10的8次方米每秒。然后用波速除以頻率，頻率100兆赫茲就是100乘以10的6次方赫茲。這么一算啊，就可以得到波長了。這就像我們知道了一個人的速度和他走了多少步，就能算出他每一步走多遠一樣。四、電磁波的分類1、按照頻率分類電磁波的頻率范圍可廣了，根據(jù)頻率的不同，可以把電磁波分成很多種類型。比如說，頻率最低的是無線電波。無線電波就像一個勤勞的小信使，它可以把信息傳得很遠很遠。像我們的收音機接收的就是無線電波。無線電波又可以根據(jù)頻率的不同再細(xì)分，有長波、中波、短波等等。然后呢，比無線電波頻率高一點的是微波。微波大家可能比較熟悉，我們家里的微波爐就是利用微波來加熱食物的。微波的頻率比較高，它可以讓食物中的水分子快速振動，這樣就產(chǎn)生了熱量，就能把食物加熱了。再往上呢，就是紅外線了。紅外線我們雖然看不見，但是能感覺到。比如說，在冬天的時候，我們靠近火爐，就會感覺到很暖和，這就是因為火爐會發(fā)射紅外線，紅外線照到我們身上，就會讓我們感覺到熱。接著是可見光?？梢姽饩褪俏覀兡芸匆姷墓?，像紅橙黃綠青藍紫這些顏色的光都是可見光。不同顏色的光頻率不一樣，紅色光的頻率比較低，紫色光的頻率比較高。再往上是紫外線。紫外線大家都知道，它有殺菌消毒的作用。但是紫外線對我們的皮膚也有傷害，如果在太陽很毒的時候，我們在外面曬久了，皮膚就會被曬傷，這就是紫外線的作用。還有X射線和γ射線，這兩種射線的頻率就更高了。X射線可以用來透視我們的身體，看看我們身體里面有沒有骨頭受傷之類的。γ射線的能量很強，它在醫(yī)學(xué)上也有一些特殊的用途，但是它也很危險，如果接觸過多的γ射線，會對我們的身體造成很大的傷害。2、不同類型電磁波的應(yīng)用（1）無線電波的應(yīng)用除了收音機接收無線電波之外，還有很多其他的應(yīng)用呢。比如說，我們的手機就是靠無線電波來傳遞信號的。當(dāng)我們打電話或者發(fā)信息的時候，手機就會把我們的聲音或者文字信息轉(zhuǎn)換成無線電波，然后發(fā)射出去，基站接收到這個無線電波之后，再把它轉(zhuǎn)發(fā)到我們要聯(lián)系的人的手機上。還有無線電視、衛(wèi)星通信等等，都是靠無線電波來實現(xiàn)的。（2）微波的應(yīng)用剛才說過微波爐了，除了這個，微波在通信方面也有很大的應(yīng)用。比如說，微波通信可以用來傳輸大量的數(shù)據(jù)，像我們的一些長途電話、有線電視信號等有時候也會用微波來傳輸。因為微波的頻率比較高，所以它可以攜帶更多的信息。（3）紅外線的應(yīng)用紅外線在我們生活中的應(yīng)用也不少。除了取暖之外，在安防方面也有應(yīng)用。比如說，一些紅外探測器可以檢測到人體發(fā)出的紅外線，這樣就可以用來防盜或者監(jiān)控。還有在遙控方面，我們家里的電視遙控器、空調(diào)遙控器等都是利用紅外線來傳遞信號的。（4）可見光的應(yīng)用這個就不用多說了吧，我們的眼睛就是專門用來接收可見光的。而且可見光在照明方面也有很重要的應(yīng)用，像電燈就是為了給我們提供可見光的。（5）紫外線的應(yīng)用紫外線殺菌消毒是大家都知道的。在醫(yī)院里，經(jīng)常會用紫外線燈來給病房、手術(shù)室等地方消毒。在食品加工行業(yè)，也會用紫外線來殺菌，保證食品的安全。（6）X射線和γ射線的應(yīng)用X射線在醫(yī)療上的應(yīng)用我們剛才提到了，就是透視。在工業(yè)上，X射線也可以用來檢測一些金屬制品內(nèi)部有沒有缺陷，就像給金屬制品做一個內(nèi)部檢查一樣。γ射線在腫瘤治療方面有一定的應(yīng)用，它可以殺死癌細(xì)胞，但是也需要非常小心地使用，因為它對正常細(xì)胞也有傷害。五、電磁波的傳播1、在不同介質(zhì)中的傳播電磁波在不同的介質(zhì)中傳播速度是不一樣的。在真空中，它的傳播速度最快，就像我們前面說的每秒30萬千米。但是在其他介質(zhì)中，比如說在空氣中，它的傳播速度會稍微慢一點。在玻璃、水等介質(zhì)中，傳播速度就更慢了。這就好比是我們跑步的時候，在平坦的馬路上跑得很快，但是在泥濘的小路上就跑得慢一些，在水里就更慢了。我給大家舉個例子啊。我們都知道光纖通信，光纖里面是玻璃纖維。光（也是一種電磁波）在光纖中傳播的時候，速度就比在真空中慢很多。但是光纖通信有一個很大的優(yōu)點，就是它可以把光信號傳得很遠而且信號不容易丟失。這是因為光在光纖里面是通過全反射來傳播的，就像光在一個管道里面來回反射一樣，這樣就可以沿著光纖一直傳播下去。2、電磁波的傳播特性電磁波還有一個很有趣的特性，就是它可以反射、折射和衍射。（1）反射就像我們照鏡子一樣，光（電磁波）射到鏡子上會反射回來。在無線電通信中，也會利用反射的特性。比如說，短波通信就是利用電離層對短波的反射來實現(xiàn)遠距離通信的。電離層是地球大氣層中的一層，它里面有很多帶電粒子，短波射到電離層上就會被反射回來，這樣就可以傳播到很遠的地方。（2）折射當(dāng)電磁波從一種介質(zhì)進入另一種介質(zhì)的時候，就會發(fā)生折射。比如說，我們把一根筷子插到水里，會發(fā)現(xiàn)筷子好像在水面處折斷了一樣，這就是光的折射現(xiàn)象。在光學(xué)儀器中，像眼鏡、望遠鏡等，都會利用到光的折射原理來改變光線的傳播方向，從而讓我們能看清東西。（3）衍射衍射就是電磁波在傳播過程中遇到障礙物的時候，會繞過障礙物繼續(xù)傳播。比如說，我們在一個房間里，門是關(guān)著的，但是我們還是能聽到外面的聲音，這就是因為聲音（一種機械波，和電磁波有相似的傳播特性）發(fā)生了衍射，繞過了門傳播進來了。在無線電波的傳播中，有時候也會利用衍射的特性來實現(xiàn)信號的覆蓋。六、課程重點和難點1、重點（1）理解電磁波的概念和產(chǎn)生原理同學(xué)們一定要記住，電磁波是由電場和磁場交替變化產(chǎn)生的，就像我們前面講的電燈的例子一樣，電流通過燈絲產(chǎn)生變化的電場，進而產(chǎn)生變化的磁場，這樣就形成了電磁波。這是整個電磁波知識的基礎(chǔ)，就像蓋房子的地基一樣，如果這個理解不好，后面的知識就很難掌握了。（2）掌握電磁波的分類和特性我們講了按照頻率分類的各種電磁波，以及它們的特性，像橫波特性、波速、波長和頻率的關(guān)系等。這些知識在我們理解電磁波的應(yīng)用和傳播等方面都非常重要。比如說，我們要知道為什么不同頻率的電磁波有不同的應(yīng)用，就需要掌握這些特性。（3）了解電磁波的傳播特性電磁波在不同介質(zhì)中的傳播速度不同，以及反射、折射和衍射這些傳播特性也很重要。這在很多實際的應(yīng)用中都會用到，像光纖通信利用的是光在光纖中的全反射，短波通信利用電離層對短波的反射等。2、難點（1）麥克斯韋方程組的理解麥克斯韋方程組比較復(fù)雜，對于我們高中同學(xué)來說，要完全理解它是有一定難度的。但是我們不需要掌握方程組的具體計算，只需要知道麥克斯韋通過這個方程組預(yù)測了電磁波的存在就可以了。就像我們知道一個很厲害的武功秘籍很厲害，但是我們不需要會練這個秘籍一樣。（2）不同類型電磁波頻率、波長和能量關(guān)系的理解不同類型的電磁波頻率、波長和能量是相互關(guān)聯(lián)的。頻率越高，波長越短，能量也越高。但是要理解這種關(guān)系，并且能夠在實際的例子中應(yīng)用就比較難了。比如說，我們要知道為什么γ射線能量那么高，對人體有傷害，而無線電波能量低，可以用來通信，這就需要對這種關(guān)系有比較深入的理解。七、經(jīng)典例題1、下列關(guān)于電磁波的說法正確的是（）A.電磁波在真空中不能傳播B.電磁波在空氣中的傳播速度等于光速C.電磁波必須依靠介質(zhì)才能傳播D.頻率越高的電磁波，波長越長這道題主要考察大家對電磁波基本特性的理解。我們知道電磁波在真空中是可以傳播的，而且在真空中的傳播速度就是光速，在空氣中的傳播速度也近似等于光速，所以A和C是錯誤的，B是正確的。根據(jù)波速等于波長乘以頻率這個關(guān)系，頻率越高，波長應(yīng)該越短，所以D也是錯誤的。答案就是B。2、下列哪種電磁波的頻率最高（）A.無線電波B.紅外線C.紫外線D.γ射線這道題很簡單，只要我們記住電磁波按照頻率從低到高的分類就可以了。無線電波頻率最低，然后是紅外線、紫外線，γ射線頻率最高。所以答案是D。3、微波爐加熱食物是利用了（）A.紅外線的熱效應(yīng)B.微波的特性C.紫外線的殺菌作用D.無線電波的傳輸特性我們知道微波爐是利用微波來加熱食物的，微波可以讓食物中的水分子快速振動產(chǎn)生熱量。所以答案是B。4、光纖通信利用了光（電磁波）的（）A.反射特性B.折射特性C.衍射特