2020高中物理 第十四章 電磁波 第5節(jié) 電磁波譜學案 新人教版選修3-4

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1、第5節(jié)　電磁波譜 1．知道什么是電磁波譜，知道電磁波譜中不同波長范圍的電磁波。 2．了解不同波長范圍的電磁波的特性以及應用。 3．知道電磁波可以傳遞能量，知道太陽輻射的特點。 電磁波譜：把各種電磁波按波長或頻率的大小順序排列起來，就組成了電磁波譜。按照波長從長到短依次排列為：無線電波、紅外線、可見光、紫外線、X射線、γ射線。不同的電磁波由于具有不同的頻率(波長)，才具有不同的特性。 1．無線電波 波長大于1 mm(頻率小于300 GHz)的電磁波是無線電波，主要用于通信和廣播。 2．紅外線 它是一種光波，它的波長比無線電波短，比可見光長，不能引起人的視覺。所有物體都發(fā)射

2、紅外線，熱物體的紅外輻射比冷物體的紅外輻射強，主要應用于加熱、紅外攝影等。 3．可見光 可見光的波長在760 nm到400 nm之間。分為紅、橙、黃、綠、青、藍、紫七種顏色。不同顏色的光波長(頻率)不同。 4．紫外線 波長范圍在5 nm到370 nm之間，不能引起人的視覺，紫外線具有較高的能量，因此可以利用紫外線滅菌消毒；許多物質(zhì)在紫外線的照射下會發(fā)出熒光，根據(jù)這一點可以設計防偽措施。 5．X射線和γ射線 (1)X射線 X射線能夠穿透物質(zhì)，可以用來檢查人體內(nèi)部器官；在工業(yè)上，利用X射線檢查金屬零件內(nèi)部的缺陷。 (2)γ射線 具有很高的能量，穿透能力更強。主要應用有：醫(yī)學上具有

3、治療癌癥的作用，工業(yè)上具有探測金屬部件內(nèi)部的缺陷。 6．電磁波傳遞能量 電磁波傳遞能量，電磁波是一種物質(zhì)。 7．太陽輻射 太陽輻射中不僅含有可見光，還有無線電波、紅外線、紫外線、X射線、γ射線，其能量主要集中在可見光、紅外線和紫外線三個區(qū)域。 判一判 (1)X射線是電磁波，它由速度較高的電子構成。(　　) (2)紫外線在真空中的傳播速度大于可見光在真空中的傳播速度。(　　) (3)可利用紅外線的熒光效應辨別人民幣的真?zhèn)巍?　　) 提示：(1)×　(2)×　(3)× 課堂任務　電磁波譜及各種電磁波 一、電磁波譜 1．電磁波譜及介紹 無線電波、紅外線、可見光、紫外

4、線、X射線、γ射線合起來便構成了范圍非常廣闊的電磁波譜。如圖所示是按波長由大到小(頻率由小到大)順序排列的。 (1)無線電波 波長大于1 mm(頻率小于300 GHz)的電磁波是無線電波。無線電波用于通信、廣播及其他信號傳輸。 廣播電臺和電視臺都有發(fā)射無線電波的設備，許多自然過程也輻射無線電波。如天文學家用射電望遠鏡接收天體輻射的無線電波，進行天體物理研究。 (2)紅外線 紅外線是一種光波，它的波長比無線電波短，比可見光長。所有物體都發(fā)射紅外線。熱物體的紅外輻射比冷物體的紅外輻射強。肉眼看不見紅外線，但能夠感受它。寒冷的冬天當你在爐旁烤火時，你的皮膚正在享受紅外線帶來的溫暖。

5、紅外線主要有以下應用： ①人體在發(fā)射紅外線，體溫越高，發(fā)射的紅外線越強。根據(jù)這個原理，紅外體溫計不與身體接觸也可以測體溫。 ②紅外探測器能在較冷的背景上探測出較熱物體的紅外輻射，這是夜視儀器和紅外攝影的基礎。 ③用靈敏的紅外探測器吸收遠處物體發(fā)出的紅外線，然后用電子電路對信號進行處理，可以得知被測對象的形狀及溫度、濕度等參數(shù)。這就是紅外遙感技術。利用紅外遙感可以在飛機或人造地球衛(wèi)星上勘測地熱、尋找水源、監(jiān)視森林火情、預報風暴和寒潮。紅外遙感在軍事上的應用也十分重要。 ④加熱物體：紅外線很容易使物體的溫度升高，如市場上的“遠紅外烤箱”。 (3)可見光 可見光的波長在760 nm到40

6、0 nm之間，不同顏色的光是波長(頻率)范圍不同的電磁波。 天空看起來是藍色的，是由于波長較短的光比波長較長的光更容易被散射，傍晚的陽光比較紅，是由于大氣對波長較短的藍光、紫光比波長較長的紅光、橙光吸收較強的緣故。 (4)紫外線 紫外線具有較高的能量，足以破壞細胞核中的物質(zhì)。因此，可以利用紫外線滅菌消毒。太陽光里有許多紫外線，人體接受適量的紫外線照射，能促進鈣的吸收，改善身體健康。但過強的紫外線會傷害眼睛和皮膚。 許多物質(zhì)在紫外線的照射下會發(fā)出熒光，根據(jù)這一點可以設計防偽措施。 (5)X射線和γ射線 人們用X射線管來產(chǎn)生X射線。X射線對生命物質(zhì)有較強的作用，過量的X射線輻射會引

7、起生物體的病變。X射線能夠穿透物質(zhì)，可以用來檢查人體內(nèi)部器官。在工業(yè)上，利用X射線檢查金屬零件內(nèi)部的缺陷。機場、車站等地進行安全檢查時，X射線能輕而易舉地窺見箱內(nèi)的物品。 “CT”是“計算機輔助X射線斷層攝影”的簡稱。X射線以不同角度照射人體，計算機對其投影進行分析，給出類似于生理切片一樣的人體組織照片。醫(yī)生可以從中看出是否發(fā)生了病變。 波長最短的電磁輻射是γ射線，它具有很高的能量。γ射線能破壞生命物質(zhì)。把這個特點應用在醫(yī)學上，可以摧毀病變的細胞，用來治療某些癌癥。γ射線的穿透能力很強，可用于探測金屬部件內(nèi)部的缺陷。 2．各種電磁波的共性與個性 (1)共性 ①它們在本質(zhì)上都是電磁波，

8、它們遵循相同的規(guī)律，各波段之間并沒有絕對的界線。 ②都遵守公式v＝λf，它們在真空中的傳播速度都是c＝3.0×108 m/s。 ③它們的傳播都不需要介質(zhì)。 ④它們都具有反射、折射、衍射、干涉和偏振的特性。 (2)個性 ①不同電磁波的頻率或波長不同，表現(xiàn)出不同的特性，波長越長，越容易產(chǎn)生干涉、衍射現(xiàn)象，波長越短，穿透能力越強。 ②同頻率的電磁波在不同介質(zhì)中傳播速度不同。不同頻率的電磁波在同一種介質(zhì)中傳播時，頻率越大，折射率越大，速度越小。 ③用途不同。 二、電磁波傳遞能量 電磁波是運動中的電磁場，它可以傳遞能量。微波爐的工作應用的是一種電磁波——微波。食物中的水分子在微波的作用

9、下熱運動加劇，溫度升高，內(nèi)能增加。增加的能量是微波傳遞給它的。 各種各樣的儀器能夠探測到許許多多電磁波，說明電磁波具有能量，電磁波是一種物質(zhì)。 三、太陽輻射的特點 太陽光中含有無線電波、可見光、紅外線、紫外線、X射線、γ射線。太陽輻射的能量主要集中在可見光、紅外線和紫外線三個區(qū)域，如圖所示。 從圖中可以看到，波長在5.5×10－7 m的黃綠光附近，輻射的能量最強。我們的眼睛正好對這個區(qū)域的電磁輻射最敏感。眼睛把太陽在最強輻射區(qū)的輻射作為自己的接收對象，這樣就能看到最多的東西，獲得最豐富的信息。 例　關于電磁波的特性和應用，下列說法正確的是(　　) A．紅外線和X射線都有很高

10、的穿透本領，常用于醫(yī)學上透視人體 B．過強的紫外線照射有利于人的皮膚健康 C．電磁波譜中頻率最大的為γ射線，最容易發(fā)生衍射現(xiàn)象 D．紫外線和X射線都可以使感光底片感光 (1)醫(yī)學上常用于透視人體的是哪種射線？為什么？ 提示：X射線，X射線的穿透本領強。 (2)在電磁波中由紅外線到γ射線，頻率最大的是什么射線？波長最長的是什么射線？ 提示：γ射線的頻率最大，紅外線的波長最長。 [規(guī)范解答]　X射線有很高的穿透本領，常用于醫(yī)學上透視人體，紅外線沒有，A錯誤；過強的紫外線照射對人的皮膚有害，B錯誤；電磁波譜中頻率最大的為γ射線，其波長最短，最不容易發(fā)生衍射現(xiàn)象，C錯誤。 [完美答案

11、]　D 電磁波譜相關問題解題方法 (1)熟記各種電磁波的特性及應用。 (2)按電磁波譜的排列順序，波長越長，頻率越低，衍射能力越強，穿透能力越弱；波長越短，頻率越高，衍射能力越弱，穿透能力越強。 　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　2011年3月11日，日本發(fā)生里氏9.0級地震，地震和地震引發(fā)的海嘯造成大量建筑物倒塌。為了將埋在倒塌建筑中的被困者迅速解救出來，我國及時派出了救援隊。救援隊在救援過程中使用生命探測儀來尋找被壓在廢墟中的大量傷員，這種儀器主要是接收人體發(fā)出的(　　) A．可見光 B．紅外線 C．紫外線 D．聲音 答案　B 解析　不同溫度的物體會

12、發(fā)出不同頻率的紅外線，生命探測儀就是根據(jù)人體發(fā)出的紅外線與周圍環(huán)境輻射的紅外線不同而尋找的，B正確。 A組：合格性水平訓練 1．(電磁波譜)下列各組電磁波，按頻率由高到低的正確排列順序是(　　) A．無線電波、紅外線、可見光、X射線 B．X射線、紅外線、可見光、無線電波 C．X射線、可見光、紅外線、無線電波 D．無線電波、可見光、紅外線、X射線 答案　C 解析　由c＝fλ，得波長越長，頻率越低。根據(jù)電磁波按波長排列順序，可得按頻率由高到低排列的順序是X射線、可見光、紅外線、無線電波，C正確。 2．(紅外線)紅外夜視鏡在美國對伊拉克反美武裝力量實

13、施的夜間打擊中起到重要作用，紅外夜視鏡是利用了(　　) A．紅外線波長長，易繞過障礙物的特點 B．紅外線的熱效應強的特點 C．一切物體都在不停地輻射紅外線的特點 D．紅外線不可見的特點 答案　C 解析　一切物體都在不停地輻射紅外線，而且溫度不同，輻射的紅外線強度不同，可利用紅外線成像進行夜間觀察。 3．(可見光)日出和日落時太陽看起來特別紅。這是由于(　　) A．光的色散 B．大氣的全反射 C．大氣的折射 D．紅光的波長大 答案　D 解析　太陽初升和西沉時，陽光通過較厚的空氣層。紫光、藍光的波長較短，被空氣吸收得較多；而紅光的波長較長，被吸收得最少，直射而來的紅光

14、也就最多，因此，這時候太陽呈現(xiàn)紅色。 4．(電磁波譜)太陽表面溫度約為6000 K，主要發(fā)出可見光；人體溫度約為310 K，主要發(fā)出紅外線；宇宙星際間的溫度約為3 K，所發(fā)出的輻射稱為“3 K背景輻射”，它是宇宙“大爆炸”之初在空間上保留下的余熱，若要進行“3 K背景輻射”的觀測，應該選擇下列哪一個波段 (　　) A．無線電波 B．紫外線 C．X射線 D．γ射線 答案　A 解析　電磁波譜按波長由長到短的順序排列為：無線電波、紅外線、可見光、紫外線、X射線、γ射線，由題意知：物體溫度越高，其發(fā)出的電磁波波長越短，宇宙星際間的溫度約為3 K，則其發(fā)出的電磁波的波長應在無線電波波段

15、，故A正確。 5．(各種電磁波的應用)下列說法中正確的是(　　) ①夏天太陽光把地面曬得發(fā)熱是因為可見光的熱效應在各種電磁波中是最強的 ②醫(yī)院里用X射線進行人體透視，是因為它是各種電磁波中穿透本領最大的 ③科學家關注南極臭氧層空洞是因為它對動植物有害 ④在熱學中所說的熱輻射就是紅外線輻射 A．①② B．①③ C．②④ D．③④ 答案　D 解析　熱效應最強的是紅外線，熱輻射即紅外線輻射，①錯誤，④正確；穿透本領最強的是γ射線，②錯誤；臭氧層能防止紫外線照射到地球上，使地球上的動植物免受過強紫外線的傷害，③正確，故選D。 6．(電磁波譜)太陽光通過棱鏡時，在豎直放置的屏幕上

16、形成如圖所示的光帶(忽略棱鏡對各色光的吸收)。若將靈敏溫度計的球部放在屏幕上的MN、NP、PQ區(qū)域時，在哪個區(qū)域上升的示數(shù)最大(　　) A．MN B．NP C．PQ D．無法確定 答案　C 解析　由光的色散可知，從Q→M各頻段的電磁波依次為紅外線→可見光→紫外線，由于紅外線的熱作用最強，故選C。 7．(電磁波譜)(多選)等離子顯示屏是一種以等離子管作為發(fā)光元件，并由大量的等離子管排列在一起構成的屏幕。每個等離子管的透明玻璃管內(nèi)都充有低壓的氖氙氣體，管的兩端各有一個電極，在兩個電極間加上高電壓后，封在管內(nèi)的氣體便產(chǎn)生某種肉眼看不見的射線，它激發(fā)顯示屏上的紅綠藍三基色熒光粉發(fā)

17、出可見光。每個等離子管作為一個像素，由這些像素的明暗和顏色變化的組合，便形成了各種灰度和色彩的圖像，則 (　　) A．這種射線是紫外線 B．這種射線是紅外線 C．該射線使熒光粉發(fā)出可見光是利用了該射線的熒光效應 D．該射線使熒光粉發(fā)出可見光是利用了該射線的化學作用 答案　AC 解析　看不見的射線使熒光粉發(fā)光，這是紫外線的熒光效應，所以正確的選項是A、C。 8．(綜合)家用微波爐是利用微波的電磁能加熱食物的新型灶具，主要由磁控管、波導管、微波加熱器、爐門、直流電源、冷卻系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、外殼等組成，接通電源后，220 V的交流電經(jīng)變壓器，一方面在次級產(chǎn)生3.4 V交流電加在磁控管燈絲

18、兩端，另一方面在次級產(chǎn)生2000 V高壓，經(jīng)整流加到磁控管的陰、陽兩極之間，使磁控管產(chǎn)生頻率為2450 MHz的微波，微波輸送至金屬制成的加熱器(爐腔)，被來回反射，微波的電磁作用使食物內(nèi)分子高頻地振動同時內(nèi)外迅速變熱，并能最大限度地保存食物中的維生素。 (1)試計算變壓器的升壓變壓比； (2)導體可反射微波，絕緣體可使微波透射，而食物通常含有的成分是蛋白質(zhì)、淀粉、水，較易吸收微波能且轉換成熱，故在使用微波爐時應注意________。 A．用金屬容器將食物放入爐內(nèi)加熱 B．用陶瓷容器將食物放入爐內(nèi)加熱 C．將微波爐置于磁性材料周圍 D．將微波爐遠離磁性材料周圍 答案　(1)11∶

19、100　(2)BD 解析　(1)變壓器輸出電壓U2＝2000 V， 輸入電壓U1＝220 V，則有＝＝＝。 (2)食物內(nèi)通常含有的成分是蛋白質(zhì)、淀粉、水，易吸收微波而轉換成熱；由于導體能反射微波，絕緣體使微波透射，所以應用陶瓷容器盛食物，為避免對磁控管的影響，微波爐應遠離磁性材料。 B組：等級性水平訓練 9．(各種電磁波的應用)下列說法正確的是(　　) A．只有物體溫度較高時，才能向外輻射紅外線 B．紫外線的主要作用是化學作用和熒光作用 C．可見光比紅外線容易發(fā)生衍射現(xiàn)象 D．X射線能在磁場中偏轉，穿透力較強，可用來進行人體透視 答案　B 解析　一切物體都能輻射紅外線，與

20、物體的溫度無關，A錯誤；紫外線的主要作用是化學作用和熒光作用，B正確；紅外線比可見光波長更長，更容易發(fā)生衍射現(xiàn)象，C錯誤；X射線是電磁波，不帶電，在磁場中不偏轉，D錯誤。 10．(各種電磁波及其應用)(多選)關于電磁波的下列說法，正確的是(　　) A．可見光實質(zhì)也是一種電磁波，紅光波長最短 B．不同波長的電磁波，波長越小其頻率越高 C．紅外遙感是利用了紅外線波長較長的特點 D．驗鈔機檢驗鈔票真?zhèn)误w現(xiàn)了紫外線的熒光作用 E．X射線可深入人的骨骼，殺死病變細胞 答案　BCD 解析　在可見光中，紅光波長最長，A錯誤；X射線雖然有一定的穿透能力，但不能深入骨骼，E錯誤；B、C、D正確。

21、 11．(各種電磁波的應用)(多選)下列說法中正確的是(　　) A．紅外線易穿透云層，故廣泛應用于遙感技術領域 B．醫(yī)院用X光進行透視，是因為它是各種電磁波中穿透能力最強的 C．陽光可以曬黑皮膚，主要是陽光中紅外線的作用 D．電取暖器利用了紅外線的熱作用 答案　AD 解析　紅外線衍射明顯，A正確；γ射線穿透能力最強，B錯誤；曬黑皮膚是紫外線的作用，C錯誤；紅外線有顯著的熱作用，D正確。 12．(電磁輻射)過量的電磁輻射對人體是有害的，按照規(guī)定，工作場所受到的電磁輻射強度(單位時間垂直單位面積的電磁輻射能量)不得超過某一臨界值W0。已知某一種手機的電磁輻射功率為P，若手機的電磁輻

22、射在各個方向上是均勻的，則符合規(guī)定的安全區(qū)域到手機的距離至少為(　　) A. B. C. D. 答案　A 解析　設規(guī)定的安全區(qū)域距離為R，則對應球的面積為S＝4πR2。在t時間內(nèi)球面獲得的能量為E＝Pt，球面上單位面積t時間內(nèi)獲得的電磁輻射能量E0＝，由于工作場所受到的電磁輻射強度(單位時間內(nèi)垂直通過單位面積的電磁輻射能量)不得超過W0，則W0＝，所以R＝ ，故A正確，B、C、D錯誤。 13．(電磁波譜)長波的波長范圍為3000～30000 m，短波的波長范圍為10～50 m，則長波的頻率范圍是________，短波的頻率范圍是________。 答案　10～100

23、 kHz　6～30 MHz 解析　已知長波波長范圍為30000～3000 m，而波速c＝3.0×108 m/s。由c＝λf可知f1＝ Hz＝1×105 Hz＝100 kHz。f2＝ Hz＝1×104 Hz＝10 kHz，則長波頻率在10～100 kHz之間。同理可讀出短波波長在50～10 m之間，則頻率范圍在6～30 MHz之間。 14．(綜合)尋找馬航失聯(lián)飛機是全球關注的熱點，也是各國高科技綜合實力的體現(xiàn)和展示。搜尋失聯(lián)飛機的黑匣子主要依靠電磁波技術和超聲定位(即聲吶)技術。電磁波是指在空間傳播的交變電磁場，在真空中的傳播速度為3.0×108 m/s，無線電波是其中的一種電磁波。無線電波

24、、紅外線、可見光、紫外線、X射線、γ射線都是電磁波，它們的產(chǎn)生方式不盡相同，波的長度也不同，把它們按波長順序排列就構成了電磁波譜，如圖所示。請根據(jù)上述信息及所學知識，結合電磁波譜圖回答： (1)最早發(fā)現(xiàn)白光(即可見光)可以發(fā)生色散，分解成七種顏色光的物理學家是________；其中，三原色光中波長最短的是________光。 (2)廣播和電視利用電磁波譜中________來傳遞聲音和圖像；飛機黑匣子發(fā)出的電磁波信號，在海水中迅速衰減，無法傳播，所以黑匣子必須裝有能發(fā)出________波信號的裝置與其同時工作，以便利用聲吶系統(tǒng)尋找海水中的黑匣子位置。 (3)請觀察電磁波譜中各種波的波長與頻

25、率的關系，可以得出初步結論：________________________。請進一步觀察和計算電磁波譜中各種波的波長與頻率的關系，可以得出結論：____________________________________。 答案　(1)牛頓　藍　(2)無線電波　聲 (3)波的頻率越高，波長越短　各種波的頻率與波長成反比(或各種波的頻率與波長乘積相等，且等于光速) 解析　(1)物理學家牛頓最早發(fā)現(xiàn)白光(即可見光)可以發(fā)生色散現(xiàn)象；色光的三原色是紅、綠、藍，三原色光中波長最短的是藍光。 (2)廣播和電視利用電磁波譜中無線電波來傳遞聲音和圖像；飛機黑匣子發(fā)出的電磁波信號，在海水中迅速衰減，無法傳播，所以黑匣子必須裝有能發(fā)出聲波信號的裝置與其同時工作，以便利用聲吶系統(tǒng)尋找海水中的黑匣子位置。 (3)根據(jù)電磁波譜中各種波的波長與頻率的關系，可以得出：波的頻率越高，波長越短。由c＝fλ可得：各種波的頻率與波長成反比(或各種波的頻率與波長乘積相等，且等于光速)。 - 11 -