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第八章 电磁振荡与电磁波

8．4 电磁波的应用

一、电磁波谱

1．电磁波谱：按电磁波的波长大小或频率高低的顺序排列成谱，叫作电磁波谱．

2．按照波长从长到短依次排列为无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线．不同的电磁波由于具有不同的波长(频率)，具有不同的特性．

例1．下列各组电磁波，按波长由长到短的正确排列是（ ）

A．γ射线、红外线、紫外线、可见光

B．红外线、可见光、紫外线、γ射线

C．可见光、红外线、紫外线、γ射线

D．紫外线、可见光、红外线、γ射线

【答案】B

【解析】在电磁波谱中，电磁波的波长由长到短排列顺序依次是：无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线，由此可判定B正确。

二、电磁波的特性及应用

1．无线电波：波长大于1 mm(频率低于300 GHz)的电磁波称作无线电波，按波长可分为：长波、中波、短波、微波。主要用于通信、广播及其他信号传输．雷达是利用电磁波遇到障碍物要发生反射，以此来测定物体位置的无线电设备，其利用的是波长较短的微波．

2．红外线

(1)红外线是一种光波，波长比无线电波短，比可见光长．

(2)所有物体都发射红外线，热物体的红外辐射比冷物体的红外辐射强．

(3)红外线的应用主要有红外遥感和红外体温计．

3．可见光：可见光的波长在400～760 nm之间．

4．紫外线

(1)波长范围在5～370_nm之间，不能引起人的视觉．

(2)具有较高的能量，应用于灭菌消毒，具有较强的荧光效应，用来激发荧光物质发光．

5．X射线和γ射线

(1)X射线波长比紫外线短，有很强的穿透本领，用来检查金属构件内部有无裂纹或气孔，医学上用于检查人体的内部器官．

(2)γ射线波长比X射线更短，具有很高的能量，穿透力更强，医学上用来治疗某些癌症，工业上也可用于探测金属构件内部是否有缺陷．

6．各种电磁波的异同

各种电磁波的共通特性：

(1)都遵循公式c＝λv，在真空中的传播速度都是c＝3×10⁸m/s.

(2)传播都不需要介质，都是横波．

(3)都具有反射、折射、衍射和干涉、偏振的特性．

例2.下列关于电磁波的特性和应用，说法正确的是（ ）

A．红外线和X射线都有很高的穿透本领，常用来在医学上做透视人体

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是γ射线，最容易用来观察衍射现象

D．紫外线和X射线都可以使照像底片感光

【答案】D

【解析】电磁波具有能量，紫外线和X射线都能使底片感光。

三、电磁波应用实例

1． 蓝牙

蓝牙：短距离无线通信技术，使用低功耗、高频率的无线电波(2.4 GHZ)，能够穿薄墙或者玻璃窗、但功率较小(约为1mw)，所以工作距离较近，仅为10 m 左右。

主要应用：蓝牙耳机、蓝牙鼠标、车载电话等。

2． Wifi

WiFi：使用高频无线电波，将计算机、手持设备等终端以无线方式互相连接，实现通信和网络连接等功能。WiFi使用的两种高频无线电波分别为 2.4 GHZ(频率范为2.4~2.5 GH的电磁波)和5GHZ(4.9~ 5.9 GHZ)。和蓝牙的频段有部分重合。

优点：传输速度非常快，传输范围可达 100 m 以上，目前使用最为广泛的无线电通信技术。

主要应用：互联网。

3． 蜂窝网络

蜂窝移动通信系统由移动设备、基站、交换中心及中继线组成，每个基站覆盖的范围称为一个服务区，服务区被设定为一个六边形的区域，范围为1~35 km，形状类似蜂窝，从而得名“蜂窝移动通信系统”。主要用于解决频率资源不足问题。

主要应用：手机移动联网。

4． 5G技术

第五代移动通信技术，简称5G。相对于蜂窝网络技术和4G，具有更好传输频率，传输资源更快更丰富，低延时等特性。

主要应用：手机移动联网。

例3．2019年被称为5G元年，这一年全球很多国家开通了5G网络，开起了一个全新的通信时代，即万物互联的物联网时代。5G网络使用的无线电电波通信频率是在3.0GHz以上的超高频段和极高频段，比目前4G通信频率是在0.3GHz﹣3.0GHz的特高频段网络拥有更大的带宽和更快的传输速率。下列说法正确的是（　）

A．4G信号是纵波，5G信号是横波

B．4G信号和5G信号相遇能产生干涉现象

C．4G信号比5G信号更容易发生衍射现象

D．5G信号比4G信号波长更长，相同时间传递的信息量更大

【答案】 C

【解答】解：A、4G和5G信号均为电磁波，电磁波为横波，故A错误；

B、4G和5G信号的频率不同，不能发生稳定的干涉现象，故B错误；

C、因5G信号的频率高，则波长小，故4G信号更容易发生明显的衍射现象，故C正确；

D、5G信号比4G信号波长小，频率高，光子的能量大，故相同时间传递的信息量更大，故D错误。

题型01 电磁波谱的理解

例4．一种电磁波入射到半径为1m的孔上，可发生明显的衍射现象，这种波属于电磁波谱的区域是（ ）

A．γ射线B．可见光 C．无线电波D．紫外线

【答案】C

【解析】根据发生明显的衍射现象的条件可知障碍物或孔的尺寸和波长相差不多或比波长还要小．电磁波谱中无线电波的波长范围大约在10⁴～10²m，而红外线的波长范围大约在10^－1～10^－6m，可见光、紫外线、γ射线的波长更短．故只有无线电波才能发生明显的衍射现象．即选C。

题型02电磁波的主要特性和应用

例5.（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

【答案】ABC

【解析】电磁波在真空中的传播速度等于光速，与频率无关，A正确；

电磁波是周期性变化的电场和磁场互相激发得到的，B正确；

电磁波传播方向与电场方向、磁场方向均垂直，C正确；

光是一种电磁波，光可在光导纤维中传播，D错误。

例6．下列说法中正确的是（ ）

A．各种电磁波中最容易表现出干涉和衍射现象的是γ射线

B．红外线有显著的热效应，紫外线有显著的化学作用

C．X射线的穿透本领比γ射线更强

D．低温物体不能辐射红外线

【答案】B

【解析】干涉和衍射现象是光的波动性的体现，波长越长，越容易产生，而γ射线波长最短，故A错误；频率越高，穿透本领越强，故C选项错误；一切物体都能辐射红外线，故D错误，正确选项为B。

1．（多选）关于电磁波谱，下列说法中正确的是（ ）

A．X射线穿透性强，机场安检用来检查旅客是否携带违禁品

B．高温物体才能向外辐射红外线

C．紫外线可使钞票上的荧光物质发光

D．无线电波可广泛用于通信和广播

【答案】ACD

【解答】解：A、机场安检用来检查旅客是否携带违禁品是利用X射线的穿透本领，故A正确；

B、一切物体均向外辐射红外线，只有温度越高的，辐射越强，故B错误；

C、紫外线能使荧光物质发光，制成验钞机来验钞，故C正确；

D、无线电波波长较长，容易产生衍射现象，所以广泛用于通信和广播，故D正确。

2．（23-24·上海市华师大二附中高二下期末）关于电磁波及其应用，下列说法正确的是（ ）

A．同一种电磁波在不同介质中传播时，波速不变、频率和波长发生改变

B．用理疗“神灯”照射伤口，可使伤口愈合得更快，这里的“神灯”是利用紫外线的化学作用

C．教室里亮着的日光灯周围空间必有磁场和电场

D．赫兹预言了电磁波的存在，麦克斯韦最早证实了电磁波的存在

【答案】C

【解答】．同一种电磁波在不同介质中传播时，频率不变（频率由波源决定），根据可知波速、波长发生改变，故错误；

．“神灯”又称红外线灯，利用的是红外线的热效应，使人体局部杀菌消毒，故错误；

．亮着的日光灯中通的是交变电流，在其周围产生交变磁场和电场，故正确；

．麦克斯韦预言了电磁波的存在，赫兹最早证实了电磁波的存在，故错误。

3． 据报道：截止2020年12月我国5G基站建设累积71.8万个，已建成全球最大5G网络，中国将进入全面5G时代，开启了万物互联时代：车联网、物联网，智慧城市、无人机网络、自动驾驶技术等将一元变为现实。5G，即第五代移动通信技术，采用3300﹣5000MHz频段，相比于现有的4G（即第四代移动通信技术，1880﹣2635MHz频段）技术而言，具有极大的带宽、极大的容量和极低的时延。关于5G信号与4G信号下列说法正确的是（　　）

A．5G信号和4G信号都具有偏振现象

B．5G信号和4G信号有可能是纵波

C．5G信号相比4G信号光子能量更小

D．5G信号相比4G信号在真空中的传播速度更小

【答案】A

【解答】解：A、电磁波均为横波，故5G信号和4G信号都具有偏振现象，故A正确；

B、电磁波均为横波，故B错误；

C、5G信号相比4G信号频率更高，由E＝hv可知光子能量更高，故C错误；

D、所有的电磁波在真空中的传播速度均为光速，故D错误。

4．电磁波已广泛运用于很多领域，下列关于电磁波的说法符合实际的是（　　）

A．电磁波是横波，不能产生衍射现象

B．常用的遥控器通过发射紫外线脉冲信号来遥控电视机

C．根据多普勒效应可以判断遥远天体相对于地球的运动速度

D．只要空间某处有变化的电场或磁场，就会在其周围形成电磁波

【答案】 C

【解答】A、电磁波是横波，波都能发生干涉和衍射，故A错误；

B、常用红外线做为脉冲信号来遥控电视，故B错误；

C、由于波源与接受者的相对位移的改变，而导致接受频率的变化，称为多普勒效应，所以可以判断遥远天体相对于地球的运动速度，故C正确；

D、当均匀变化的电场或磁场时，则不会在其周围产生电磁场，也不会有电磁波存在，故D错误。

5．为了消杀新冠病毒，防控重点场所使用一种人体感应紫外线灯。这种灯装有红外线感应开关，人来灯灭，人走灯亮，为人民的健康保驾护航。下列说法错误的是（　　）

A．红外线的衍射能力比紫外线的强

B．紫外线能消杀病毒是因为紫外线具有较高的能量

C．真空中红外线的传播速度比紫外线的大

D．红外线感应开关通过接收到人体辐射的红外线来控制电路通断

【答案】C

【解答】A、真空中红外线的波长比红光要长，衍射能力比紫外线的强，故A正确；

B、紫外线的频率很高，根据光子能量公式E＝hv，具有较高的能量，能灭菌消毒，故B正确；

C、在真空中红外线的传播速度和紫外线的一样，都等于光速为3×10⁸m/s，故C错误；

D、由于人体可以向外辐射红外线，红外线感应开关通过接收到人体辐射的红外线来控制电路，D正确。

6．（23-24·上海市上海中学高二下期中）医院中，以下哪个应用不涉及电磁波（　　）

A. 红外线测体温 B. B超 C. γ射线CT D. X光照片

【答案】B

【详解】A．红外线测体温利用了电磁波，A错误；

B．B超是利用声波，B正确；

C．γ射线CT利用了电磁波，C错误；

D．X光照片利用了电磁波，D错误。

7．（23-24·上海市交大附中高二下期中）下列电磁波中，频率最大是（　　）

A. 无线电波 B. 可见光 C. 紫外线 D. 红外线

【答案】C

【详解】电磁波谱中，按频率由低到高为无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线、射线，故选项中频率最大的是紫外线。故选C。

8． 我国研制的反隐身米波雷达发射无线电波的波长在1～10m范围内，该无线电波与可见光相比，有（　）

A．更长的波长 B．更高的频率 C．更大的速度 D．更多的能量

【答案】A

【解答】雷达发射无线电波的波长在1～10m范围内，该无线电波与可见光相比，有更长的波长，而频率较低，能量也较低，对于它们的传播速度大小是相等的，故A正确，BCD错误。

9．下列电磁波中，从原子核内部发射出来的是（　　）

A．红外线 B．无线电波 C．γ射线 D．X射线

【答案】C

【解答】人类关于原子核内部的信息最早来自于天然放射现象，放射性元素向外发射出三种射线，分别为α射线β射线γ射线，故从原子核内部发射出来的是γ射线，无线电波是电磁振荡产生的，红外线是外层电子受激发产生的，x射线是内层电子受激发产生的，故C正确，ABD错误。

10. 关于电磁波及电磁振荡，下列说法中不正确的是（　　）

A．无线电波中，微波比长波更容易发生衍射

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．LC振荡电路放电过程中，电场能转化为磁场能

【答案】 A

【解答】A、波长越长越容易发生衍射现象，因此长波比微波更容易发生衍射现象，故A不正确；

B、根据麦克斯韦的电磁场理论可知，变化的磁场产生电场，变化的电场产生磁场，相互激发，形成电磁波，故B正确；

C、电磁波是横波，每一处的电场强度和磁场强度总是相互垂直的，且与波的传播方向垂直，故C正确；

D、在LC振荡电路中，当电容器放电时，电流在增大，电容器上的电荷量减小，电场能转化为磁场能，故D正确。

11.（多选）太赫兹辐射（1THz=10¹²Hz）是指频率从0.3THz到10THz、波长介于无线电波中的毫米波与红外线之间的电磁辐射区域．最近，科学家终于研制出首台可产生4.4THz的T射线激光器．已知普朗克常数h=6.63×10^－34J·s，关于4.4THz的T射线，下列说法中正确的是（ ）

A. 它在真空中的速度为3.0×10⁸m/s B. 它是某种原子核衰变时产生的

C. 它的波长比可见光短 D. 它的波长比可见光长

【答案】AD

【解析】T射线激光器的真空中的速度为3.0×10⁸m/s，故A正确；

激光是由原子的外层电子受到激发产生的．故B错误．

T射线波长约为10^-4m，T射线介于无线电波和红外线之间，可见它的波长比可见光长，故C错误，D正确。