第四章 电磁振荡与电磁 波 第四节 电磁波谱 粤教版（ 2019 ）高中物理选择性必修第二册 一、认识电磁波谱 电磁波的频率范围很广。无线电波、红外线、可见光、紫外线、 X 射线、 Y 射线都是电 磁波、将它们按波长或频率大小的顺序排列成谱，如图所示，称为电磁波谱。 电磁波家族中各个成员之间既有统一性，又表现出多样性。它们都是本质 相同的电磁波，都具有电磁波的性质。它们的频率和波长各异。频率低的 无线电波由于波长较长，较容易发生干涉和衍射现象，而频率高的 X 射 线、 Y 射线由于波长较短，因此较难观察到干涉、衍射现象。 不同的电磁波，产生机理表现出多样性。无线电波是自由电子振荡产生 的，红外线、可见光、紫外线是原子的外层电子受到激发后产生的， X 射 线是原子的内层电子受到激发后产生的， γ 射线是原子核受激发后产生 的。 二、电磁波家族成员的特性及其应 用 无线电波 波长大于 1mm( 频率小于 300GHz) 的电磁波是无线电波。它主要用于通信、广播及其他信号传 输。 20 世纪以来，无线电通信迅猛发展，相继出现了无线电广播、雷达、无线电传真机、电 视、无线电寻呼机、移动电话等。 无线电广播 雷达 无线电传真机 微波是无线电波中一个有限频带的简称，即波长在 1mm~1m 之间的电磁波 . 微波的波长比地 球上很多宏观物体如飞机、舰船、导弹、卫星、建筑物等的尺寸小得多。因此微波照射到这些 物体上将产生强烈的反射，利用它与几何光学相似的这一特点，可以制成方向性很强的微波天 线，用来发射或接收微弱的微波信号，从而为雷达、卫星通信、导弹等提供必要条件。 微波相对一般的无线电波频率高很多，可用频带很宽。微波携带的信息容量大，因此可作 为多路通信的载频。移动通信通常用的是 800~1800MHz 这一频段。现已逐渐普及的 WiFi 也是一种通过微波将个人电脑、手机等电子设备连接到一个无线局域网的技术，其工 作频率范围是 2400~2500MHz 。这个范围被分为 14 个频段，前 13 个频段每个频段带宽 20MHz ，最后一个大一些，相邻的频段间有叠加区域，可能会产生干扰。这也是有时通 过 Wi-Fi 连接的网速慢的主要原因之一。 蓝牙是另一种在生活中常见的无线技术，可实现固定设备、移动设备和个人域网之间的短 距离数据交换，工作频率范围是 2400~2483.5MHz ，与 Wi-Fi 同频段，会与其产生相互干 扰的现象，但一般不会导致不可用的情况。蓝牙技术的电磁波覆盖范围非常小，半径约为 15m ，而 Wi-Fi 的电磁波覆盖范围大，例如家庭使用的 Wi-Fi 半径可达 100m 。 不同物体对微波的吸收程度不同，如对于玻璃、 塑料和瓷器，微波几乎是穿越而不被吸收。水和 食物等则会吸收微波而使自身发热，所以微波还 可用于食品加工（微波炉）、工业和医疗上的加 热与解冻等。 红外线 1800 年，英国天文学家赫歇尔利用温度计 在日光光谱红端外观察到增温现象，由此 发现了红外线。它的波长范围为 0.77μm1mm ，介于无线电波与可见光之间。红外 线的频率比可见光更接近固体物质分子振 动的固有频率，更容易引起分子的共振， 有明显的热效应，可以用来加热物体、烘 干油漆和谷物。烤制食品的红外线烤箱利 用的就是红外线的热效应。 红外线 一切物体都在不断地向外辐射红外线，不同的物体或物 体的温度不同时，向外辐射的红外线强度和频率都不 同。利用灵敏的红外线探测器接收物体发出的红外线， 然后用电子仪器对接收到的信号进行处理以探明被探物 体的特征，这种技术称为红外线遥感。红外线的波长比 可见光更长，其衍射现象更明显，更容易透过云雾、烟 尘，可实现全天候红外线遥感和红外线高空摄影、军事 上用的红外线夜视装置可实现全天候作战。 红外线还用于遥控技术。各种家用电器的遥控器大多数是利用红外 线脉冲信号来实现各种操作的。 可见光 能够引起人的视觉的光只在一个很窄的波段内，通 常称为可见光，它的波长范围为 440~770nm 。 不同频率 ( 或波长 ) 的可见光颜色不同，频率最高 ( 波长最短 ) 的可见光是紫光，频率最低（波长最 长）的可见光是红光。在月球上的宇航员看到的天 空是黑的（如图所示 ) ，这是因为月球上没有能散 射太阳光的大气。而在地球上，波长较短的蓝光更 容易与空气分子发生散射。这种光偏离原来的传播 方向射入我们的眼睛，于是我们看到了蓝天。阴天 或者大气污染较严重时，空气中的冰晶或尘粒的数 量较多，各种波长的可见光都会被散射，因而天空 呈现出灰白色。 紫外线 1801 年，德国物理学家里特发现太阳光光谱紫端外面的一段，能够使含有氯化银的照相底片感 光，由此发现了紫外线。它的波长范围为 5~400mm 。紫外线具有较大的能量，照射到荧光物 质上时能够使分子受激而发出可见光，因此具有较强的荧光效应。生活中常用的日光灯和灭蚊 灯都是通过紫外线激发荧光物质发光的。 紫外线还具有明显的化学作用，能够穿透生 物的细胞膜和细胞核，破坏 DNA 的分子键， 使其失去复制能力或失去活性，因此被普遍 用于杀菌或消毒 ( 如图所示 ) 。另外，紫外线 还能促使人体合成维生素 D ，而维生素 D 有 助于人体对钙的吸收而预防佝偻病。但过强 的紫外线也会使人的眼睛和皮肤受到伤害。 X 射线 1895 年，德国物理学家伦琴在研究阴极射线时，意外发现了伦琴射线，即 X 射线。伦琴因此于 1905 年获得第一届诺贝尔物理学奖。  X 射线是一种波长比紫外线还短的电磁 波，波长范围为它的穿透能力很强，能使 包在黑纸里的照相底片感光。 X 射线穿透 物质的程度跟被穿透物质的密度有关这种 特性在工业上可以用来检测部件内部有没 有砂眼、裂纹或气孔；在医学上可以用来 透视人体，检查体内的病灶及骨骼情况； 在火车站、机场等场所进行行李安全检查 时，也是利用 X 射线检查行李箱中的物 品。   射线  1900 年，法国科学家维拉德从实验照片记 录上细心地发现了有某种辐射穿过了 0.2mm 的铅箔，由此发现了射线。射线是 波长最短的电磁波，波长范围为 射线穿 透能力比 X 射线更强，能穿过几厘米厚的 铅板。因此，工业上常用它来进行探伤。  射线具有很高的能量，能破坏生命物质的结构。利用这个特点，在医学上可以摧毁病变的细胞 如癌细胞，因而有“刀”之称。刀手术无创伤、不出血、不需麻醉，无手术禁忌证，是一种较好 的肿瘤局部治疗手段，适应证较广。  利用射线照射农作物的种子、植株或某些器官和组织，可以促使它们产生各种变异，再从中选 出所需要的可遗传的优良变异，经过培育成为优良的新品种。 课堂练习 1. （ 2021· 湖南 · 高二学业考试）下列设备中，利用紫外线使荧光物质发光的是 （　　） D A ．电视机遥控器 B ．收音机 C ．无接触测温仪 D ．验钞机 2. （ 2022· 广东广州 · 高二期末）“神舟五号”飞船飞行过程中，由多个地面 测控站和四艘“远望号”远洋航天测量船组成了测控网，通过发射和接收某种 波，对飞船进行跟踪、测量与控制。这种波是（　　） A A ．微波 B ． X 射线 C ．紫外线 D ．超声波 3. （ 2022· 浙江 · 高二期末）现代生活中人类与电磁波结下了不解之缘，你 认为下列陈述中符合事实的是（　　） D A ．麦克斯韦从理论上预言了电磁波，并通过实验证实了电磁波的存在 B ．常用的遥控器通过发出紫外线脉冲信号来遥控电视机 C ．空间有变化的电场（或磁场）存在，一定能形成电磁波 D ．将手机放在真空玻璃盒中，拨打该手机号码，手机会响铃（或振动） 4. （ 2022· 天津天津 · 高二期末）下列说法正确的是（　　） D A ．电磁波在任何介质中的传播速度都大于在真空中传播速度 B ．变化的电场一定产生变化的磁场，变化的磁场一定产生变化的电场 C ．红外线波长小于紫外线的波长 D ．电磁波是一种物质，它具有能量 5. （ 2022· 湖北 · 武汉市常青第一中学高二期末）以下关于电场、磁场 、 电磁场、电磁波的说法正确的是（　　） B A ．试探电荷在电场中，电流元（一小段通电导线）在磁场中，一定都受 到相应的场力 B ．根据麦克斯韦的电磁场理论，一定条件下，电场和磁场可以互相激发 产生电磁场 C ．电磁波是一种物质，但是不能在真空中传播 D ．红外线的波长比 X 射线的波长短 6. （ 2022· 广东 · 金山中学高二）电磁波在日常生活和生产中已经被大量应 用，下列说法正确的是（　　） B A ．银行的验钞机和家用电器的遥控器发出的光都是紫外线 B ．高温物体和低温物体都能辐射红外线 C ．手机通话使用的微波，波长比可见光的波长短 D ．在新冠肺炎诊断中，要用射线扫描肺部，是因为在电磁波中射线的穿 透能力最强   7. 下列有关电磁波的特性和应用，说法正确的是（　　） D A ．红外线和 X 射线都有很高的穿透本领，常用于医学上透视人体 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为射线，最容易发生衍射现象 D ．紫外线和 X 射线都可以使感光底片感光