選修3-4 14.5 電磁波譜

很多家族都有家譜，電磁波這個「家族」的「家譜」就叫做「電磁波譜」。

我們首先來了解一下這個「家族」都包含哪些成員吧。

一、電磁波譜

電磁波的頻率範圍很廣。無線電波、光波、X射線、γ射線，都是電磁波。其中，人眼可見的電磁波——可見光，只是電磁波中的一小部分。按照電磁波的波長或頻率大小的順序把它們排列成譜，叫做電磁波譜。

按照波長由大到小（頻率由小到大）依次為：無線電波、微波、紅外線、可見光、紫外線、X射線、γ射線。

電磁波是個很大的家族。有的電磁波的波長很長，例如無線電波；有的電磁波的波長很短，例如γ射線。不同電磁波由於具有不同的波長（頻率），才具有不同的特性。

下面我們就來逐個了解一下電磁波家族中每一位成員的特性吧。

1. 無線電波

波長大於1mm（頻率小於300GHz）的電磁波是無線電波。

無線電波用於通信、廣播及其他信號傳輸。

廣播電臺和電視臺都有發射無線電波的設備，許多自然過程（例如星際間的氣體和塵雲會發出無線電波；宇宙大爆炸產生了微波輻射 ）也輻射無線電波。因此，天文學家可以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。

所有物體都發射紅外線。（也就是說爐火和冰塊都發射紅外線。）

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。

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。

用靈敏的紅外探測器吸收遠處物體發出的紅外線，然後用電子電路對信號進行處理，可以得知被測物體的形狀及溫度、溼度等參數。這就是紅外遙感技術。現在，為了防控新冠疫情，許多單位門口都安裝了了紅外成像測溫儀。

我們學校門口的紅外成像測溫儀（與下面視頻中火車站的儀器類似）可以感知周圍8米範圍內物體的溫度，超過37.3℃，就會發出警報，並且會抓拍體溫超標的人，以便找到他（或她），讓他去接受復檢。

利用紅外遙感，還可以在飛機和人造地球衛星上勘測地熱、尋找水源、監視森林火情、預報風暴和寒潮。紅外遙感在軍事上的應用也十分重要。

說一說

許多動物具有發達的紅外感受器官，因此在夜間也可以看到物體。你知道哪些動物有這方面的功能嗎？

這個問題的答案請同學們自己搜索查看。我想，習慣晝伏夜出的動物，大概都有比較發達的紅外感受器官吧。

3. 可見光

可見光的波長在760nm到400nm之間。（不同人所能感受的光的波長範圍有差異，因此各種資料所記載的可見光的波長範圍不完全一致。）

陽光是由各種色光組成的。科學研究發現不同顏色的光是波長（頻率）範圍不同的電磁波。本書的第十三章第7節表1列出了各色光在真空中的波長和頻率。

天空為什麼是亮的？因為大氣把陽光向四面八方散射。在沒有大氣的太空，即使太陽高懸在空中，它周圍的天空也是黑暗的。由于波長較短的光比波長較長的光更容易被大氣散射。所以天空看起來是藍色的。

大氣對波長較短的光的吸收也比較強，傍晚的陽光在穿過厚厚的大氣層時，藍光、紫光大部分被吸收掉了，剩下紅光、橙光透過大氣射入我們的眼睛，所以傍晚的陽光比較紅。而正午時分的太陽是白色的。

4. 紫外線

人眼看不到比紫光波長更短的電磁波。在紫光之外，波長範圍在5nm到370nm之間的電磁波是紫外線。

紫外線具有較高的能量，足以破壞細胞核中的物質。因此，可以利用紫外線滅菌消毒。

太陽光裡有許多紫外線，人體接收適量的紫外線照射，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。

許多物質在紫外線的照射下會發出螢光，根據這一點可以設計防偽措施。

5. X射線和γ射線

波長比紫外線更短的電磁波就是X射線和γ射線了。

人們用X射線管來產生X射線，X射線對生命物質有較強的作用，過量的X射線輻射會引起生物體的病變。X射線能夠穿透物質，可以用來檢查人體內部器官。在工業上利用X射線檢查金屬零件內部的缺陷。

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的物品。

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。把這個特點應用在醫學上，可以摧毀病變的細胞，用來治療某些癌症。γ射線的穿透能力很強，可以用於探測金屬部件內部的缺陷。

二、電磁波傳遞能量

法拉第用「力線」形象地描述了電磁場，麥克斯韋用數學語言表述了電磁場，但在當時，人們只把電磁場看做研究電磁現象的一種方法。赫茲通過實驗證實了電磁波的存在，這意味著，電磁場不僅是一種描述方式，而且是一種真實的物理存在。

電磁波是運動中的電磁場，它可以傳遞能量。微波爐的工作應用了一種電磁波——微波。食物中的水分子在微波的作用下熱運動加劇，溫度升高內能增加，增加的內能是微波傳遞給它的。

除了可見光外，雖然我們看不到電磁波，卻能通過它的能量而感覺到它。收音機能收到廣播電臺的聲音，那是因為電臺發射的電磁波在收音機的天線裡感應出了電流，電流的能量是從哪裡來的呢？它來自於電臺發射的無線電波。

我們有各種各樣的儀器，能夠探測到許許多多電磁波，所有這些都表明電磁波傳遞能量。

三、太陽輻射

陽光從太陽輻射出來，其中含有可見光，還有無線電波、紅外線，也有紫外線、X射線、γ射線。

太陽輻射的能量集中在可見光、紅外線和紫外線三個區域。

從圖14.5-2可以看出。波長在5.5×10的-7次方米的黃綠光附近，輻射的能量最強。我們的眼睛正好對這個區域的電磁輻射最敏感。眼睛把太陽在最強輻射區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，讀到這裡，你是否又一次感受到了自然萬物的絕妙與和諧？這是巧合呢，還是生物進化的結果？

【學法指導】

本節課的內容不像第二節內容《電磁振蕩》，有比較複雜的物理過程需要分析，還有周期、頻率公式可以用於定量的計算。像這樣的內容，似乎是了解一下、知道了，就行了。但是，實際上，要想在考試中拿到對應的分數，可不能滿足於「知道、了解」。誇張一點說：你需要記住本節內容的每一句話、每一個例子。因為，它們都可能作為一道選擇題或者選擇題的一個選項出現。

當然，也不需要死記硬背，但是，一定要做到「會複述」。

【練習題】

1．一種電磁波入射到半徑為1m的孔上，可發生明顯的衍射現象，這種波屬於電磁波譜中的(　　)

A．可見光    B．γ射線

C．無線電波  D．紫外線

答案　C

2．在電磁波譜中，紅外線、可見光和倫琴射線(X射線)三個波段的頻率大小關係是(　　)

A．紅外線的頻率最大，可見光的頻率最小

B．倫琴射線的頻率最大，紅外線的頻率最小

C．可見光的頻率最大，紅外線的頻率最小

D．倫琴射線的頻率最大，可見光的頻率最小

答案　B

3．關於紫外線的以下說法中正確的是(　　)

A．照射紫外線可增進人體對鈣質的吸收，因此人們應儘可能多地接受紫外線的照射

B．紫外線是一種可見光

C．紫外線有很強的螢光效應，可用於防偽

D．紫外線有殺菌消毒的作用，是因為其有熱效應

答案　C

4．(多選)2015年12月，中國「可見光通信系統關鍵技術研究」獲得重大突破——可見光通信的實時通信速率已經提高至50Gbps，相當於0.2s即可下載一部高清電影．關於可見光，下列說法正確的是(　　)

A．可見光中的紅光比紫光的頻率低

B．可見光不能在真空中傳播

C．可見光波長越長，越容易發生衍射現象

D．可見光能發生光的幹涉和衍射現象，說明光是橫波

答案　AC

5．(多選)關於電磁波譜，下列說法正確的是(　　)

A．電磁波中最容易表現出幹涉、衍射現象的是無線電波

B．紫外線能促使體內維生素D的合成

C．在烤箱中能看見一種淡紅色的光線，是電熱絲髮出的紅外線

D．紅外線的顯著作用是熱作用，溫度較低的物體不能輻射紅外線

答案　AB

6．下列說法中正確的是(　　)

A．各種電磁波中最容易表現出幹涉和衍射現象的是γ射線

B．紅外線有顯著的熱效應，紫外線有顯著的化學作用

C．X射線的穿透本領比γ射線更強

D．低溫物體不能輻射紅外線

答案　B

7．(2018·湖州期末)關於電磁波的應用，下列說法正確的是(　　)

A．夜視儀利用了紅光成像技術

B．利用紫外線的螢光效應來做防偽標識

C．可以利用X射線進行通信、廣播

D．醫院利用紅外線的熱效應殺菌消毒

答案　B

8．(電磁波譜)(多選)在電磁波中，波長按從長到短排列的是(　　)

A．無線電波、可見光、紅外線

B．無線電波、可見光、γ射線

C．紅光、黃光、綠光

D．紫外線、X射線、γ射線

答案　BCD

9．(電磁波譜)下列各組電磁波，按衍射能力由強到弱的正確排列是(　　)

A．γ射線、紅外線、紫外線、可見光

B．紅外線、可見光、紫外線、γ射線

C．可見光、紅外線、紫外線、γ射線

D．紫外線、可見光、紅外線、γ射線

答案　B

10．(電磁波的特性及應用)電磁波在生活中有著廣泛的應用．不同波長的電磁波具有不同的特性，因此也有不同的應用．下列器材與其所應用的電磁波對應關係不正確的是(　　)

A．雷達——無線電波

B．手機——X射線

C．紫外消毒櫃——紫外線

D．遙控器——紅外線

答案　B

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