1、12电磁波的发现 电磁振荡目标导航 学习目标 1.知道麦克斯韦电磁场理论的主要内容。2.知道电磁波的特点。3.会分析 LC 振荡回路中振荡电流的产生过程。4.知道 LC 电路中的能量转化情况。5.知道 LC 电路中的周期和频率。重点难点 1.麦克斯韦电磁场理论的基本内容。2.LC 回路振荡过程的分析。激趣诱思自古以来,人类一直在用自己的智慧解决远距离通信的问题。大约 3 000 年前,在我国的周代就出现了利用火和烟传递信息的设施烽火台。然而,直到 100 多年前,信息主要还是依靠人或动物的移动来传递,即使使用车、船,传递信息的速度仍然很慢。19 世纪末,麦克斯韦学习了库仑、安培、奥斯特、法拉第
2、、亨利的研究成果,结合自己的创造性工作,最终建立了经典电磁场理论,使信息的传递插上了飞翔的翅膀。根据你的了解现在看来什么传递信息最快呢?它应用在哪些方面?简答:100 多年来,电磁波的应用使通信技术得到了飞速的发展,电报、电话、广播、电视等现代化通信技术的应用,大大加快了现代生活的节奏,使古代人“顺风耳、千里眼”的梦想成了现实。预习导引一、麦克斯韦的电磁场理论及对电磁波的预言1.麦克斯韦电磁场理论英国物理学家麦克斯韦在总结前人研究电磁现象成果的基础上,建立了完整的电磁场理论。可定性表述为变化的磁场产生电场,变化的电场产生磁场。2.麦克斯韦对电磁波的预言如果在空间某区域内有周期性变化的电场,那么
3、这个变化的电场就在空间引起周期性变化的磁场;这个变化的磁场又引起新的变化的电场于是,变化的电场和变化的磁场交替产生,由近及远向周围传播,形成了电磁波。3.电磁波的特点(1)电磁波中的电场强度与磁感应强度互相垂直,而且二者均与波的传播方向垂直,因此电磁波是横波。(2)电磁波在真空中传播的速度等于光速 c,光的本质是电磁波。4.赫兹的实验(1)赫兹利用如图的实验装置,证实了电磁波的存在。(2)赫兹的其他实验成果:赫兹通过一系列的实验,观察到了电磁波的反射、折射、干涉、偏振和衍射现象,并通过测量证明,电磁波在真空中具有与光相同的速度,证实了麦克斯韦关于光的电磁理论。预习交流 1从科学的角度来说,电磁
4、波是能量的一种,凡是高于绝对零度的物体,都会释出电磁波。正像人们一直生活在空气中而眼睛却看不见空气一样,除光波外,人们也看不见无处不在的电磁波。电磁波就是这样一位人类素未谋面的“朋友”。你知道电磁波在我们生活中的用途吗?答案:电磁波为横波,可用于探测、定位、通信、医疗、烹饪等等。二、电磁振荡的产生1.振荡电流和振荡电路(1)振荡电流:大小和方向都做周期性迅速变化的电流。(2)振荡电路:产生振荡电流的电路,最简单的振荡电路为 LC 振荡电路。2.电磁振荡的过程放电过程:由于线圈的自感作用,放电电流由零逐渐增大,电容器极板上的电荷逐渐减少,电容器里的电场逐渐减弱,线圈的磁场逐渐增强,电场能逐渐转化
5、为磁场能,振荡电流逐渐增大,放电完毕,电流达到最大,电场能全部转化为磁场能。充电过程:电容器放电完毕后,由于线圈的自感作用,电流保持原来的方向逐渐减小,电容器将进行反向充电,线圈的磁场逐渐减弱,电容器里的电场逐渐增强,磁场能逐渐转化为电场能,振荡电流逐渐减小,充电完毕,电流减小为零,磁场能全部转化为电场能。此后,这样充电和放电的过程反复进行下去。3.电磁振荡的实质在电磁振荡过程中,电容器极板上的电荷量,电路中的电流,与振荡电流相联系的电场和磁场都在周期性地变化,电场能和磁场能周期性地转化。预习交流 2打开收音机的开关,转动选台旋钮,旋到使收音机收不到电台的频道,然后开大音量。在收音机附近,将电
6、池盒的两根引线反复碰撞,你会听到收音机中发出“喀喀”的响声。为什么会产生这种现象呢?打开电扇,将它靠近收音机,看看又会怎样。答案:电磁波是由电磁振荡产生的,在收音机附近,将电池盒两引线反复碰触,变化的电流产生变化的磁场,变化的磁场产生变化的电场,这样会发出电磁波,从而导致收音机中发出“喀喀”声,若将转动的电扇靠近收音机,因为电扇中电动机内通有交变电流,电动机的运行同样会引起收音机发出“喀喀”声。三、电磁振荡的周期和频率1.电磁振荡的周期 T:电磁振荡完成一次周期性变化需要的时间。2.电磁振荡的频率 f:1 s 内完成周期性变化的次数。3.LC 电路的周期(频率)公式。周期、频率公式:T=2,f
7、=12,其中:周期 T、频率 f、自感系数 L、电容 C 的单位分别是秒(s)、赫兹(Hz)、亨利(H)、法拉(F)。预习交流 3你认为怎样可以改变 LC 振荡电路的周期和频率?答案:由 LC 电路的周期公式 T=2 知,要改变电磁振荡的周期和频率,必须改变线圈的自感系数 L 或者电容器的电容 C。(1)影响线圈自感系数 L 的因素有:线圈的大小、形状、匝数以及是否有铁芯等。匝数越多,自感系数 L 越大,有铁芯的线圈自感系数比无铁芯时大。(2)影响电容器的电容 C 的因素有:两极板正对面积 S、两板间介电常数 r 以及两板间距 d,由 C=r4(平行板电容器的电容),不难判断 r、S、d 变化
8、时,电容 C 变化。(3)一般来说,电容器两极板间的正对面积的改变较为方便,只需将可变电容器的动片旋出或旋入,便可改变电容 C 的大小,所以,通常用改变电容器正对面积的方法改变 LC 振荡电路的振荡周期和频率。一、麦克斯韦电磁场理论知识精要对麦克斯韦电磁场理论的理解:1.恒定的电场不产生磁场;恒定的磁场不产生电场。2.均匀变化的磁场在周围空间产生恒定的电场;均匀变化的电场在周围空间产生恒定的磁场。3.周期性变化的电场产生同频率的周期性变化的磁场;周期性变化的磁场产生同频率的周期性变化的电场。思考探究1.麦克斯韦根据什么现象认为“变化的磁场产生电场”?关于“变化的电场产生磁场”的观点,他是在什么
9、情况下提出的?答案:(1)麦克斯韦是在法拉第电磁感应现象的基础上提出“变化的磁场产生电场”的。(2)“变化的电场产生磁场”是他相信自然规律和谐统一而假设的。他认为:既然变化的磁场能够在周围空间产生电场,那么变化的电场也能够在空间产生磁场。2.麦克斯韦关于电磁场理论主要论点是什么?用麦克斯韦的电磁场理论说明电磁波是怎样产生的。答案:(1)麦克斯韦关于电磁场理论的两大支柱是:变化的磁场产生电场,变化的电场产生磁场。(2)根据这两个基本点,麦克斯韦进一步推断:如果在空间某处有周期性变化的电场,那么这个变化的电场就在空间产生周期性变化的磁场;这个变化的磁场又会引起新的变化的电场,如此下去变化的电场和磁
10、场交替产生,从而形成由近及远传播的电磁波。典题例解【例 1】关于电磁场理论,以下说法正确的是()A.在电场周围一定会产生磁场B.任何变化的电场周围空间一定会产生变化的磁场C.均匀变化的电场会产生变化的磁场D.周期性变化的电场会产生周期性变化的磁场思路分析:记住并理解麦克斯韦电磁场理论是解决本问题的关键。解析:变化的电场周围一定产生磁场,但若电场不发生变化,则不能在周围空间产生磁场,选项 A 错误;均匀变化的电场只能在周围空间产生稳定的磁场,只有不均匀变化的电场才能在周围空间产生变化的磁场,选项 B、C 错误;周期性变化的电场(或磁场)在周围空间产生周期性变化的磁场(或电场),选项 D 正确。答
11、案:D迁移应用(多选)根据麦克斯韦电磁场理论,下列说法正确的是()A.在电场的周围空间,一定存在着和它联系着的磁场B.在变化的电场周围空间,一定存在着和它联系着的磁场C.恒定电流在其周围不产生磁场D.恒定电流周围存在着稳定的磁场解析:电场按其是否随时间变化分为稳定电场(静电场)和变化电场(如运动电荷形成的电场),稳定电场不产生磁场,只有变化的电场周围空间才存在对应的磁场,故 B 选项对,A 选项错;恒定电流周围存在稳定磁场,磁场的方向可由安培定则判断,D 选项对,C 选项错。故正确选项为 B、D。答案:BD二、电磁波知识精要机械波与电磁波的比较 机械波 电磁波 对象 研究力学现象 研究电磁现象
12、 周期性变化的物理量 位移随时间和空间做周期性变化 电场强度 E 和磁感应强度 B随时间和空间做周期性变化 传播 传播需要介质,波速与介质有关,与频率无关 传播无需介质,在真空中波速总是 c,在介质中传播时,波速与介质及频率都有关系 产生 由质点(波源)的振动产生 振荡电流(电磁振荡)激发 机械波 电磁波 干涉 可以发生 可以发生 衍射 可以发生 可以发生 横波 可以是 是 纵波 可以是 否 思考探究1.赫兹用如图所示实验装置进行实验:调节外加电压大小,当感应线圈的两个金属球间有火花跳过时,导线环的两个金属小球间也跳过电火花。这种现象说明了什么?答案:当感应线圈使得与它相连的两个金属球间有火花
13、通过时,导线环两个小球间也跳过了火花。实验说明了电磁波从发射器到达了接收器,电磁振荡能在空间向远处传播,进而证明了麦克斯韦电磁理论是正确的。2.赫兹实验的意义是什么?答案:首次用实验证实了电磁波的存在,验证了麦克斯韦电磁场理论的正确性,为无线电技术的发展开拓了道路。典题例解【例 2】下列关于电磁波的说法正确的是()A.均匀变化的磁场能够在空间产生电场B.电磁波在真空和介质中的传播速度相同C.只要有电场和磁场,就能产生电磁波D.电磁波在同种介质中只能沿直线传播思路分析:解答本题的关键是能够理解电磁波的形成和特点。解析:如果电场(或磁场)是均匀变化的,产生的磁场(或电场)是恒定的,不能产生新的电场
14、(或磁场),因而不能产生电磁波,选项 A 正确,C 错误;电磁波的传播速度跟介质有关,频率由波源决定,同一频率的电磁波在不同介质中波长不同,由 v=f 知不同介质中波的传播速度不同,选项 B 错误;波发生衍射现象时不再沿直线传播,波发生明显衍射现象的条件是障碍物或孔的尺寸大小跟光的波长差不多或比波长还要小,选项 D 错误。答案:A迁移应用下列关于电磁波的说法中,正确的是()A.电磁波只能在真空中传播B.电场随时间变化时一定产生电磁波C.做变速运动的电荷会在空间产生电磁波D.麦克斯韦第一次用实验证实了电磁波的存在解析:电磁波在真空和介质中都可以传播,A 错;均匀变化的电场不会产生电磁波,B 错;
15、做变速运动的电荷,形成变化的磁场,如果电荷的运动满足一定的条件,则变化的磁场可以产生变化的电场,从而产生电磁波,C 对;麦克斯韦只是预言了电磁波的存在,赫兹第一次用实验证明了电磁波的存在,D 错。答案:C三、电磁振荡的过程知识精要1.各物理量变化情况一览表 时刻(时间)工作过程 q E i B 能量 0T4 放电过程 qm0 Em0 0im 0Bm E 电E 磁 T4 T2 充电过程 0qm 0Em im0 Bm0 E 磁E 电 T2 3T4 放电过程 qm0 Em0 0im 0Bm E 电E 磁 3T4 T 充电过程 0qm 0Em im0 Bm0 E 磁E 电 2.振荡电流、极板带的电荷量
16、随时间的变化图像3.LC 振荡电路的周期和频率LC 振荡电路的周期 T 和频率 f 只与自感系数 L 和电容 C 有关,与其他因素无关。T=2,f=12 式中的 T、f、L、C 的单位分别是秒、赫兹、亨利、法拉。思考探究1.观察课本中产生电磁振荡电路的演示相关内容,会看到什么现象,说明了什么?答案:观察到电流表指针在零刻度线左右摆动,说明电路中产生了交变电流,即电路中电流的大小、方向做周期性的变化。2.LC 振荡电路中发生电磁振荡过程中的能量是如何转化的?答案:(1)在 LC 回路发生电磁振荡的过程中,由于电容器极板上带电荷,则电容器内就有与之相联系的电场能。(2)电路中有电流时,则线圈就有与
17、之相联系的磁场能。(3)电容器放电阶段,电场能转化为磁场能,放电完毕的一瞬间,电场能为零,振荡电流和磁场能达到最大值;然后电容器被反向充电,这个阶段磁场能转化为电场能,振荡电流为零的瞬间,磁场能为零,电容器极板上的电荷和电场能达到最大值。典题例解【例 3】(多选)LC 振荡电路中,通过 P 点的电流变化规律如图乙所示(图中周期为 2 s)。现规定沿顺时针方向的电流方向为正,则()A.0.5 s 至 1 s 时间内,电容器充电B.0.5 s 至 1 s 时间内,电容器上极板带的是正电C.1 s 至 1.5 s 时间内,磁场能正在转化为电场能D.1 s 至 1.5 s 时间内,电容器下极板的电势高
18、思路分析:解答本题的关键是充分理解振荡电流的图象及电容器充电、放电的特点。解析:由振荡电流的图象可知,在 0.51 s 的时间内,电流为正方向,且电流值正在减小,由题意可知,顺时针方向为电流的正方向,则在 0.51 s 的时间内,LC 回路中的电流是沿顺时针方向的,而且电容器 C 正在充电。由于充电电流是由电容器 C 的负极板流出,流向正极板,可知在 0.51 s 的时间内电容器 C 的上极板带负电,下极板带正电,选项 A 正确,B 错误;再由振荡电流的图象知,在 11.5 s 的时间内,电流的方向为负,且电流的值正在增大,由题意可知,此时间内 LC 回路中的电流是沿逆时针方向的,所以下极板的
19、电势高,而且由于电流值正在增大,所以电场能正在转化为磁场能,选项 C 错误,D 正确。答案:AD迁移应用右图为某时刻LC振荡电路中电容器电场的方向和电流的方向,则下列说法中正确的是()A.电容器正在放电B.电感线圈的磁场能正在减少C.电感线圈中的电流正在增大D.电容器的电场能正在减少解析:由题图知,电路中电流方向为逆时针方向,电容器被充电,电场能增加,电感线圈中的电流正在减小,电感线圈的磁场能正在减少,A、C、D 错误。答案:B判断 LC 回路处于放电过程还是充电过程的方法知识链接当电流流向带正电的极板时,电荷量增加,磁场能向电场能转化,电场能增加,电流减小,磁场能减少,处于充电过程;当电流流
20、出带正电的极板时,电荷量减少,电场能向磁场能转化,电场能减少,电流增大,磁场能增加,处于放电过程。案例探究如图所示为 LC 振荡电路中振荡电流随时间变化的图象,由图可知,在 OA 段时间内 能转化为 能,在 AB 段时间内电容器处于 (选填“充电”或“放电”)过程,在时刻 C,电容器带的电荷量 (选填“为零”或“最大”)。解析:由图可知,振荡电流随时间做正弦规律变化。在 OA 段时间内电流增大,电容器正在放电,电场能逐渐转化为磁场能。在 AB段时间内电流减小,电容器正在充电。在时刻 C 电流最大,为电容器放电完毕瞬间,电荷量为零。答案:电场 磁场 充电 为零思悟升华回路中的电流 i、线圈中的磁
21、感应强度 B、电容器极板间的电场强度 E 的变化周期就是 LC 回路的振荡周期 T=2,在一个周期内上述各量方向改变两次;电容器极板上所带的电荷量,其变化周期也是振荡周期 T=2,极板上电荷的电性在一个周期内改变两次;电场能、磁场能也在做周期性变化,但是它们的变化周期是振荡周期的一半,即 T=2=。1.下列关于电磁波的说法正确的是()A.电磁波在真空和介质中传播的速度相同B.变化的磁场能够在空间产生电场C.电磁波的波长、波速、周期的关系为 v=TD.电磁波既可能是横波,也可能是纵波解析:电磁波在真空和介质中传播的速度不相同,选项A错误;变化的磁场能够在空间产生电场,选项 B 正确;电磁波的波长
22、、波速、周期的关系为 v=,选项 C 错误;电磁波是横波,选项 D 错误。答案:B2.(多选)用麦克斯韦的电磁场理论判断,如图中表示电场(或磁场)产生磁场(或电场)的正确图象是()解析:由法拉第电磁感应定律 E=N=NS 可知,感应电动势与磁感应强度的变化率成正比。类似的,感应电场也与成正比,E 与 B 的相位相差2,故选项 C 正确。选项 B 中为定值,故选项 B 正确。答案:BC3.(多选)下图是一台电子钟,其原理类似于摆钟,摆钟是利用单摆的周期性运动计时的,电子钟则利用LC 振荡电路来计时,有一台电子钟在家使用一段时间后,发现每昼夜总是快 1 min,造成这种现象的可能原因是()A.L
23、不变,C 变大了 B.L 不变,C 变小了C.L 变小了,C 不变D.L、C 均减小了解析:钟走得偏快了是因为钟的 LC 振荡电路频率变大,周期变短,根据 T=2 可以知道,周期变短可能是 LC 的值变小,故选项 B、C、D 正确。答案:BCD4.一个智能玩具的声响开关与 LC 电路中电流有关,如图所示为该玩具内的 LC 振荡电路部分,已知线圈自感为 L=0.25 H,电容器电容 C=4 F,在电容器开始放电时(取 t=0),这时上极板带正电,下极板带负电,当 t=210-2 s时,求:(1)电容器的上极板带何种电?(2)电路中电流的方向如何?解析:(1)LC 振荡电路的固有周期 T=2=2 0.25 4 10-6s=210-3 s,t=210-3s 是第一个周期内的4 到 2之间,在第一个4内电容器放电,放电完毕,电容器上电荷为零,电路中电流最大,在第二个4内,线圈中的电流方向不变,线圈中的自感电动势对电容器充电,下极板带正电,上极板带负电。(2)在 04内电容器放电,电流方向为逆时针方向,电流从 0 逐渐增大到最大值。4 2内由于线圈的自感作用,线圈中的电流沿原来的方向继续流动,只是大小从最大值逐渐减小至零,故 t 时刻时电路中的电流方向为逆时针。答案:(1)负电(2)逆时针
