1、第四章 电磁振荡与电磁波1电 磁 振 荡 2电磁场与电磁波课前自主学习一、电磁振荡的产生1电磁振荡的产生：(1)振荡电流：大小和方向都做_迅速变化的电流。(2)振荡电路：能产生_的电路。周期性振荡电流(3)振荡过程：如图所示，将开关S掷向1，先给电容器充电，再将开关S掷向2，从此时起，电容器要对线圈放电。A放电过程：由于线圈的_作用，放电电流不能立刻达到最大值，而是由零逐渐增大，同时电容器极板上的电荷逐渐_。放电完毕时，极板上的电荷为零，放电电流达到_。该过程电容器储存的_转化为线圈的_。自感减少最大值电场能磁场能B充电过程：电容器放电完毕，由于线圈的_作用，电流并不会立刻消失，而要保持原来的
2、方向继续流动，并逐渐减小，电容器开始_，极板上的电荷逐渐_。当电流减小到零时，充电结束，极板上的电荷量达到_。该过程中，线圈中的_又转化为电容器的_。此后电容器再放电、再充电，周而复始，于是电路中就有了周期性变化的振荡电流。自感反向充电增加最大值磁场能电场能C实际的LC振荡是阻尼振荡。电路中有电阻，振荡电流通过时会有_产生，另外还会有一部分能量以_的形式辐射出去。如果要实现等幅振荡，必须有_补充到电路中。热量电磁波能量2电磁振荡的周期和频率：(1)周期：电磁振荡完成一次周期性变化需要的_。(2)频率：1 s内完成的周期性变化的_。(3)LC回路的周期和频率公式：周期T_，频率f_，周期与频率的
3、关系：_。其中周期T、频率f、自感系数L和电容C的单位分别是：秒(s)、_、_和法拉(F)。2LC12LC1T=f时间次数赫兹(Hz)亨利(H)二、电磁波的发现1电磁波的发现：(1)麦克斯韦的电磁场理论：变化的磁场产生电场。实验基础：如图所示，在变化的磁场中放一个闭合电路，电路里就会产生_。麦克斯韦对该问题的见解：回路里有_产生，一定是变化的磁场产生了_，自由电荷在电场的作用下发生了定向移动。该现象的实质：变化的磁场产生了_。感应电流感应电流电场电场变化的电场产生磁场。麦克斯韦大胆地假设，既然变化的磁场能产生电场，那么变化的电场也会在空间产生_。(2)电磁波的产生：如果在空间某区域中有周期性变
4、化的电场，那么，这个变化的电场就在它周围空间产生周期性变化的_，这个变化的磁场又在它周围空间产生新的周期性变化的_可见，变化的电场和变化的磁场_，由近及远地向周围传播，形成_。磁场磁场电场交替产生电磁波(3)电磁波的特点：电磁波中的电场强度与磁感应强度互相_，而且二者均与波的传播方向_，所以电磁波是_。电磁波的速度等于_，光的本质是_。垂直垂直横波光速电磁波2赫兹的电火花：(1)赫兹的实验：赫兹证实了_的存在。(2)其他实验成果：赫兹做了一系列的实验，观察到了电磁波的反射、折射、_、衍射和_现象，并通过测量证明，电磁波在真空中具有与_相同的速度c。这样，赫兹证实了麦克斯韦关于光的_。电磁波干涉
5、偏振光电磁理论课堂合作探究主题一 电磁振荡任务1 电磁振荡的产生【实验情境】如图为电磁振荡的原理图，根据所给的示意图思考以下问题：【问题探究】(1)先用电源给电容器充电，再将开关S拨到a端。将会发生什么现象？它说明了什么？提示：观察到电流表指针在零点左右摆动，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)电场具有电场能，相应的磁场也具有磁场能。那么电场能和磁场能都和哪些因素有关？提示：与电场能有关的因素：电场强度E、电容器极板间电压u和电容器带电量q。与磁场能有关的因素：磁感应强度B、线圈中电流 i。(3)根据LC振荡电路的示意图，说明电路中电容器极板电量、电压、振荡
6、电流、电场能和磁场能的变化情况？提示：电容器放电过程中，电场能转化为磁场能：电容器上带电量、电场能(电压)逐渐减小(降低)，电路中的电流、磁场能则逐渐增大。电容器反向充电过程，是磁场能转化为电场能的过程，电流减小，磁场能减小，而电场能增大(电容器上的电荷量和电压也随之增大)。直到磁场能减为零，电场能增为最大。任务2 电磁振荡的周期和频率【问题探究】(1)LC振荡电路的周期由哪些因素决定？提示：LC振荡电路的周期由线圈的自感系数和电容器的电容决定。(2)请分析这些因素影响周期长短的原因？提示：电容较大时，电容器充电、放电的时间越长，振荡电路的周期就越大；线圈的自感系数较大时，对电流的阻碍作用就越
7、大，振荡电路的周期就越长。(3)LC振荡电路的周期的表达式是什么？提示：LC振荡电路的周期公式：T2 LC。【结论生成】1振荡过程中各物理量的变化情况：(1)各物理量情况一览表：带电荷量q电场强度E电势差U电场能电流i磁感应强度B磁场能0T4 电容器放电减小减小减小减小增大增大增大带电荷量q电场强度E电势差U电场能电流i磁感应强度B磁场能tT4时刻0000最大最大最大T4 T2反向充电增大增大增大增大减小减小减小带电荷量q电场强度E电势差U电场能电流i磁感应强度B磁场能tT2 时刻最大最大最大最大000T2 3T4反向放电减小减小减小减小增大增大增大带电荷量q电场强度E电势差U电场能电流i磁感
8、应强度B磁场能t3T4 时刻0000最大最大最大3T4 T电容器充电增大增大增大增大减小减小减小(2)振荡电流、极板带电荷量随时间的变化图像：如图所示。2影响振荡电路周期的因素：(1)LC回路的周期T2 LC、频率f12 LC，都由电路本身的特性(L和C的值)决定，与电容器极板上电荷量的多少、板间电压的高低、是否接入电路中等因素无关，所以称为LC电路的固有周期、固有频率。(2)使用周期公式时，一定要注意单位，T、L、C、f的单位分别是秒(s)、亨利(H)、法拉(F)、赫兹(Hz)。【典例示范】(多选)如图所示的振荡电路中，某时刻线圈中磁场方向向上，且电路的电流正在增强，则此时()A.a点电势比
9、b点低B电容器两极板间场强正在减小C电路中电场能正在增大D线圈中感应电动势正在减小【解析】选A、B、D。因为电路中电流正在增强，所以电容器处于放电过程，极板上的电荷不断减少，两板间的场强正不断减小，电场能也不断减小，由安培定则可判断出此时电容器放电的电流方向由b经线圈到a，电容器的下极板带正电、上极板带负电，所以b点电势高于a点电势，电流增大时，电流的变化率(磁通量的变化率)减小，所以线圈中的自感电动势在减小。【规律方法】LC电路的分析思路(1)明确LC振荡电路的周期公式及周期的大小，将周期进行分解：把整个振荡周期分成四个14 T，分别研究每一个14 T内各物理量的变化情况。(2)分析电容器充
10、、放电过程中电流的变化特征：电容器充电过程中，电容器带电量越来越多，电流越来越小，充电完毕时，电流为零；电容器放电过程中，电容器带电量越来越少，电流越来越大，放电完毕时，电流最大，一个周期内振荡电流的方向改变两次。【探究训练】1(多选)要使LC振荡电路的周期变大，可采用的方法是()A增大电容器初始电荷量B线圈中插铁芯C增大电容器两极板正对面积D增大平行板电容器两极板间距离【解析】选B、C。由周期公式T2 LC 可知，T与q无关；插入铁芯，L变大，T变大，由C rS4kd 知，S增大，T增大，而d增大，T减小。2(多选)在LC回路产生电磁振荡的过程中，下列说法正确的是()A电容器放电完毕时，回路
11、中磁场能最小B回路中电流值最大时，磁场能最大C电容器极板上电荷量最多时，电场能最大D回路中电流值最小时，电场能最小【解析】选B、C。电容器放电完毕时，q0，i最大，磁场能最大，A错，B对；电流最小时，i0，电容器极板上电荷量q最多，极板间电场最强，电场能最大，C对，D错。【补偿训练】如图甲所示的振荡电路中，电容器极板间电压随时间的变化规律如图乙所示，则电路中振荡电流随时间变化的图像应为(振荡电流以回路中逆时针方向为正方向)()【解析】选D。电容器极板间电压UQC，随着电容器所带电荷量的增大而增大，随着电容器所带电荷量的减小而减小。从题图乙可以看出，在0T4 这段时间内是充电过程，且UAB0，即
12、AB，A极板带正电，而只有顺时针方向的回路电流才能使电容器充电后A极板带正电，又t0时刻电压为零，电容器所带电荷量为零，振荡电流最大，故t0时刻，振荡电流为负向最大，选项D正确。主题二 电磁波的产生任务1 伟大的预言【生活情境】如图是我们熟悉的静电场，那么请思考以下几个问题：【问题探究】(1)电场周围一定产生磁场吗？提示：不一定。变化的电场周围一定产生磁场，不变化的电场周围不产生磁场。(2)变化的磁场一定产生变化的电场吗？提示：不一定。均匀变化的磁场产生恒定的电场；非均匀变化的磁场产生变化的电场。(3)麦克斯韦关于电磁场理论的主要观点是什么？提示：变化的磁场产生电场。变化的电场产生磁场。任务2
13、 电磁波【实验情境】如图为电磁波的示意图：【问题探究】(1)电磁波是如何产生的？提示：麦克斯韦根据自己的理论进一步预言，如果在空间某区域中有周期性变化的电场，那么，这个变化的电场就在它周围空间产生周期性变化的磁场，这个变化的磁场又在它周围空间产生新的周期性变化的电场可见，变化的电场和变化的磁场是相互联系的，形成一个不可分离的统一体，这就是电磁场。电场和磁场只是这个统一的电磁场的两种具体表现。这种变化的电场和变化的磁场总是交替产生，并且由发生的区域向周围空间传播。于是一个伟大的预言诞生了空间可能存在电磁波。(2)电磁波和机械波有何区别？提示：机械波是由物质在弹性介质中做机械振动产生的；电磁波是由
14、电磁振荡(电流和磁通量的变化)产生的；机械波只能在弹性介质中传播，即不能在真空中传播；电磁波可以在自由空间和非导电的介质空间传播；机械波有横波(波动的方向垂直传播的方向)和纵波(波动的方向与传播的方向平行，比如声波就是纵波)存在，电磁波只有横波存在；机械波的传播速度与电磁波相比非常低，在数百数千米/秒的程度，电磁波的传播速度等于光速，约为30万千米/秒。【结论生成】1麦克斯韦电磁场理论：(1)变化的磁场周围产生电场，这是一种普遍存在的现象，跟闭合电路是否存在无关。(2)在变化的磁场中所产生的电场的电场线是闭合的，而静电场中的电场线是不闭合的。(3)有单独存在的静电场，也有单独存在的静磁场，但没
15、有静止的电磁场。2机械波与电磁波的比较：机械波电磁波研究对象力学现象电磁现象周期性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情况传播需要介质，波速与介质有关，与频率无关传播无需介质，在真空中波速总等于光速c，在介质中传播时，波速与介质及频率都有关机械波电磁波产生机理由(波源)质点的振动产生由电磁振荡(周期性变化的电流)激发是否横波可以是是是否纵波可以是否干涉现象满足干涉条件时均能发生干涉现象衍射现象满足明显衍射条件时均能发生明显衍射【典例示范】(多选)按照麦克斯韦的电磁场理论，以下说法中正确的是()A恒定的电场周围产生恒定的磁场，恒定的磁场周围产生恒定的电
16、场B变化的电场周围产生磁场，变化的磁场周围产生电场C均匀变化的电场周围产生均匀变化的磁场，均匀变化的磁场周围产生均匀变化的电场D均匀变化的电场周围产生稳定的磁场，均匀变化的磁场周围产生稳定的电场【解析】选B、D。麦克斯韦电磁场理论的核心内容是：变化的电场产生磁场；变化的磁场产生电场。对此理论全面正确的理解为：不变化的电场周围不产生磁场；变化的电场可以产生变化的磁场，也可以产生不变化的磁场；均匀变化的电场产生稳定的磁场，均匀变化的磁场产生稳定的电场，故B、D正确。【探究训练】(多选)(2021海淀区高二检测)关于对电磁场和电磁波的认识中正确的是()A均匀变化的电场在它周围空间产生均匀变化的磁场B
17、电磁波和机械波一样依赖于介质传播C只要空间某个区域有振荡电场或振荡磁场就能产生电磁波D变化的电场与变化的磁场交替产生，由发生区域向远处传播就形成电磁波【解析】选C、D。均匀变化的电场在它周围空间产生恒定的磁场，A错误；电磁波可以在真空中传播，B错误；只要空间某个区域有振荡电场(或振荡磁场)就能在周围空间激发出振荡的磁场(或者振荡的电场)，产生电磁波，C正确；变化的电场与变化的磁场交替产生，由发生区域向远处传播就形成电磁波，D正确。【补偿训练】(多选)关于电磁波与声波的比较，下列说法中正确的是()A电磁波的传播不需要介质，声波的传播需要介质B由空气进入水中时，电磁波速度变小，声波速度变大C由空气
18、进入水中时，电磁波波长变短，声波波长变长D电磁波和声波在介质中的传播速度，都是由介质决定，与频率无关【解析】选A、B、C。电磁波可以在真空中传播，而声波属于机械波，它的传播需要介质，在真空中不能传播，故A正确；电磁波在空气中的传播速度大于在水中的传播速度，在真空中的传播速度最大；声波在气体、液体、固体中的传播速度依次增大，故B正确；无论是电磁波还是声波，从一种介质进入另一种介质时频率都不变，所以由波长vf 及它们在不同介质中的传播速度可知，由空气进入水中时，电磁波的波长变短，声波的波长变长，故C正确；电磁波在介质中的速度，与介质有关，也与频率有关，在同一种介质中，频率越大，波速越小，所以选项D
19、错误。【课堂小结】课堂素养达标1下列说法中正确的是()A任何变化的磁场都要在周围空间产生变化的电场，振荡的磁场在周围空间产生同频率的振荡电场B任何电场都要在周围空间产生磁场，振荡的电场在周围空间产生同频率的振荡磁场C任何变化的电场都要在周围空间产生磁场，振荡的电场在周围空间产生同频率的振荡磁场D电场和磁场总是互相联系着的，形成一个不可分离的统一体，即电磁场【解析】选C。变化的电场(磁场)在周围空间可能产生磁场(电场)，均匀变化的电场(磁场)在周围空间产生恒定的磁场(电场)，稳定的电场(磁场)不会产生磁场(电场)，振荡电场(磁场)在周围空间产生同频率的振荡磁场(电场)，故A、B错误，C 正确。变
20、化的电场和磁场总是相互联系形成一个不可分离的统一体，即电磁场，故D错误。2如图所示的四种电场中，哪一种能产生电磁波()【解析】选D。图A表示的电场，其函数为EE0，是一个稳定的电场，它不能产生磁场，也就不能产生电磁波。图B和图C表示的电场，其函数分别为EktE0，Ekt，都是随时间均匀变化的。它们能在周围空间产生一个稳定的磁场，而这个稳定的磁场就不能再产生电场了，因此B、C不能产生电磁波。图D表示的电场，其函数为EEm cos t，是一个按余弦规律变化的电场，是一种周期性的振荡电场，所以它要在周围空间产生同频率的振荡磁场，这个振荡磁场又会在其周围空间产生同频率的振荡电场，这样就形成了一个不可分
21、割的变化的电场和变化的磁场组成的统一体，它向空间传播时就形成了电磁波。所以D正确。3关于LC振荡电路中的振荡电流，下列说法中正确的是()A振荡电流最大时，电容器两极板间的电场强度最大B振荡电流为零时，线圈中自感电动势为零C振荡电流增大的过程中，线圈中的磁场能转化成电场能D振荡电流减小的过程中，线圈中的磁场能转化为电场能【解析】选D。本题考查振荡电流和其他各物理量变化的关系。振荡电流最大时，处于电容器放电结束瞬间，电场强度为零，A项错误；振荡电流为零时，LC回路振荡电流改变方向，这时的电流变化最快，电流强度变化率最大，线圈中自感电动势最大，B项错误；振荡电流增大时，线圈中电场能转化为磁场能，C项错误；振荡电流减小时，线圈中磁场能转化为电场能，D项正确。4如图表示LC振荡电路某时刻的情况，则()A电容器正在充电B电感线圈中的磁场能正在减少C电感线圈中的电流正在减小D此时刻自感电动势正在阻碍电流增大【解析】选D。由安培定则可知电流方向如图所示，故电容器正在放电，电容器极板上的电荷量正在减少，电路中电流正在增大，电感线圈中的磁场能正在增加，选项A、B、C错误；感应电动势总是阻碍引起感应电动势的磁通量的变化，而磁通量变化是由电流变化而引起的，故选项D正确。