1、-1-第十四章 电磁波-2-1 电磁波的发现 2 电磁振荡-3-1 电磁波的发现 2 电磁振荡 首 页 XINZHI DAOXUE新知导学 ZHONGNAN TANJIU重难探究 DANGTANG JIANCE当堂检测 学习目标 思维脉络 1.了解麦克斯韦电磁场理论及电磁波的特点。2.掌握电磁波和机械波的区别与联系。3.理解振荡电路及 LC振荡电路的概念,了解LC 回路中振荡电流的产生过程。4.了解电磁振荡的周期和频率,会求 LC 回路的周期和频率。5.掌握 LC 回路的状态分析。-4-1 电磁波的发现 2 电磁振荡 XINZHI DAOXUE新知导学 首 页 ZHONGNAN TANJIU重
2、难探究 DANGTANG JIANCE当堂检测 1.伟大的预言麦克斯韦的电磁场理论:变化的磁场产生电场,变化的电场产生磁场。2.电磁波(1)电磁波的产生如果在空间某区域中有周期性变化的电场,那么它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,由近及远地向周围传播,形成电磁波。(2)电磁波的特点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,电磁波是横波。电磁波的速度等于光速。-5-1 电磁波的发现 2 电磁振荡 XINZHI DAOXUE新知导学 首 页 ZHONGNAN TANJIU重难探究 DANGTANG JI
3、ANCE当堂检测 3.赫兹的电火花(1)赫兹的实验装置(2)实验现象当感应圈两个金属球间有火花跳过时,导线环两个小球间也跳过火花。(3)现象分析当感应圈使得与它相连的两个金属球间产生火花时,空间出现了迅速变化的电磁场。这种变化的电磁场以电磁波的形式在空间传播。当电磁波到达导线环时,它在导线环中激发出感应电动势,使得导线环的空隙中也产生了火花。(4)实验结论:证实了电磁波的存在。(5)赫兹的其他实验成果:赫兹通过了一系列的实验,观察了电磁波的反射、折射、干涉、衍射和偏振等现象,并通过测量证明,电磁波在真空中具有与光速相同的速度 c,证实了麦克斯韦关于光的电磁理论。-6-1 电磁波的发现 2 电磁
4、振荡 XINZHI DAOXUE新知导学 首 页 ZHONGNAN TANJIU重难探究 DANGTANG JIANCE当堂检测 测一测1.根据麦克斯韦电磁场理论,下列说法中正确的是()A.电场周围一定产生磁场,磁场周围一定产生电场B.变化的电场周围一定产生磁场,变化的磁场周围一定产生电场C.变化的电场周围一定产生变化的磁场D.电磁波在真空中的传播速度为 3.0108m/s解析:根据麦克斯韦的电磁场理论,只有变化的电场周围产生磁场,变化的磁场周围产生电场,但变化的电场周围不一定产生变化的磁场,如均匀变化的电场产生的是稳定的磁场。根据以上分析,选项 B、D 正确。答案:BD-7-1 电磁波的发现
5、 2 电磁振荡 XINZHI DAOXUE新知导学 首 页 ZHONGNAN TANJIU重难探究 DANGTANG JIANCE当堂检测 2.下列关于电磁波的叙述中,正确的是()A.电磁波是电磁场由发生区域向远处的传播B.电磁波在任何介质中的传播速度均为 3.00108 m/sC.电磁波由真空进入介质传播时,波长将变短D.电磁波也能产生干涉、衍射现象解析:电场、磁场相互激发并向外传播,形成电磁波,选项 A 正确。电磁波只有在真空中波速为 3108 m/s,在其他介质中均小于 3108 m/s,选项 B错误。根据=知,光从真空进入介质,频率不变,波速减小,所以波长 减小,故选项 C 正确。电磁
6、波具有波的一切性质,能产生干涉和衍射现象,故选项D 正确。答案:ACD-8-1 电磁波的发现 2 电磁振荡 XINZHI DAOXUE新知导学 首 页 ZHONGNAN TANJIU重难探究 DANGTANG JIANCE当堂检测 4.电磁振荡(1)LC 振荡电路由线圈 L 和电容器 C 组成的电路。(2)电磁振荡的过程振荡起始:如图所示,电容器充电完毕后,将开关 S 掷向 b,这一瞬间,电路中没有电流,此时电容器里电场最强,电路里的能量全部储存在电容器的电场中。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小,电容器里的电场逐渐减弱,线圈的磁场逐渐增强,电场能逐
7、渐转化为磁场能,放电完毕的瞬间,电场能全部转化为磁场能。-9-1 电磁波的发现 2 电磁振荡 XINZHI DAOXUE新知导学 首 页 ZHONGNAN TANJIU重难探究 DANGTANG JIANCE当堂检测 充电过程:电容器放电完毕时,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,充电完毕的瞬间,磁场能全部转化为电场能。此后,这样的放电和充电过程反复进行下去。(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、电容器里的电场强度、线圈里的磁感应强度都随时间做周期性变化,电
8、场能与磁场能发生周期性的相互转化。5.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时间。(2)频率:1 s 内完成的周期性变化的次数。6.LC 电路的周期(频率)公式T=2,所以其振荡频率 f=12。-10-1 电磁波的发现 2 电磁振荡 XINZHI DAOXUE新知导学 首 页 ZHONGNAN TANJIU重难探究 DANGTANG JIANCE当堂检测 测一测1.在 LC 振荡电路中,某时刻电路中的电流方向如图所示,且电流正在减小,则该时刻()A.电容器上极板带正电,下极板带负电B.电容器上极板带负电,下极板带正电C.电场能正在向磁场能转化D.磁场能正在向电场能转化
9、解析:电流正在减小说明磁场能转化为电场能,选项 C错误,选项 D 正确此时电容器正在充电,由电流方向知电容器上板带负电,下板带正电,选项 B正确,选项 A 错误。答案:BD-11-1 电磁波的发现 2 电磁振荡 XINZHI DAOXUE新知导学 首 页 ZHONGNAN TANJIU重难探究 DANGTANG JIANCE当堂检测 2.为了增大 LC 振荡电路的固有频率,下列办法中可用的是()A.增大电容器两极板的正对面积并在线圈中放入铁芯B.减小电容器两极板的距离并增加线圈的匝数C.减小电容器两极板的距离并在线圈中放入铁芯D.减小电容器两极板的正对面积并减少线圈的匝数解析:根据 LC振荡电
10、路的频率公式f=12 可知增大固有频率 f的办法是减小 L 或减小 C 或同时减小 L 和 C。由 C=r4可知:电容器两极板的正对面积增大,则 C 增大,正对面积减小,则 C 减小。在线圈中放入铁芯或增加线圈的匝数,则 L 增大,减少线圈的匝数,则 L 减小。故选项 D 正确。答案:D-12-1 电磁波的发现 2 电磁振荡 ZHONGNAN TANJIU重难探究 首 页 XINZHI DAOXUE新知导学 DANGTANG JIANCE当堂检测 探究一 探究二 探究三 探究一对麦克斯韦电磁场理论的理解问题导引麦克斯韦在建立电磁场理论的过程中,提出了什么假设?试总结他采用了哪些物理思想?提示:
11、麦克斯韦提出了“变化的磁场产生电场”“变化的电场产生磁场”两个开创性的假说。他主要采用了联想、推理、类比、对称等物理思想。-13-1 电磁波的发现 2 电磁振荡 ZHONGNAN TANJIU重难探究 首 页 XINZHI DAOXUE新知导学 DANGTANG JIANCE当堂检测 探究一 探究二 探究三 名师精讲1.伟大的预言(1)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,电路中将会产生感应电流。现象分析:回路中有感应电流产生,一定存在电场,导体中的电荷在电场力作用下发生了定向移动。-14-1 电磁波的发现 2 电磁振荡 ZHONGNAN TANJIU重难探究 首
12、 页 XINZHI DAOXUE新知导学 DANGTANG JIANCE当堂检测 探究一 探究二 探究三 现象的实质:变化的磁场产生了电场。(2)变化的电场产生磁场2.对麦克斯韦电磁场理论的理解 恒定的磁场不产生电场 恒定的电场不产生磁场 均匀变化的磁场在周围空气产生恒定的电场 均匀变化的电场在周围空间产生恒定的磁场 不均匀变化的磁场在周围空间产生变化的电场 不均匀变化的电场在周围空间产生变化的磁场 振荡磁场产生同频率的振荡电场 振荡电场产生同频率的振荡磁场 警示:(1)变化的磁场周围产生电场,是一种普遍存在的现象,与是否有闭合电路存在无关。(2)变化的磁场所产生的电场的电场线是闭合的,而静电
13、场中的电场线是不闭合的。-15-1 电磁波的发现 2 电磁振荡 ZHONGNAN TANJIU重难探究 首 页 XINZHI DAOXUE新知导学 DANGTANG JIANCE当堂检测 探究一 探究二 探究三 例题 1根据麦克斯韦电磁场理论,下列说法中正确的是()A.有电场的空间一定存在磁场,有磁场的空间也一定能产生电场B.在变化的电场周围一定产生变化的磁场,在变化的磁场周围一定产生变化的电场C.均匀变化的电场周围一定产生均匀变化的磁场D.周期性变化的磁场周围空间一定产生周期性变化的电场解析:根据麦克斯韦电磁场理论,只有变化的电场才能产生磁场,均匀变化的电场产生恒定的磁场,非均匀变化的电场产
14、生变化的磁场,只有选项 D正确。答案:D-16-1 电磁波的发现 2 电磁振荡 ZHONGNAN TANJIU重难探究 首 页 XINZHI DAOXUE新知导学 DANGTANG JIANCE当堂检测 探究一 探究二 探究三 反思理解麦克斯韦的电磁场理论关键掌握四个关键词:“恒定的”“均匀变化的”“非均匀变化的”“周期性变化的(即振荡的)”,这些都是对时间来说的,是时间的函数。-17-1 电磁波的发现 2 电磁振荡 ZHONGNAN TANJIU重难探究 首 页 XINZHI DAOXUE新知导学 DANGTANG JIANCE当堂检测 探究一 探究二 探究三 变式训练 1如图所示的四种电场
15、中,哪一种能产生电磁波()解析:由麦克斯韦电磁场理论,当空间出现恒定的电场时(如 A 图),由于它不激发磁场,故无电磁波产生;当出现均匀变化的电场时(如 B、C 图),会激发出磁场,但磁场恒定,不会激发出电场,故也不会产生电磁波;只有振荡的电场(即周期性变化的电场)(如 D图),才会激发出振荡的磁场,振荡的磁场又激发出振荡的电场如此周而复始,便会形成电磁波。答案:D-18-1 电磁波的发现 2 电磁振荡 ZHONGNAN TANJIU重难探究 首 页 XINZHI DAOXUE新知导学 DANGTANG JIANCE当堂检测 探究一 探究二 探究三 探究二电磁波与机械波的比较问题导引水的涟漪,
16、音乐的旋律是机械振动形成的机械波,而我们看电视、听广播时接收的是电磁波。机械波是机械振动产生的,电磁波又是如何产生的呢?提示:电磁场在空间由近及远的传播形成电磁波。-19-1 电磁波的发现 2 电磁振荡 ZHONGNAN TANJIU重难探究 首 页 XINZHI DAOXUE新知导学 DANGTANG JIANCE当堂检测 探究一 探究二 探究三 名师精讲电磁波是电磁现象,机械波是力学现象,两种波因产生机理不同,所以除具有波的共性外,还有不同之处。机械波 电磁波 对象 研究力学现象 研究电磁现象 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
17、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 传播不需要介质,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 由周期性变化的电流(电磁振荡)激发 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 -20-1 电磁波的发现 2 电磁振荡 ZHONGNAN TANJIU重难探究 首 页 XINZHI DAOXUE新知导学 DANGTANG JIANCE当堂检测 探究一 探究二 探究三 警示:(1)因为电磁波是交变电磁场互相激发产生的,所以电磁波传播时不需要介质,可在真空中传播。(2)在真空中传播时,不同
18、频率的电磁波的速度相同:v=c,且 c=f,=。-21-1 电磁波的发现 2 电磁振荡 ZHONGNAN TANJIU重难探究 首 页 XINZHI DAOXUE新知导学 DANGTANG JIANCE当堂检测 探究一 探究二 探究三 例题 2电磁波与声波比较,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-22-1 电磁波的发现 2 电磁振荡 ZHONGNAN TANJIU重难探究 首 页 XINZHI DAO
19、XUE新知导学 DANGTANG JIANCE当堂检测 探究一 探究二 探究三 解析:本题可根据电磁波的特点和声波的特点进行分析。逐项分析如下:选项 诊断 结论 A 电磁波的传播不需要介质,可以在真空中传播;而声波属于机械波,传播离不开介质 B 电磁波在空气中的速度接近于光在真空中的速度,进入水中速度变小;而声波在水中速度比在空气中速度大 C 由 v=f 知,电磁波与声波由一种介质进入另一种介质时,频率不变,所以 v 与 成正比 D 电磁波的速度由介质和频率共同决定,而声波的速度只与介质有关 答案:ABC-23-1 电磁波的发现 2 电磁振荡 ZHONGNAN TANJIU重难探究 首 页 X
20、INZHI DAOXUE新知导学 DANGTANG JIANCE当堂检测 探究一 探究二 探究三 反思电磁波是电磁现象,机械波是力学现象,两者都具有波的特性:反射、干涉、衍射等,但它们具有本质的不同,如机械波的传播依赖于介质的存在,但电磁波的传播则不需要介质。-24-1 电磁波的发现 2 电磁振荡 ZHONGNAN TANJIU重难探究 首 页 XINZHI DAOXUE新知导学 DANGTANG JIANCE当堂检测 探究一 探究二 探究三 变式训练 2关于电磁波与机械波,下列说法正确的是()A.机械波和电磁波,本质上是一样的B.电磁波在任何介质中传播速率都相同,机械波在同一种介质中传播速率
21、都相同C.电磁波和机械波都不能发生干涉D.电磁波与机械波都能发生衍射解析:机械波由机械振动产生,电磁波由振荡的电磁场产生,选项 A 错;电磁波的波速与介质和频率都有关,而机械波的传播速度只与介质有关,选项 B 错;电磁波和机械波都具有波的特性,选项 C 错,选项 D 对。答案:D-25-1 电磁波的发现 2 电磁振荡 ZHONGNAN TANJIU重难探究 首 页 XINZHI DAOXUE新知导学 DANGTANG JIANCE当堂检测 探究一 探究二 探究三 探究三振荡过程中各物理量的变化情况问题导引如图所示装置,先把开关扳到电池组一边,给电容器充电,稍后再把开关扳到线圈一边,让电容器放电
22、,会观察到电流表指针左右摆动。(1)这一现象说明了什么?(2)根据电流大小的变化情况,能否判断电容器的充、放电过程?提示:(1)这说明电路中产生了大小和方向变化的电流。(2)电流流向电容器正极板时,电容器所带电荷量增加,电流减小,处于充电过程;电流流出电容器正极板时,电容器所带电荷量减少,电路中电流增加,处于放电过程。-26-1 电磁波的发现 2 电磁振荡 ZHONGNAN TANJIU重难探究 首 页 XINZHI DAOXUE新知导学 DANGTANG JIANCE当堂检测 探究一 探究二 探究三 名师精讲1.用图象对应分析:振荡过程中电流 i、极板上的电荷量 q、电场能和磁场能之间的对应
23、关系甲 以逆时针方向电流为正-27-1 电磁波的发现 2 电磁振荡 ZHONGNAN TANJIU重难探究 首 页 XINZHI DAOXUE新知导学 DANGTANG JIANCE当堂检测 探究一 探究二 探究三 乙 图中 q 为上面极板的电荷量乙 图中 q 为上面极板的电荷量-28-1 电磁波的发现 2 电磁振荡 ZHONGNAN TANJIU重难探究 首 页 XINZHI DAOXUE新知导学 DANGTANG JIANCE当堂检测 探究一 探究二 探究三 2.相关量与电路状态的对应情况 电路状态 a b c d e 时刻 t 0 T4 T2 3T4 T 电荷量 q 最多 0 最多 0
24、最多 电场能 最大 0 最大 0 最大 电流 i 0 正向最大 0 反向最大 0 磁场能 0 最大 0 最大 0 -29-1 电磁波的发现 2 电磁振荡 ZHONGNAN TANJIU重难探究 首 页 XINZHI DAOXUE新知导学 DANGTANG JIANCE当堂检测 探究一 探究二 探究三 3.几个关系(1)同步同变关系在 LC 振荡回路发生电磁振荡的过程中,电容器上的物理量:电荷量 q、电场强度 E、电场能 EE是同步变化的,即qEEE(或 qEEE)振荡线圈上的物理量:振荡电流 i、磁感应强度 B、磁场能 EB也是同步变化的,即 ibEB(或 iBEB)(2)同步异变关系在 LC
25、 振荡过程中,电容器上的三个物理量 q、E、EE 增大时,线圈中的三个物理量 i、B、EB 减小,且它们的变化是同步的,也即 q、E、EEi、B、EB。-30-1 电磁波的发现 2 电磁振荡 ZHONGNAN TANJIU重难探究 首 页 XINZHI DAOXUE新知导学 DANGTANG JIANCE当堂检测 探究一 探究二 探究三 例题 3在 LC 振荡电路中,线圈的自感系数 L=2.5 mH,电容 C=4 F。(1)该振荡电路的周期多大?(2)设 t=0 时,电容器上电压最大,在 t=9.010-3 s 时,通过线圈的电流是增大还是减小,这时电容器是处在充电过程还是放电过程?解析:(1
26、)T=2=23.14 2.5 10-3 4 10-6 s=6.2810-4 s。(2)因为 t=9.010-3 s 相当于 14.33 个周期,故40.33T12T,所以当t=9.010-3 s 时,LC 回路中的电磁振荡正处在第二个4的变化过程中。-31-1 电磁波的发现 2 电磁振荡 ZHONGNAN TANJIU重难探究 首 页 XINZHI DAOXUE新知导学 DANGTANG JIANCE当堂检测 探究一 探究二 探究三 t=0 时,电容器上电压最大,极板上电荷量最多,电路中电流值为零,回路中电流随时间的变化规律如图所示。第一个14T 内,电容器放电,电流由零增至最大;第二个14T
27、 内,电容器被反向充电,电流由最大减小到零。显然,在 t=9.010-3 s 时,即在第二个14T 内,线圈中的电流在减小,电容器正处在反向充电过程中。答案:(1)6.2810-4 s(2)电流减小,处于充电过程-32-1 电磁波的发现 2 电磁振荡 ZHONGNAN TANJIU重难探究 首 页 XINZHI DAOXUE新知导学 DANGTANG JIANCE当堂检测 探究一 探究二 探究三 反思判断 LC 回路处于放电过程还是充电过程的方法当电流流向带正电荷的极板,电荷量增加,磁场能向电场能转化,电场能增加,电流减小,处于充电过程;当电流流出带正电荷的极板,电荷量减小,电场能向磁场能转化
28、,电场能减小,电流增大,处于放电过程。-33-1 电磁波的发现 2 电磁振荡 ZHONGNAN TANJIU重难探究 首 页 XINZHI DAOXUE新知导学 DANGTANG JIANCE当堂检测 探究一 探究二 探究三 变式训练 3如图所示,LC 振荡电路中,已知某时刻电流 i 的方向指向A 板,且正在增大,则()A.A 板带正电B.A、B 两板间的电压在增大C.电容器 C 正在充电D.电场能正在转化为磁场能解析:电流 i 正在增大,磁场能增大,电容器在放电,电场能减小,电场能转化为磁场能,选项 C 错误,D 正确;由题图中 i 方向可知 B 板带正电,选项 A 错误;由于电容器放电,电
29、荷量减少,两板间的电压在减小,选项 B 错误。答案:D-34-1 电磁波的发现 2 电磁振荡 DANGTANG JIANCE当堂检测 首 页 XINZHI DAOXUE新知导学 ZHONGNAN TANJIU重难探究 12341.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、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
30、。答案:B-35-1 电磁波的发现 2 电磁振荡 DANGTANG JIANCE当堂检测 首 页 XINZHI DAOXUE新知导学 ZHONGNAN TANJIU重难探究 12342.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:BC-36-1 电磁波的发现 2 电磁振荡 DANGTANG JIANCE当堂检测 首 页 XINZHI DAOXUE新知导学
31、 ZHONGNAN TANJIU重难探究 12343.在 LC 振荡电路中,电容器上带的电荷量从最大值变化到零所需的最短时间是()A.4 B.2 C.D.2 解析:LC 振荡电路的周期 T=2,其中电容器上的电荷量从最大值变到零所需的最短时间为 t=4=2 ,只有选项 B 正确。答案:B-37-1 电磁波的发现 2 电磁振荡 DANGTANG JIANCE当堂检测 首 页 XINZHI DAOXUE新知导学 ZHONGNAN TANJIU重难探究 12344.如图所示振荡电路中。(1)当电感 L=300 H,电容器 C 的范围为 25270 pF,求振荡电流的频率范围;(2)当电感 L=10 mH,要产生周期 T=0.02 s 的振荡电流,应配制多大的电容器?解析:(1)根据 f=12,则 f1=12 1=12 30010-627010-12 Hz,即 f1=5.6105 Hz。f2=12 2=12 30010-62510-12 Hz即 f2=1.84106 Hz。振荡电流的频率范围是 5.61051.84106 Hz。(2)T=2,则 C=242,即 C=(0.02)2421010-3 F=10-3 F。答案:(1)5.61051.84106 Hz(2)10-3 F
