1、第3章 电磁场与电磁波 学案1 麦克斯韦的电磁场理论 电磁波的发现 1.了解麦克斯韦电磁场理论的两大基本论点，能从这两个基本论点出发分析简单问题.2.知道麦克斯韦预言了电磁波的存在及其在物理学发展史上的意义.3.知道赫兹用实验证实了电磁波的存在.4.了解什么叫电磁振荡，了解LC回路中电磁振荡的产生过程及其固有周期(频率).5.了解有效发射电磁波的两个条件，知道电磁波的特点及其与机械波的异同.学习目标定位 知识储备区 知识链接 1.穿过闭合电路的磁通量发生变化 2.阻碍阻碍 知识储备区 3.力线 场 4.(1)变化的磁场产生电场(2)变化的电场产生磁场 5.电磁场理论 新知呈现 知识储备区 6.
2、(1)方向(2)振荡电流(3)电流电荷电场强度磁感应强度周期性 7.(1)横波(2)光在真空中的传播速度c3.0108(3)f(4)能量 新知呈现 T学习探究区 一、电磁场理论的两大支柱 二、电磁振荡 三、动电磁波的发射 四、电磁波及其与机械波的比较 一、电磁场理论的两大支柱 问题设计 1.如图2所示，当磁棒相对一闭合线圈运动时，线圈中的电荷做定向移动，是因为受到什么力的作用？若把闭合线圈换成一个内壁光滑的绝缘环形管，管内有直径略小于环内径的带正电的小球，则磁棒运动过程中会有什么现象？小球受到的是什么力？图2 答案 电荷受到电场力作用做定向移动.当磁棒运动时，带电小球会做定向滚动，小球受到的仍
3、然是电场力.2.以上现象说明什么问题？答案 空间磁场变化，就会产生电场，与有没有闭合线圈无关.3.在如图3所示的含有电容器的交流电路中，电路闭合时，电路中有交变电流，导线周围存在磁场.那么在这个闭合电路的电容器中有电流吗？电容器两极板间存在磁场吗？图3 答案 电容器中无电流，两极板间存在磁场.要点提炼 1.电磁场理论的两大支柱(1)变化的磁场产生；(2)变化的电场产生.电场磁场2.对麦克斯韦电磁场理论的理解恒定的电场不产生磁场 恒定的磁场不产生电场 均匀变化的电场在周围空间产生的磁场 均匀变化的磁场在周围空间产生的电场 不均匀变化的电场在周围空间产生的磁场 不均匀变化的磁场在周围空间产生的电场
4、 振荡电场产生同频率的振荡磁场 振荡磁场产生同频率的振荡电场 恒定恒定变化变化例1 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存在磁场 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对，A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对，C错.答案 BD 返回问题设计 二、电磁振荡 把自感线圈、可变电容器、示波器、电源
5、和单刀双掷开关按图4连成电路.先把开关置于电源一边，为电容器充电，稍后再把开关置于线圈一边，使电容器通过线圈放电.图41.在示波器显示屏上看到的是电流的图像还是线圈两端电压的图像？是什么形状的图像？答案 示波器呈现的是线圈两端电压的图像.图像呈周期性变化，类似家庭电路所用的交流电.2.调节电容器电容的大小，图像如何变化？答案 电容变小时，图像周期变小；电容变大时，图像周期变大.要点提炼 1.电磁振荡的过程如图5所示，图6是电路中的振荡电流、电容器极板带电荷量随时间的变化图像.图5图62.各物理量的变化情况时刻(时间)工作 过程 q E i B 能量 0 放电 瞬间 qm Em 0 0 E电最大
6、 E磁最小 0 放电 过程 qm0 Em0 0im 0Bm E电E磁 T4放电 结束 0 0 im Bm E电最小 E磁最大 充电 过程 0qm 0Em im0 Bm0 E磁E电 充电 结束 qm Em 0 0 E电最大 E磁最小 放电 过程 T4T4T2T2T23T4qm0Em0 0im 0Bm E电E磁放电 结束 E电 E磁 T 充电 过程 T 充电 结束 E电 E磁 3T43T40 imBm最小最大0qm 0Em im0Bm0 E磁E电qmEm0 0 0 最大最小3.电磁振荡的周期和频率 周期T，频率f.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(H)、
7、法(F).LC12 LC2 延伸思考 为什么放电完毕时，电流反而最大？答案 开始放电时，由于线圈的自感作用，放电电流不能瞬间达到最大值，而是逐渐增大，随着线圈的阻碍作用减弱，放电电流增加变快，当放电完毕时，电流达到最大值.例2 如图7所示为LC振荡电路中电容器的极板带电荷量随时间变化曲线，下列判断中正确的是()图7在b和d时刻，电路中电流最大 在ab时间内，电场能转变为磁场能 a和c时刻，磁场能为零 在Oa和cd时间内，电容器被充电 A.只有和B.只有和 C.只有D.只有和 解析 a和c时刻是充电结束时刻，此时刻电场能最大，磁场能最小为零，正确；b和d时刻是放电结束时刻，此时刻电路中电流最大，
8、正确；ab是放电过程，电场能转化为磁场能，正确；Oa是充电过程，而cd是放电过程，错误.答案 D 返回问题设计 三、电磁波的发射 如今在我们周围空间充满了各种频率不同、传递信息各异的电磁波，你知道这些电磁波是如何发射出去的吗？答案 由巨大的开放电路发射出去的.要点提炼 1.有效地向外发射电磁波时，振荡电路必须具有的两个特点：(1)利用电路发射电磁波.(2)振荡频率.2.实际应用的开放电路(如图8)，线圈的一端用导线与大地相连，这条导线叫；线圈的另一端与高高地架在空中的相连.开放提高图8地线天线例3 要提高LC振荡电路辐射电磁波的本领，应该采取的措施是()A.增加辐射波的波长 B.使振荡电容的正
9、对面积足够小 C.尽可能使电场和磁场分散开 D.增加回路中的电容和电感 解析 理论证明，电磁波发射本领(功率)与f成正比，电磁场应尽可能扩散到周围空间，形成开放电路.而f，C，要使f增大，应减小L或C，只有B符合题意.答案 B 12 LCS4kd返回问题设计 四、电磁波及其与机械波的比较 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，但它们具有本质的不同，你能举例说明吗？答案 例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.要点提炼 电磁波与机械波的比较 电磁波 机械波 研究对象 电磁现象 力学现象 周期性 和随时间和空间做周期性变化 随时间和空间做周期性变化 电场强度
10、E磁感应强度B位移传播情况 传播介质，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 传播介质，波速与介质有关，与频率无关 产生机理 由电磁振荡(周期性变化的电流)激发 由的振动产生 是否横波 可以是 无需需要(波源)质点是是否纵波 可以是 干涉现象 满足干涉条件时均能发生干涉现象 衍射现象 满足衍射条件时均能发生明显衍射 否例4 关于电磁波与声波，下列说法正确的是()A.电磁波是电磁场由发生的区域向远处传播，声波是声源的振动向远处传播 B.电磁波的传播不需要介质，声波的传播有时也不需要介质 C.由空气进入水中传播时，电磁波的传播速度变小，声波传播速度变大 D.由空气进入水中
11、传播时，电磁波的波长不变，声波的波长变小 解析 由电磁波和声波的概念可知A正确.因为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B错.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C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 及它们在不同介质中的速度可知，由空气进入水中时，电磁波的波长变短，声波的波长变长，故D错.答案 AC vf返回课堂要点小结 1.麦克斯韦的电磁场理论法拉第的贡献场力线电磁场理论的两大支柱变化的磁场产生电场变化的电场产生磁场预言：空间存
12、在电磁波课堂要点小结 2.电磁波的发现赫兹实验：证明了电磁场理论的正确性电磁振荡LC振荡电路LC振荡电路的周期和频率T2 LCf12 LC 振荡过程放电过程 电荷量逐渐减少电流逐渐增大充电过程 电荷量逐渐增多电流逐渐减小课堂要点小结 2.电磁波的发现有效发射电磁波时电路具备的两个特点电磁波的特点开放电路高频振荡返回自我检测区 1231231.下列说法正确的是()A.电荷的周围一定有电场，也一定有磁场 B.均匀变化的电场在其周围空间一定产生磁场 C.任何变化的电场在其周围空间一定产生变化的磁场 D.正弦交变的电场在其周围空间一定产生同频率交变的磁场 123解析 静止的电荷周围有恒定的电场，不产生
13、磁场，运动的电荷周围的电场是变化的，所以产生磁场，A错误；由麦克斯韦电磁场理论判断B、D正确，C错误.答案 BD 1232.关于电磁波的特点，下列说法正确的是()A.电磁波中的电场和磁场互相垂直，电磁波沿与二者垂直的方向传播 B.电磁波是横波 C.电磁波的传播不需要介质，是电场和磁场之间的相互感应 D.电磁波不具有干涉和衍射现象 123解析 电磁波是横波，其E、B、v三者互相垂直.电磁波也是一种波，它具有波的特性，因此A、B、C正确，D错.答案 ABC 1233.某时刻LC振荡电路的状态如图9所示，则此时刻()A.振荡电流i在减小 B.振荡电流i在增大 C.电场能正在向磁场能转化 D.磁场能正在向电场能转化 图9123解析 本题关键是根据电容器的两极板的带电情况和电流方向，判定出电容器正处于充电过程.由电磁振荡的规律可知，电容器充电过程中，电流逐渐减小，电场能逐渐增大，磁场能逐渐减小，即磁场能正向电场能转化，故A、D正确.答案 AD