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14.1-14.2 电磁波的发现 电磁振荡 课件(人教选修3-4)


新知预 习· 巧设计
第 十 四 章 第 1、2 节

名师课 堂· 一点通
创新演 练· 大冲关

要点一 要点二

要点三
随堂检测 归纳小结

课下作业 综合提升

1.了解麦克斯韦电磁场理论的基础内 容以及在物理学发展史上的物理意义。 2

.了解电磁波的基本特点及其发展过 程,通过电磁波体会电磁场的物理 性质。 3.理解振荡电流、振荡电路及LC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与频率,会求 LC电路的周期与频率。

[读教材· 填要点]

1.伟大的预言 (1)变化的磁场产生电场:

实验基础:如图14-1-1所示,在变化的磁场中放一
个闭合电路,电路里就会产生 感应电流 。

图14-1-1

图14-1-2

麦克斯韦对该问题的见解:电路里有 感应电流 产 生,一定是变化的 磁场 产生了电场,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

生了电场。
(2)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, 变化的电场也会在空间产生 磁场 。

2.电磁波
(1)电磁波的产生:如果空间某区域存在不均匀变化的电 场,那么它就会在空间引起不均匀变化的 磁场 ,这一不均匀 变化的磁场又引起不均匀变化的 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 电磁波 。

(2)电磁波是横波:根据麦克斯韦的电磁场理论,电磁波
中的电场强度和磁感应强度互相 垂直 ,而且二者均与波的传 播方向 垂直 ,因此电磁波是 横 波。 (3)电磁波的速度:麦克斯韦指出了光的电磁本质,他预言 电磁波的速度等于 光速 。

3.赫兹的实验

(1)赫兹利用如图14-1-3的实验装置,证实了 电磁波 的
存在。

图14-1-3
(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、衍射和偏振现象,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。

4.电磁振荡的产生
(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:能产生 振荡电流 的电路。 (3)振荡过程:如图14-1-4所示,将开关S掷向1,先给 电容器充电,再将开关掷向2,从此时起,电容器要对线圈 放电:

①放电过程:由于线圈的自感 作用, 放电电流不能立刻达到最大值,由零逐 渐增大,同时电容器极板上的电荷逐渐

减少 。放电完毕时,电容器极板上的电 图14-1-4
荷为零,放电电流达到 最大值 。该过程 电容器储存的 电场能 转化为线圈的 磁场能 。

②充电过程:电容器放电完毕,由于线圈的 自感 作用,

电流并不会立刻消失,而要保持原来的方向继续流动,并逐
渐减小,电容器开始 充电 ,极板上的电荷逐渐 增加 ,当电流 减小到零时,充电结束,极板上的电荷量达到最大值 。该过 程线圈中的 磁场能 又转化为电容器的 电场能 。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。
③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 热量 产生,另外还会有一部分能量以 电磁波 的形式辐射出去。如果要实现等幅振荡,必须有能量补充到 电路中。

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。 如果振荡电路没有能量损失,也不受其他外界影响,这时 的周期和频率分别叫做 固有 周期和 固有 频率。
1 (3)周期和频率公式:T= 2π LC,f= 2π LC 。

[试身手· 夯基础]

1.某电路的电场随时间变化的图像如图14-1-5所示,
能产生磁场的电场是 ( )

图14-1-5

解析:题图A中电场不随时间变化,不产生磁场,题图B
和题图C中电场都随时间做均匀变化,能产生稳定的磁 场。题图D中电场随时间做不均匀的变化,能在周围空间 产生变化的磁场。 答案:BCD

2.关于电磁场和电磁波,下列叙述中正确的是( A.恒定的电场能够产生电磁波 B.电磁波的传播需要介质

)

C.电磁波从一种介质进入另一种介质,频率不变

D.电磁波在传播过程中也传递了能量
解析:由麦克斯韦电磁理论可知,只有非均匀变化的电场、 磁场能产生电磁波,A错;电磁波的传播不需要介质,B错; 电磁波与机械波一样,在传播过程中频率不变,C正确;电 磁波传播电磁振荡的运动形式和能量,D对。

答案:CD

3.要增大 LC 振荡电路的频率,可采取的办法是( A.增大电容器两极板正对面积 B.减少极板带电荷量 C.在线圈中放入软铁棒作铁芯 D.减少线圈匝数

)

1 解析:根据 LC 振荡电路的频率公式 f= 和平行板 2π LC εrS 电容器电容公式 C= 知,当增大电容器两极板正对 4πkd 面积时,C 增大,f 减小;减少极板带电荷量,不影响 C, 即 f 不变;在线圈中放入软铁棒作铁芯,L 增大,f 减小; 减少线圈匝数,L 减小,f 增大。

答案:D

4.图14-1-6中画出了一个LC振荡电路中的电流变化图线, 根据图线可判断 A.t1时刻电感线圈两端电压最大 B.t2时刻电容器两极间电压为零 ( )

C.t1时刻电路中只有电场能
D.t1时刻电容器带电荷量为零 图14-1-6

解析:由题图知,t1时刻电流最大,磁场最强,磁场能最大,

根据电磁振荡的规律,此时电场能应最小,电场最弱,电容
器极板上电荷量最小,此时电容器的电荷量为0,选项C错误, D正确;此时因电流最大,变化率是0,自感电动势为0,电 感线圈两端电压最小,A错误;t2时刻电流最小,电场能最大, 电容器两极间的电压最大,B错误。

答案:D

1.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 均匀变化的磁场在周围空间产生
恒定的磁场 恒定的电场

不均匀变化的电场在周围空间产 不均匀变化的磁场在周围空间产 生变化的磁场 生变化的电场

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

2.对电磁场的理解

(1)电磁场的产生:如果在空间某区域有周期性变化的
电场,那么这个变化的电场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……变化的电场和磁场相互联系,形成了不可 分割的统一体,这就是电磁场。

(2)电磁场与静电场、静磁场的比较:
三者可以在某空间混合存在,但由静电场和静磁场混 合的空间不属于电磁场。电磁场是电场、磁场相互激发, 相互耦连形成的统一体。电磁场由近及远传播,形成电磁 波,如图14-1-7所示。

图14-1-7 [名师点睛] (1)变化的磁场周围产生电场,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。

1.关于电磁场理论,下列说法正确的是

(

)

A.在电场周围一定产生磁场,变化的磁场周围一定
产生电场 B.在变化的电场周围一定产生变化的磁场,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.周期性变化的电场周围一定产生周期性变化的磁场

[审题指导]

要注意场是如何变化的,是均匀变化还

是周期性变化。
[解析] 根据麦克斯韦电磁场理论,只有变化的电场

能产生磁场,均匀变化的电场产生稳定的磁场,非均匀变 化的电场才产生变化的磁场。 [答案] D

(1)麦克斯韦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。而产生的电场或磁场如
何变化与原磁场或电场的变化规律有关。 (2)洛伦兹力对运动电荷永不做功,但变化的磁场产 生的感应电场可以对运动电荷做功。

1.机械波与电磁波的共性 机械波与电磁波是本质上不同的两种波,但它们有共同 的性质: (1)都具有波的特性,能发生反射、折射、干涉和衍射等 物理现象; λ (2)都满足 v=T=λf; (3)波从一种介质传播到另一种介质,频率都不变。

2.电磁波与机械波的区别
对比内容 本质 产生机理 周期性变化的 电磁波 电磁现象 由电磁振荡产生 时间和空间作周期性变 化 横波 机械波 力学现象 由机械振动产生 随时间和空间作周期性 变化 既有横波,又有纵波 只在弹性介质中传播 仅由介质决定

场强E与磁感应强度B随 质点的位移x、加速度a


波的性质 传播介质 速度特点

不需要介质,可在真空
中传播 由介质和频率决定

2.关于电磁波与声波的说法,下列正确的是 (

)

A.电磁波是电磁场由发生的区域向远处传播,声波是
声源的震动向远处传播 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.由空气进入水中传播时,电磁波的波长不变,声波

的波长变小

[审题指导]

解答本题应把握以下两点:

(1)电磁波本身是一种物质,机械波只是一种振动形 式在介质中的传播。 (2)电磁波在真空中的传播速度最大,机械波在固体、 液体、气体中的传播速度逐渐减小,但传播过程中它们的

频率都不变。

[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频率都不变,所以由 v 波长 λ= f 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

1.振动电流、极板带电荷量随时间的变化图像

图14-1-8

图14-1-9

2.LC电路中各量间的变化规律及对应关系

(1)同步同变关系:
在LC振荡电路发生电磁振荡的过程中,电容器上的 物理量:电量q、板间电压U、电场强度E、电场能EE是同 步同向变化的,即:q↓→U↓→E↓→EE↓(或 q↑→U↑→E↑→EE↑)。振荡线圈上的物理量:振荡电流i、

磁感应强度B、磁场能EB也是同步同向变化的,即:
i↓→B↓→EB↓(或i↑→B↑→EB↑)。

(2)同步异变关系: 在 LC 振荡过程中,电容器上的三个物理量 q、E、EE 与线 圈中的三个物理量 i、B、EB 是同步异向变化的,即 q、E、EE 同时减小时,i、B、EB 同时增大,且它们的变化是同步的,即: 同步异向变化 q、E、EE↑ i、B、EB↓。 (3)物理量的等式关系: Δq Δi 线圈上的振荡电流 i= ,自感电动势 E=L· ,振荡周期 Δt Δt T=2π LC。

(4)极值、图像的对应关系:
如图14-1-10所示,i=0时,q最大,E最大,EE最大, E自(E自为自感电动势)最大。

图14-1-10

q=0 时,i 最大,B 最大,EB 最大,EE=0。 对于电场 E 与磁场 B 以及电场能 EE 与磁场能 EB 随时间的变 化图像有这样的对应关系,图像能直观地反映同步异变关系和极 值对应关系。 (5)自感电动势 E 与 i-t 图像的关系 Δi Δi 由 E=L· 知, E∝ 是 i-t 图像上某处曲线切线的斜率 k 的 Δt Δt 绝对值。 所以, 利用图像可分析自感电动势随时间的变化和极值。

[名师点睛]

Δq 振荡电流 i= , 由极板上电荷量的变化率决 Δt

q 定,与电荷量的多少无关;两极板间的电压 U=C,由极板上 的电荷量决定,与电荷量的变化率无关;线圈中的自感电动势 Δi E=L· ,由电路中电流的变化率决定,与电流的大小无关。 Δt

3.LC振荡电路中,某时刻的磁场方向如图14-1- 11所示,则 ( )

图14-1-11

A.若磁场正在减弱,则电容器正在充电,电流由b向a

B.若磁场正在减弱,则电场能正在增大,电容器上极
板带负电 C.若磁场正在增强,则电场能正在减少,电容器上极 板带正电 D.若磁场正在增强,则电容器正在充电,电流方向由a

向b
[审题指导] 解答本题首先根据电流的磁场方向和安培

定则判断振荡电流的方向,然后再根据磁场的变化判断电容 器的充放电以及极板带电情况。

[解析]

若磁场正在减弱,则电流在减小,是充电

过程,根据安培定则可确定电流由b向a流,电场能增大, 上极板带负电,故选项A、B正确;若磁场正在增强,则 电流在增大,是放电过程,电场能正在减小,根据安培定 则,可判断电流由b向a,上极板带正电,故选项C正确, D错误。

[答案]

ABC

LC 振荡电路的分析方法: (1)首先明确 LC 振荡电路的周期公式及周期的大小,将周 1 1 期进行分解:把整个振荡周期分成四个 T,分别研究每一个 T 4 4 内各物量的变化情况。 (2)电容器充、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方向 改变两次。

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