(RJ)第十八章電磁場(chǎng)和電磁波 1-6節(jié)

1、 【本講教育信息】一. 教學(xué)內(nèi)容：第十八章 電磁振蕩 電磁波 第一節(jié) 電磁振蕩 第二節(jié) 電磁振蕩的周期和頻率第三節(jié) 電磁場(chǎng) 第四節(jié) 電磁波第五節(jié) 無線電波的發(fā)射和接收 第六節(jié) 電視 雷達(dá) 二. 知識(shí)要點(diǎn)：1. 振蕩電流的形成及其變化規(guī)律下圖所示，將電鍵K扳到1，給電容器充電，然后將電鍵K扳到2，此時(shí)可以見到G表的指針來回?cái)[動(dòng)。小結(jié)：能產(chǎn)生大小和方向都作周期發(fā)生變化的電流叫振蕩電流。能產(chǎn)生振蕩電流的電路叫振蕩電路。其中最簡(jiǎn)單的振蕩電路叫LC回路。振蕩電流是一種交變電流，是一種頻率很高的交變電流，它無法用線圈在磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生，只能是由振蕩電路產(chǎn)生。那么振蕩電路中的交變電流有一些什么樣的性質(zhì)： （1

2、）介紹振蕩電路中交變電流的一些重要性質(zhì)：（2）電路分析：甲圖：電場(chǎng)能達(dá)到最大，磁場(chǎng)能為零，電路感應(yīng)電流i=0甲乙：電場(chǎng)能，磁場(chǎng)能，電路中電流i，電路中電場(chǎng)能向磁場(chǎng)能轉(zhuǎn)化，叫放電過程。乙圖：磁場(chǎng)能達(dá)到最大，電場(chǎng)能為零，電路中電流I達(dá)到最大。乙丙：電場(chǎng)能，磁場(chǎng)能，電路中電流i，電路中電場(chǎng)能向磁場(chǎng)能轉(zhuǎn)化，叫充電過程。丙圖：電場(chǎng)能達(dá)到最大（與甲圖的電場(chǎng)反向），磁場(chǎng)能為零，電路中電流為零。丙?。弘妶?chǎng)能，磁場(chǎng)能，電路中電流i，電路中電場(chǎng)能向磁場(chǎng)能轉(zhuǎn)化，叫放電過程。丁圖：磁場(chǎng)能達(dá)到最大，電場(chǎng)能為零，回路中電流達(dá)到最大（方向與原方向相反），丁戊：電場(chǎng)能，磁場(chǎng)能，電路中電流i，電路中電場(chǎng)能向磁場(chǎng)能轉(zhuǎn)化，叫充電過

3、程。戊與甲是重合的，從而振蕩電路完成了一個(gè)周期。小結(jié)： 充電完畢（放電開始）：電場(chǎng)能達(dá)到最大，磁場(chǎng)能為零，回路中感應(yīng)電流i=0。 放電完畢（充電開始）：電場(chǎng)能為零，磁場(chǎng)能達(dá)到最大，回路中感應(yīng)電流達(dá)到最大。 充電過程：電場(chǎng)能在增加，磁場(chǎng)能在減小，回路中電流在減小，電容器上電量在增加。從能量看：磁場(chǎng)能在向電場(chǎng)能轉(zhuǎn)化。 放電過程：電場(chǎng)能在減少，磁場(chǎng)能在增加，回路中電流在增加，電容器上的電量在減少。從能量看：電場(chǎng)能在向磁場(chǎng)能轉(zhuǎn)化。歸納：在振蕩電路中產(chǎn)生振蕩電流的過程中，電容器極板上的電荷，通過線圈的電流，以及跟電流和電荷相聯(lián)系的磁場(chǎng)和電場(chǎng)都發(fā)生周期性變化，這種現(xiàn)象叫電磁振蕩。在振蕩電流的形成過程中，幾

4、個(gè)主要物理量的變化情況是： 電容器電量Q、兩極間電壓U、電場(chǎng)能E電變化規(guī)律相同； 線圈中電流I、磁場(chǎng)能E磁變化規(guī)律相同。電容器放電時(shí)，Q、U、E電均減小，I、E磁則增大，放電結(jié)束時(shí)，Q、U、E電為零而I、E磁達(dá)最大，電容器充電時(shí)，情況相反。2. LC回路工作時(shí)，電感線圈兩端電壓UL，線圈中自感電動(dòng)勢(shì)E、電容器兩極間電壓U始終保持相同。應(yīng)當(dāng)注意，當(dāng)電流最大時(shí)，UL或E為零，UL或E最大時(shí)，電流I則為零。因?yàn)榇颂庪娐窞榉羌冸娮桦娐?，歐姆定律不適用。3. 阻尼振蕩與無阻尼振蕩。（1）阻尼振蕩：在振蕩電路中由于能量被逐漸消耗，振蕩電路中的電流要逐漸減小，直到最后停下來。（2）無阻尼振蕩：在電磁振蕩的電

5、路中，如果沒有能量損失，振蕩應(yīng)該永遠(yuǎn)地持續(xù)下去，電路中振蕩電流的振幅應(yīng)該永遠(yuǎn)保持不變，這種振蕩叫無阻尼振蕩4. 電磁振蕩完成一次周期性變化需要的時(shí)間叫做周期，ls內(nèi)完成周期性變化的次數(shù)叫做頻率。如果電磁振蕩時(shí)，沒有能量損失，也不受其他外界的影響，這時(shí)電磁振蕩的周期和頻率叫做振蕩電路的固有周期和固有頻率。理論和實(shí)驗(yàn)都可以證明，周期T和頻率跟自感系數(shù)L和電容C的關(guān)系是T2。5. LC電路的周期和頻率都由組成電路的線圈和電容器本身的特性決定，與板上電量的多少、板間電壓的高低、是否接入電路等因素?zé)o關(guān)。要想改變LC回路中的周期和頻率，只有改變電容器的電容C或自感線圈的自感系數(shù)L。改變電容的方法有：改變電

6、容器兩極板間的距離，改變兩極板的正對(duì)面積，改變兩極板間的介質(zhì)；改變線圈自感系數(shù)的方法有：在線圈中插入鐵心，改變線圈的長(zhǎng)度、橫截面積，改變單位長(zhǎng)度上的匝數(shù)。6. 麥克斯韋電磁場(chǎng)理論：（1）變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)，均勻變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生穩(wěn)定的電場(chǎng)，周期性變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生周期性變化的電場(chǎng)；（2）變化的電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)，均勻變化的電場(chǎng)產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場(chǎng)，周期性變化的電場(chǎng)產(chǎn)生周期性變化的磁場(chǎng)；（3）變化的電場(chǎng)和磁場(chǎng)總是相互聯(lián)系的，形成一個(gè)不可分離的統(tǒng)一場(chǎng)，這就是電磁場(chǎng)，電磁場(chǎng)是變化著的統(tǒng)一體，靜電場(chǎng)和靜磁場(chǎng)即使在空間重疊，也是兩個(gè)各自獨(dú)立的場(chǎng)。 7. 電磁波的基本特點(diǎn)是：（1）電磁波傳播時(shí)不需要介質(zhì)，可在真空中傳播；（2

7、）電磁波是橫波，電場(chǎng)方向和磁場(chǎng)方向都跟傳播方向垂直；（3）電磁波具有波的共性，能產(chǎn)生干涉、衍射、反射等現(xiàn)象；（4）電磁波傳遞的是電磁場(chǎng)的能量。8. 一般音頻信號(hào)的頻率較低，向外輻射能量的本領(lǐng)較弱，為了使音頻信號(hào)傳向遠(yuǎn)方，可將音頻信號(hào)“加”到高頻振蕩電流上去，這個(gè)過程叫調(diào)制。理解調(diào)制的物理意義，我們可以作如下比喻：人的遠(yuǎn)行能力有限，但可以乘坐飛機(jī)迅速到達(dá)遠(yuǎn)方；音頻信號(hào)的遠(yuǎn)行能力有限，但可以“乘坐”高頻信號(hào)迅速到達(dá)遠(yuǎn)方，也就是說高頻信號(hào)是音頻信號(hào)的載體。9. 要正確理解調(diào)諧的作用：當(dāng)調(diào)諧電路的固有頻率等于某一電磁波頻率時(shí)，在調(diào)諧電路中激起的這個(gè)頻率的感應(yīng)電流較強(qiáng)，這與放大作用是不相同的，電諧振不存

8、在放大作用。與此同時(shí)，其他頻率的電磁波激起的感應(yīng)非常弱，不等于其他頻率的電磁波不激起感應(yīng)電流，所以日常生活中用收音機(jī)收聽電臺(tái)時(shí)，經(jīng)常在某個(gè)電臺(tái)廣播時(shí)伴有其他電臺(tái)的雜音。10. 雷達(dá)是利用無線電波來測(cè)定物體位置的無線電設(shè)備。它有四個(gè)特點(diǎn)： 雷達(dá)既是無線電波的發(fā)射端，又是無線電波的接收端； 雷達(dá)使用的是直線性好、反射性能強(qiáng)的微波段； 雷達(dá)發(fā)射的是不連續(xù)的無線電波，每次發(fā)射時(shí)間約為106s； 障礙物的距離等情況都由顯示器直接顯示出來。 【典型例題】例1 在LC振蕩電路中，某時(shí)刻線圈中磁場(chǎng)方向如圖1所示，則下列說法中正確的是（ ）A. 若磁場(chǎng)E在加強(qiáng)，則電容器正在充電，電流方向abB. 若磁場(chǎng)E在加強(qiáng)

9、，則電場(chǎng)能E在減少，電容器下板帶負(fù)電荷C. 若磁場(chǎng)E在減弱，則電場(chǎng)能E在增加，電容器下板帶負(fù)電荷 D. 若磁場(chǎng)E在減弱，則電容器正在充電，電流方向ba圖1 解：由磁場(chǎng)方向可以判斷此時(shí)電流方向是由a流向b。若磁場(chǎng)是增強(qiáng)的，說明此過程對(duì)應(yīng)的是電場(chǎng)能向磁場(chǎng)能轉(zhuǎn)化，電流增大，電容器正在放電，上極板帶負(fù)電。所以選項(xiàng)A、B均不對(duì)。若磁場(chǎng)是減弱的，說明此過程對(duì)應(yīng)的是磁場(chǎng)能向電場(chǎng)能轉(zhuǎn)化，電流減小，電容器正在充電，電場(chǎng)能增加，電容器上極板帶正電，所以選項(xiàng)C正確。 例2（1996年全國(guó)高考試卷）LC回路中電容器兩端的電壓U隨時(shí)刻變化的關(guān)系如圖2所示，則（ ）A. 在時(shí)刻t1，電路中的電流最大B. 在時(shí)刻t2，電路

10、中的磁場(chǎng)能最大 C. 從時(shí)刻t2至t3，電路中的電場(chǎng)能不斷增大 D. 從時(shí)刻t3至t4，電容的帶電量不斷增大圖2解：由圖2知，t1時(shí)刻電容器上電壓最大時(shí)，電路中的電流為零。t2時(shí)刻電容的電壓為零時(shí)，電流最大，磁場(chǎng)最強(qiáng)，磁場(chǎng)能最大，B選項(xiàng)正確。從t2時(shí)刻到t3時(shí)刻之間，電容器上的電壓逐漸增大，是充電過程。C選項(xiàng)正確。t3時(shí)刻至t4時(shí)刻電容器上的電壓逐漸減小，是放電過程。 例3（1997年全國(guó)高考試卷）為了增大LC振蕩電路的固有頻率，下列辦法中可采取的是（ ）A. 增大電容器兩極板的正對(duì)面積并在線圈中放入鐵心B. 減小電容器兩極板的距離并增加線圈的匝數(shù) C. 減小電容器兩極板的距離并在線圈中放人鐵

11、心 D. 減小電容器兩極板的正對(duì)面積并減少線圈的匝數(shù)解：由LC振蕩電路的頻率公式可知，增大固有頻率的辦法是減小L或減小C或同時(shí)減小L和C。由L和C的影響因素可知只有選項(xiàng)D是正確的。 例4 在LC振蕩電路中，下列說法中正確的是（ ）A. 電容器充放電一次，所用的時(shí)間是一個(gè)周期 B. 自感線圈的自感系數(shù)L增大時(shí)，電容器的充放電過程變慢 C. 電場(chǎng)能與磁場(chǎng)能的轉(zhuǎn)化周期為T2 D. 從電容器放電開始計(jì)時(shí)，當(dāng)t=k（k=1、2、3）時(shí)電流為零解：一個(gè)振蕩周期有兩個(gè)充放電過程，A錯(cuò)；由周期公式T2知，L大T長(zhǎng)，B對(duì)；電場(chǎng)能和磁場(chǎng)能只有大小，沒有方向，因此在電磁振蕩的一個(gè)周期內(nèi)各出現(xiàn)兩次最大值，即電場(chǎng)能和磁

12、場(chǎng)能的轉(zhuǎn)化周期為振蕩周期的一半，C錯(cuò)；放電開始至放電結(jié)束為半個(gè)周期的整數(shù)倍，故D對(duì)，所以正確答案為B、D 例5 某LC振蕩電路中，振蕩電流的變化規(guī)律為i0.14sin（1000t）A，已知回路中線圈的自感系數(shù)L50mH，則電容器的電容C為多少？解：由電流瞬時(shí)值表達(dá)式和可知，震蕩電流的頻率為Hz。由周期公式得，、。 ， C=。 例6 根據(jù)麥克斯韋電磁場(chǎng)理論，下列敘述中正確的是（ ）A. 在電場(chǎng)周圍一定產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)周圍一定產(chǎn)生電場(chǎng)B. 在變化的電場(chǎng)周圍一定產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，變化的磁場(chǎng)周圍一定產(chǎn)生變化的電場(chǎng) C. 均勻變化的電場(chǎng)周圍一定產(chǎn)生均勻變化的磁場(chǎng)D. 周期性、非線性變化的電場(chǎng)周圍一定產(chǎn)生周期

13、性變化的磁場(chǎng)答案：D解：變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生感應(yīng)電場(chǎng)，若磁場(chǎng)的變化率恒定，產(chǎn)生的感應(yīng)電場(chǎng)就是恒定的。只有磁場(chǎng)的變化率不恒定，產(chǎn)生的電場(chǎng)才是變化的。同理，變化的電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)，電場(chǎng)的變化率恒定，產(chǎn)生的磁場(chǎng)才恒定。電場(chǎng)的變化率改變，產(chǎn)生的磁場(chǎng)才是變化的。A、B、C選項(xiàng)錯(cuò)誤。 例7 按照有關(guān)規(guī)定，工作場(chǎng)所受到的電磁輻射強(qiáng)度（單位時(shí)間內(nèi)垂直通過單位面積的電磁輻射能量）不得超過0.5Wm2。若某小型無線通信裝置的電磁輻射功率是1W，那么在距離該通信裝置 m以外是符合規(guī)定的安全區(qū)域。（已知球面面積為S4R2） 解：設(shè)以半徑為R的圓球外是安全區(qū)，則，所以，R0.4m。 例8下列關(guān)于電磁波的敘述中，正確的是（ ）A.

14、 電磁波是電磁場(chǎng)由發(fā)生區(qū)域向遠(yuǎn)處的傳播B. 電磁波在任何介質(zhì)中傳播速度均為3×108ms C. 電磁波由真空進(jìn)入介質(zhì)傳播時(shí)，波長(zhǎng)將變短D. 電磁波不能產(chǎn)生干涉、衍射現(xiàn)象答案：A、C 例9 某收音機(jī)調(diào)諧電路中，線圈的電感是固定的，可變電容器的電容為360pF，接收到波長(zhǎng)為600m的電臺(tái)信號(hào)，如果要接收波長(zhǎng)為200m的電臺(tái)信號(hào)，應(yīng)將可變電容器的電容調(diào)整為多大?解：因自感系數(shù)L為定值，由LC回路頻率公式可知，收音機(jī)先后兩次接收電臺(tái)信號(hào)的頻率之比為：。又根據(jù)關(guān)系式，v光速，可得先后兩次接收的電臺(tái)信號(hào)的波長(zhǎng)之比：，聯(lián)列以上兩式得 C2=40pF。 例10 如圖所示為某雷達(dá)的熒光屏，屏上標(biāo)尺的最

15、小刻度對(duì)應(yīng)的時(shí)間為2×104s。雷達(dá)天線朝東方時(shí)，屏上的波形如圖（a）；雷達(dá)的天線朝西方時(shí)，屏上的波形如圖（b）。問雷達(dá)在何方發(fā)現(xiàn)了目標(biāo)？目標(biāo)與雷達(dá)相距多遠(yuǎn)?解：雷達(dá)向東方發(fā)射電磁波時(shí)，沒有反射回來的信號(hào)；向西方發(fā)射時(shí)，有反射回來的信號(hào)，所以目標(biāo)在西方，從發(fā)射到接收到信號(hào)的時(shí)間差為t10×2×104s2×103s，故目標(biāo)到雷達(dá)站的距離為 d300km。 說明：電磁波在同種介質(zhì)中的傳播可以認(rèn)為是勻速直線運(yùn)動(dòng)，因此可利用勻速直線運(yùn)動(dòng)的規(guī)律來解題。我們?cè)诜治鰧?shí)際問題時(shí)，關(guān)鍵是要抓住主要因素，拋開次要因素，抽象出一個(gè)合理的物理模型。 【模擬試題】（答題時(shí)間：60

16、分鐘）1. 在LC無阻尼振蕩電路中，當(dāng)振蕩電流最大時(shí)，則（ ）A. 電場(chǎng)能全部轉(zhuǎn)變?yōu)榇艌?chǎng)能，電容器極板上電荷最多B. 磁場(chǎng)能全部轉(zhuǎn)化為電場(chǎng)能，電容器上電荷最多 C. 電場(chǎng)能全部轉(zhuǎn)變?yōu)榇艌?chǎng)能，電容器上電荷為零 D. 磁場(chǎng)能全部轉(zhuǎn)化為電場(chǎng)能，電容器上電荷為零2. 一個(gè)LC振蕩電路，處在如圖1所示的狀態(tài)中，對(duì)它作出的以下判斷正確的是（ ）A. 電流強(qiáng)度在減小B. 電流強(qiáng)度在增大C. 電場(chǎng)能在轉(zhuǎn)變?yōu)榇艌?chǎng)能 D. 磁場(chǎng)能在轉(zhuǎn)變?yōu)殡妶?chǎng)能圖13. 如圖2（甲）是一LC振蕩電路，（乙）是電路中電容器極板1上的電量隨時(shí)間變化的曲線，則（ ）A. a、c兩時(shí)刻電路中電流最大，方向相反 B. b時(shí)刻回路中電流為順時(shí)

17、針方向C. c時(shí)刻電容器中電場(chǎng)最強(qiáng)，方向由2指向1 D. d時(shí)刻電容器中電場(chǎng)最強(qiáng)，方向由2指向1 圖24. 如圖3所示為某時(shí)刻LC振蕩電路中電容器里電場(chǎng)的方向和電感線圈中的磁場(chǎng)方向，則下列說法中正確的是（ ）A. 電容器正在放電 B. 電感線圈的磁場(chǎng)能正在減少 C. 電感線圈中的自感電動(dòng)勢(shì)正在阻礙電流的減小D. 電容器的電場(chǎng)能正在增加圖35. 下述關(guān)于電磁振蕩中能量的說法中，正確的是（ ）A. 振蕩電流的最大值越大，表示電磁振蕩中能量越大B. 沒有和振蕩器連接的振蕩電路中的振蕩電流，振幅一定是逐漸減小的C. 等幅振蕩是無阻尼振蕩D. 產(chǎn)生無阻尼振蕩回路中的能量既不向外輻射，也不轉(zhuǎn)換成內(nèi)能6.

18、在LC振蕩電路中，電容器上的帶電量從零變化到最大值所需的時(shí)間是（ ）A. B. C. D. 7. 由自感系數(shù)為L(zhǎng)的線圈和可變電容器C構(gòu)成LC回路，為使振蕩頻率在f550kHz至f1650kHz范圍內(nèi)，則可變電容器和f1對(duì)應(yīng)的電容C1與和f2對(duì)應(yīng)的電容C2之比為（ ）A. l: B. :1 C. 1:9 D. 9:18. 如圖4所示，LC振蕩電路中，L是電感線圈的自感系數(shù)，C是由a和b兩板組成的電容器，在tl時(shí)刻，電路中的電流不為零，而電容器的a板帶電量為+q，經(jīng)過一段時(shí)間到t2時(shí)刻，a板第一次帶q的電量，則可能有（ ）A. t2t1 B. t2t1C. 在t1和t2時(shí)刻，電路中的電流方向相同D

19、. 在tl和t2時(shí)刻，電路中的電流方向相反圖49. LC振蕩電路中，振蕩電流隨時(shí)間變化的關(guān)系圖線如圖5所示，在t時(shí)間內(nèi)把線圈L中的鐵心抽走，它引起的振蕩電流的變化是（ ）A. 振幅加大，周期變大B. 振幅加大，周期變小 C. 振幅減小，周期變小 D. 振幅減小，周期變大圖510. LC振蕩電路的振蕩頻率為20kHz，若將振蕩電路的平行板電容器兩板間距離減小到原來的，則該振蕩電路的振蕩頻率變?yōu)?kHz。11. 在一個(gè)LC振蕩電路中，電流i=0.01sin2000t（A），已知電容器的電容C10F，求電感線圈的電感L。12. 關(guān)于電磁波，下列說法中正確的是（ ）A. 電磁波既能在媒質(zhì)中傳播，又能在

20、真空中傳播。B. 只要有變化的電場(chǎng)，就一定有電磁波存在。C. 電磁波在真空中傳播時(shí)，頻率和波長(zhǎng)的乘積是一個(gè)恒量。D. 振蕩電路發(fā)射電磁波的過程也是向外輻射能量的過程。13. 關(guān)于電磁波，下列說法中正確的是（ ）A. 在真空中，頻率高的電磁波速度較大B. 在真空中，電磁波的能量越大，傳播速度越大C. 電磁波由真空進(jìn)人介質(zhì)，速度變小，頻率不變D. 只要發(fā)射電路的電磁振蕩一停止，產(chǎn)生的電磁波立即消失14. 有一LC振蕩電路，能產(chǎn)生一定波長(zhǎng)的電磁波，若要產(chǎn)生波長(zhǎng)比原來短些的電磁波，可采用的措施是（ ）A. 增加線圈匝數(shù) B. 在線圈中插入鐵心C. 減小電容器極板間的正對(duì)面積 D. 減小電容器極板間的距離15. 某電路中電場(chǎng)隨時(shí)間變化的圖像如圖6所示，能發(fā)射電磁波的電場(chǎng)是（ ）16. 振蕩電路的輻射本領(lǐng)與頻率的四次方成正比，所以發(fā)射電磁波的電路不但形式上開放，而且它的電感線圈的匝數(shù)要 ，電容器兩極間距離要 ，正對(duì)面積要 ，使開放電路輻射電磁波的本領(lǐng)很高。17. 有一振蕩電路，線圈的自感系數(shù)為8mH，電容器的電容為20pF，