電磁波的產(chǎn)生同步解析

第1節(jié)電磁波的產(chǎn)生

1．知道LC振蕩電路．2．知道固有周期、頻率公式．3．知道麥克斯韋電磁場理論．4．知道電磁波的產(chǎn)生．5．知道赫茲用實驗證實了電磁波的存在及意義.一、電磁振蕩的產(chǎn)生振蕩電流和振蕩電路

(1)振蕩電流：大小和

都做周期性迅速變化的電流．

(2)振蕩電路：產(chǎn)生

的電路．最簡單的振蕩電路為LC振蕩電路．方向振蕩電流電磁振蕩的過程放電過程：由于線圈的自感作用，放電電流由零逐漸增大，電容器極板上的電荷

，電容器里的電場逐漸減弱，線圈的磁場逐漸增強(qiáng)，電場能逐漸轉(zhuǎn)化為

，振蕩電流逐漸增大，放電完畢，電流達(dá)到最大，電場能全部轉(zhuǎn)化為磁場能．逐漸減少磁場能充電過程：

電容器放電完畢后，由于線圈的自感作用，電流保持

逐漸減小，電容器將進(jìn)行

，線圈的磁場逐漸減弱，電容器里的電場逐漸增強(qiáng)，磁場能逐漸轉(zhuǎn)化為電場能，振蕩電流逐漸減小，充電完畢，電流減小為零，磁場能全部轉(zhuǎn)化為電場能.此后，這樣充電和放電的過程反復(fù)進(jìn)行下去．原來的方向反向充電電磁振蕩的實質(zhì)在電磁振蕩過程中，電容器極板上的電荷量，電路中的電流，與振蕩電流相聯(lián)系的電場和磁場都在

，電場能和磁場能也隨著周期性的

．周期性變化轉(zhuǎn)化二、電磁振蕩的周期和頻率電磁振蕩的周期T：電磁振蕩完成一次

需要的時間． 電磁振蕩的頻率f：1s內(nèi)完成周期性變化的

．周期性變化次數(shù)三、偉大的預(yù)言變化的磁場產(chǎn)生電場

(1)實驗基礎(chǔ)：如圖3－1－1所示，在變化的磁場中放一個閉合電路，電路里將會產(chǎn)生

．圖3－1－1

感應(yīng)電流(2)麥克斯韋對現(xiàn)象的分析：回路中有感應(yīng)電流產(chǎn)生，一定是變化的磁場產(chǎn)生了

，自由電荷在

作用下產(chǎn)生了

移動．(3)麥克斯韋第一條假設(shè)：即使在變化的磁場周圍沒有

，同樣要產(chǎn)生

，變化的磁場產(chǎn)生

是一個普遍規(guī)律.

電場電場力定向閉合回路電場電場變化的電場產(chǎn)生磁場麥克斯韋確信自然規(guī)律的統(tǒng)一性、和諧性，相信電場和磁場的

之美．他大膽地假設(shè)，既然變化的

能產(chǎn)生電場，變化的電場也會在空間產(chǎn)生

．對稱磁場磁場四、電磁波電磁波的產(chǎn)生 如果空間某區(qū)域存在不均勻變化的電場，那么它就在空間引起不均勻變化的

，這個不均勻變化的磁場又引起新的不均勻變化的

；于是

的電場和

的磁場交替產(chǎn)生，由近及遠(yuǎn)向周圍傳播，形成了

．電磁波是橫波 根據(jù)麥克斯韋的電磁場理論，電磁波中的

與

互相垂直，而且二者均與波的傳播方向垂直，因此電磁波是橫波．磁場電場變化變化電磁波電場強(qiáng)度磁感應(yīng)強(qiáng)度電磁波的速度麥克斯韋指出了光的

本質(zhì)，他預(yù)言電磁波的速度等于

.電磁光速c五、赫茲實驗赫茲的實驗裝置 如圖3－1－2所示：圖3－1－2

實驗現(xiàn)象當(dāng)感應(yīng)圈兩個金屬球間有火花跳過時，導(dǎo)線環(huán)兩個小球間也跳過火花．現(xiàn)象分析當(dāng)感應(yīng)圈使得與它相連的兩個金屬球間產(chǎn)生火花時，空間出現(xiàn)了迅速變化的

．這種電磁場以

的形式在空間傳播．當(dāng)電磁波到達(dá)導(dǎo)線環(huán)時，它在導(dǎo)線環(huán)中激發(fā)出

，使得導(dǎo)線環(huán)的空隙中也產(chǎn)生了火花．電磁場電磁波感應(yīng)電動勢實驗結(jié)論赫茲證實了

的存在．赫茲的其他實驗成果赫茲做了一系列的實驗，觀察到了電磁波的反射

、

、衍射和偏振現(xiàn)象，并通過測量，證明電磁波在真空中具有與

相同的速度，證實了麥克斯韋關(guān)于光的

.

電磁波折射干涉光電磁理論一、電磁振蕩中的對應(yīng)變化關(guān)系用圖象對應(yīng)分析i、q的變化關(guān)系

如圖3－1－3所示

圖3－1－3

相關(guān)量與電路狀態(tài)的對應(yīng)情況

二、LC回路中各量間的變化規(guī)律及對應(yīng)關(guān)系同步同變關(guān)系 在LC回路發(fā)生電磁振蕩的過程中，電容器上的物理量，電量q、電場強(qiáng)度E、電場能EE是同時同向變化的，即：

q↓—E↓—EE↓(或q↑—E↑—EE↑)

振蕩線圈上的物理量：振蕩電流i、磁感應(yīng)強(qiáng)度B、磁場能EB也是同步同向變化的，即：

i↑—B↑—EB↑(或i↓—B↓—EB↓)．三、對麥克斯韋電磁場理論的理解 電磁場的產(chǎn)生 如果在空間某處有周期性變化的電場，那么這個變化的電場就在它周圍空間產(chǎn)生周期性變化的磁場，這個變化的磁場又在它周圍空間產(chǎn)生變化的電場——變化的電場和變化的磁場是相互聯(lián)系的，形成不可分割的統(tǒng)一體，這就是電磁場．麥克斯韋電磁場理論的要點(1)恒定的磁場不會產(chǎn)生電場，同樣，恒定的電場也不會產(chǎn)生磁場；(2)均勻變化的電場在周圍空間產(chǎn)生恒定的磁場，同樣，均勻變化的磁場在周圍空間產(chǎn)生恒定的電場；(3)振蕩變化的磁場在周圍空間產(chǎn)生同頻率振蕩的電場，同樣，振蕩變化的電場在周圍空間產(chǎn)生同頻率振蕩的磁場．四、電磁波的特點 電磁波是一種波，因此它具有一切波的共性，同時它又是一種特殊的波，有區(qū)別于其他波的不同之處．電磁波是橫波，電磁波中的電場和磁場相互垂直，電磁波在與兩者均垂直的方向上傳播．電磁波的傳播不需要介質(zhì)，電磁波在真空中的傳播速度與光速相同，即c＝3.00×108m/s，同一種電磁波在不同介質(zhì)中傳播時頻率不變，波速、波長改變，在介質(zhì)中速度比真空中速度小．

電磁波具有波的共性，能產(chǎn)生干涉，衍射等現(xiàn)象．電磁波傳播過程中也就是電磁能量傳播的過程．電磁波的波速、波長與頻率滿足關(guān)系：c＝λf.

其中頻率f由波源決定，波速與介質(zhì)和頻率有關(guān)，不同電磁波在同一介質(zhì)中波速不同，頻率越高，波速越??；頻率越低，波速越大．

不同點

機(jī)械波電磁波研究對象力學(xué)現(xiàn)象電磁現(xiàn)象周期性位移隨時間和空間做周期性變化電場強(qiáng)度E和磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨時間和空間做周期性變化續(xù)表

傳播情況傳播需要介質(zhì)，波速與介質(zhì)有關(guān)，與頻率無關(guān)傳播無需介質(zhì)，在真空中波速總等于光速c，在介質(zhì)中傳播時，波速與介質(zhì)及頻率都有關(guān)產(chǎn)生機(jī)理由(波源)質(zhì)點的振動產(chǎn)生由電磁振蕩(周期性變化的電流)激發(fā)是否橫波可以是是是否縱波可以是否【典例1】

如圖3－1－4所示為振蕩電路在某時刻的電容器的帶電情況和電感線圈中磁感線方向情況，由圖可知電容器在________電，電感線圈中的電流在________(填“增大”“減小”或“不變”)，如果振蕩電流的周期為π×10－4s，電容為C＝250μF，則自感系數(shù)L＝________H.電磁振蕩過程的分析

圖3－1－4

答案充減小10－5

借題發(fā)揮在電磁振蕩中各物理量變化是有規(guī)律的，我們要熟悉各物理量變化的特點，特別抓住關(guān)鍵的電量和電流，電量變大、電場強(qiáng)度、電場能變大；電流則變小，磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁場能變?。}中就是先根據(jù)右手螺旋定則(即安培定則)找到電流方向，知道是充電，電流變小，則其它量便可推得．【變式1】

如圖3－1－5所示，LC振蕩電路中振蕩電流的周期為2×10－2s，自振蕩電流沿逆時針方向達(dá)最大值時開始計時，當(dāng)t＝3.4×10－2s時，電容器正處于______狀態(tài)(填“充電”“放電”“充電完畢”或“放電完畢”)，這時電容器的上極板________(填“帶正電”“帶負(fù)電”或“不帶電”)．圖3－1－5解析根據(jù)題意畫出此LC電路的振蕩電流的變化圖象如圖所示．結(jié)合圖象，t＝3.4×10－2s時刻設(shè)為圖象中的P點，則該時刻電路正處于反向電流減小過程中，所以電容器正處于反向充電狀態(tài)，上極板帶正電．答案充電帶正電

【典例2】

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面積并在線圈中放入鐵芯

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入鐵芯

D．減小電容器兩極板的正對面積并減少線圈的匝數(shù)LC振蕩電路周期、頻率公式的理解及應(yīng)用

答案D

【變式2】

在LC振蕩電路中，用以下的哪種辦法可以使振蕩頻率增大一倍 (

)．

A．自感L和電容C都增大一倍

B．自感L增大一倍，電容C減小一半

C．自感L減小一半，電容C增大一倍

D．自感L和電容C都減小一半答案D

【典例3】

下列關(guān)于電磁波的說法中，正確的是 (

)．

A．電磁波是電磁場由發(fā)生區(qū)域向遠(yuǎn)處的傳播

B．電磁波在任何介質(zhì)中的傳播速度均為3.0×108m/s C．電磁波由真空進(jìn)入介質(zhì)傳播時，波長將變短

D．電磁波不能產(chǎn)生干涉、衍射現(xiàn)象對電磁波的產(chǎn)生及特點的理解

解析電磁波在真空中的傳播速度為光速c＝3.0×108m/s，且c＝λf，從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)，頻率不變，但速度、波長會變．電磁波仍具有波的特征，電磁波只有在真空中的速度才為3.0×108m/s，在其他介質(zhì)中的傳播速度小于3.0×108m/s.答案

AC

借題發(fā)揮對于電磁波除掌握其產(chǎn)生的基本原理外，還需注意：(1)電磁波可以在真空中傳播，不需要介質(zhì)；電磁波是一種物質(zhì)，可以傳遞能量，搭載信息．(2)電磁波在不同介質(zhì)中傳播時，頻率不變．不同頻率的電磁波在同一介質(zhì)中傳播時，傳播速度不同，頻率越高波速越小，頻率越低波速越大．(3)在真空中傳播時，不同頻率的電磁波的速度相同：v＝c.在介質(zhì)中傳播時，電磁波與機(jī)械波不同，機(jī)械波在介質(zhì)中傳播的速度只與介質(zhì)有關(guān)，電磁波在介質(zhì)中傳播的速度與介質(zhì)和頻率均有關(guān)．【變式3】

關(guān)于電磁場和電磁波，下列敘述中正確的是

(

)．

A．恒定的電場能夠產(chǎn)生電磁波

B．電磁波的傳播需要介質(zhì)

C．電磁波從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)，頻率不變

D．電磁波傳播的過程中也傳遞了能量解析變化的電場產(chǎn)生磁場，恒定的電場不會產(chǎn)生磁場，所以不會產(chǎn)生電磁波，選項A錯．電磁波的傳播不需要介質(zhì)，在真空中也能傳播，選項B錯．電磁波從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時，頻率不變，波長和波速發(fā)生變化，選項C正確．電磁波傳播的過程也把電磁場的能量傳遞出去，選項D正確．答案

CD【典例4】

電磁波與機(jī)械波相比較有 (

)．

A．電磁波傳播不需要介質(zhì)，機(jī)械波傳播需要介質(zhì)

B．電磁波在任何介質(zhì)中的傳播速度都相同，機(jī)械波在 同一介質(zhì)中的傳播速度都相同

C．電磁波與機(jī)械波都不能產(chǎn)生干涉現(xiàn)象

D．電磁波與機(jī)械波都能產(chǎn)生衍射現(xiàn)象電磁波和機(jī)械波的區(qū)別

答案AD

【變式4】

(2012·山東濰坊聯(lián)考)有關(guān)電磁波和聲波，下列說法錯誤的是 (

)．

A．電磁波的傳播不需要介質(zhì)，聲波的傳播需要介質(zhì)

B．由空氣進(jìn)入水中傳播時，電磁波的傳播速度變小， 聲波的傳播速度變大

C．電磁波是橫波，聲波也是橫波

D．由空氣進(jìn)入水中傳播時，電磁波的波長變短，聲波 的波長變長解析電磁波本身就是一種物質(zhì)，它的傳播不需要介質(zhì)，而聲波的傳播需要介質(zhì)，故選項A正確；電磁波由空氣進(jìn)入水中時，傳播速度變小，但聲波在水中的傳播速度比其在空氣中大，故選項B正確；電磁波的傳播方向與E、B兩個振動矢量的方向都垂直，是橫波，而聲波是縱波，故選項C錯誤；電磁波由空氣進(jìn)入水中傳播時，波速變小，波長變短，而聲波由空氣進(jìn)入水中傳播時，波速變大，波長變長，故選項D正確．答案

C

電磁振蕩過程的分析

1.在LC振蕩電路中，某時刻磁場方向如圖3－1－6所示，則下列說法正確的是 (

)．

A．若磁場正在減弱，則電容器 上極板帶正電

B．若電容器正在充電，則電容器下極板帶正電

C．若電容器上極板帶正電，則線圈中電流正在增大

D．若電容器正在放電，則自感電動勢正在阻礙電流增大圖3－1－6解析由電流的磁場方向和安培定則可判斷振蕩電流的方向，由于題目中未標(biāo)明電容器兩極板帶電情況．可分兩種情況討論．(1)若該時刻電容器上極板帶正電，則可知電容器處于放電階段，電流增大，則C對、A錯；(2)若該時刻電容器下極板帶正電，可知電容器處于充電狀態(tài)，電流在減小，則B對；由楞次定律可判定D對．答案

BCDLC振蕩電路周期、頻率公式的理解

2.在LC回路中，電容器兩端的電壓隨時間t變化的關(guān)系如圖3－1－7所示，則(

)．

A．在時刻t1，電路中的電流最大

B．在時刻t2，電路中的磁場能最大

C．在時刻t2至t3，電路的電場能不斷 增大

D．從時刻t3至t4，電容的帶電荷量不斷 增大圖3－1－7解析電磁振蕩中的物理量可分為兩組：①電容器帶電q、極板間電壓u、電場強(qiáng)度E及電場能為一組．②自感線圈中的電流i、磁感應(yīng)強(qiáng)度B及磁場能為一組．同組量的大小變化規(guī)律一致；同增同減同為最大或為零值．異組量的