新教材高中物理選擇性學(xué)案第4章第1節(jié)電磁波的產(chǎn)生

第1節(jié)電磁波的產(chǎn)生學(xué)習(xí)目標(biāo)：1.[科學(xué)態(tài)度與責(zé)任]了解麥克斯韋電磁場(chǎng)理論的基本內(nèi)容以及電磁波的預(yù)言。2.[科學(xué)探究]了解赫茲發(fā)現(xiàn)電磁波過(guò)程，體會(huì)電磁場(chǎng)的物質(zhì)性。3.[科學(xué)思維]理解LC回路中振蕩電流的產(chǎn)生過(guò)程，會(huì)求LC電路的周期與頻率。閱讀本節(jié)教材，回答第83頁(yè)“問(wèn)題”并梳理必要知識(shí)點(diǎn)。教材P83問(wèn)題提示：根據(jù)麥克斯韋電磁理論，利用LC振蕩電路可以產(chǎn)生電磁波。一、麥克斯韋的預(yù)言1．變化的磁場(chǎng)周圍會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)麥克斯韋提出，在變化的磁場(chǎng)周圍會(huì)激發(fā)出一種電場(chǎng)——渦旋電場(chǎng)(也叫感生電場(chǎng)，如圖所示)，不管有無(wú)閉合電路，變化的磁場(chǎng)激發(fā)的渦旋電場(chǎng)總是存在的。變化的磁場(chǎng)周圍產(chǎn)生渦旋電場(chǎng)2．變化的電場(chǎng)周圍會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)麥克斯韋從場(chǎng)的觀點(diǎn)得出，即使沒(méi)有電流存在，只要空間某處的電場(chǎng)發(fā)生變化，就會(huì)在其周圍產(chǎn)生渦旋磁場(chǎng)，如圖所示。變化的電場(chǎng)產(chǎn)生渦旋磁場(chǎng)示意圖3．電磁波(1)交變的電場(chǎng)和交變的磁場(chǎng)相互聯(lián)系在一起，就會(huì)在空間形成一個(gè)統(tǒng)一的、不可分割的電磁場(chǎng)。這種在空間交替變化并傳播出去的電磁場(chǎng)就形成了電磁波。(2)自然界存在許多不同頻率的電磁波，并且它們都以光速在空間傳播，可見(jiàn)光只不過(guò)是人眼可以看得見(jiàn)的，頻率范圍很小的電磁波。二、赫茲實(shí)驗(yàn)1．赫茲實(shí)驗(yàn)原理圖，如圖所示：赫茲實(shí)驗(yàn)原理示意圖2．實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：當(dāng)感應(yīng)線圈兩極間有火花跳過(guò)時(shí)，環(huán)的間隙處也有火花跳過(guò)。3．現(xiàn)象分析：火花在A、B間來(lái)回跳動(dòng)時(shí)，在周圍空間建立了一個(gè)迅速變化的電磁場(chǎng)，這種變化的電磁場(chǎng)以電磁波的形式在空間傳播。當(dāng)電磁波經(jīng)過(guò)接收器時(shí)，導(dǎo)致接收器產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，使接收器兩球間隙處產(chǎn)生電壓，當(dāng)電壓足夠高時(shí)，兩球之間產(chǎn)生火花放電現(xiàn)象。4．實(shí)驗(yàn)結(jié)論：赫茲證實(shí)了電磁波的存在。5．實(shí)驗(yàn)意義：證明了麥克斯韋的預(yù)言，為麥克斯韋的電磁場(chǎng)理論奠定了堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。三、電磁振蕩1．振蕩電流：大小和方向都周期性變化的電流。2．振蕩電路：產(chǎn)生振蕩電流的電路。由電感線圈L和電容器C所組成的一種基本的振蕩電路為L(zhǎng)C振蕩電路，如圖所示。3．電磁振蕩：在LC振蕩電路中，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(chǎng)和磁場(chǎng)也周期性交替變化，電場(chǎng)能和磁場(chǎng)能相互轉(zhuǎn)化的現(xiàn)象。4．電磁振蕩的周期和頻率(1)電磁振蕩的周期T：完成一次周期性變化的時(shí)間。(2)電磁振蕩的頻率f：在一段時(shí)間內(nèi)完成周期性變化的次數(shù)與這段時(shí)間之比。5．LC振蕩電路的周期和頻率(1)公式：T＝2πeq\r(LC)，f＝eq\f(1,2π\(zhòng)r(LC))。(2)單位：周期T、頻率f、自感系數(shù)L、電容C的單位分別是秒(s)、赫茲(Hz)、亨利(H)、法(F)。1．思考判斷(正確的打“√”，錯(cuò)誤的打“×”)(1)在電場(chǎng)周圍一定產(chǎn)生磁場(chǎng)，在磁場(chǎng)周圍一定產(chǎn)生電場(chǎng)。 (×)(2)均勻變化的電場(chǎng)周圍一定產(chǎn)生均勻變化的磁場(chǎng)。 (×)(3)周期性變化的電場(chǎng)周圍一定產(chǎn)生周期性變化的磁場(chǎng)。 (√)(4)放電時(shí)，由于線圈的自感作用，放電電流由零逐漸增大。 (√)(5)放電時(shí)，電容器兩極板間的電場(chǎng)能逐漸轉(zhuǎn)化為線圈的磁場(chǎng)能。 (√)(6)振蕩電流最大時(shí)，放電完畢。 (√)2．關(guān)于電磁場(chǎng)理論，下列說(shuō)法正確的是()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)，在變化的磁場(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．周期性變化的電場(chǎng)周圍一定產(chǎn)生周期性變化的磁場(chǎng)D[根據(jù)麥克斯韋電磁場(chǎng)理論，只有變化的電場(chǎng)能產(chǎn)生磁場(chǎng)，均勻變化的電場(chǎng)產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場(chǎng)，非均勻變化的電場(chǎng)才產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)。]3．關(guān)于LC振蕩電路中的振蕩電流，下列說(shuō)法中正確的是()A．振蕩電流最大時(shí)，電容器兩極板間的電場(chǎng)強(qiáng)度最大B．振蕩電流為零時(shí)，線圈中自感電動(dòng)勢(shì)為零C．振蕩電流增大的過(guò)程中，線圈中的磁場(chǎng)能轉(zhuǎn)化為電場(chǎng)能D．振蕩電流減小的過(guò)程中，線圈中的磁場(chǎng)能轉(zhuǎn)化為電場(chǎng)能D[振蕩電流最大時(shí)，處于電容器放電結(jié)束瞬間，電場(chǎng)強(qiáng)度為零，A錯(cuò)；振蕩電流為零時(shí)，LC回路振蕩電流改變方向，這時(shí)的電流變化最快，電流變化率最大，線圈中自感電動(dòng)勢(shì)最大，B錯(cuò)；振蕩電流增大時(shí)，電容器中的電場(chǎng)能轉(zhuǎn)化為磁場(chǎng)能，C錯(cuò)；振蕩電流減小時(shí)，線圈中的磁場(chǎng)能轉(zhuǎn)化為電場(chǎng)能，D對(duì)。]麥克斯韋的預(yù)言空間存在如圖所示的電場(chǎng)，那么在空間能不能產(chǎn)生磁場(chǎng)？在空間能不能形成電磁波？提示：如題圖所示的電場(chǎng)是均勻變化的，根據(jù)麥克斯韋電磁場(chǎng)理論可知會(huì)在空間激發(fā)出磁場(chǎng)，但磁場(chǎng)恒定，不會(huì)激發(fā)出新的電場(chǎng)，故不會(huì)產(chǎn)生電磁波。1．對(duì)麥克斯韋電磁場(chǎng)理論的理解恒定的電場(chǎng)不產(chǎn)生磁場(chǎng)恒定的磁場(chǎng)不產(chǎn)生電場(chǎng)均勻變化的電場(chǎng)在周圍空間產(chǎn)生恒定的磁場(chǎng)均勻變化的磁場(chǎng)在周圍空間產(chǎn)生恒定的電場(chǎng)不均勻變化的電場(chǎng)在周圍空間產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)不均勻變化的磁場(chǎng)在周圍空間產(chǎn)生變化的電場(chǎng)振蕩電場(chǎng)產(chǎn)生同頻率的振蕩磁場(chǎng)振蕩磁場(chǎng)產(chǎn)生同頻率的振蕩電場(chǎng)2.對(duì)電磁場(chǎng)的理解(1)電磁場(chǎng)的產(chǎn)生：振蕩電場(chǎng)產(chǎn)生同頻率的振蕩磁場(chǎng)，振蕩磁場(chǎng)產(chǎn)生同頻率的振蕩電場(chǎng)，周期性變化的電場(chǎng)、磁場(chǎng)相互激發(fā)，形成的電磁場(chǎng)一環(huán)套一環(huán)，如圖所示。(2)電磁場(chǎng)并非簡(jiǎn)單地將電場(chǎng)、磁場(chǎng)相加，而是相互聯(lián)系、不可分割的統(tǒng)一整體。在電磁場(chǎng)示意圖中，電場(chǎng)E矢量和磁場(chǎng)B矢量，在空間相互激發(fā)時(shí)，相互垂直，以光速c在空間傳播。【例1】根據(jù)麥克斯韋電磁場(chǎng)理論，下列說(shuō)法中正確的是()A．恒定的電場(chǎng)周圍產(chǎn)生恒定的磁場(chǎng)，恒定的磁場(chǎng)周圍產(chǎn)生恒定的電場(chǎng)B．變化的電場(chǎng)周圍產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，變化的磁場(chǎng)周圍產(chǎn)生變化的電場(chǎng)C．均勻變化的電場(chǎng)周圍產(chǎn)生均勻變化的磁場(chǎng)，均勻變化的磁場(chǎng)周圍產(chǎn)生均勻變化的電場(chǎng)D．均勻變化的電場(chǎng)周圍產(chǎn)生恒定的磁場(chǎng)，均勻變化的磁場(chǎng)周圍產(chǎn)生恒定的電場(chǎng)D[麥克斯韋的電磁場(chǎng)理論的核心內(nèi)容是：變化的電場(chǎng)周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)；變化的磁場(chǎng)周圍產(chǎn)生電場(chǎng)。對(duì)此理論全面正確的理解為：不變化的電場(chǎng)周圍不產(chǎn)生磁場(chǎng)；變化的電場(chǎng)周圍可以產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，也可以產(chǎn)生不變化的磁場(chǎng)；均勻變化的電場(chǎng)周圍產(chǎn)生恒定的磁場(chǎng)。變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)的規(guī)律與以上類似，故正確答案為D。]麥克斯韋電磁場(chǎng)理論的兩大支柱變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)，變化的電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)。需要著重對(duì)以下兩點(diǎn)加以理解：(1)均勻變化的磁場(chǎng)周圍產(chǎn)生穩(wěn)定的電場(chǎng)，均勻變化的電場(chǎng)周圍產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場(chǎng)。(2)不均勻變化的磁場(chǎng)周圍產(chǎn)生變化的電場(chǎng)，不均勻變化的電場(chǎng)周圍產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)。eq\o([跟進(jìn)訓(xùn)練])1．某電路中電場(chǎng)隨時(shí)間變化的圖像如圖所示，能發(fā)射電磁波的電場(chǎng)是()ABCDD[由麥克斯韋電磁場(chǎng)理論知，當(dāng)空間出現(xiàn)恒定的電場(chǎng)時(shí)(如A圖)，由于其不激發(fā)磁場(chǎng)，故無(wú)電磁波產(chǎn)生；當(dāng)出現(xiàn)均勻變化的電場(chǎng)時(shí)(如B圖、C圖)，會(huì)激發(fā)出磁場(chǎng)，但磁場(chǎng)恒定，不會(huì)再在較遠(yuǎn)處激發(fā)起電場(chǎng)，故也不會(huì)產(chǎn)生電磁波，只有周期性變化的電場(chǎng)(如D圖)，才會(huì)激發(fā)出周期性變化的磁場(chǎng)，其又激發(fā)出周期性變化的電場(chǎng)…，如此不斷激發(fā)，便會(huì)形成電磁波。]對(duì)電磁振蕩的理解如圖所示，將開(kāi)關(guān)S擲向1，先給電容器充電，再將開(kāi)關(guān)擲向2，從此時(shí)起，電容器通過(guò)線圈放電，線圈中是否會(huì)產(chǎn)生自感電動(dòng)勢(shì)？自感電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生什么效果？線圈中的電流怎樣變化？電容器的電場(chǎng)能轉(zhuǎn)化為什么形式的能？當(dāng)線圈中的電流減小時(shí)，是否會(huì)對(duì)電容器充電？此時(shí)線圈中的磁場(chǎng)能轉(zhuǎn)化為什么形式的能？提示：線圈中的電流發(fā)生變化時(shí)，線圈中會(huì)產(chǎn)生自感電動(dòng)勢(shì)，阻礙線圈中電流的變化，電流逐漸增大，電容器的電場(chǎng)能轉(zhuǎn)化為磁場(chǎng)能；線圈中電流減小時(shí)，對(duì)電容器充電，線圈中的磁場(chǎng)能轉(zhuǎn)化為電容器的電場(chǎng)能。1．用圖像對(duì)應(yīng)分析i、q的變化關(guān)系(如圖所示)abcde2．相關(guān)量與電路狀態(tài)的對(duì)應(yīng)情況電路狀態(tài)abcde時(shí)刻t0eq\f(T,4)eq\f(T,2)eq\f(3T,4)T電荷量q最多0最多0最多電場(chǎng)能最大0最大0最大電流i0正向最大0反向最大0磁場(chǎng)能0最大0最大03.幾個(gè)關(guān)系(1)同步同變關(guān)系在LC振蕩回路發(fā)生電磁振蕩的過(guò)程中，電容器上的物理量：電荷量q、電場(chǎng)強(qiáng)度E、電場(chǎng)能EE是同步變化的，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(chǎng)能EB也是同步變化的，即i↓→B↓→EB↓(或i↑→B↑→EB↑)。(2)同步異變關(guān)系在LC振蕩過(guò)程中，電容器上的三個(gè)物理量q、E、EE增大時(shí)，線圈中的三個(gè)物理量i、B、EB減小，且它們的變化是同步的，也即q、E、EE↑同步異向變化，i、B、EB↓?！纠?】(多選)如圖所示，是LC振蕩電路某時(shí)刻的情況，以下說(shuō)法正確的是()A．電容器正在充電B．電感線圈中的磁場(chǎng)能正在增加C．電感線圈中的電流正在增大D．此時(shí)刻自感電動(dòng)勢(shì)正在阻礙電流增大BCD[由題圖中磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向和右手螺旋定則可知，此時(shí)電流向著電容器帶負(fù)電的極板流動(dòng)，也就是電容器處于放電過(guò)程中，這時(shí)兩極板上的電荷量和電壓、電場(chǎng)能處于減少過(guò)程，而電流和線圈中的磁場(chǎng)能處于增加過(guò)程，由楞次定律可知，線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)阻礙電流的增大。]電磁振蕩狀態(tài)分析的三點(diǎn)注意(1)判斷電容器是充電還是放電，一般依據(jù)電流的方向，電流由正極板流出為放電，向正極板流入為充電。(2)判斷電場(chǎng)能和磁場(chǎng)能的轉(zhuǎn)化要依據(jù)電流的增減或極板上電荷量的增減。(3)自感電動(dòng)勢(shì)的作用是阻礙電流的增大還是阻礙電流的減小，可依據(jù)放電電流不斷增大，充電電流不斷減小來(lái)判斷。eq\o([跟進(jìn)訓(xùn)練])2．如圖是一個(gè)LC振蕩電路中的電流變化圖線，根據(jù)圖線可判斷()A．t1時(shí)刻電感線圈兩端電壓最大B．t2時(shí)刻電容器兩極板間電壓為零C．t1時(shí)刻電路中只有電場(chǎng)能D．t1時(shí)刻電容器帶電荷量為零D[由圖像知，計(jì)時(shí)開(kāi)始時(shí)，電容器兩極板間帶電荷量最大，電流為零，電容器開(kāi)始放電，根據(jù)電流隨時(shí)間的變化規(guī)律可以在圖中畫(huà)出q-t圖像(在解析圖中用虛線表示)。根據(jù)圖像分析可知：t1時(shí)刻，電容器上電荷量為零，電勢(shì)差為零，電場(chǎng)能為零，故D對(duì)，A、C皆錯(cuò)。t2時(shí)刻電容器上電荷量q最大，兩板間電勢(shì)差最大，B錯(cuò)。]1．物理觀念：麥克斯韋電磁理論、振蕩電流、LC振蕩電路、電磁振蕩。2．科學(xué)探究：赫茲證實(shí)電磁波實(shí)驗(yàn)。3．科學(xué)思維：振蕩電流的產(chǎn)生過(guò)程。4．科學(xué)態(tài)度與責(zé)任：麥克斯韋預(yù)言電磁波。1．建立了完整的電磁場(chǎng)理論并首先預(yù)言電磁波存在的科學(xué)家是()A．法拉第 B．奧斯特C．赫茲 D．麥克斯韋D[麥克斯韋建立了電磁場(chǎng)理論并且預(yù)言了電磁波的存在，選項(xiàng)D正確。]2．(多選)根據(jù)麥克斯韋的電磁場(chǎng)理論，以下敘述中正確的是()A．教室中正在發(fā)光的日光燈周圍空間必有磁場(chǎng)和電場(chǎng)B．工作時(shí)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器周圍必有磁場(chǎng)和電場(chǎng)C．穩(wěn)定的電場(chǎng)產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場(chǎng)，穩(wěn)定的磁場(chǎng)產(chǎn)生穩(wěn)定的電場(chǎng)D．電磁波在傳播過(guò)程中，電場(chǎng)方向、磁場(chǎng)方向和傳播方向三者相互垂直ABD[教室中正在發(fā)光的日光燈、工作的打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，在其周圍產(chǎn)生振蕩磁場(chǎng)和電場(chǎng)，故選項(xiàng)A、B正確；穩(wěn)定的電場(chǎng)不會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，故選項(xiàng)C錯(cuò)誤；電磁波是橫波，傳播過(guò)程中電場(chǎng)方向、磁場(chǎng)方向和傳播方向相互垂直，故選項(xiàng)D正確。]3．(多選)在LC回路中，電容器兩端的電壓隨時(shí)間t變化的關(guān)系如圖所示，則()A．在時(shí)刻t1，電路中的電流最大B．在時(shí)刻t2，電路中的磁場(chǎng)能最大C．從時(shí)刻t2至t3，電路的電場(chǎng)能不斷增大D．從時(shí)刻t3至t4，電容器的帶電荷量不斷增大AD[電磁振蕩中的物理量可分為兩組：①電容器帶電荷量q、極板間電壓u、電場(chǎng)強(qiáng)度E及電場(chǎng)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(chǎng)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?yàn)榱?。異組量的大小變化規(guī)律相反，若q、E、u等量按正弦規(guī)律變化，則i、B等量必按余弦規(guī)律變化。根據(jù)上述分析由題圖可以看出，本題正確選項(xiàng)為A、D。]4．(多選)一個(gè)電容為C的電容器，充電至電壓等于U以后，與電源斷開(kāi)并通過(guò)一個(gè)自感系數(shù)為L(zhǎng)的線圈放電，從開(kāi)始放電到第一次放電完畢的過(guò)程中，下列判斷正確的是()A．振蕩電流一直在增大B．振蕩電流先增大后減小C．通過(guò)電路的平均電流等于eq\f(2U,π)eq\r(\f(C,L))D．磁場(chǎng)能一直在增大ACD[由電磁振蕩的知識(shí)可知，在放電過(guò)程中電流逐漸增大，磁場(chǎng)能逐漸增大，放電完畢時(shí)電流最大，故B選項(xiàng)錯(cuò)誤，A、D選項(xiàng)正確；電容器開(kāi)始時(shí)的電荷量q＝CU，第一次放電完畢的時(shí)間為eq\f(T,4)，T＝2πeq\r(LC)，所以平均電流I＝eq\f(q,Δt)＝eq\f(2U,π)eq\r(\f(C,L))，故選項(xiàng)C正確。]5．如圖所示，L為一電阻可忽略的線圈，D為一燈泡，C為電容器，開(kāi)關(guān)S處于閉合狀態(tài)，燈D正常發(fā)光，現(xiàn)突然斷開(kāi)S，并開(kāi)始計(jì)時(shí)，畫(huà)出反映電容器a極板上電荷量q隨時(shí)間變化的圖像