2024-2025學(xué)年高中物理第十四章電磁波1電磁波的發(fā)現(xiàn)2電磁振蕩學(xué)案新人教版選修3-4

PAGE15-1電磁波的發(fā)覺2電磁振蕩一、麥克斯韋的電磁場理論及對電磁波的預(yù)言1．麥克斯韋電磁場理論英國物理學(xué)家麥克斯韋在總結(jié)前人探討電磁現(xiàn)象成果的基礎(chǔ)上，建立了完整的電磁場理論．可定性表述為：變更的磁場產(chǎn)生電場，變更的電場產(chǎn)生磁場．2．麥克斯韋對電磁波的預(yù)言假如在空間某區(qū)域內(nèi)有周期性變更的電場，那么這個變更的電場就在空間引起周期性變更的磁場；這個變更的磁場又引起新的變更的電場……于是，變更的電場和變更的磁場交替產(chǎn)生，由近及遠向四周傳播，形成了電磁波．3．電磁波的特點(1)電磁波中的電場強度與磁感應(yīng)強度相互垂直，而且二者均與波的傳播方向垂直，因此電磁波是橫波．(2)電磁波在真空中傳播的速度等于光速c，光的本質(zhì)是電磁波．4．赫茲的試驗(1)赫茲利用如圖的試驗裝置，證明白電磁波的存在．(2)赫茲的其他試驗成果：赫茲通過一系列的試驗，視察到了電磁波的反射、折射、干涉、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光相同的速度，證明白麥克斯韋關(guān)于光的電磁理論．北京時間2011年11月3日凌晨，“神舟”八號飛船與“天宮”一號目標(biāo)飛行器實現(xiàn)剛性連接，形成組成體，中國載人航天首次空間交會對接試驗獲得勝利．“神舟”八號與“天宮”一號交會對接的勝利意味著我國成為繼美國、俄羅斯后，第三個獨立駕馭航天交會對接技術(shù)的國家．因此，“天宮”一號與“神八”這次太空中的密切接觸，不僅奠定了中國載人航天技術(shù)在世界上的一席之地，也使中國將來空間站的組裝和建立成為可能．“神八”與“天宮”一號的對接過程是在地面限制中心的科學(xué)家們的指揮下完成的，地面限制中心與“神舟”八號和“天宮”一號相距如此之遠，他們是如何完成限制指令的傳輸?shù)模刻崾荆航柚陔姶挪ǎ?、電磁振蕩的產(chǎn)生1．振蕩電流和振蕩電路(1)振蕩電流：大小和方向都做周期性快速變更的電流．(2)振蕩電路：產(chǎn)生振蕩電流的電路，最簡潔的振蕩電路為LC振蕩電路．2．電磁振蕩的過程放電過程：由于線圈的自感作用，放電電流由零漸漸增大，電容器極板上的電荷漸漸削減，電容器里的電場漸漸減弱，線圈的磁場漸漸增加，電場能漸漸轉(zhuǎn)化為磁場能，振蕩電流漸漸增大，放電完畢，電流達到最大，電場能全部轉(zhuǎn)化為磁場能．充電過程：電容器放電完畢后，由于線圈的自感作用，電流保持原來的方向漸漸減小，電容器將進行反向充電，線圈的磁場漸漸減弱，電容器里的電場漸漸增加，磁場能漸漸轉(zhuǎn)化為電場能，振蕩電流漸漸減小，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)進行下去．3．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周期性地變更，電場能和磁場能周期性地轉(zhuǎn)化．打開收音機的開關(guān)，轉(zhuǎn)動選臺旋鈕，使收音機收不到電臺的廣播，然后開大音量．在收音機旁邊，將電池盒的兩根引線反復(fù)碰撞(如圖)，你會聽到收音機中發(fā)出“喀喀”的響聲．為什么會產(chǎn)生這種現(xiàn)象呢？打開電扇，將它靠近收音機，看看又會怎樣．提示：電磁波是由電磁振蕩產(chǎn)生的，在收音機旁邊，將電池盒的兩引線反復(fù)碰觸，變更的電流產(chǎn)生變更的磁場，變更的磁場產(chǎn)生變更的電場，這樣會形成電磁波，從而導(dǎo)致收音機中發(fā)出“喀喀”聲，若將轉(zhuǎn)動的電扇靠近收音機，因為電扇中電動機內(nèi)通有溝通電，發(fā)動機的運行同樣會引起收音機發(fā)出“喀喀”聲．三、電磁振蕩的周期和頻率1．電磁振蕩的周期T：電磁振蕩完成一次周期性變更須要的時間．2．電磁振蕩的頻率f：1s內(nèi)完成周期性變更的次數(shù)．3．LC電路的周期(頻率)公式周期、頻率公式：T＝2πeq\r(LC)，f＝1/(2πeq\r(LC))，其中：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)、法拉(F)．某LC振蕩電路，線圈的自感系數(shù)可從0.1mH變到4mH，電容器的電容可從4pF變到90pF.該電路振蕩的最高頻率是多少？最低頻率是多少？答案：8.0×106Hz2.7×105Hz解析：由f＝eq\f(1,2π\(zhòng)r(LC))知，當(dāng)L1＝0.1mH，C1＝4pF時，頻率最高，即fmax＝eq\f(1,2π\(zhòng)r(L1C1))＝eq\f(1,2π\(zhòng)r(0.1×10－3×4×10－12))＝8.0×106Hz當(dāng)L2＝4mH，C2＝90pF時，頻率最低，即fmin＝eq\f(1,2π\(zhòng)r(L2C2))＝eq\f(1,2π\(zhòng)r(4×10－3×90×10－12))＝2.7×105Hz.考點一麥克斯韋電磁場理論1．麥克斯韋電磁場理論(1)變更的磁場產(chǎn)生電場如下圖所示，麥克斯韋認(rèn)為在變更的磁場四周產(chǎn)生電場，是一種普遍存在的現(xiàn)象，跟閉合電路(導(dǎo)體環(huán))是否存在無關(guān)．導(dǎo)體環(huán)的作用只是用來顯示電場的存在．eq\a\vs4\al(【方法指導(dǎo)】)變更的磁場產(chǎn)生的電場，稱為感應(yīng)電場，也叫渦旋場，跟前面學(xué)過的靜電場一樣，處于電場中的電荷受力的作用，且F＝qE.但它們也有顯著的區(qū)分，表現(xiàn)為：(1)靜電場的電場線是非閉合曲線，而感應(yīng)電場的電場線是閉合曲線；(2)靜電場中有電勢的概念，而感應(yīng)電場中無電勢的概念；(3)在同一靜電場中，電荷運動一周(曲線閉合)，電場力做功肯定為零，而在感應(yīng)電場中，電荷沿閉合曲線運動一周，電場力做功不肯定為零；(4)靜電場的“源”起于電荷，而感應(yīng)電場的“源”起于變更的磁場．(2)變更的電場產(chǎn)生磁場依據(jù)麥克斯韋理論，在給電容器充電的時候，不但導(dǎo)體中的電流要產(chǎn)生磁場，而且在電容器兩極板間變更的電場四周也要產(chǎn)生磁場，如右圖所示．2．對電磁場理論的理解變更的電場產(chǎn)生磁場變更的磁場產(chǎn)生電場恒定的電場不產(chǎn)生磁場恒定的磁場不產(chǎn)生電場勻稱變更的電場在四周空間產(chǎn)生恒定的磁場勻稱變更的磁場在四周空間產(chǎn)生恒定的電場不勻稱變更的電場在四周空間產(chǎn)生變更的磁場不勻稱變更的磁場在四周空間產(chǎn)生變更的電場振蕩電場產(chǎn)生同頻率的振蕩磁場振蕩磁場產(chǎn)生同頻率的振蕩電場eq\a\vs4\al(【拓展延長】)麥克斯韋的重大貢獻有哪些？麥克斯韋集電磁學(xué)探討成果之大成，不僅預(yù)言了電磁波的存在，而且揭示了電、磁、光現(xiàn)象在本質(zhì)上的統(tǒng)一性，建立了完整的電磁場理論．麥克斯韋電磁場理論的意義足以與牛頓力學(xué)體系相媲美，它是物理學(xué)發(fā)展中一個劃時代的里程碑．【例1】關(guān)于電磁場理論，下列說法中正確的是()A．在電場四周肯定產(chǎn)生磁場，磁場四周肯定產(chǎn)生電場B．在變更的電場四周肯定產(chǎn)生變更的磁場，變更的磁場四周肯定產(chǎn)生變更的電場C．勻稱變更的電場四周肯定產(chǎn)生勻稱變更的磁場D．周期性變更的電場四周肯定產(chǎn)生周期性變更的磁場【導(dǎo)思】1.穩(wěn)定的磁場能產(chǎn)生電場嗎？2．穩(wěn)定的電場能產(chǎn)生磁場嗎？3．勻稱變更的磁場產(chǎn)生什么樣的電場？4．勻稱變更的電場產(chǎn)生什么樣的磁場？5．周期性變更的磁場產(chǎn)生什么樣的電場？6．周期性變更的電場產(chǎn)生什么樣的磁場？【解析】依據(jù)麥克斯韋電磁場理論，只有變更的電場才產(chǎn)生磁場，勻稱變更的電場產(chǎn)生恒定的磁場，非勻稱變更的電場產(chǎn)生變更的磁場．【答案】D在理解麥克斯韋電磁場理論時，要留意靜電場不產(chǎn)生磁場，穩(wěn)定磁場也不產(chǎn)生電場.下列說法正確的是(D)A．穩(wěn)定的電場產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場B．勻稱變更的電場產(chǎn)生勻稱變更的磁場，勻稱變更的磁場產(chǎn)生勻稱變更的電場C．變更的電場產(chǎn)生的磁場肯定是變更的D．振蕩的電場四周空間產(chǎn)生的磁場也是振蕩的解析：麥克斯韋電磁場理論的要點是：變更的磁場(電場)要在四周空間產(chǎn)生電場(磁場)，若磁場(電場)的變更是振蕩的，產(chǎn)生的電場(磁場)也是振蕩的，由此可推斷出正確的為D項．考點二電磁場和電磁波1．電磁場：假如在空間某區(qū)域中有周期性變更的電場，那么這個電場就會在它四周空間引起周期性變更的磁場；這個周期性變更的磁場又會在它四周空間引起新的變更的電場……變更的電場和變更的磁場是相互聯(lián)系著的，形成不行分割的統(tǒng)一體，這就是電磁場．2．電磁波變更的電場和變更的磁場總是交替產(chǎn)生的，并且由發(fā)生的區(qū)域向四周空間傳播．電磁場由發(fā)生區(qū)域向遠處的傳播就是電磁波．3．電磁波的特點(1)電磁波是橫波，在傳播方向上的任一點，E和B都隨時間做正弦變更，E與B相互垂直且均與傳播方向垂直，如右圖所示．(2)電磁波的傳播不須要介質(zhì)，在真空中，電磁波的傳播速度與光速相同，為3.0×108(3)電磁波具有波的共性，能產(chǎn)生干涉、衍射等現(xiàn)象，與物質(zhì)相互作用時，能發(fā)生反射、汲取、折射．(4)電磁波的波速、波長與頻率的關(guān)系：v＝fλ或λ＝eq\f(v,f).4．赫茲發(fā)覺了電磁波：1886年，赫茲用如圖所示的試驗證明白麥克斯韋預(yù)言的正確性，第一次發(fā)覺了電磁波．他還通過試驗視察到了電磁波的反射、折射、干涉、偏振和衍射等現(xiàn)象．通過試驗證明白電磁波在真空中具有與光相同的速度c.后人為紀(jì)念赫茲的試驗為無線電技術(shù)的發(fā)展作出的突出貢獻，把頻率的單位定為赫茲.【例2】(多選)電磁波與聲波比較，下列說法正確的是()A．電磁波的傳播不須要介質(zhì)，聲波的傳播須要介質(zhì)B．由空氣進入水中時，電磁波速度變小，聲波速度變大C．由空氣進入水中時，電磁波波長變短，聲波波長變長D．電磁波和聲波在介質(zhì)中的傳播速度，都是由介質(zhì)確定的，與頻率無關(guān)【導(dǎo)思】要知道電磁波與機械波有哪些相同，哪些不同．【解析】電磁波傳播不須要介質(zhì)，而聲波屬于機械波，聲波傳播離不開介質(zhì)，A正確；電磁波在空氣中的速度接近光在真空中的速度，進入水中速度變小，而聲波進入水中速度反而比空氣中大，B正確；由v＝λf，電磁波或聲波由一種介質(zhì)進入另一種介質(zhì)時，頻率不變，可見波速v與波長λ成正比，C正確；電磁波的速度不僅與介質(zhì)有關(guān)，還與頻率有關(guān)，這點與聲波不相同，D錯誤．【答案】ABC(多選)下列關(guān)于電磁波的敘述中，正確的是(ACD)A．電磁波是電磁場由發(fā)生區(qū)域向遠處的傳播B．電磁波在任何介質(zhì)中的傳播速度均為3.0×108C．電磁波由真空進入介質(zhì)傳播時，波長將變短D．電磁波也能產(chǎn)生干涉，衍射現(xiàn)象解析：電場、磁場相互激發(fā)并向外傳播，形成電磁波，選項A正確．電磁波只有在真空中波速為3.0×108m/s，在其他介質(zhì)中均小于3.0×108m/s，選項B錯誤．依據(jù)λ＝eq\f(v,f)知，光從真空進入介質(zhì)，頻率不變，波速減小，所以波長λ考點三電磁振蕩的產(chǎn)生1．振蕩電流的產(chǎn)生：(1)振蕩電流：大小和方向都做周期性快速變更的電流；(2)振蕩電路：能夠產(chǎn)生振蕩電流的電路；(3)LC振蕩電路：由電感線圈L和電容器C組成的電路，LC振蕩電路是一種最簡潔的振蕩電路．2．電磁振蕩：在振蕩電路產(chǎn)生振蕩電流的過程中，電容器極板上的電荷量、極板上的電壓、電路中的電流以及跟電荷有關(guān)的電場、與電流有關(guān)的磁場都發(fā)生周期性變更的現(xiàn)象叫電磁振蕩．在電磁振蕩過程中，電場能和磁場能同時發(fā)生周期性變更．3．振蕩電路中的電流i、極板上的電荷量Q、電壓、電場能和磁場能之間的對應(yīng)關(guān)系．(1)圖象說明如下圖所示．(2)圖表說明：在分析電磁振蕩的過程中，首先要明確電容器和電感線圈在電路中的作用．電容器在電路中有充電和放電的作用，電感線圈在電路中有阻礙電流變更的作用，線圈中自感電動勢的大小和電流的變更率成正比，方向總是阻礙電流的變更．【例3】(多選)如圖所示，為LC振蕩電路中電容器極板上電荷量q隨時間變更的關(guān)系圖線，則下列說法中正確的是()A．t1時刻電路中磁場能最小B．t1～t2時間內(nèi)電路中電流值不斷減小C．t2～t3時間內(nèi)電容器充電D．t4時刻電路中電場能最小【導(dǎo)思】1.由圖可知哪些時間段充電？哪些時間段放電？2．充電過程電流如何變更？放電過程電流如何變更？【解析】t1時刻電荷量達到峰值，則電場能達到峰值，因此磁場能最小．t1～t2時間內(nèi)電荷量減小，為放電過程，故電流增大．t2～t3時間內(nèi)電荷量增大，電場能增加，所以磁場能減小，是充電過程．t3～t4過程是放電過程，到t4時刻放電完畢，所以t4時刻電場能最?。潆娺^程電荷量增加，電場能增大，磁場能減小，電流減?。敬鸢浮緼CD(多選)在LC振蕩電路中，某時刻線圈中磁場方向如右圖所示，則下列說法正確的是(AC)A．若磁場正在加強，則電容器正在放電，電流方向為a→bB．若磁場正在減弱，則電場能正在減小，電容器下極板帶負(fù)電荷C．若磁場正在減弱，則電場能正在增大，電容器下極板帶負(fù)電荷D．若磁場正在加強，則電容器正在充電，電流方向為b→a解析：在電磁振蕩的一個周期內(nèi)，磁場加強的過程，必定是電容器放電過程，振蕩電流增大而電場能減小，依據(jù)線圈磁感線方向，用安培定則可確定線圈上振蕩電流的方向，從而得知回路中電流方向是a→b，留意到這是放電電流，故電容器下極板帶正電荷；磁場正在減弱的過程，必定是電容器充電過程，振蕩電流減小而電場能增大，用安培定則推斷此時電流方向仍是a→b，但這是充電電流，故負(fù)電荷不斷聚到下極板，上極板則出現(xiàn)等量正電荷，電容器兩極板的電荷不斷增加．由以上分析可知，本題正確選項應(yīng)為A、C.考點四電磁振蕩的周期和頻率振蕩電路中發(fā)生電磁振蕩時，假如沒有能量損失，也不受其他外界的影響，這時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，簡稱振蕩電路的周期和頻率．1．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)影響電磁振蕩的周期和頻率的因素．由電磁振蕩的周期公式T＝2πeq\r(LC)知，要變更電磁振蕩的周期和頻率，必需變更線圈的自感系數(shù)L或者電容器的電容C.影響線圈自感系數(shù)L的是：線圈的匝數(shù)、有無鐵芯及線圈橫截面積和長度．匝數(shù)越多，自感系數(shù)L越大，有鐵芯的自感系數(shù)比無鐵芯的大．影響電容器電容的是：兩極板正對面積S、兩極板間介質(zhì)的介電常數(shù)ε以及兩極板間的距離d.由C＝eq\f(εS,4πkd)(平行板電容器電容)，不難推斷ε、S、d變更時，電容C的變更．一般來講，由于電容器兩極板間的正對面積的變更較為便利，只需將可變電容器的動片旋出或旋入，便可變更電容C的大小，所以通常用變更電容器極板正對面積的方法變更LC振蕩電路的振蕩周期和頻率．2．對LC振蕩電路周期公式的理解(1)電感線圈L和電容器C在LC振蕩電路中既是能量的轉(zhuǎn)換器，又確定著這種轉(zhuǎn)換的快慢，L或C越大，能量轉(zhuǎn)換時間也越長，故周期也越大；(2)回路中的電流i、線圈中的磁感應(yīng)強度B、電容器極板間的電場強度E的變更周期就是LC振蕩電路的振蕩周期T＝2πeq\r(LC)，在一個周期內(nèi)上述各量方向變更兩次；電容器極板上所帶的電荷量，其變更周期也是振蕩周期T＝2πeq\r(LC)，極板上電荷的電性在一個周期內(nèi)變更兩次；電場能、磁場能也在做周期性變更，但是它們的變更周期是振蕩周期的一半，即T′＝eq\f(T,2)＝πeq\r(LC).3．LC振蕩電路中各物理量的變更關(guān)系在LC電路振蕩過程中，電容器上的三個物理量q、E、EE與線圈中的三個物理量i、B、EB是同步異向變更的，即q、E、EE同時減小時，i、B、EB同時增大，且它們的變更是同步的，也即：q、E、EE↑eq\o(→,\s\up7(同步異向變更))i、B、EB↓.【例4】電子鐘是利用LC振蕩電路來工作計時的，現(xiàn)發(fā)覺電子鐘每天要慢30s，造成這一現(xiàn)象的緣由可能是()A．電池用久了B．振蕩電路中電容器的電感小了C．振蕩電路中線圈的電感大了D．振蕩電路中的電容器的電容小了【導(dǎo)思】本題關(guān)鍵是找到影響LC回路固有頻率的各個因素，并理清它們之間的關(guān)系．【解析】電子鐘變慢的緣由是LC振蕩電路的振蕩周期變大了，而影響周期的因素是振蕩電路中的L和C，這兩個物理量有一個或兩個變大都會造成振蕩周期變大，故C項正確．【答案】C要想增大LC振蕩電路中產(chǎn)生的振蕩電流的頻率，可采納的方法是(A)A．增大電容器兩極板的間距B．上升電容器的充電電壓C．增加線圈的匝數(shù)D．在線圈中插入鐵芯解析：振蕩電路的頻率由LC回路本身的特性確定，f＝eq\f(1,2π\(zhòng)r(LC)).增大電容器兩極板間距，電容減小，振蕩頻率上升，A正確；上升電容器的充電電壓不能變更振蕩電流的頻率，B錯；增加線圈匝數(shù)和插入鐵芯，電感L都增大，頻率降低，C、D錯．重難疑點辨析推斷LC回路處于放電過程還是充電過程的方法當(dāng)電流流向帶正電的極板時，電荷量增加，磁場能向電場能轉(zhuǎn)化，電場能增加，電流減小，磁場能削減，處于充電過程；當(dāng)電流流出帶正電的極板時，電荷量削減，電場能向磁場能轉(zhuǎn)化，電場能削減，電流增大，磁場能增加，處于放電過程．【典例】如圖所示為LC振蕩電路中振蕩電流隨時間變更的圖象，由圖可知，在OA段時間內(nèi)________能轉(zhuǎn)化為________能，在AB段時間內(nèi)電容器處于________(選填“充電”或“放電”)過程，在時刻C，電容器帶的電荷量________(選填“為零”或“最大”)．【解析】由圖可知，振蕩電流隨時間呈正弦規(guī)律變更．在OA段時間內(nèi)電流增大，電容器正在放電，電場能漸漸轉(zhuǎn)化為磁場能．在AB段時間內(nèi)電流減小，電容器正在充電．在時刻C電流最大，為電容器放電完畢瞬間，電荷量為零．【答案】電場磁場充電為零回路中的電流i、線圈中的磁感應(yīng)強度B、電容器極板間的電場強度E的變更周期就是LC回路的振蕩周期T＝2πeq\r(LC)，在一個周期內(nèi)上述各量方向變更兩次；電容器極板上所帶的電荷量，其變更周期也是振蕩周期T＝2πeq\r(LC)，極板上電荷的電性在一個周期內(nèi)變更兩次；電場能、磁場能也在