山东省高中物理第十四章电磁波第1～3节电磁波的发现电磁振荡电磁波的发射和接受讲义（含解析）.docx

第13节电磁波的发现 电磁振荡 电磁波的发射和接收1.英国物理学家麦克斯韦建立了经典电磁场理论：变化的磁场产生电场，变化的电场产生磁场。德国物理学家赫兹证实了电磁波的存在。2LC电路的周期(频率)公式：T2，f。3无线电波的发射和接收过程：调制发射接收调谐解调。一、电磁场和电磁波1麦克斯韦电磁理论的两个基本假设(1)变化的磁场能够在周围空间产生电场。(2)变化的电场能够在周围空间产生磁场。图甲变化的磁场在其周围空间产生电场。图乙变化的电场在其周围空间产生磁场。2电磁场变化的电场和变化的磁场交替产生，形成不可分割的统一体，称为电磁场。3电磁波(1)电磁波的产生：变化的电场和磁场交替产生而形成的电磁场是由近及远地传播的，这种变化的电磁场在空间的传播称为电磁波。(2)电磁波的特点：电磁波是横波，电磁波在空间传播不需要介质；电磁波的波长、频率、波速的关系：vf，在真空中，电磁波的速度c3.0108 m/s。(3)电磁波能产生反射、折射、干涉和衍射等现象。二、电磁振荡1振荡电流：大小和方向都随时间做周期性迅速变化的电流。2振荡电路：能够产生振荡电流的电路。最基本的振荡电路为LC振荡电路。3电磁振荡：在LC振荡电路中，电容器极板上的电荷量，电路中的电流，电场和磁场周期性相互转变的过程也就是电场能和磁场能周期性相互转化的过程。4电磁振荡的周期与频率(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内完成周期性变化的次数。振荡电路里发生无阻尼振荡时的周期和频率分别叫做固有周期、固有频率。(3)周期和频率公式：T2， f。三、电磁波的发射1要有效地发射电磁波，振荡电路必须具有两个特点：(1)要有足够高的振荡频率，频率越高，发射电磁波的本领越大。(2)应采用开放电路，振荡电路的电场和磁场必须分散到足够大的空间。2开放电路：实际的开放电路，线圈的一端用导线与大地相连，这条导线叫做地线，线圈的另一端高高地架在空中，叫做天线。3电磁波的调制：使电磁波随各种信号而改变的技术叫做调制。调制的方法有两种，一是调幅，使高频电磁波的振幅随信号的强弱而改变；另一种叫调频，使高频电磁波的频率随信号的强弱而改变。四、电磁波的接收1接收原理电磁波在传播时遇到导体会使导体中产生感应电流，所以导体可用来接收电磁波，这个导体就是接收天线。2电谐振当接收电路的固有频率跟接收到的电磁波的频率相等时，接收电路里产生的震荡电流最强，这种现象叫做电谐振。3调谐使电路中产生电谐振的过程叫做调谐。4解调使声音或图像信号从接收到的感应电流中还原出来，这个过程是调制的逆过程，叫做解调。5无线电波波长大于1_mm(频率低于300 GHz)的电磁波叫作无线电波。并按波长分成若干个波段，像长波、中波、短波、微波等。每个段所用的设备和技术不同，因此有不同的用途。1自主思考判一判(1)恒定电流周围产生磁场，磁场又产生电场。()(2)电磁波和光在真空中的传播速度都是3.0108 m/s。()(3)电容器放电完毕，电流最大。()(4)L和C越大，电磁振荡的频率越高。()(5)频率越高，振荡电路发射电磁波本领越大。()(6)当接收电路的固有频率和电磁波频率相同时，出现谐振现象。()(7)要使电视机的屏幕上出现图像，必须将电视机接收到的无线电信号解调。()2合作探究议一议(1)怎样才能形成电磁波？提示：变化的电场周围产生变化的磁场，变化的磁场周围产生变化的电场，在空间交替变化并传播出去的电磁场就形成了电磁波。(2)打开收音机的开关，转动选台旋钮，使收音机收不到电台的广播，然后开大音量。在收音机附近，将电池盒的两根引线反复碰撞，你会听到收音机中发出“喀喀”的响声。为什么会产生这种现象呢？打开电扇，将它靠近收音机，看看又会怎样。提示：电磁波是由电磁振荡产生的，在收音机附近，将电池盒两引线反复碰触，变化的电流产生变化的磁场，变化的磁场产生变化的电场，这样会发出电磁波，从而导致收音机中发出“喀喀”声。若将转动的电扇靠近收音机，因为电扇中电动机内通有交流电，电动机的运行同样会引起收音机发出“喀喀”声。(3)1895年，一位年轻的意大利人马可尼(公元18741937年)发明了无线电通信技术。从此，携带了人类信息的电磁波开始在空间自由旅行，人们不必依赖电线，就可以在遥远的地方互通信息。电视台发射电视信号为什么要建高耸入云的发射塔呢？提示：电视信号要有效地发射出去，必须采用高频开放电路，电视信号所用电磁波的波长比较短，以直线传播为主，遇到障碍物会被阻挡，所以发射天线要架得高一些。1电磁场的产生如果在空间某处有周期性变化的电场，那么这个变化的电场就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变化的电场变化的电场和变化的磁场是相互联系着的，形成不可分割的统一体，这就是电磁场。2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恒定的磁场均匀变化的磁场在周围空间产生恒定的电场不均匀变化的电场在周围空间产生变化的磁场不均匀变化的磁场在周围空间产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3对电磁波的理解(1)电磁波的传播不需要介质，可在真空中传播。在真空中，不同频率的电磁波传播速度是相同的(都等于光速)。(2)不同频率的电磁波，在同一介质中传播，其速度是不同的，频率越高，波速越小。(3)vf中，f是电磁波的频率，即为发射电磁波的LC振荡电路的频率：f，改变L或C即可改变f，从而改变电磁波的波长。典例多选某空间出现了如图所示的一组闭合的电场线，这可能是()A沿AB方向磁场在迅速减弱B沿AB方向磁场在迅速增加C沿BA方向磁场在迅速增加D沿BA方向磁场在迅速减弱解析根据电磁感应，闭合回路中的磁通量变化时，使闭合回路中产生感应电流，该电流可用楞次定律判断。根据麦克斯韦电磁理论，闭合回路中产生感应电流，是因为闭合回路中受到了电场力的作用，而变化的磁场产生电场，与是否存在闭合回路没有关系，故空间内磁场变化产生的电场方向，仍然可用楞次定律判断，四指环绕方向即为感应电场的方向，由此可知A、C正确。答案AC1关于电磁场理论，以下说法正确的是()A在电场周围一定会产生磁场B任何变化的电场周围空间一定会产生变化的磁场C均匀变化的电场会产生变化的磁场D周期性变化的电场会产生周期性变化的磁场解析：选D变化的电场周围一定产生磁场，但若电场不发生变化，则不能在周围空间产生磁场，选项A错误；均匀变化的电场只能在周围空间产生稳定的磁场，只有不均匀变化的电场才能在周围空间产生变化的磁场，选项B、C错误；周期性变化的电场(或磁场)在周围空间产生周期性变化的磁场(或电场)，选项D正确。2.如图所示是某一固定面的磁通量的变化图像，在它周围空间产生的电场中的某一点场强E应是()A逐渐增强B逐渐减弱C不变 D无法确定解析：选C由图可知磁通量随时间t均匀变化，而BS，所以磁场是均匀变化的，根据麦克斯韦电磁场理论可知C正确。3.多选如图所示，有一水平放置、内壁光滑、绝缘的真空圆形管，半径为R，有一带正电的粒子静止在管内，整个装置处于竖直向上的磁场中，要使带电粒子由静止开始沿管做圆周运动，所加磁场可能是()A匀强磁场B均匀增加的磁场C均匀减少的磁场D由于洛伦兹力不做功，不管加什么磁场都不能使带电粒子运动解析：选BC磁场对静止的电荷不产生力的作用，但当磁场变化时可产生电场，电场对带电粒子产生电场力的作用，带电粒子在电场力作用下可以产生加速度，选项B、C正确。电磁振荡的变化规律1各物理量变化情况一览表时刻(时间)工作过程qEiB能量0放电过程qm0Em00im0BmE电E磁充电过程0qm0Emim0Bm0E磁E电放电过程qm0Em00im0BmE电E磁T充电过程0qm0Emim0Bm0E磁E电2振荡电流、极板带电荷量随时间的变化图像典例多选如图(a)所示，在LC振荡电路中，通过P点的电流变化规律如图(b)所示，且把通过P点向右的方向规定为电流i的正方向，则()A0.5 s至1 s时间内，电容器C在放电B0.5 s至1 s时间内，电容器C的上极板带正电C1 s至1.5 s时间内，Q点的电势比P点的电势高D1 s至1.5 s时间内，电场能正在转变成磁场能解析0.5 s至1 s时间内，振荡电流是充电电流，充电电流是由负极板流向正极板；1 s至1.5 s时间内，振荡电流是放电电流，放电电流是由正极板流向负极板，由于电流为负值，所以由Q流向P。答案CDLC振荡电路充、放电过程的判断方法(1)根据电流流向判断：当电流流向带正电的极板时，电容器的电荷量增加，磁场能向电场能转化，处于充电过程；反之，当电流流出带正电的极板时，电荷量减少，电场能向磁场能转化，处于放电过程。(2)根据物理量的变化趋势判断：当电容器的带电量q(电压U、场强E)增大或电流i(磁场B)减小时，处于充电过程；反之，处于放电过程。(3)根据能量判断：电场能增加时充电，磁场能增加时放电。 1.如图所示，表示LC振荡电路某时刻的情况，以下说法正确的是()A电容器正在充电B电感线圈中的磁场能正在减小C电感线圈中的电流正在减小D此时自感电动势正在阻碍电流的增加解析：选D根据磁感线的方向可以判断电流方向是逆时针，再根据电容器极板上带电的性质可以判断电容器在放电，A项错误；电容器在放电，所以电流在增加，磁场能在增加，自感电动势正在阻碍电流的增加，B、C项错误，D项正确。2如图所示是一个LC振荡电路中电流的变化图线，以下说法正确的是()At1时刻电感线圈两端电压最大Bt2时刻电容器两极板间电压为零Ct1时刻电路中只有电场能Dt1时刻电容器所带电荷量为零解析：选D振荡过程中由于电感和电容的存在，电路不是纯电阻电路，故不满足欧姆定律的适用条件。由it图像可知t1时刻电流i最大，t2时刻电流i为零，误认为i与u满足欧姆定律I，从而错选A、B项。电流i最大时，说明磁场最强，磁场能最大，电场能为零，电压、电荷量均为零。3在LC振荡电路中，电容器上的带电量从最大值变化到零所需的最短时间是()A.B.CD2解析：选BLC振荡电路的周期T2，其电容器上的带电荷量从最大值变化到零的最短时间t，故t。无线电波的发射和接收1无线电波的发射和接收过程2“调幅”和“调频”是调制的两个不同的方式(1)高频电磁波的振幅随信号的强弱而变的调制方式叫调幅，一般电台的中波、中短波、短波广播以及电视中的图像信号采用调幅波。(2)高频电磁波的频率随信号的强弱而变的调制方式叫调频，电台的立体声广播和电视中的伴音信号，采用调频波。3解调是调制的逆过程声音、图像等信号频率相对较低，不能转化为电信号直接发射出去，而要将这些低频信号加载到高频电磁波信号上去。将声音、图像信号加载到高频电磁波上的过程就是调制。而将声音、图像信号从高频信号中还原出来的过程就是解调。4正确理解调谐的作用世界上有许许多多的无线电台、电视台及各种无线电信号，如果不加选择全部接收下来，那必然是一片混乱，分辨不清。因此接收信号时，首先要从各种电磁波中把我们需要的选出来，通常叫选台。在无线电技术中是利用电谐振达到该目的的。典例多选下列对无线电广播要对电磁波进行调制的原因的说法正确的是()A经过调制后的高频电磁波向外辐射能量的本领更强B经过调制后的电磁波在空间传播得更快C经过调制后的电磁波在空间传播波长不变D经过调制后的电磁波在空间传播波长改变解析调制是把要发射的信号“加”到高频等幅振荡电流上去，频率越高，传播信息能力越强，A对；电磁波在空气中以接近光速传播，B错；由vf，知波长与波速和传播频率有关，C错D对。答案AD相近概念的辨析技巧(1)调频和调幅：这是调制的两种方式，使电磁波的频率随信号改变的调制方式叫调频；使电磁波的振幅随信号改变的调制方式叫调幅。(2)调制和解调：把低频电信号加载到高频等幅振荡电流上叫作调制；把低频电信号从高频载波中检出来叫解调，是调制的逆过程。1简单的、比较有效的电磁波的发射装置，至少应具备以下电路中的()调谐电路调制电路高频振荡电路开放振荡电路ABCD解析：选B比较有效的发射电磁波的装置应该有调制电路、高频振荡电路和开放振荡电路。调制电路是把需要发射的信号装载在高频电磁波上才能发射出去，高频振荡电路能产生高频电磁波，开放振荡电路能把电磁波发送的更远。而调谐电路是在接收端需要的电路。2有一个LC接收电路，原来接收较低频率的电磁波，现在要想接收较高频率的电磁波，下列调节正确的是()A增加电源电压B使用调频的调制方式C把可动电容器的动片适当旋出一些D在线圈中插入铁芯解析：选C增大LC接收电路的频率，由公式f可知应减小电容或电感，A、B项错；把可动电容器的动片适当旋出一些，减小了电容，符合题目要求，C项正确；在线圈中插入铁芯，增大了电感，不合题意，D项错。3世界各地有许多无线电台同时广播，用收音机一次只能收听到某一电台的播音，而不是同时收听到许多电台的播音，其原因是()A因为收听到的电台离收音机最近B因为收听到的电台频率最高C因为接收到的电台电磁波能量最强D因为接收到的电台电磁波与收音机调谐电路的固有频率相同，产生了电谐振解析：选D选台就是调谐过程，使f固f电磁波，在接收电路中产生电谐振，激起的感应电流最强，D正确。1多选在电磁学发展过程中，许多科学家做出了贡献。下列说法正确的是()A奥斯特发现了电流磁效应；法拉第发现了电磁感应现象B麦克斯韦预言了电磁波；楞次用实验证实了电磁波的存在C库仑发现了点电荷的相互作用规律；密立根通过油滴实验测定了元电荷的数值D安培发现了磁场对运动电荷的作用规律；洛伦兹发现了磁场对电流的作用规律解析：选AC赫兹用实验证实了电磁波的存在，B错；安培发现了磁场对电流的作用规律，洛伦兹发现了磁场对运动电荷的作用规律，D错，选A、C。2在LC振荡电路中，当电容器充电完毕尚未开始放电时，下列说法正确的是()A电容器中的电场最强B电路里的磁场最强C电场能已有一部分转化成磁场能D磁场能已有一部分转化成电场能解析：选ALC振荡电路电容器充电完毕，电容器中电场最强，磁场最弱，电场能和磁场能之间还没有发生转化，故A正确。3多选用一平行板电容器和一个线圈组成LC振荡电路，要增大发射电磁波的波长，可采用的做法是()A增大电容器两极板间的距离B减小电容器两极板间的距离C减小电容器两极板正对面积D在电容器两极板间加入电介质解析：选BD由vf，f，可知：v2，即2与C成正比又C，故B、D正确。4多选电磁波与声波比较()A电磁波的传播不需要介质，声波的传播需要介质B由空气进入水中时，电磁波速度变小，声波速度变大C由空气进入水中时，电磁波波长变小，声波波长变大D电磁波和声波在介质中的传播速度，都是由介质决定，与频率无关解析：选ABC选项A、B均与事实相符，所以A、B正确；根据，电磁波波速变小，频率不变，波长变小；声波速度变大，频率不变，波长变大，所以选项C正确；电磁波在介质中的速度，与介质有关，也与频率有关，在同一种介质中，频率越大，波速越小，所以选项D错误。5.多选某时刻LC振荡电路的状态如图所示，则此时刻()A振荡电流i在减小B振荡电流i在增大C电场能正在向磁场能转化D磁场能正在向电场能转化解析：选AD由电磁振荡的规律可知，电容器充电过程中，电流逐渐减小，电场能逐渐增大，磁场能逐渐减小，即磁场能正向电场能转化，故A、D正确。6在无线电波广播的接收中，调谐和检波是两个必须经历的过程，下列关于