第十八章 电磁场和电磁波.doc

第十八章 电磁振荡和电磁波一、电磁振荡教学目标:1. 知道什么是LC振荡电路和电磁振荡.了解LC回路中振荡电流的产生过程.2. 知道产生电磁振荡过程中,LC 振荡电路中的能量转换情况.3. 了解阻尼振荡和无阻尼振荡. 重、难点：LC 回路中振荡电流产生过程及回路中能量转换情况.教 具: 电磁振荡演示仪、电流表、LC振荡幻灯片教学过程：（一）、引入新课我们知道广播、电视、雷达等信号要依靠电磁波传送,那么电磁波是如何产生的? 有哪些性质？是否具有波的共同特性？如何利用它发送信号？这章我们就来学习和了解相关的知识。请同学们回忆机械波是怎样产生的.引出电磁波是利用电磁振荡产生的.（二）、进行新课电磁振荡是怎样产生的呢?一、电磁振荡的产生我们一起观察下面的实验:简单地给学生说明电路组成,画出示意图.演示：先给电容器充电,稍后再让电容器通过线圈放电.现象：电流表的指针左右摆动.结论：1）电路里产生了大小和方向做周期性变化的（振荡）电流. 2）产生振荡电流的电路是LC 振荡电路。 1. 振荡电流和振荡电路2.过程：放电过程：i放，q（U 、（E=U/q）E电），E磁（B）放电结束：imaxBmaxE磁maxE电=0U=qE=0q=0,此时i/t=0e=U=0反向充电：i冲，q（U 、E电），E磁（B）充电结束：qmaxUmaxE电maxE磁（B）=0i=0,但i/t最大e最大=U说明：我们做实验能观察到电流计指针左右摆动,表明这个电路中振荡电流的频率是很低的.这种大电感和大电容组成的LC回路仅供演示,不能实用.在无线电技术中实际使用的振荡电流的频率是很高的,要用示波器观察.可以发现,LC回路里产生的振荡电流跟正弦交流电一样,也是按正弦规律变化. LC 回路中的振荡电流是怎样产生的呢 ? 注：教师可以分析前半周期,后半周期让学生分析.教师着重指出,理解LC回路产生振荡电流的过程,关键是理解线圈的自感作用和电容器的充放电作用.几个特殊状态见下表：（学生画q-t、i-t图）时间tt=Ot=T/4t=T/2t=3T/4t=T电容器上的电量q最大A+、B-零最大A-、B+零最大A+、B-电感L上的电流i零最大ab零最大ba零电场能最大零最大零最大磁场能零最大零最大零 3.电磁振荡：振荡电路中,电容器极板上的电荷,通过线圈的电流,以及磁场和电场都发生周期性的变化的现象机械振动和电磁振荡有本质的不同, 但它们有共同的变化规律.比如,都是周期性运动,都有一些物理量随时间做周期性变化;都有不同形式的能量发生周期性的相互转化. 4. 机械振动和电磁振荡的比较：运动范畴周期性变化的物理量间谐振动机械运动 s、v、a、EK、EP电磁振荡电磁运动q、E（U）、i、B、E电、E磁在机械振动中,如果没有能量损失,振动会永远进行下去.同样,在电磁振荡中,如果没有能量损失,振荡也会永远持续下去,振荡电流的A保持不变,这种振荡叫做无阻尼振荡.但是, 实际中任何电路都有电阻,电路中有一部分能量要转化成内能,同时,还有部分能量以电磁波的形式辐射出去.因此,振荡电路中的能量会逐渐损耗,振荡电流的振幅会逐渐减小,直到停止振荡, 这种振荡叫阻尼振荡.如果能在阻尼振荡中适时地补充能量损耗,也可以得到A不变的等幅振荡。二、阻尼振荡和无阻尼振荡（类比于机械振动）二、电磁振荡的周期和频率 三、电磁场教学目标：1. 知道什么是电磁振荡的周期和频率. 2. 知道 LC 回路的周期和频率公式，会利用公式进行相关问题的定性分析。3. 知道麦克斯韦电磁场理论的两个支柱。教 具: 电磁振荡演示仪、铁芯、线圈、滑动变阻器、电池、导线、灵敏电流计、电键. 教学过程：（一）、引入新课我们在上一节课学习了电磁振荡的产生,知道电磁振荡过程具有周期性.这节课我们先一起认识电磁振荡的周期和频率.（二）、进行新课一、 周期和频率（与机械振动的周期和频率概念类似）1. 周期：电磁振荡完成一次周期性变化需要的时间。2. 频率：一秒内完成的周期性变化的次数。 LC 回路的周期、频率由回路本身的特性,即本身的电容和电感线圈的自感系数决定,所以叫做振荡电路的固有周期和固有频率,简称振荡电路的周期和频率.问题：LC 回路的周期和频率与哪些因素有关呢?演示：接上一节课实验,改变电容器的C或线圈自感系数L的大小,观察电流表指针的摆动情况.现象：1）电容或电感增加时,周期变长,频率变低; 2）电容或电感减小时,周期变短,频率变高 3. 公式:T=2（LC）1/2或f=1/2（LC）1/2问题：q、E（U）、i、B、E电、E磁的周期分别是多少？（类比机械振动） 可见,适当地选择电容器和线圈,可使振荡电路的周期和频率符合我们的需要.电磁振荡中损失的能量一部分以电磁波的形式传播出去的。19世纪60年代英国物理学家麦克斯韦系统地总结了从库仑到安培、法拉第等人电磁学说的全部成就,并在此基础上加以发展,提出了“涡旋电场”和“位移电流”的假说,由此预言了电磁波的存在.由于数学基础知识和物理基础知识的关系我们不讲“涡旋电场”和“位移电流”. 只介绍麦克斯韦电磁理论的基本思想.二、电磁场 1.麦克思维电磁场理论：1）内容：变化的磁场产生电场（电磁感应）；变化的电场产生磁场（电流的磁效应） 2）含义：（1）变化的电、磁场产生磁、电场；（电流的磁效应、电磁感应） （2）均匀变化的电、磁场产生稳定的磁、电场。（实例） （3）周期性变化的电、磁场产生同频率的磁、电场。（变压器、LC振荡电路）演示：将线圈A、电源、滑动变阻器、电键组成闭合电路.导线B与灵敏电流计组 成闭合回路.打开和闭合电键K或滑动变阻器滑动时, 回路B中将有感生电流.分析1：这个现象是我们学过的电磁感应现象.麦克斯韦从场的观点研究了电磁感应现象,认为电路里能够产生电流,是因为变化的磁场产生了一个电场,这个电场驱使导体中的自由电荷做定向的移动.分析2：麦克斯韦还把这种用场来研究电磁感应现象的观点推广到不闭合电路的情形化的磁场周围产生电场,是一种普遍的现象,跟闭合回路是否存在无关.问题: 既然变化的磁场可以产生电场,那么变化的电场是否可以产生磁场呢?分析1：运动的电荷产生变化的电场:一个静止的电荷,它产生的是静电场,即空间各点的电场强度不随时间而变化.这个电荷一旦运动起来,电场就发生变化,即空间各点的电场强度将随着时间而变化运动的电荷在周围空间要产生磁场.分析2：用场的观点来分析: 这个磁场是由变化的电场产生的.例如:在电容器充放电的时候,不仅导体中的电流产生磁场,而且在电容器两极板间周期性变化的电场也产生磁场. 2. 电磁场：变化的电场和磁场相互联系形成的一个不可分离的统一的场.四、电磁波 五、无线电波的发射和接收 六、电视 雷达教学目标：1. 理解电磁波的产生，掌握电磁波的特性及波长、波速、频率三着的关系。2. 了解无线电波的波长范围极其发射过程。3. 了解调谐、检波及无线电波的接收的基本原理.4. 了解电视和雷达的基本原理，学会阅读查找学习材料.教 具: 电池、导线、锉、收音机、电磁波发送器、电磁波接收器、闹钟、真空泵、简单的无线电发射、接收的实验装置.重 点：电磁波的特性及波长、波速、频率三着的关系。难 点：电磁波的产生过程。教学过程：（一）、引入新课 1.麦克思维电磁场理论： 1）变化的磁场（电场）产生电场（磁场）；（电流的磁效应、电磁感应） 2）均匀变化的磁场（电场）产生稳定的电场（磁场）。（实例） 3）非均匀变化的磁场（电场）产生变化的电场（磁场）。（变压器、LC振荡电路） a. 周期性变化的振荡磁场产生同频率的振荡电场；b. 周期性变化的振荡电场产生同频率的振荡磁场。 2. 电磁场：变化的电场和磁场相互联系形成的 一个不可分离的统一的场.（二）、进行新课一、电磁波 1. 电磁波的产生:电磁场由近及远地传播,形成电磁波.传播的是电磁能。问题:为什么普通的LC振荡电路不能有效地发送电磁波? （阅读P242图18-8） （1）开放电路的特点 : 1）要有足够高的振荡频率.Ef4 2）振荡电路的电场和磁场必须分散到尽可能大的空间. （2）由闭合回路变成开放电路 .如图18-10所示,像图乙、丙那样,增大电容器极板间的距离,减少极板间的面积,同时减小自感线圈的匝数,以便减小L 、C 的值,增大振荡频率,最后开放电路可以演化成一条导线.演示：由电池、导线、铿组成的电路, 看作一个振荡电路,导线头在铿的表面滑动时在电路中产生振荡电流,发射出电磁波被收音机接收, 发出“喀、喀”的声音. 2.电磁波的特点 （1）电磁波是横波.1） 电磁场中的电场和磁场互相垂直 , 电磁波在与二者均垂直的方向传播.2） 相邻的两个波峰或相邻的两个波谷之间的距离等于电磁波的波长. 3）在传播方向上任一点,E和B都随时间作正弦变化,它们彼此垂直,而且都跟波的传播方向垂直. （2）电磁波、T的关系：=/T=C=3.0108m/s说明：1）T、由波源决定，与介质无关。 2）不同介质中、不同；同一介质中越高，越短。 3）真空中C=3.0108m/s。 这个预见后来得到了证实（阅读赫兹用实验证实了麦克斯韦电磁理论的正确性这部分课本）问题：在麦克斯韦发现电磁理论20多年后,赫兹用实验证实了什么? （3）电磁波的传播不需要介质。 （4）具有折射、反射、干涉、衍射等一切波的特性。 在信息技术高速发展的今天,电磁波对我们来说越来越重要.无论是广播、电视还是无线电通信以及航空、航天中的自动控制和通信联系,都离不开电磁波.在无线电技术中使用的电磁波叫做无线电波,那么无线电波是怎样发射和接收的呢?二、 无线电波 1.波长：从几毫米到几十干米（P245表格）.通常根据波长或频率把无线电波分成长波、中波、中短波、短波和微波等几个波段.结合教材上的表格,提示学生比较各个波段的波长大小和频率高低,简述各波段无线电波的传播方式以及主要用途.可以适当补充一些实例. 2.发射 （1）由开放电路发射出去. 实际发射无线电波的装置中还需在开放电路旁加一个振荡器电路与之藕合,如图18-15所示. 振荡器电路产生的高频率振荡电流通过L2与L1的互感作用,使L1也产生同频率的振荡电流,振荡电流在开放电路中激发出无线电波,向四周发射. （2）调制:使电磁波随各种信号而改变; 调幅：使高频振荡的振幅随信号而改变; 调幅广播(AM)一般使用中波和短波波段 调频：使高频振荡的频率随信号而改变. 调频广播(FM)通常使用微波中的甚高频和超高频波段. 3.无线电波的接收处在电磁波传播空间中的导体,会产生感应电流,导体中感应电流的频率与激起它的电磁波频率相同,利用这个原理可以接收电磁波. （1）在无线电技术中,用天线和地线组成的接收电路来接收电磁波.接收电磁波时,首先需要选台,就是要从许多的电磁波中把我们需要的选出来,在无线电技术中, 是通过电谐振来做到的. （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同时,接收电路中产生的振荡电流最强的现象,相当于机械振动中的共振.（3） 调谐：使接收电路产生电谐振的过程. （4）检波:从接收到的高频振荡中“检”出所携带的信号调制的逆过程），也叫解调.检波之后的信号还需再经过放大、重现才可以使我们听到或看到 . 人类认识电磁波到现在不过一百年,但电磁波在科学技术上已经得到十分广泛的应用,下面介绍无线电波的现代应用一一电视和雷达 .三、电视 请同学阅读课文后 , 分组讨论后回答问题1. 在电视的发射端需要什么仪器 , 各起什么作用 ?2. 电子枪的扫描路线是怎样的 ?3. 在电视的接收端需要有什么仪器 ? 各起什么作用 ?4. 你能说说调谐、检波的基本工作原理吗 ?5. 显像管里的电子枪发射电子束的强弱受什么控制 ? 它扫描的方