人教选修34 电磁波的发现 电磁振荡 第1课时 学案.docx

14.1电磁波的发现14.5电磁振荡学习目标：1.了解麦克斯韦电磁场理论的基本内容以及在物理学发展史上的意义2了解电磁波的基本特点及其发现过程，通过电磁波体会电磁场的物质性3理解振荡电流、振荡电路及lc电路的概念，了解lc回路中振荡电流的产生过程4了解电磁振荡的周期与频率，会求lc电路的周期与频率.重点：了解电磁波的基本特点及其发现过程，通过电磁波体会电磁场的物质性难点：理解振荡电流、振荡电路及lc电路的概念，了解lc回路中振荡电流的产生过程预习新课： 伟大的预言1变化的磁场产生电场实验基础：如图所示，在变化的磁场中放一个闭合电路，电路里就会产生感应电流。麦克斯韦对该问题的见解：电路里有感应电流产生，一定是变化的磁场产生了电场，自由电荷在电场的作用下发生了定向移动。该现象的实质：变化的磁场产生了电场。2变化的电场产生磁场麦克斯韦大胆地假设，既然变化的磁场能产生电场，变化的电场也会在空间产生磁场。 释疑难对点练1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2.对电磁场的理解(1)电磁场的产生：如果在空间某区域有周期性变化的电场，那么这个变化的电场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新的周期性变化的电场变化的电场和变化的磁场交替产生，形成了不可分割的统一体，这就是电磁场。(2)电磁场与静电场、静磁场的比较：三者可以在某空间混合存在，但由静电场和静磁场混合的空间不属于电磁场。电磁场是电场、磁场相互激发，相互耦联形成的统一体。试身手1(多选)某电路的电场随时间变化的图象如图所示，能产生磁场的电场是()解析：选bcd题图a中电场不随时间变化，不产生磁场；题图b和题图c中电场都随时间做均匀变化，能产生稳定的磁场；题图d中电场随时间做不均匀的变化，能在周围空间产生变化的磁场。电磁波1电磁波的产生如果空间某区域存在不均匀变化的电场，那么它就会在空间引起不均匀变化的磁场，这一不均匀变化的磁场又引起不均匀变化的电场于是变化的电场和变化的磁场交错产生，由近及远向周围传播，形成电磁波。2电磁波是横波根据麦克斯韦的电磁场理论，电磁波中的电场强度和磁感应强度互相垂直，而且二者均与波的传播方向垂直，因此电磁波是横波。3电磁波的速度麦克斯韦指出了光的电磁本性，他预言电磁波的速度等于光速。4电磁波的验证1886年，赫兹用实验证明了麦克斯韦预言的正确性，第一次捕捉到了电磁波。(1)赫兹的实验装置，如图所示(2)实验现象：当感应圈两个金属球间有火花跳过时，导线环两个小球间也跳过火花。(3)现象分析：当感应圈使得与它相连的两个金属球间产生电火花时，空间出现了迅速变化的电磁场。这种电磁场以电磁波的形式在空间传播。当电磁波到达导线环时，它在导线环中激发出感应电动势，使得导线环的空隙中也产生了火花。释疑难对点练电磁波与机械波的比较电磁波是电磁现象，机械波是力学现象，两种波因产生机理不同，除具有波的共性外，还有不同之处。机械波电磁波研究对象力学现象电磁现象周期性位移随时间和空间做周期性变化电场强度e和磁感应强度b随时间和空间做周期性变化传播情况传播需要介质，波速与介质有关，与频率无关传播无需介质，在真空中波速总等于光速c，在介质中传播时，波速与介质及频率都有关产生机理由(波源)质点的振动产生由电磁振荡(周期性变化的电流)激发是否横波可以是是是否纵波可以是否干涉现象满足干涉条件时均能发生干涉现象衍射现象满足衍射条件时均能发生明显衍射试身手2(多选)关于电磁波与机械波，下列说法正确的是()a电磁波传播不需要介质，机械波传播需要介质b电磁波在任何介质中传播速率都相同，机械波在同一种介质中传播速率都相同c电磁波和机械波都不能发生干涉d电磁波和机械波都能发生衍射解析：选ad电磁波的波速与介质和频率都有关，传播时无需介质，而机械波的传播速度只与介质有关，传播时需要介质，故a对，b错；电磁波和机械波都具有波的一些特征，包括干涉和衍射，故c错，d对。电磁振荡1振荡电流和振荡电路(1)振荡电流：大小和方向都做周期性迅速变化的电流。(2)振荡电路：产生振荡电流的电路。最简单的振荡电路为lc振荡电路。2电磁振荡的过程放电过程：由于线圈的自感作用，放电电流由零逐渐增大，电容器极板上的电荷逐渐变少，电容器里的电场逐渐减弱，线圈的磁场逐渐增强，电场能逐渐转化为磁场能，振荡电流逐渐增大，放电完毕，电流达到最大，电场能全部转化为磁场能。充电过程：电容器放电完毕后，由于线圈的自感作用，电流保持原来的方向逐渐减小，电容器将进行反向充电，线圈的磁场逐渐减弱，电容器里的电场逐渐增强，磁场能逐渐转化为电场能，振荡电流逐渐减小，充电完毕，电流减小为零，磁场能全部转化为电场能。此后，这样充电和放电的过程反复进行下去。3电磁振荡的实质在电磁振荡过程中，电容器极板上的电荷量，电路中的电流及与振荡电流相联系的电场和磁场都在周期性的变化，电场能和磁场能周期性的转化。4电磁振荡的周期和频率(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内完成的周期性变化的次数。如果振荡电路没有能量损失，也不受其他外界影响，这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。释疑难对点练振荡过程中各物理量的变化情况给lc回路提供能量后，利用电容器的充放电作用和线圈产生自感的作用，使lc回路中产生振荡电流，同时电容器极板上电荷q及与q相关联的电场(e，u，e电)，通电线圈的电流i及与i相关联的磁场(b，e磁)都发生周期性变化的现象，称电磁振荡。其中，产生的大小和方向都周期性变化的电流称振荡电流。产生振荡电流的电路称振荡电路。最简单的振荡电路是lc振荡电路。(1)各物理量变化情况一览表：带电荷量q电场强度e电势差u电场能电流i磁感应强度b磁场能0电容器放电减小减小减小减小增大增大增大t时刻0000最大最大最大反向充电增大增大增大增大减小减小减小t时刻最大最大最大最大000反向放电减小减小减小减小增大增大增大t时刻0000最大最大最大t电容器充电增大增大增大增大减小减小减小(2)振荡电流、极板带电荷量随时间的变化图象：试身手3(多选)在lc回路产生电磁振荡的过程中，下列说法正确的是()a电容器放电完毕时刻，回路中磁场能最小b回路中电流值最大时刻，回路中磁场能最大c电容器极板上电荷最多时，电场能最大d回路中电流值最小时刻，电场能最小解析：选bc电容器放电完毕时，q0，但此时i最大，所以磁场能最大，则a错；电流最小i0时，q最多，极板间电场最强，电场能最大，则d错；同理分析，选项b、c对。典例1根据麦克斯韦电磁场理论，下列说法正确的是()a有电场的空间一定存在磁场，有磁场的空间也一定能产生电场b在变化的电场周围一定产生变化的磁场，在变化的磁场周围一定产生变化的电场c均匀变化的电场周围一定产生均匀变化的磁场d周期性变化的磁场周围空间一定产生周期性变化的电场解析选d根据麦克斯韦电磁场理论，只有变化的电场才能产生磁场，均匀变化的电场产生恒定的磁场，非均匀变化的电场产生变化的磁场，只有d正确。典例2(多选)电磁波和声波比较，下列说法正确的是()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，电磁波的速度变小，声波的速度变大c由空气进入水中时，电磁波的波长变小，声波的波长变大d由空气进入水中时，电磁波的频率变小，声波的频率变大解析选abc选项a、b与事实相符，电磁波本身是物质的，传播不需要介质，而机械波的传播必须借助介质，机械波的波速由介质决定，电磁波进入介质后的传播遵守折射原理，a、b正确；不论是电磁波还是机械波，传播过程中频率是不变的，选项d错误；由公式可知c正确。电磁波和机械波都遵守波长、波速、频率的关系公式，电磁波进入介质遵守公式n。典例3lc振荡中，某时刻磁场方向如图所示，则下列说法错误的是()a若磁场正在减弱，则电容器上极板带正电b若电容器正在放电，则电容器上极板带负电c若电容器上极板带正电，则线圈中电流正在增大d若电容器正在放电，则自感电动势正在阻碍电流增大解析选c该题图中标明了电流的磁场方向，由安培定则可判断出振荡电流在线圈中逆时针(俯视)流动。若该时刻电容器上极板带正电，则可知电容器处于充电阶段，电流正在减小，知a选项正确；若该时刻电容器上极板带负电，则可知电容器正在放电，电流正在增大，知b选项正确；由楞次定律知d选项正确。错误选项只有c。典例4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由题图可知t1时刻电流i最大，说明放电结束，磁场能最大，电场能为零，电压、电荷量均为零。t2时刻电流i最小，说明还没放电，则磁场能为零，电场能最大，电压、电荷量均最大。综上所述，只有d正确。课堂检测1下列关于电磁波的说法正确的是()a均匀变化的磁场能够在空间产生电场b电磁波在真空和介质中传播速度相同c只要有电场和磁场，就能产生电磁波d电磁波在同种介质中只能沿直线传播解析：选a由麦克斯韦电磁场理论知a正确；电磁波在真空中传播速度最大，为c3108 m/s，在介质中传播速度v，n为介质折射率，选项b错误；均匀变化的电场或磁场，不能产生电磁波，选项c错误；电磁波只有在同种均匀介质中才沿直线传播，选项d错误。2某同学对机械波和电磁波进行类比，总结出下列内容，其中不正确的是()a机械波的频率、波长和波速三者满足的关系，对电磁波也适用b机械波和电磁波都能产生干涉和衍射现象c机械波的传播依赖于介质，而电磁波可以在真空中传播d机械波既有横波又有纵波，而电磁波只有纵波解析：选d波长、波速、频率的关系对任何波都是成立的，对电磁波也成立，故a正确；干涉和衍射是波的特性，机械波、电磁波都是波，这些特性都具有，故b正确；机械波是机械振动在介质中传播形成的，所以机械波的传播需要介质，而电磁波是交替变化的电场和磁场由近及远的传播形成的，所以电磁波传播不需要介质，故c项正确；机械波既有横波又有纵波，但是电磁波只能是横波，d项错误。3(多选)lc振荡电路中，通过p点的电流变化规律如图乙所示(图中周期为2 s)。现规定沿顺时针方向的电流方向为正，则()a0.5 s至1 s时间内，电容器充电b0.5 s至1 s时间内，电容器上极板带的是正电c1 s至1.5 s时间内，磁场能正在转化为电场能d1 s至1.5 s时间内，电容器下极板的电势高解析：选ad由振荡电流的图象可知，在0.51 s的时间内，电流为正方向，且电流值正在减小，由题意可知，lc回路中的电流是沿顺时针方向的，而且电容器c正在充电。由于充电电流是由电容器c的负极板流出，流向正极板，可知在0.51 s的时间内电容器c的上极板带负电，下极板带正电，选项a正确，b错误；在11.5 s的时间内，电流为负方向，且电流的值正在增大，由题意可知，此时间内lc回路中的电流是沿逆时针方向的，所以电容器下极板的电势高，而且由于电流值正在增大，所以电场能正在转化为磁场能，选项c错误，d正确。4要增大lc振荡电路的频率，可采取的办法是()a增大电容器两极板正对面积b减少极板带电荷量c在线圈中放入软铁棒作铁芯d减少线圈匝数解析：选d根据lc振荡电路的频率公式f和平行板电容器电容公式c知，当增大电容器两极板正对面积时，c增大，f减小；减少极板带电荷量，不影响c，即f不变；在线圈中放入软铁棒作铁芯，l增大，f减小；减少线圈匝数，l减小，f增大。故d正确。课堂小结作业一、单项选择题1建立完整的电磁场理论并首先预言电磁波存在的科学家是()a法拉第 b奥斯特c赫兹 d麦克斯韦解析：选d麦克斯韦建立了电磁场理论并且预言了电磁波的存在，选项d正确。2下列说法错误的是()a变化的磁场周围一定存在着电场，与是否有闭合电路无关b恒定电流能够在周围空间产生稳定的磁场c稳定电场能够在周围空间产生稳定的磁场d均匀变化的电场能够在周围空间产生稳定的磁场解析：选c变化的磁场周围产生电场，当电场中有闭合回路时，回路中有电流，若无闭合回路，电场仍然存在，a对；电场按其是否随时间变化分为稳定电场(静电场)和变化电场(如运动电荷形成的电场)，稳定电场不产生磁场，只有变化的电场周围空间才存在对应磁场，故c错，d对；恒定电流周围存在稳定磁场，b对。3关于lc振荡电路中的振荡电流，下列说法中正确的是()a振荡电流最大时，电容器两极板间的电场强度最大b振荡电流为零时，线圈中自感电动势为零c振荡电流增大的过程中，线圈中的磁场能转化成电场能d振荡电流减小的过程中，线圈中的磁场能转化为电场能解析：选d振荡电流最大时处于电容器放电结束瞬间，电场强度为零，a错误；振荡电流为零时，振荡电流改变方向，这时的电流变化最快，电流变化率最大，线圈中的自感电动势最大，b错误；振荡电流增大时，电场能转化为磁场能，c错误；振荡电流减小时，线圈中的磁场能转化为电场能，d正确。4在lc振荡电路中，电容器上带的电荷量从最大值变化到零所需的最短时间是()a. b.c d2解析：选blc振荡电路的周期t2，其中电容器上的电荷量从最大值变到零所需的最短时间为t，只有选项b正确。5如图所示的电路中，l是电阻不计的电感器，c是电容器，闭合开关s，待电路达到稳定状态后，再断开开关s，lc电路中将产生电磁振荡，如果规定电感器l中的电流方向从a到b为正，断开开关的时刻为t0，那么选项图中能正确表示电感器中的电流i随时间t变化规律的是() 解析：选cs断开前，ab段短路，电流从ba，电容器不带电；s断开时，ab中产生自感电动势，阻碍电流减小，给电容器充电，此时电流负向最大；给电容器充电过程，电容器充电量达到最大时，ab中电流减为零；此后，lc回路发生电磁振荡形成交变电流。综上所述，选项c正确。6有一lc振荡电路，能产生一定波长的电磁波，若要产生波长比原来短一些的电磁波，可用的措施为()a增加线圈匝数b在线圈中插入铁芯c减小电容器极板正对面积d减小电容器极板间距离解析：选c由于电磁波传播过程中波速vf恒定，因此欲使波长变短，必须使频率f升高，由于频率f，所以，增加线圈匝数和在线圈中插入铁芯，将使线圈自感系数l增大而降低频率f；减小电容器极板间距将使电容c增大而降低频率f；减小电容器极板正对面积将使电容c减小而升高频率f。可见，选项c正确。二、多项选择题7某lc回路电容器两端的电压u随时间t变化的关系如图所示，则()a在时刻t1，电路中的电流最大b在时刻t2，电路中的磁场能最大c从时刻t2至t3，电路的电场能不断增大d从时刻t3至t4，电容器的电荷量不断增大解析：选bc由lc回路中各物理量的变化规律可知，时刻t1电容两端电压最高时，电路中振荡电流为零，时刻t2电容两端电压为零，电路中振荡电流最强、磁场能最大，选项a错误，b正确；在t2至t3的过程中，从题图可知，电容器两板电压增大，故电场能增加，选项c正确；而在t3至t4的过程中，电容器两板电压减小，电荷量同时减少，选项d错误。8一个lc振荡电路中，线圈的自感系数为l，电容器电容为c，从电容器上电压达到最大值u开始计时，则有()a至少经过，磁场能达到最大b至少经过，磁场能达到最大c在时间内，电路中的平均电流是d在时间内，电容器放电量为cu解析：选bcdlc振荡电路周期t2，电容器电压最大时，开始放电，至少经时间，放电结束，此时电容器电荷量为零，电路中电流最大，磁场最强，磁场能最大。因为