人教版选修11 电磁波的发射和接收 第1课时 教案 (1).docx

4.1电磁波的发现 教学目标1.了解电磁波的历史背景，知道麦克斯韦对电磁学的伟大贡献；2.了解麦克斯韦电磁场理论的主要观点，知道电磁波的概念及通过电磁波体会电磁场的物质性；3.体会赫兹证明电磁波存在的实验过程及实验方法，领会物理实验对物理学发展的基础意义。领会发现电磁波的过程中所蕴含的科学精神和科学研究方法。教学重点与难点1.电磁场理论的内容2.电磁波的特点教学过程一、变化的磁场产生电场实验为证如右图,交流电产生了周期变化的磁场,上面的线圈中产生电流使灯泡发光讨论: 如果用不导电的塑料线绕制线圈,线圈中还有电流电场吗?（有电场,无电流） 线圈不存在时,线圈所处的空间还有电场吗?（有） 若改成恒定的直流电,还有电场吗?（无）麦克斯韦认为在变化的磁场周围产生电场,是一种普遍存在的现象,跟闭合电路是否存在无关,导体环只是用来显示电流的存在说明:在变化的磁场中所产生的电场的电场线是闭合的 (涡旋电场)二、变化的电场产生磁场麦克斯韦假设:变化的电场就像导线中的电流一样,会在空间产生磁场,即变化的电场产生磁场根据麦克斯韦理论,在给电容器充电的时候,不仅导体中的电流要产生磁场,而且在电容器两极板间变化着的电场周围也要产生磁场理解: (1) 电场均匀变化产生稳定磁场 (2) 非均匀变化产生变化磁场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 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电场和磁场的变化关系电磁波1电磁场:如果在空间某区域中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新的周期性变化的电场,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电磁波电磁场由发生区域向远处的传播就是电磁波电磁波的特点:(1) 电磁波是横波,电场强度e 和磁感应强度 b做正弦规律,二者相互垂直,均与波的传播方向垂直(2)电磁波可以在真空中传播,速度和光速相同. v=f(3) 电磁波具有波的特性电磁波的实验证明赫兹的电火花实验赫兹观察到了电磁波的反射,折射,干涉,偏振和衍射等现象.他还测量出电磁波和光有相同的速度.这样赫兹证明了麦克斯韦关于光的电磁理论赫兹在人类历史上首先捕捉到了电磁波典例分析典例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。归纳总结：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。课堂练习：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。作业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qcu，所以电容器放电量qcu，由i，所以i 。三、非选择题9实验室里有一水平放置的平行板电容器，其电容c1 f。在两板带有一定电荷时，发现一粉尘恰好静止在两板间。还有一个自感系数l0.1 mh的电感器，现连成如图所示电路，试分析以下两个问题：(1)从s闭合时开始计时，经过105 s时，电容器内粉尘的加速度大小是多少？(2)当粉尘的加速度为多大时，线圈中电流最大？解析：(1)s断开时，电容器内带电粉尘恰好静止，说明电场力方向向上，且f电mg，闭合s后，l、c构成lc振荡电路，t22105 s，经过105 s时，电容器间的电场强度反向，电场力的大小不变，方向竖直向下，由牛顿第二定律得a2g。(2)线圈中电流最大时，电容器两极间的电场强度为零，由牛顿第二定律可得ag，方向竖直向下。答案：(1)2g(2)g，方向竖直向下10如图所示，线圈的自感系数l0.5 mh，电容器的电容c0.2 f，电源电动势e4 v，电阻的阻值r10 ，不计线圈和电源的内阻，闭合开关s，待电路中电流稳定后断开s，求：(1)l