人教版选修34 电磁波的发现 电磁振荡 第1课时 教案.docx

14.1电磁波的发现14.2电磁振荡教学目标：1.熟记麦克斯韦电磁场理论的基本内容，知道其在物理学发展史上的意义 2.能说出电磁波的基本特点，能从电磁波体会电磁场的物质性 3.会分析lc振荡回路中振荡电流的产生过程 4.会计算lc振荡电路的周期和频率重点：了解电磁场和电磁波的概念及应用，了解电磁振荡的周期与频率，会求lc电路的周期与频率.难点：电磁振荡过程中各物理量的变化规律及各物理量变化之间的关系 进行新课：北京时间2011年11月3日凌晨，“神舟”八号飞船与“天宫”一号目标飞行器实现刚性连接，形成组合体，中国载人航天首次空间交会对接试验获得成功“神舟”八号与“天宫”一号交会对接的成功意味着我国成为继美国、俄罗斯后，第三个独立掌握航天交会对接技术的国家因此，“天宫一号”与“神八”这次太空中的亲密接触，不仅奠定了中国载人航天技术在世界上的一席之地，也使中国未来空间站的组装和建造成为可能神八与天宫一号的对接过程是在地面控制中心的科学家们的指挥下完成的，地面控制中心与“神舟”八号和“天宫”一号相距如此之远，他们是如何完成控制指令的传输的？这节课我们将探究与其相关的问题图教1411伟大的预言1.基本知识(1)变化的磁场产生电场实验基础：如图1411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图1411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图1412 电磁波1 .基本知识(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替产生，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)赫兹的实验图1413赫兹利用图1413的实验装置，证实了电磁波的存在赫兹的其他实验成果：赫兹通过一系列的实验，观察到了电磁波的反射、折射、干涉、衍射和偏振现象，并通过测量证明，电磁波在真空中具有与光相同的速度，证实了麦克斯韦关于光的电磁理论电磁振荡及其描述1 .基本知识(1)振荡电流大小和方向都做周期性迅速变化的电流(2)振荡电路能产生振荡电流的电路图1414(3)振荡过程如图1414所示，将开关s掷向1，先给电容器充电，再将开关掷向2，从此时起，电容器要对线圈放电放电过程：由于线圈的自感作用，放电电流不能立刻达到最大值，由零逐渐增大，同时电容器极板上的电荷逐渐减少放电完毕时，极板上的电荷为零，放电电流达到最大该过程电容器储存的电场能转化为线圈的磁场能充电过程：电容器放电完毕，由于线圈的自感作用，电流并不会立刻消失，而要保持原来的方向继续流动，并逐渐减小，电容器开始充电，极板上的电荷逐渐增加，当电流减小到零时，充电结束，极板上的电荷量达到最大该过程线圈中的磁场能又转化为电容器的电场能此后电容器再放电、再充电，周而复始，于是电路中就有了周期性变化的振荡电流实际的lc振荡是阻尼振荡：电路中有电阻，振荡电流通过时会有热量产生，另外还会有一部分能量以电磁波的形式辐射出去如果要实现等幅振荡，必须有能量补充到电路中(4)电磁振荡的周期和频率电磁振荡的周期t电磁振荡完成一次周期性变化需要的时间电磁振荡的频率f1 s内完成周期性变化的次数lc电路的周期(频率)公式周期、频率公式：t2，f，其中：周期t、频率f、自感系数l、电容c的单位分别是秒(s)、赫兹(hz)、亨利(h)、法拉(f) 3 .探究交流打开收音机的开关，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”声对麦克斯韦电磁场理论的理解【问题导思】 1 .电磁场是如何产生的？ 2 .如何理解麦克斯韦的电磁场理论？ 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 重点:1 .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 2 .在变化的磁场中所产生的电场的电场线是闭合的，而静电场中的电场线是不闭合的例1：关于电磁场理论，下列说法中正确的是()a在电场周围一定产生磁场，磁场周围一定产生电场b在变化的电场周围一定产生变化的磁场，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周期性变化的电场周围一定产生周期性变化的磁场【审题指导】解答本题时要理解麦克斯韦电磁场理论的以下四点：(1)恒定的电场(磁场)不产生磁场(电场)(2)均匀变化的电场(磁场)恒定的磁场(电场)(3)非均匀变化的电场(磁场)变化的磁场(电场)(4)周期性变化的电场(磁场)同频率的磁场(电场)【解析】根据麦克斯韦的电磁场理论，只有变化的电场才产生磁场，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周期性变化的电场产生同频率变化的磁场d正确【答案】d 1 .如图1415所示，一正离子在垂直于匀强磁场的固定光滑轨道内做匀速圆周运动，当磁场均匀增大时，离子动能将_；周期将_图1415【解析】当磁场均匀增加时，在光滑轨道处产生逆时针方向的感应电场，正离子在电场力作用下做加速运动，动能增加，速度增加，t，周期减小【答案】增加变小电磁波和机械波的比较【问题导思】 1 .电磁波的传播需要介质吗？ 2 .电磁波的波速与哪些因素有关？机械波电磁波研究对象力学现象电磁现象周期性变化的物理量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，在真空中波速总是c，在介质中传播时，波速与介质及频率都有关系产生由质点(波源)的振动产生由周期性变化的电流(电磁振荡)激发干涉可以发生可以发生衍射可以发生可以发生横波可以是是纵波可以是不是电磁波是电磁现象，机械波是力学现象，两者都具有波的特性：干涉、衍射等，但它们具有本质的不同，如机械波的传播依赖于介质，但电磁波的传播则不需要介质电磁波与声波比较()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【审题指导】(1)电磁波和机械波的共同点和不同点(2)介质对电磁波和机械波的波速的影响的不同点【解析】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【答案】abc 2. 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电磁波与机械波都能发生衍射【解析】电磁波的波速与介质和频率都有关，而机械波的传播速率只与介质有关，故a对，b错；电磁波和机械波都具有波的一些独有特征，包括干涉和衍射，故c错，d对【答案】ad振荡过程中各物理量的变化情况【问题导思】 1 .在振荡过程中，各物理量有什么变化规律？ 2 .lc回路的周期与哪些因素有关？ 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象甲乙 丙 丁 戊图1416 3. 板间电压u、电场能ee、磁场能eb随时间变化的图象，如图1417所示图1417u、ee规律与qt图象相对应；eb规律与it图象相对应 4. 分类分析(1)同步关系在lc振荡回路发生电磁振荡的过程中，电容器上的物理量：电量q、电场强度e、电场能ee是同步变化的，即：qeee(或qeee)振荡线圈上的物理量：振荡电流i、磁感应强度b、磁场能eb也是同步变化的，即：ibeb(或ibeb)(2)同步异变关系在lc振荡过程中，电容器上的三个物理量q、e、ee与线圈中的三个物理量i、b、eb是同步异向变化的，即q、e、ee同时减小时，i、b、eb同时增大，且它们的变化是同步的，也即：q、e、eei、b、eb.注意：自感电动势e的变化规律与qt图象相对应振荡电流i，由电极板上电荷量的变化率决定，与电荷量的多少无关两极板间的电压u，由极板上的电荷量决定，与电荷量的变化率无关线圈中的自感电动势el，由电路中电流的变化率决定，与电流的大小无关图1418lc振荡电路中，某时刻的磁场方向如图1418所示，则()a若磁场正在减弱，则电容器正在充电，电流由b向ab若磁场正在减弱，则电场能正在增大，电容器上极板带负电c若磁场正在增强，则电场能正在减少，电容器上极板带正电d若磁场正在增强，则电容器正在充电，电流方向由a向b【审题指导】解答本题首先根据磁场方向和安培定则判断振荡电流的方向，然后根据磁场的变化判断电容器的充、放电以及极板带电情况【解析】若磁场正在减弱，则电流在减小，是充电过程，根据安培定则可确定电流由b向a，电场能增大，上极板带负电，故选项a、b正确；若磁场正在增强，则电流在增大，是放电过程，电场能正在减小，根据安培定则，可判断电流由b向a，上极板带正电，故选项c正确，d错误【答案】abc规律总结： 1 .首先明确lc振荡电路的周期公式及周期的大小，将周期进行分解：把整个振荡周期分成四个t，分别研究每一个t内各物理量的变化情况 2 .电容器充、放电过程中电流的变化特征：电容器充电过程中，电容器带电量越来越多，电流越来越小，充电完毕时，电流为零；电容器放电过程中，电容器带电量越来越少，电流越来越大，放电完毕时，电流最大一个周期内振荡电流的方向改变两次 3 .如图1419所示电路中，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，再打开开关s，lc电路中将产生电磁振荡如果规定电感l中的电流方向从a到b为正，打开开关的时刻为t0时刻，那么如图所示中能正确表示电感中的电流i随时间t变化规律的是()图1419【解析】t0时刻，电容器c中储存的电场能最小(带电量、场强值、电压都为零)，电路中电流最大从零到这段时间线圈由于自感作用产生从a到b的感应电流，电容器处于充电过程，充电完成后电容器又通过线圈放电，放电结束后由于线圈的自感作用又对电容器充电，如此周而复始，形成持续的振荡电流，故c正确【答案】c课堂练习： 1. 关于电磁场理论的叙述正确的是()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周期性变化的磁场产生同频率变化的电场c变化的电场和变化的磁场相互关联，形成一个统一的场，即电磁场d电场周围一定存在磁场，磁场周围一定存在电场【解析】变化的电场周围才存在磁场，变化的磁场周围才存在电场【答案】abc 2. 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，回路中磁场能最小b回路中电流值最大时，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，电场能最小【解析】电容器放电完毕时，q0，i最大，磁场能最大，a错，b对；电流最小时，i0，电容器极板上电荷q最多，极板间电场最强，电场能最大，c对，d错【答案】bc 3. 磁场的磁感应强度b随时间t变化的四种情况如图所示，其中能产生电场的有_图所示的磁场，能产生电磁波的有_图所示的磁场【解析】a图中的磁场是恒定的，不能产生电场，更不能产生电磁波；b图中的磁场是周期性变化的，可以产生周期性变化的电场，因而可以产生电磁波；c图中的磁场是均匀变化的，能产生恒定的电场，而恒定的电场不能产生磁场，因此不能产生电磁波；d图中的磁场是周期性变化的，可以产生周期性变化的电场，因而可以产生电磁波【答案】bcdbd 4. 在lc振荡电路中，线圈的自感系数l2.5 mh，电容c4 f.该回路的周期是多大？【解析】由电磁振荡的周期公式可得t223.14 s6.28104 s.【答案】6.28104 s作业：1 .根据麦克斯韦的电磁场理论，以下叙述中正确的是()a教室中亮着的日光灯周围空间必有磁场和电场b工作时的电磁打点计时器周围必有磁场和电场c稳定的电场产生稳定的磁场，稳定的磁场激发稳定的电场d电磁波在传播过程中，电场方向、磁场方向和传播方向相互垂直【解析】教室中亮着的日光灯、工作时的打点计时器用的振荡电流，在其周围产生振荡磁场和电场，故选项a、b正确；稳定的电场不会产生磁场，故选项c错误；电磁波是横波，电场方向、磁场方向和传播方向相互垂直，故选项d正确【答案】abd 2. 电磁波在传播时，不变的物理量是()a振幅b频率c波速 d波长【解析】离波源越远，振幅越小电磁波在不同介质中的波速不一样，波长也不一样【答案】b 3. 能发射电磁波的电场是()【解析】由麦克斯韦电磁场理论，当空间出现恒定的电场时(如a图)，由于它不激发磁场，故无电磁波产生；当出现均匀变化的电场(如b图、c图时)，会激发出磁场，但磁场恒定，不会在较远处激发出电场，故也不会产生电磁波；只有周期性变化的电场(如d图)，才会激发出周期性变化的磁场，它又激发出周期性变化的电场如此不断激发，便会形成电磁波，故d正确【答案】d 4 .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】变化的磁场就能产生电场，a正确若只有电场和磁场而电场和磁场都稳定或电场、磁场仅均匀变化都不能产生电磁波，c错光也是电磁波，在真空和介质中传播的速度不同，可判断b错d选项中没强调是“均匀”介质，若介质密度不均匀会发生折射，故d错【答案】a 5声波和电磁波均可传递信息，且都是具有波的共同特征，下列说法正确的是()a声波的传播速度小于电磁波的传播速度b声波和电磁波都能引起鼓膜振动c电磁波都能被人看见，声波都能被人听见d二胡演奏发出的是声波，而电子琴演奏发出的是电磁波【解析】声波属于机械波，其传播需要介质，传播速度小于电磁波的传播速度；鼓膜的振动是空气的振动带动的，人耳听不到电磁波；电磁波的传播不需要介质，人耳听不到超声波和次声波，人眼看不到电磁波；二胡和电子琴发出的都是声波，故正确答案为a.【答案】a 6.某时刻lc振荡电路的状态如图14110所示，则此时刻()图14110a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】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【答案】ad 7. 要想增大lc振荡电路中产生的振荡电流的频率，可采用的方法是()a增大电容器两极板的间距b升高电容器的充电电压c增加线圈的匝数d在线圈中插入铁芯【解析】振荡电流的频率由lc回路本身的特性决定，其大小为f .增大电容器两极板间距，电容减小，振荡频率升高在电容器两极板间插入电介质，电容增大，振荡频率降低增加线圈匝数或在线圈中插入铁芯，都会使线圈的电感增加，振荡频率降低；只有减少线圈的匝数，减小电感，振荡频率才会增大综上所述，只有选项a正确【答案】a 8.应用麦克斯韦的电磁场理论判断如图14111所示的表示电场产生磁场(或磁场产生电场)的关系图象中(每个选项中的上图表示的是变化的场，下图表示的是变化的场产生的另外的场)正确的是()图14111【解析】a图中的上图磁场是稳定的，由麦克斯韦的电磁理论可知周围空间不会产生电场，a图中的下图是错误的b图中的上图是均匀变化的电场，应该产生稳定的磁场，下图的磁场是稳定的，所以b图正确c图中的上图是振荡的磁场，它能产生同频率的振荡电场，且相位相差，c图是正确的d图的上图是振荡的电场，在其周围空间产生振荡的磁场，但是下图中的图象与上图相比较，相位相差，故d图不正确，所以只有b、c两图正确【答案】bc 9.图14112中画出一个lc振荡电路中的电流变化图线，根据图线可判断()图14112at1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时刻电容器带电荷量为零【解析】由图象知，计时开始时，电容器两极板带电荷量最大，电流为零，电容器放电开始，根据电流随时间的变化规律，可以在图中画出qt图象(在图中用虚线表示)由图象分析可知：t1时刻，电容器上电荷量为零，电势差为零，电场能为零，故d对，a、c皆错；t2时刻电容器上电荷量q最大，两板间电势差最大，b错【答案】d图14113 10 .如图14113所示是一个水平放置的玻璃圆环型小槽，槽内光滑，槽的宽度和深度处处相同，现将一直径略小于槽宽的带正电小球放在槽中，让它受绝