2　电磁振荡 (3).ppt

14 2电磁振荡 教学目标1 通过对电磁振荡的实验观察 体会LC回路中电荷 电场 电流 磁场的动态变化过程及电磁波的产生过程 建立电磁振荡的概念 了解LC回路能够产生电磁振荡的原因 电容器的充 放电 以及线圈自感电动势阻碍电流变化 2 了解LC振动电流及其相关物理量的变化情况 会分析振荡过程中 电场能和磁场能的相互转化的规律 以及电容器上电荷的变化情况及线圈中电流的大小和方向的变化情况 3 了解LC回路振荡的固有周期和固有频率公式 了解实际中调节振荡电路的频率的基本方法 学习重点LC回路电磁振荡过程分析及其规律 学习难点LC回路电磁振荡过程的分析和电磁振动概念建立 麦克斯韦预言了电磁波的存在 赫兹实验 导线环间隙产生的电火花 证实了电磁波的存在 并且通过一系列实验充分证实了麦克斯韦的电磁场理论的正确性 使人们坚信光的电磁本性 同时 也为在此之后迅速发展起来的无线电技术奠定了基础 开拓了道路 现在看来 赫兹实验发射的只是一个短时间的电磁波 也叫电磁脉冲 要使电磁波能够有使用价值 必须能够获得持续的电磁波 并且让它能够承载人们需要传递的信息 那么 怎样才能产生持续的电磁波呢 电磁波是传播着的交变电磁场 周期性变化的电磁场 跟机械波的形成一样 要产生持续的电磁波 必须有持续的波源 即持续变化的电磁场 那么 怎样才能产生持续变化的电磁场呢 师生交流复习导入 在上一节学习中 我们曾经回顾到了这样一个实例 连接在交流电路中的电容器 接通交变电源后 在交变电流对电容器进行周期性充放电的过程中 电容器两极板之间的空间中产生了交变电磁场 可见 持续的交变电流能够产生持续的交变电磁场 理论研究表明 频率较低的电磁场不能有效的向远处传播开来形成电磁波 只有高频电磁场才能传播到较远的空间中去 怎样产生高频电磁场呢 从前面的分析可以推测 如果接在电容器两端的是高频交变电流 那么 就能在电容器中产生高频电磁场 并有效向外辐射出去 形成可以利用的电磁波 那么 怎样才能获得高频交变电流呢 利用振荡电路可以获得高频交变电流 有效向外辐射电磁波 本节我们来学习这方面相关的知识 一 振荡电流1 概念 大小和方向都做周期性快速变化的电流叫做振荡电流 振荡电流和日常生活中使用的交变电流有什么不同呢 1 振荡电流是由振荡电路产生的 2 振荡电流是一种频率很高的交变电流 比照明用交流电的频率高得多 2 振荡电路 能够产生振荡电流的电路叫做振荡电路 最简单最常用的振荡电路是由自感线圈L和电容器C组成的闭合电路 叫做LC回路 怎样才能使LC回路中产生振荡电流呢 先给电容器充电 也就是给LC回路提供起振能量 合作学习探究新知 二 演示实验 观察LC回路中的振荡电流 原理 实验电路如图所示 利用灵敏电流表G或示波器观察振荡电流 把自感线圈L 电容器C 灵敏电流表G 电池组 6V 和单刀双掷开关S用导线连成电路 先把开关扳到电池组一边 给电容器充电 稍后再把开关扳到线圈一边 让电容器通过线圈放电 现象 充电后的电容器通过线圈放电时 灵敏电流表的指针左右地摆动 示波器显示出一条正弦曲线 表明LC回路中产生了大小和方向随时间周期性变化的正弦式电流 三 LC回路产生振荡电流的过程分析 1 充电结束的电容器刚要通过自感线圈开始放电的瞬间 如甲图所示时刻 电路里没有电流 电容器两极板上的电荷量最多 极板间的电场最强 线圈中的磁场最弱 电路里的能量全部是储存在电容器中的电场能 2 电容器开始放电后 由于线圈的自感作用 放电电流不能立刻达到最大值 而是由零逐渐增大 线圈的磁场逐渐增强 同时 电容器极板上的电荷逐渐减少 电容器里的电场逐渐减弱 如从甲到乙 丙到丁的放电过程 电场能逐渐转化为磁场能 3 放电结束的瞬间 如乙图 丁图所示时刻 电容器极板上没有电荷 放电电流达到最大值 线圈中的磁场最强 电容器极板间的电场最弱 电场能全部转化为磁场能而储存在自感线圈中 4 电容器放电完毕后 由于线圈的自感作用 电流并不能立刻减小到零 而要保持原来的方向继续流动 并逐渐减小 线圈的磁场逐渐减弱 同时 电容器在反向重新充电 电容器两极板上的电荷逐渐增多 电容器里的电场逐渐增强 如从乙到丙 丁到戊的充电过程 磁场能逐渐转化为电场能 5 充电结束的瞬间 如丙图 戊图所示时刻 电路里没有电流 电容器两极板上的电荷量最多 极板间的电场最强 线圈中的磁场最弱 磁场能全部转化为电场能而储存在电容器中 在由甲图所示时刻到戊图所示时刻的这一过程中 LC回路中的相关电学量随时间完成一次周期性变化 电路中就出现了振荡电流 形成了电磁振荡 此后 该过程周而复始地循环下去 由此可见 在线圈自感电动势的阻碍作用下 电容器周期性地充 放电导致了LC回路中产生了正弦式的振荡电流 四 电磁振荡及其规律 小结 1 电磁振荡 振荡电路中跟电场相关的物理量 电容器极板上的电荷q 电容器极板间的电压U 电容器里电场的场强E 电容器中的电场能 和跟磁场相关的物理量 线圈中的电流i 线圈的自感电动势 线圈内部磁场的磁感应强度B 线圈内部磁场的磁场能 同时随时间发生周期性变化的现象叫做电磁振荡 2 电磁振荡的实质 振荡电路中的电场能和磁场能发生周期性的相互转化 3 LC回路电磁振荡的产生机理电容器的充 放电和线圈的自感共同作用 线圈的自感电动势对充电 放电电流变化的阻碍作用 使电容器周期性地正 反向充电 放电 4 LC回路电磁振荡的规律 1 在一次周期性变化过程中 电容器充 放电两次 振荡电流方向改变两次 电场能和磁场能相互转化两次 2 充电电流流向电容器带正电的极板且逐渐减小 放电流流向电容器带负电的极板且逐渐增大 3 LC回路里产生的振荡电流是一种高频正弦式交变电流 所有跟电场相关的物理量 电荷量q 电压U 场强E 电场能 的变化步调是相同的 所有跟磁场相关的物理量 电流i 自感电动势 磁感应强度B 磁场能 的变化步调也是相同的 但是电场变化的步调和磁场变化的步调刚好反相 相位差为 2 互余 此增彼减 若所有跟电场相关的物理量按余弦规律变化 那么所有跟磁场相关的物理量一定同时按正弦规律变化 振荡电路起振以后 电场能和磁场能发生周期性相互转化 如果振荡能量没有损失 那么电磁振荡将持续进行下去 但是实际的情况并非如此 在前面的实验中 我们发现LC回路产生的电磁振荡只能维持一段时间 并且振荡电流越来越小 最终振荡会停止下来 为什么呢 五 阻尼振荡和无阻尼振荡1 阻尼振荡 振荡电流的振幅越来越小的电磁振荡 叫做阻尼振荡 原因 电磁振荡过程中存在能量损耗 振荡能量逐渐减少 振荡电路的电阻将一部分能量转化为内能 一部分能量以电磁波的形式辐射到周围空间中去了 2 无阻尼振荡 没有能量损耗的电磁振荡 叫做无阻尼振荡 无阻尼振荡会永久持续进行下去 振荡电流的振幅永远保持不变 无阻尼振荡是一种理想化的模型 无阻尼振荡是一种理想化的等幅振荡 3 等幅振荡 振幅不变的电磁振荡叫做等幅振荡 获得的方法 给振荡电路适时地补充能量 用来补偿电路中的能量损耗 实际需要的等幅振荡是用振荡器来产生的 振荡器不断地将电源的能量补充到振荡电路中去 六 电磁振荡的周期和频率1 概念 电磁振荡完成一次周期性变化需要的时间叫做周期 1s内完成周期性变化的次数叫做频率 2 物理意义 周期和频率描述了电磁振荡的快慢 反映了振荡电路中相关电学量随时间变化的快慢 那么 LC回路电磁振荡的快慢与哪些因素有关呢 电容较大时 电容器充电 放电的时间长些还是短些 线圈的自感系数大时 电容器充电 放电的时间长些还是短些 电容器的电容C越大 完成一次充电或放电需要的时间也越长 线圈的自感系数L越大 对振荡电流变化的阻碍作用越大 振荡电流完成一次周期性变化需要的时间越长 3 实验论证 影响LC回路振荡快慢的因素 原理 实验电路如图所示 改变线圈的自感系数L的大小 或者电容器的电容C的大小 或者电容器充电电压U的大小 观察灵敏电流表G的指针左右摆动的快慢 现象 改变线圈的自感系数L的大小或者电容器的电容C的大小时 电流表G的指针左右摆动一次的时间 周期 随着改变 线圈的自感系数L或者电容器的电容C越大 振荡越慢 改变电容器充电电压U的大小时 电流表G的指针左右摆动一次的时间 周期 不变 结论 LC回路振荡的快慢只与电路本身的因素 线圈的自感系数L和电容器的电容C 有关 并且线圈的自感系数L或者电容器的电容C越大 振荡周期越大 4 固有周期 频率 振荡电路自由振荡的周期 频率 只由电路本身的因素决定 叫做振荡电路的固有周期 频率 5 LC回路的固有周期和频率公式 LC回路的固有周期和频率只与自感系数L和电容C的大小有关 跟电容器的带电多少和回路电流大小无关 电容增大时 周期变长 频率变低 电感增大时 周期变长 频率变低 电压升高时 周期不变 频率不变 1 注意 使用公式时 要统一各个量的单位 2 实际应用 通过改变线圈的自感系数L或者电容器的电容C可以改变LC回路的振荡频率 满足实际需要 通常用可变电容器与线圈组成频率可调的振荡电路 例如 收音机 电视机中的调谐电路 3 晶体振荡器 利用特殊工艺制成 晶体自身的电容 电感值决定了振荡频率 它的工作原理与LC回路原理相同 晶体振荡器能够不断地将电源的能量补充到振荡电路中去 产生持续的等幅振荡 它的应用很广泛 例如 石英电子钟表 1 如图所示 当K1闭合 K2断开 电源对电容器C 填 充电 或 放电 稳定后 电容器C的 填 左端 或 右端 极板带负电 电容器两端的电压为 在这个过程中 能量的转化是由 能转化为 能 现断开K1 闭合K2瞬间 电容器C 填 充电 或 放电 流过R的电流方向是 稳定后 电容器两端的电压为 这个过程中 能量的转化是由 能转化为 能 2 当LC振荡电路中电流达到最大值时 下列叙述中正确的是 A 磁感应强度和电场强度都达到最大值B 磁感应强度和电场强度都为零C 磁感应强度最大而电场强度为零D 磁感应强度是零而电场强度最大 巩固练习 充电 左端 E 化学 电 放电 向左 零 电 内 C 3 已知LC振荡电路中 电容器极板1上的电量随时间变化的曲线如图所示 则下列判断正确的是 A a c两时刻电路中电流最大 方向相同B a c两时刻电路中电流最大 方向相反C b d两时刻电路中电流最大 方向相同D b d两时刻电路中电流最大 方向相反4 如图所示 是LC振荡电路中电流随时间变化的曲线 下列判断正确的是 A 在t1时刻电容器两端电压最小B 在t1时刻电容器带的电量为零C 在t2时刻电路中只有电场能D 在t2时刻电路中只有磁场能 D ABC 5 对于LC振荡电路振荡过程中 下列说法正确的是 A 电容器充电或放电一次所用的时间为B 电场能与磁场能的转化周期为C 电容器极板间电场强度的变化周期为D 线圈内磁感应强度的变化周期为6 如图所示 是LC振荡电路某一时刻的电容器带电情况和自感线圈中的磁感线方向情况 由图可知 A 电容器正在充电B 线圈中的电流正在增大C 线圈中的磁场能正在转化为电容器中的电场能D 线圈中的自感电动势正在阻碍电流增加 CD AC 7 为了增大LC振荡电路的固有频率 下列办法中可采取的是 A 增大电容器两极板的正对面积并在线圈中放入铁芯B 减小电容器两极板的距离并增加线圈的匝数C 减小电容器两极板的距离并在线圈中放入铁芯D 减小电容器两极板的正对面积并减小线圈的匝数8 如图所示 是LC振荡电路中电流随时间变化的图象 以下判断正确的是 A a时刻电容器极板上电荷量最大 两极板间电压最大B b时刻线圈中磁场能为零 通过的磁通量变化率最大C c时刻电容器中电场能为零 线圈中自感电动势最大D d时刻电流为零 产生的自感电动势最大 D BD 9 LC振荡电路中的电流的表达式为i 0 14sin 1 106t mA 若振荡电路的自感系数为20mH 则电容C F 此振荡电流的有效值