高中物理选修3-4第三章学案1习题 课后作业,有详细解答

学案学案 1 电磁振荡电磁振荡 电磁场和电磁波电磁场和电磁波 学习目标定位 1 了解振荡电流 LC 回路中振荡电流的产生过程 会求 LC 回路的周期与 频率 2 了解阻尼振荡和无阻尼振荡 3 了解麦克斯韦电磁理论的基础内容以及在物理发展史上 的物理意义 4 了解电磁波的基本特点及其发展过程 通过电磁波体会电磁场的物理性质 1 电磁感应现象中产生感应电流的条件 穿过闭合电路的磁通量发生变化 2 电感对交流电有阻碍作用 交流电能通过电容器 电容器对交流电也有阻碍作用 一 电磁振荡的产生 1 振荡电流和振荡电路 1 振荡电流 大小和方向都随时间做周期性迅速变化的电流 2 振荡电路 能够产生振荡电流的电路 由线圈 L 和电容器 C 组成的电路是最简单的振荡 电路 称为 LC 振荡电路 2 电磁振荡过程 如图 1 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 电容器通过 线圈放电 图 1 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 而是由零逐渐增大 同时 电容器极板上的电荷逐渐减少 放电完毕时 极板上的电荷量为零 放电电流达到最大 值 通过该过程 电容器储存的电场能全部转化为线圈的磁场能 充电过程 电容器放电完毕时 由于线圈的自感作用 电流并不会立刻减小为零 而要保持 原来的方向继续流动 并逐渐减小 电容器开始反向充电 极板上的电荷逐渐增多 当电流 减小到零时 充电结束 极板上的电荷量达到最大值 通过该过程 线圈中的磁场能又全部 转化为电容器的电场能 3 LC 电路的周期 T 频率 f 与电感 L 电容 C 的关系是 T 2 f LC 1 2 LC 二 麦克斯韦电磁理论 麦克斯韦经典电磁场理论的两大支柱 变化的磁场产生电场 变化的电场能够在周围空间产 生磁场 三 电磁波产生 1 电磁波的产生 如果在空间某区域中有周期性变化的电场 那么它就会在空间引起周期 性变化的磁场 这个变化的磁场又引起新的变化的电场 于是 变化的电场和变化的磁场 交替产生 形成的电磁场由近及远地传播就形成了电磁波 2 麦克斯韦在 1865 年从理论上预见了电磁波的存在 1888 年物理学家赫兹第一次用实验 证实了电磁波的存在 赫兹还运用自己精湛的实验技术测定了电磁波的波长和频率 得到了 电磁波的传播速度 证实了这个速度等于光速 一 电磁振荡 问题设计 把线圈 电容器 电流表 电源和单刀双掷开关按图 2 连成电路 图 2 先把开关置于电源一边 为电容器充电 稍后再把开关置于线圈一边 使电容器通过线圈放 电 观察到电流表指针有何变化 这说明了什么问题呢 答案 指针左右摆动 说明了电路中产生了变化的电流 要点提炼 1 电磁振荡中各物理量的变化情况 时刻 时间 工作过程qEiB能量 0放电瞬间qmEm00E电最大 E磁最小 0 T 4 放电过程qm 0Em 00 im0 BmE电 E磁 T 4 放结束电00imBmE电最小 E磁最大 T 4 T 2 充电过程0 qm0 Emim 0Bm 0E磁 E电 T 2 充电结束qmEm00E电最大 E磁最小 T 2 3T 4 放电过程qm 0Em 00 im0 BmE电 E磁 3T 4 放电结束00imBmE电最小 E磁最大 T 3T 4 充电过程0 qm0 Emim 0Bm 0E磁 E电 T充电结束qmEm00E电最大 E磁最小 说明 在 T 的时间内 q E i B 等变化情况与 0 内相同 只是 q 的正负 T 2 T 2 E i B 的方向与 0 内相反 T 2 2 无阻尼振荡和阻尼振荡 1 无阻尼振荡 如图 3 所示 如果没有能量损失 振荡电流的振幅永远保持不变的电磁振 荡 图 3 2 阻尼振荡 如图 4 所示 能量逐渐损耗 振荡电流的振幅逐渐减小 直到停止振荡的电 磁振荡 图 4 3 电磁振荡的周期与频率 周期 T 2 频率 f 其中周期 T 频率 f 电感 L 电容 C 的单位分别是秒 s LC 1 2 LC 赫兹 Hz 亨利 H 法拉 F 延伸思考 为什么放电完毕时 电流反而最大 答案 开始放电时 由于线圈的自感作用 放电电流不能瞬间达到最大值 而是逐渐增大 随着线圈的阻碍作用减弱 放电电流增加变快 与此同时 电容器里的电场逐渐减弱 电场 能逐渐转化为磁场能 当放电完毕时 电场能全部转化为磁场能 此时电流达到最大 二 电磁场和电磁波 问题设计 如图 5 所示 当磁铁相对闭合线圈运动时 线圈中的电荷做定向移动 是因为受 到什么力的作用 若把闭合线圈换成一个内壁光滑的绝缘环形管 管内有直径略小于环内径 的带正电的小球 则磁铁运动过程中会有什么现象 小球受到的是什么力 以上现象说明什 么问题 图 5 答案 电荷受到电场力作用做定向移动 磁铁运动过程中 带电小球会做定向滚动 小球受 到的仍然是电场力 空间磁场变化 就会产生电场 与有没有闭合线圈无关 要点提炼 1 麦克斯韦电磁场理论的两个基本观点 1 变化的磁场产生电场 实验基础 如图 6 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 6 图 7 2 变化的电场产生磁场 如图 7 所示 麦克斯韦大胆地假设 既然变化的磁场能够产生电场 那么变化的电场也会在空间产生磁 场 2 电磁波 1 电磁波的产生 变化的电场和变化的磁场交替产生 由近及远地向周围传播 形成电磁 波 2 电磁波是横波 3 电磁波在真空中的速度等于光速 3 电磁波和机械波的比较 1 电磁波和机械波的共同点 二者都能产生干涉和衍射 二者在不同介质中传播时频率不变 2 电磁波和机械波的区别 二者本质不同 电磁波是电磁场的传播 机械波是质点机械振动的传播 传播机理不同 电磁波的传播机理是电磁场交替感应 机械波的传播机理是质点间的机械作用 电磁波传播不需要介质 而机械波传播需要介质 电磁波是横波 机械波既有横波又有纵波 甚至有的机械波同时有横波和纵波 例如地震 波 一 电磁振荡 例 1 在 LC 振荡电路中 可以使振荡频率增大一倍的方法是 A 自感系数 L 和电容 C 都增大一倍 B 自感系数 L 增大一倍 电容 C 减小一半 C 自感系数 L 减小一半 电容 C 增大一倍 D 自感系数 L 和电容 C 都减小一半 解析 根据 LC 振荡电路频率公式 f 得 当 L C 都减小一半时 f 增大一倍 故选项 1 2 LC D 正确 答案 D 二 电磁场理论 例 2 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 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稳定 的磁场 非均匀变化的电场产生变化的磁场 答案 D 例 3 根据麦克斯韦电磁场理论 变化的磁场可以产生电场 当产生的电场的电场线如图 8 所示时 可能是 图 8 A 向上方向的磁场在增强 B 向上方向的磁场在减弱 C 向上方向的磁场先增强 然后反向减弱 D 向上方向的磁场先减弱 然后反向增强 解析 在电磁感应现象的规律中 当通过一个闭合回路的磁通量发生变化时 回路中就有感 应电流产生 回路中并没有电源 电流的产生是由于磁场的变化造成的 麦克斯韦把以上的观 点推广到不存在闭合回路的情况 即变化的磁场产生电场 判断电场与磁场变化的关系仍可 利用楞次定律 只不过是用电场线方向代替了电流方向 向上方向的磁场增强时 感应电流的 磁场阻碍原磁场的增强而方向向下 根据安培定则知感应电流方向如题图中 E 的方向所示 选项 A 正确 B 错误 同理 当磁场反向即向下的磁场减弱时 也会得到如题图中 E 的方向 选项 C 正确 D 错误 故选 A C 答案 AC 三 电磁波和机械波 例 4 下列关于电磁波的叙述中 正确的是 A 电磁波是电磁场由发生区域向远处的传播 B 电磁波在任何介质中的传播速度均为 3 108 m s C 电磁波由真空进入介质传播时 波长将变短 D 电磁波不能产生干涉 衍射现象 解析 该题考查电磁波的产生及特点 电磁波在真空中的传播速度为光速 c 3 108 m s 且 c f 从一种介质进入另一种介质时 频率不发生变化 波长 波速发生变化 电磁波只有在 真空中的传播速度才为 3 108 m s 在其他介质中传播速度均小于 3 108 m s 电磁波与其他 波一样具有干涉 衍射等波的特性 当电磁波由真空进入介质传播时 频率不变 因为 c v 所以 波长变短 波速变小 故选 A C 答案 AC 针对训练 关于电磁波与机械波 下列说法正确的是 A 电磁波是电磁场由发生的区域向远处的传播 机械波是振源的振动向远处的传播 B 电磁波传播不需要介质 机械波传播需要介质 C 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才相同 D 机械波能发生干涉和衍射现象 电磁波则不能 答案 AB 1 电磁场理论 下列说法正确的是 A 电荷的周围一定有电场 也一定有磁场 B 均匀变化的电场在其周围空间一定产生磁场 C 任何变化的电场在其周围空间一定产生变化的磁场 D 正弦交变的电场在其周围空间一定产生同频率交变的磁场 答案 BD 解析 静止的电荷周围有恒定的电场 不产生磁场 运动的电荷周围的电场是变化的 所以产 生磁场 A 错误 由麦克斯韦电磁场理论可知 B D 正确 C 错误 2 对电磁波理解 关于电磁波的特点 下列说法正确的是 A 电磁波中的电场和磁场互相垂直 电磁波沿与二者垂直的方向传播 B 电磁波是横波 C 电磁波和机械波一样依赖于介质传播 D 只要空间内某个区域有振荡的电场或磁场 就能产生电磁波 答案 ABD 3 电磁振荡的产生 某时刻 LC 振荡电路的状态如图 9 所示 则此时刻 图 9 A 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 答案 AD 解析 本题关键是根据电容器的两极板的带电情况和电流方向 判定出电容器正处于充电过 程 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 即磁场能正在向电场能转化 故 A D 正确 4 电磁振荡的周期与频率 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 答案 A 解析 该题考查决定振荡电流的频率的因素 振荡电流的频率由 LC 振荡电路本身的特性决 定 即 f 增大电容器两极板的间距 电容减小 振荡电流的频率升高 A 对 升高电容 1 2 LC 器的充电电压不能改变振荡电流的频率 B 错 增加线圈匝数或在线圈中插入铁芯 电感 L 增 大 振荡电流的频率降低 C D 错 题组一 电磁场理论 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 与是否有闭合回路无关 B 周期性变化的磁场产生同频率变化的电场 C 电场和磁场相互关联 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 答案 AB 解析 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 正确 若要形成电磁场必须有周期性变化的电场和磁场 B 对 C D 错 2 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 答案 D 解析 麦克斯韦首先预言了电磁波的存在 赫兹证实了麦克斯韦预言的正确性 3 某电路中电场强度随时间变化的关系图像如图所示 能发射电磁波的是 答案 D 解析 由麦克斯韦电磁场理论知 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时 如 B 图 C 图 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 如此交替的产生磁场和电场 便会形成电 磁波 故 D 正确 题组二 电磁波 4 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 答案 B 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 但频率不 变 5 关于电磁波的传播速度 以下说法正确的是 A 电磁波的频率越高 传播速度越大 B 电磁波的波长越长 传播速度越大 C 电磁波的能量越大 传播速度越大 D 所有的电磁波在真空中的传播速度都相等 答案 D 6 下列关于电磁波的说法正确的是 A 电磁波必须依赖介质传播 B 电磁波可以发生衍射现象 C 电磁波不会发生偏振现象 D 电磁波无法携带信息传播 答案 B 解析 电磁波具有波的共性 可以发生衍射现象 故 B 正确 电磁波是横波 能发生偏振现象 故 C 错误 电磁波能携带信息传播 且传播不依赖介质 在真空中也可以传播 故 A D 错 误 题组三 电磁振荡的产生 7 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 线圈中的自感电动势为零 C 振荡电流增大的过程中 线圈中的磁场能转化为电场能 D 振荡电流减小的过程中 线圈中的磁场能转化为电场能 答案 D 解析 振荡电流最大时为电容器放电结束瞬间 场强为零 A 选项错误 振荡电流为零时 其 要改变方向 这时电流变化最快 电流变化率最大 线圈中的自感电动势最大 B 选项错误 振荡电流增大时 线圈中的电场能转化为磁场能 C 选项错误 振荡电流减小时 线圈中的磁 场能转化为电场能 D 选项正确 8 在 LC 振荡电路中 电容器放电时间取决于