2012高考物理 月刊专版 专题09 交变电流和电磁感应电磁场和电磁波专题

用心 爱心 专心1 交变电流和电磁感应电磁场和电磁波交变电流和电磁感应电磁场和电磁波 知识网络 知识网络 一 电磁振荡一 电磁振荡 1 振荡电路 大小和方向都随时间做周期性变儿的电流叫做振荡电流 能够产生振荡 电流的电路叫振荡电路 LC回路是一种简单的振荡电路 2 LC回路的电磁振荡过程 可以用图象来形象分析电容 器充 放电过程中各物理量的变化规律 如图所示 3 LC回路的振荡周期和频率 LCT 2 LC f 2 1 注意 1 LC回路的T f只与电路本身性质L C有关 2 电磁振荡的周期很小 频率很高 这是振荡电流与普通交变电流的区别 分析电磁振荡要掌握以下三个要点 突出能量守恒的观点 i q t t o o 放电 充电 放电 充 电 用心 爱心 专心2 q i 5T 6 理想的LC回路中电场能E电和磁场能E磁在转化过程中的总和不变 回路中电流越大时 L中的磁场能越大 磁通量越大 极板上电荷量越大时 C中电场能越大 板间场强越大 两板间电压越高 磁通量 变化率越大 还是右 磁场能正在 增大还是减小 解 先由周期公式求出 1 2 10 4s t 3 14 10 4s 时刻是开始振LCT 2 荡后的 再看与左图对应的q t图象 以上极板带正电为正 T 6 5 和与右图对应的i t图象 以LC回路中有逆时针方向电流为正 图象都为余弦函数图象 在时刻 从左图对应的q t图象看出 T 6 5 上极板正在充正电 从右图对应的i t图象看出 L2中的电流向左 正在增大 所以磁场 能正在增大 二 电磁场二 电磁场 1 麦克斯韦的电磁场理论 要深刻理解和应用麦克斯韦电磁场理论的两大支柱 变化的磁场产生电场 变化的电 场产生磁场 1 变化的磁场 电场 能够在周围空间产生电场 磁场 用心 爱心 专心3 2 均匀变化的磁场 电场 能够在周围空间产生稳定的电场 磁场 3 振荡的磁场 电场 能够在周围空间产生同频率的振荡电场 磁场 可以证明 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 点评 变化的磁场在周围空间激发的电场为涡旋电场 涡旋电场与静电场一样 对电 荷有力的作用 但涡旋电场又于静电场不同 它不是静电荷产生的 它的电场线是闭合的 在涡旋电场中移动电荷时 电场力做的功与路径有关 因此不能引用 电势 电势能 等概念 另外要用联系的观点认识规律 变化的磁场产生电场是电磁感应现象的本质 个力 环的弹力 N 和磁场的洛仑兹力 f 而且两个力的矢量和始终提供向心力 考虑 到小球速度大小的变化和方向的变化以及磁场强弱的变化 弹力和洛仑兹力不一定始终在 增大 洛仑兹力始终和运动方向垂直 所以磁场力不做功 正确为 CD 2 电磁场 按照麦克斯韦的电磁场理论 变化的电场和磁场总是相互联系的 形成一 个不可分离的统一场 称为电磁场 电场和磁场只是这个统一的电磁场的两种具体表现 理解电磁场是统一的整体 根据麦克斯韦电磁场理论的两个要点 在变化的磁场的周围空间将产生涡漩电场 在 变化的电场的周围空间将产生涡漩磁场 当变化的电场增强时 磁感线沿某一方向旋转 则在磁场减弱时 磁感线将沿相反方向旋转 如果电场不改变是静止的 则就不产生磁 场 同理 减弱或增强的电场周围也将产生不同旋转方向的磁场 因此 变化的电场在其 周围产生磁场 变化的磁场在其周围产生电场 一种场的突然减弱 导致另一种场的产 生 这样 周期性变化的电场 磁场相互激发 形成的电磁场链一环套一环 如下图所 示 需要注意的是 这里的电场和磁场必须是变化的 形成的电磁场链环不可能是静止的 这种电磁场是无源场 即 不是由电荷激发的电场 也不是由运动电荷 电流激发的磁 场 并非简单地将电场 磁场相加 而是相互联系 不可分割的统一整体 在电磁场 示意图中 电场E矢量和磁场B矢量 在空间相互激发时 相互垂直 以光速c在空间传 用心 爱心 专心4 播 3 电磁波 变化的电场和磁场从产生的区域由近及远地向周围空间传播开去 就形成了电磁波 1 有效地发射电磁波的条件是 频率足够高 单位时间内辐射出的能量P f 4 形成开放电路 把电场和磁场分散到尽可能大的空间里去 2 电磁波的特点 电磁波是横波 在电磁波传播方向上的任一点 场强E和磁感应强度B均与传播方 向垂直且随时间变化 因此电磁波是横波 电磁波的传播不需要介质 在真空中也能传播 在真空中的波速为 c 3 0 108m s 波速和波长 频率的关系 c f 注意 麦克斯韦根据他提出的电磁场理论预言了电磁波的存在以及在真空中波速等于 用心 爱心 专心5 光速c 后由赫兹用实验证实了电磁波的存在 广播 电视 雷达 无线通信等都是电磁波的具体应用 雷达 无线电定位的仪器 波位越短的电磁波 传播的直线性越好 反射性能强 多 数的雷达工作于微波波段 缺点 沿地面传播探测距离短 中 长波雷达沿地面的探测距 离较远 但发射设备复杂 例 4 一台收音机 把它的调谐电路中的可变电容器的动片从完全旋入到完全旋出 仍然收不到某一较高频率的电台信号 要想收到该电台信号 应该 增大还是减小 电感线圈的匝数 解 调谐电路的频率和被接受电台的频率相同时 发生电谐振 才能收到电台信号 由公式可知 L C越小 f越大 当调节C达不到目的时 肯定是L太大 所 LC f 2 1 以应减小L 因此要减小匝数 例 5 某防空雷达发射的电磁波频率为f 3 103MHZ 屏幕上尖形波显示 从发射 到接受经历时间 t 0 4ms 那么被监视的目标到雷达的距离为 km 该雷达发出的 电磁波的波长为 m 解 由s c t 1 2 105m 120km 这是电磁波往返的路程 所以目标到雷达的距离 为 60km 由c f 可得 0 1m 例 6 电子感应加速器是利用变化磁场产生的电场来加速 电子的 如图所示 在圆形磁铁的两极之间有一环形真空室 用 交变电流励磁的电磁铁在两极间产生交变磁场 从而在环形室内 产生很强的电场 使电子加速 被加速的电子同时在洛伦兹力的 作用下沿圆形轨道运动 设法把高能电子引入靶室 就能进一步 进行实验工作 已知在一个轨道半径为r 0 84m 的电子感应加速 器中 电子在被加速的 4 2ms 内获得的能量为 120MeV 设在这期间电子轨道内的高频交变 磁场是线性变化的 磁通量的最小值为零 最大值为 1 8Wb 试求电子在加速器中共绕行 了多少周 解 根据法拉第电磁感应定律 环形室内的感应电动势为E 429V 设电子在加 t 速器中绕行了N周 则电场力做功NeE应该等于电子的动能EK 所以有N EK Ee 带入数 据可得N 2 8 105周 例 7 如图所示 半径为 r 且水平放置的光滑绝缘的环形管道内 有一个电荷量为 e 质量为 m 的电子 此装置放在匀强磁场中 其磁感应强度随时 间变化的关系式为 B B0 kt k 0 根据麦克斯韦电磁场理论 均匀变化的磁场将产生 稳定的电场 该感应电场对电子将有沿圆环切线方向的作用力 使其 得到加速 设t 0 时刻电子的初速度大小为v0 方向顺时针 从此开 用心 爱心 专心6 始后运动一周后的磁感应强度为B1 则此时电子的速度大小为 A B C D m reB1 m ker v 2 2 0 2 m reB0 m ker v 2 2 0 2 解 感应电动势为E k r2 电场方向逆时针 电场力对电子做正功 在转动一圈过 程中对电子用动能定理 k r2e mv2 mv02 得答案 B