教科版物理选修3-4第三章电磁波电磁振荡 第一节 教学课件

第三章电磁振荡电磁波1.电磁振荡,一、电磁振荡1.振荡电流:大小和_都随时间做周期性迅速变化的电流。2.振荡电路:能够产生_的电路。最基本的振荡电路为_振荡电路。3.LC振荡电路:由线圈L和电容器C组成的最简单的振荡电路。,方向,振荡电流,LC,4.电磁振荡的过程分析:(1)放电过程:由于线圈的自感作用,放电电流由零逐渐增大,电容器极板上的电荷_,电容器里的电场逐渐减弱,线圈的磁场逐渐增强,电场能逐渐转化为_,振荡电流逐渐增大,放电完毕,电容器的极板上的电荷量_,电路中电流最大,电场能_,磁场能_,电场能全部转化为磁场能。,逐渐减少,磁,场能,为零,最小,最大,(2)充电过程:电容器放电完毕后,由于线圈的自感作用,电流保持_逐渐减小,电容器将进行_,线圈的磁场逐渐减弱,电容器里的电场逐渐增强,磁场能逐渐转化为电场能,振荡电流逐渐减小,充电完毕,电流减小为零,磁场能全部转化为电场能。,原来的方向,反向充,电,5.电磁振荡:在LC振荡电路中,电容器极板上的电荷量,电路中的电流,电场和磁场周期性相互转变的过程也就是电场能和磁场能_相互转化的过程。,周期性,【判一判】(1)发生电磁振荡时,电流由最大值再恢复到最大值所经历的时间为一个周期。()(2)电容器放电的过程中,电路中的能量由电场能向磁场能转化。(),提示:(1)。发生电磁振荡时,电流由最大值再恢复到同一个方向的最大值才算完成了一次全振动,即一个周期。(2)。电容器放电的过程中,电场能逐渐减小,电感线圈中的磁场能随电流的增大而增大,电容器放电完毕时,电场消失,电流最大,电场能全部转化为磁场能。,二、无阻尼振荡和阻尼振荡1.无阻尼振荡:在电磁振荡中,如果没有能量损失,振荡将永远持续下去,振荡电流的_应该永远保持不变的电磁振荡,如图甲。,振幅,2.阻尼振荡:如果振荡电路中的能量逐渐损耗,振荡电流的_逐渐减小,直到停止的电磁振荡,如图乙。,振幅,【想一想】阻尼振荡的振幅在减小,能量如何变化?提示:在阻尼振荡中,振幅减小,能量也减小。,三、电磁振荡的周期与频率1.周期:电磁振荡完成一次周期性变化需要的_。2.频率:1s内完成周期性变化的_。振荡电路里发生无阻尼振荡时的周期和频率分别叫做_周期、_频率。,时间,次数,固有,固有,3.周期和频率公式:T=,f=。,【判一判】(1)阻尼振荡的振幅在减小,周期和频率也在减小。()(2)电磁振荡的周期和频率与电容器所带的电量无关。()(3)在LC振荡电路中,电压U与电流i之间的关系及变化遵循欧姆定律。(),提示:(1)。由T=知,虽然振幅减小,但周期和频率不变。(2)。由T=知,LC回路的周期、频率都由电路本身的特性(L和C的值)决定,与电容器极板上电荷量的多少、板间电压的高低、是否接入电路中等因素无关。,(3)。LC振荡电路中电压U与电流i不遵循欧姆定律,因为LC振荡电路是非纯电阻电路,分析振荡过程可知,当电容器两极板电压最大时,回路中的电流反而是零。,知识点一电磁振荡中各物理量的对应变化关系思考探究:按如图所示的装置连接好电路。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。,(1)此时电路中有哪些物理量发生了变化?(2)电路中的能量是怎样转化的?,提示:(1)电容器极板上的电荷量、极板电压、板间电场强度、电场能、电感线圈中的电流、磁感应强度、磁场能均发生周期性的变化。(2)放电过程:电容器极板间的电场能转化为电感线圈中的磁场能;充电过程:电感线圈中的磁场能转化为电容器极板间的电场能。,【归纳总结】1.用图像对应分析i、q的变化关系,如图:,2.振荡过程中相关物理量的对应关系:,3.两种关系:(1)同步同变关系。在LC振荡电路发生电磁振荡的过程中,电容器上的物理量:电量q、板间电压U、电场强度E、电场能EE是同步同向变化的,即:qUEEE(或qUEEE),振荡线圈上的物理量:振荡电流i、磁感应强度B、磁场能EB也是同步同向变化的,即:iBEB(或iBEB)。,(2)同步异变关系。在LC振荡电路发生电磁振荡的过程中,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,即:q、E、EEi、B、EB。4.电磁振荡过程实质上是电场能和磁场能的转化过程。,5.电磁振荡中各物理量的变化周期:(1)LC回路中的电流i、线圈中的磁感应强度B、电容器极板间的电场强度E的变化周期就是LC回路的振荡周期,即T=。在一个周期内上述各量方向改变两次。,(2)电容器极板上所带的电荷量,其变化周期也是振荡周期T=,极板上电荷的电性在一个周期内改变两次。(3)电场能、磁场能也在做周期性变化,但它们是标量,没有方向,所以变化周期T是振荡周期T的一半,即T=,【特别提醒】(1)在LC振荡电路完成一次全振动的过程中,电容器充电两次且充电电流相反。(2)振荡电流i=,其大小由极板上电荷量的变化率决定,与极板所带电荷量的多少无关,如放电结束的瞬间,极板电荷量为零,而振荡电流最大。,【典例示范】(多选)LC振荡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t1时刻,电路中的电流最大B.在t2时刻,电路中的磁场能最大C.从t2至t3时刻,电路的电场能不断增大D.从t3至t4时刻,电容器带的电荷量不断增大,【解题探究】(1)怎样判断LC振荡回路电流、电场能、磁场能的大小?提示:U最大时,电容器充电完毕,电流最小,磁场能最小,极板间的电场最强,电场能最大。(2)怎样判断电容器所带电荷量的多少?提示:根据Q=CU来判断。,【正确解答】选B、C。由题图可知,t1时刻电容器两端电压最高时,电路中振荡电流为零,A错误;t2时刻电容器两端电压为零,电路中振荡电流最强、磁场能最大,B正确;在t2至t3时刻的过程中,电容器两极板间电压不断增大,必有电场能不断增加,C正确;而在t3至t4时刻的过程中,电容器两极板间电压减小,则极板带的电荷量同时减少,D错误。故选B、C。,【过关训练】1.(2016濮阳高二检测)如图是LC振荡电路及其中产生的振荡电流随时间变化的图像,电流的正方向规定为逆时针方向,则在t1到t2时间内,电容器C的极板上所带电量及其变化情况正确的是(),A.上极板带正电,且电量逐渐增加B.上极板带正电,且电量逐渐减小C.下极板带正电,且电量逐渐增加D.下极板带正电,且电量逐渐减小,【解析】选D。在t1到t2时间内,电流为负且增大,即顺时针增大,说明该过程是放电的过程,极板所带电量减小,且正电荷正在由下极板向上极板移动,即下极板带正电,D正确,A、B、C错误。,2.LC振荡电路中,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.若电容器正在充电,则电容器下极板带正电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A。由电流的磁场方向和安培定则可判断振荡电流方向,由于题目中未标明电容器两极板带电情况,可分两种情况讨论:(1)若该时刻电容器上极板带正电,则可知电容器处于放电阶段,电流增大,A错误,C正确;(2)若该时刻电容器下极板带正电,可知电容器处于充电状态,电流在减小,B正确,由楞次定律可判定D正确。本题选错误的,故选A。,3.(多选)理想的LC振荡回路中电流i随时间t变化关系如图所示,则下列说法正确的是()A.t1时刻,电容器的带电量最大B.t2时刻,电路中的磁场能最小C.从t2时刻到t3时刻,电路中的电场能不断增大D.从t3时刻到t4时刻,电容器的带电量不断增大,【解析】选B、D。t1时刻电容器的带电量为零,A错;t2时刻电路中的电流为零,磁场能最小,B对;从t2时刻到t3时刻,电场能不断减小,C错;从t3时刻到t4时刻,电流减小,是充电过程,故电容器的带电量不断增大,D对。,【补偿训练】(2016漯河高二检测)如图所示为某时刻LC振荡电路所处的状态,则该时刻()A.振荡电流i在增大B.电容器正在放电C.磁场能正在向电场能转化D.电场能正在向磁场能转化,【解析】选C。由图示电流方向可知,电容器极板上的电荷量正在增大,所以电容器正在充电,故振荡电流在减小,磁场能正在向电场能转化,C正确,A、B、D错误。,【规律方法】LC振荡电路充、放电过程的判断方法(1)根据电流流向判断:当电流流向带正电的极板时,电容器的电荷量增加,磁场能向电场能转化,处于充电过程;反之,当电流流出带正电的极板时,电荷量减少,电场能向磁场能转化,处于放电过程。,(2)根据物理量的变化趋势判断:当电容器的带电量q(电压U、场强E)增大或电流i(磁场B)减小时,处于充电过程;反之,处于放电过程。(3)根据能量判断:电场能增加时充电,磁场能增加时放电。,知识点二对LC电路电磁振荡周期(频率)公式的理解思考探究:如图所示为一LC振荡电路,LC振荡电路的振荡周期与哪些因素有关?提示:LC振荡电路的振荡周期与线圈自感系数L和电容器的电容有关。,【归纳总结】1.影响电磁振荡周期(频率)的因素:(1)由电磁振荡的周期公式T=知,要改变电磁振荡的周期和频率,必须改变线圈的自感系数L或者电容器的电容C。(2)影响线圈自感系数L的有:线圈的匝数、有无铁芯及线圈横截面积和长度。匝数越多,自感系数L越大,有铁芯的自感系数比无铁芯的大。,(3)影响电容器电容的有:两板正对面积S,两板间介电常数,以及两板间距d,由C=(平行板电容器电容),不难判断、S、d变化时,电容C的变化。,2.LC回路中各物理量的变化周期:(1)LC回路中的电流i、线圈中的磁感应强度B、电容器极板间的电场强度E的变化周期就是LC回路的振荡周期T=,在一个周期内上述各量方向改变两次。(2)电容器极板上所带的电荷量,其变化周期也是振荡周期T=,极板上电荷的电性在一个周期内改变两次。,(3)电场能、磁场能也在做周期性变化,但是它们是标量没有方向,所以变化周期T是振荡周期T的一半,即T=,【特别提醒】(1)LC振荡电路一经确定,振荡周期和频率就确定了。(2)一般通过改变电路中电容器的电容来改变振荡电路的周期和频率。,【典例示范】在LC振荡电路中,用以下哪种办法可以使振荡频率增大一倍()A.自感线圈的电感L和电容器极板面积都增大一倍B.自感线圈的电感L增大一倍,电容器极板距离增大一倍C.自感线圈的电感L减小一半,电容器极板面积增大一倍D.自感线圈的电感L和电容器极板面积都减小一半,【正确解答】选D。LC振荡电路的周期T和频率f只与自感系数L和电容C有关,与其他因素无关,则T=,f=,其中:C=,即C与正对面积S、板间距离d及介电常数有关。,【过关训练】1.如图所示,LC电路的L不变,C可调,要使振荡的频率从700Hz变为1400Hz,则可以采用的办法有()A.把电容增大到原来的4倍B.把电容增大到原来的2倍C.把电容减小到原来的D.把电容减小到原来的,【解析】选D。由题意,频率变为原来的2倍,则周期就变为原来的,由T=,L不变,当C=时符合要求。,2.(多选)电子钟是利用LC振荡电路来工作计时的,现发现电子钟每天要慢0.3s,造成这一现象的原因可能是()A.电池用久了B.振荡电路中电容器的电容大了C.振荡电路中线圈的电感大了D.振荡电路中电容器的电容小了,【解析】选B、C。LC振荡回路的周期T=,由此公式可知电子钟的周期由电感和电容共同决定,与其他因素无关。故B、C正确,A、D错误。,【补偿训练】1.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,【解析】选D。由LC振荡电路的频率公式f=可知,增大固有频率f的办法是减小L或减小C或同时减小L和C。电容器两极板的正对面积增大,则C增大;正对面积减小,则C减小。在线圈中放入铁芯或增加线圈的匝数,则L增大;减小线圈的匝数,则L减小。综上可知只有选项D是正确的。,2.如图所示,LC振荡电路中电容器的电容为C,线圈的自感系数为L,电容器在图示时刻的电荷量为Q。若图示时刻电容器正在放电,至放电完毕所需时间为;若图示时刻电容器正在充电,则充电至最大电荷量时间为(),【解析】选C。LC振荡电路在一个周期内电容器会两次充电、两次放电,每次充电或放电时间均为。据题意,电容器电荷量由Q减小到零,需时间为说明电容器由最大电荷量放电到Q需时间为则由电量Q充电至最大电荷量所需时间同样为。,【拓展例题】考查内容:用周期公式求自感系数【典例示范】在LC振荡电路中,如已知电容C,并测得电路的固有振荡周期为T,即可求得电感L。为了提高测量精度,需多次改变C值并测得相应的T值。现将测得的六组数据标示在以C为横坐标,以T2为纵坐标的坐标纸上,即图中用“”表示的点,如图所示。,(1)T、L、C的关系为_。(2)根据图中给出的数据点作出T2与C的