鲁科版物理选修3-4配套学案第3章第1节电磁波的产生Word版含答案

第1节电磁波的产生1.了解电磁振荡的概念，知道什么是振荡电流和LC振荡电路，理解振荡电流产生的过程和能量转化情况．(重点＋难点)2．知道什么是电磁振荡的周期和频率，知道LC电路的周期和频率公式．(重点)3.理解麦克斯韦电磁场理论的两个要点，了解电磁场与电磁波的联系和区别以及电磁波的特点．(重点)4.了解赫兹实验的原理及意义．一、电磁振荡1．振荡电流：大小和方向都周期性变化的电流．2．振荡电路：产生振荡电流的电路．由电感线圈L和电容器C所组成的电路就是一种基本的振荡电路，叫做LC振荡电路．3．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逐渐减少，电容器里的电场逐渐减弱，线圈的磁场逐渐增强，电场能逐渐转化为磁场能，振荡电流逐渐增大，放电完毕，电流达到最大，电场能全部转化为磁场能．(2)充电过程：电容器放电完毕后，由于线圈的自感作用，电流保持原方向逐渐减小，电容器将进行反向充电，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．此后，这样充电和放电的过程反复进行下去．4．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，与振荡电流相联系的电场和磁场也周期性交替变化，电场能和磁场能相互转化．5．电磁振荡的周期和频率(1)一次全振荡：发生电磁振荡时，通过电路中某一点的电流，由某方向的最大值再恢复到同一个方向的最大值，就完成了一次全振荡．(2)电磁振荡的周期T：完成一次全振荡的时间．(3)电磁振荡的频率f：在1s内完成全振荡的次数．6．LC电路的周期和频率(1)公式：T＝2πeq\r(LC)，f＝eq\f(1,2π\r(LC))．(2)单位：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.1．(1)在LC振荡电路中，回路中电流值最大时刻，回路中磁场能最大．()(2)在LC振荡电路中，电容器放电完毕时刻，回路中磁场能最小．()(3)振荡电流的大小和方向均不断变化．()(4)电磁振荡的固有周期与电流的变化有关．()提示：(1)√(2)×(3)√(4)×二、麦克斯韦的预言与赫兹的实验1．麦克斯韦电磁场理论(1)变化的磁场周围产生电场麦克斯韦提出，在变化的磁场周围会激发出一种电场——涡旋电场，不管有无闭合电路，变化的磁场激发的涡旋电场总是存在的，如图所示．(2)变化的电场周围产生磁场麦克斯韦从场的观点得出，即使没有电流存在，只要空间某处的电场发生变化，就会在其周围产生涡旋磁场．如图所示．(3)变化的电场和磁场是相互联系的，形成一个不可分离的统一场，这就是电磁场．2．电磁波(1)电磁波的产生变化的电场周围产生变化的磁场，变化的磁场周围产生变化的电场，变化的电场和变化的磁场相互联系在一起，就会在空间形成一个统一的、不可分割的电磁场．这种在空间交替变化并传播出去的电磁场就形成了电磁波．(2)电磁波的特点①电磁波是横波，电磁波在空间传播不需要介质．②电磁波的波长、频率、波速的关系：v＝λf，在真空中，电磁波的速度c＝3.0×108m/s.(3)电磁波能产生反射、折射、干涉和衍射等现象．3．赫兹实验(1)赫兹实验装置(如图所示)．(2)实验现象：当感应圈两个金属球间有火花跳过时，导线环两个小球间也跳过火花．(3)现象分析：当感应圈使得与它相连的两个金属球间产生电火花时，空间出现了迅速变化的电磁场．这种电磁场以电磁波的形式在空间传播．当电磁波到达导线环时，它在导线环中激发出感应电动势，使得导线环的空隙中也产生了火花．4．实验结论：赫兹证实了电磁波的存在．2．(1)电磁波是横波．()(2)麦克斯韦预言了电磁波的存在，赫兹用实验证实了电磁波的存在．()(3)变化的电场产生变化的磁场，变化的磁场产生变化的电场．()提示：(1)√(2)√(3)×电磁振荡中各物理量的对应变化1．用图象对应分析i、q如图2．振荡过程中相关物理量的对应关系时刻(时间)工作过程qEiB能量0放电瞬间qmEm00E电最大E磁最小0→eq\f(T,4)放电过程qm→0Em→00→im0→BmE电→E磁eq\f(T,4)放电结束00imBmE电最小E磁最大eq\f(T,4)→eq\f(T,2)充电过程0→qm0→Emim→0Bm→0E磁→E电eq\f(T,2)充电结束qmEm00E电最大E磁最小eq\f(T,2)→eq\f(3T,4)放电过程qm→0Em→00→im0→BmE电→E磁eq\f(3T,4)放电结束00imBmE电最小E磁最大eq\f(3T,4)→T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3.几个关系(1)同步同变关系在LC振荡回路发生电磁振荡的过程中，电容器上的物理量：电荷量q、板间电压U、电场强度E、电场能E电是同时同向变化的，即：q↓→U↓→E↓→E电↓(或q↑→U↑→E↑→E电↑)振荡线圈上的物理量：振荡电流i、磁感应强度B、磁场能E磁也是同步同向变化的，即：i↓→B↓→E磁↓(或i↑→B↑→E磁↑)．(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、E电与线圈中的三个物理量i、B、E磁是同步异向变化的，即q、E、E电同时减小时，i、B、E磁同时增大，且它们的变化是同步的，即：q、E、E电↑eq\o(→,\s\up7(同步异向变化))i、B、E磁↓.在振荡电路中，电容器极板上的电荷量与电压、电路中的电流，都是按正弦(或余弦)规律变化的，它们相对时间的变化是不均匀的——在最大值处变化率最小，在零值处变化率最大．(多选)如图表示LC振荡电路某时刻的情况，以下说法正确的是()A．电容器正在充电B．电容器两极板间的电压正在增大C．电感线圈中的电流正在增大D．此时刻自感电动势正在阻碍电流减增大eq\a\vs4\al([思路点拨]\x(电流的磁场方向)→电流方向)→eq\x(判断电容器充、放电)→eq\x(判断电流增大或减小)[解析]由电流的磁场方向可判断线圈中电流从上往下看是逆时针方向，又电容器上极板带正电，可知电容器在放电，两极板间电压减小，电路中的电流在增大，此时刻自感电动势阻碍电流增大，故A、B错误，C、D正确．[答案]CD1.如图是一个LC振荡电路中的电流变化图线，根据图线可判断()A．t1时刻电感线圈两端电压最大B．t2时刻电容器两极板间电压为零C．t1时刻电路中只有电场能D．t1时刻电容器带电荷量为零解析：选D.由图象知，计时开始时，电容器两极板间带电荷量最大，电流为零，电容器开始放电，根据电流随时间的变化规律可以在图中画出q－t图象(在解析图中用虚线表示)．根据图象分析可知：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．故选D.LC振荡电路的周期1．影响电磁振荡的周期和频率的因素由电磁振荡的周期公式T＝2πeq\r(LC)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.影响线圈自感系数L的是：线圈的匝数、有无铁芯及线圈截面积和长度．线圈的匝数越多，自感系数L越大，有铁芯的自感系数比无铁芯的大．影响电容器电容的是：两极板正对面积S、两极板间介质的介电常数ε以及两极板间距d，由C＝eq\f(εS,4πkd)(平行板电容器的电容)，不难判断ε、S、d变化时，电容C的变化情况．一般来讲，由于电容器两极板间的正对面积的改变较为方便，只需将可变电容器的动片旋出或旋入，便可改变电容C的大小，所以通常用改变电容器正对面积的方法来改变LC振荡电路的周期和频率．2．LC回路中各物理量的周期(1)电感线圈L和电容器C在LC振荡电路中既是能量的转换器，又决定着这种转换的快慢，L或C越大，能量转换时间也越长，故周期也越长．(2)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振荡电路的振荡周期T＝2πeq\r(LC).在一个周期内，上述各量方向改变两次；电容器极板上所带的电荷量，其变化周期也是振荡周期T＝2πeq\r(LC)，极板上电荷的电性在一个周期内改变两次；电场能、磁场能也在做周期性变化，但是它们的变化周期是振荡周期的一半，即T′＝eq\f(T,2)＝πeq\r(LC).如图所示的振荡电路中，自感系数L＝300μH，电容C的范围为25～270pF，求：(1)振荡电流的频率范围；(2)若自感系数L＝10mH，要产生周期T＝0.02s的振荡电流，应配置多大的电容？[思路点拨]求解本题时应注意，电容最小时对应的振荡电流的频率最大，电容最大时振荡电流的频率最小．[解析](1)由f＝eq\f(1,2π\r(LC))得：fmax＝eq\f(1,2π×\r(300×10－6×25×10－12))Hz＝1.8×106Hzfmin＝eq\f(1,2π×\r(300×10－6×270×10－12))Hz＝0.56×106Hz所以频率范围为0.56×106～1.8×106Hz.(2)由T＝2πeq\r(LC)得：C＝eq\f(T2,4π2L)＝eq\f(0.022,4π2×10×10－3)F＝10－3F.[答案](1)0.56×106～1.8×106Hz(2)10－3F2.如图所示电容器的电容都是C＝4×10－6F，电感都是L＝9×10－4H，图甲中开关S先接a，充电结束后将S扳到b；图乙中开关S先闭合，稳定后断开．两图中LC回路在电磁振荡t＝3.14×10－4s时刻，C1的上极板正在________电(选填“充”或“放”)，带________电(选填“正”或“负”)；L2中的电流方向向________(选填“左”或“右”)，磁场能正在________(选填“增大”或“减小”)．解析：先由周期公式求出T＝2πeq\r(LC)＝1.2π×10－4s，t＝3.14×10－4s时刻是开始振荡后的eq\f(5,6)T，再看图甲电路对应的q－t图象(以上极板带正电为正)和图乙电路对应的i－t图象(以LC电路中电流逆时针方向为正)，图象都为余弦函数图象，如图所示．在eq\f(5,6)T时刻，从图甲电路对应的q－t图象看出，上极板正在充电；从图乙电路对应的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．答案：充正左增大对麦克斯韦电磁场理论的理解1．变化的磁场产生电场如图所示，当穿过螺线管的磁场随时间变化时，上面线圈中串联的灯泡发光，说明线圈中产生了感应电流．麦克斯韦认为，线圈中产生感应电流的原因是变化的磁场在线圈中产生了电场．线圈中的自由电荷在电场力作用下做定向移动从而形成电流．在变化的磁场周围产生电场，是一种普遍存在的现象，而场本身是一种看不见摸不着的物质，跟闭合电路(导体环)是否存在无关，导体环的作用是显示电流的存在．2．变化的电场产生磁场在给电容器充电的时候，不仅导体中的电流产生磁场，而且，在电容器极板间变化的电场周围也要产生磁场．静止的电荷产生静电场，那么运动的电荷周围的电场应该是变化的．电流是电荷定向移动形成的，说明导体中存在变化的电场，电流周围的磁场一定是这个变化的电场产生的，即变化的电场产生磁场．3．麦克斯韦理论的概括eq\a\vs4\al(变化的磁场,产生电场)eq\b\lc\{(\a\vs4\al\co1(（1）恒定的磁场不产生电场；,（2）均匀变化的磁场产生恒定的电场；,（3）振荡的磁场产生同周期振荡的电场.))eq\a\vs4\al(变化的电场,产生磁场)eq\b\lc\{(\a\vs4\al\co1(（1）恒定的电场不产生磁场；,（2）均匀变化的电场产生恒定的磁场；,（3）振荡的电场产生同周期振荡的磁场.))关于电磁场的理论，下列说法正确的是()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[思路点拨]深刻理解麦克斯韦电磁场理论中“变化”的含义．[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，故A选项错误，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．故B、C错，D正确．故选D.[答案]D麦克斯韦电磁场理论依据是电磁感应．理解时要注意静电场(或静磁场)不产生磁场(或电场)，其核心在“变化”，要根据电场(或磁场)的变化情况来确定所产生的磁场(或电场).3.关于电磁场和电磁波，下列说法正确的是()A．电磁波有横波，也有纵波B．电磁波不可能在墙体内传播C．发射电路的电磁振荡停止，则传播出去的电磁波立即消失D．电磁波中电场和磁场的方向处处垂直解析：选D.电磁波中，电场强度与磁感应强度均与传播方向相互垂直，电磁波是横波，没有纵波，A错误，D正确；电磁波在真空和介质中均能传播，B错误；发射电路的电磁振荡停止时，虽不再发射电磁波，但已发射出去的电磁波还要继续传播，C错误．典型问题——电磁波和机械波的比较1．电磁波和机械波的共同点(1)二者都能产生干涉和衍射．(2)二者在不同介质中传播时频率不变．(3)二者都满足波的公式v＝eq\f(λ,T)＝λf.2．电磁波和机械波的区别(1)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．(2)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．(3)电磁波传播不需要介质，而机械波传播需要介质．(4)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．类比是一种有效的学习方法，通过归类和比较，有助于掌握新知识，提高学习效率．在类比过程中，既要找出共同之处，又要抓住不同之处．某同学对