4.1电磁振荡（原卷版）

第四章电磁振荡与电磁波第1节电磁振荡【科技前沿】中国电科实现太赫兹振荡器辐射源1T赫兹频率突破中国电科网络通信研究院在国内首批实现太赫兹振荡器(RTO)辐射源1T赫兹(Hz)频率突破。这一重要成果可应用于太赫兹源、振荡器、上下变频器、调制器、高灵敏外差式太赫兹探测系统等领域，为未来太赫兹高速通信和探测设备的小型化提供良好技术支撑，并将产生巨大的经济效益和社会效益。中国电科介绍说，太赫兹通信是未来6G通信的关键技术之一，基于电子学的太赫兹高速无线通信系统，目前是国际上太赫兹科学研究中最为突出的一个方向。【核心素养目标】物理观念知道什么是振荡电流和振荡电路.科学思维知道LC振荡电路中振荡电流的产生过程，知道电磁振荡过程中的能量转化情况.科学探究知道LC电路的周期和频率公式，并会进行相关的计算．科学态度与责任通过电磁振荡知识应用的实例，感受物理中科学技术与社会的紧密联系，体会科学知识的应用价值，进一步增强学生的学习动力和科学意识。知识点一电磁振荡的产生及能量变化【情境导入】如图所示，将开关S掷向1，先给电容器充电，再将开关掷向2.(1)电容器通过线圈放电过程中，线圈中的电流怎样变化？电容器的电场能转化为什么形式的能？(2)在电容器反向充电过程中，线圈中的电流如何变化？电容器和线圈中的能量是如何转化的？(3)线圈中自感电动势的作用是什么？【知识梳理】1．振荡电流：大小和方向都做迅速变化的电流．2．振荡电路：能产生的电路．最简单的振荡电路为LC振荡电路．3．LC振荡电路电容器的放电、充电过程(1)电容器放电：由于线圈的作用，放电电流不会立刻达到最大值，而是由零逐渐增大，同时电容器极板上的电荷逐渐．放电完毕时，极板上没有电荷，放电电流达到．该过程电容器的电场能全部转化为线圈的磁场能．(2)电容器充电：电容器放电完毕时，由于线圈的作用，电流并不会立即减小为零，而要保持原来的方向继续流动，并逐渐减小，电容器开始，极板上的电荷逐渐，电流减小到零时，充电结束，极板上的电荷最多．该过程中线圈的磁场能又全部转化为电容器的电场能．4．电磁振荡的实质在电磁振荡过程中，电路中的电流i、电容器极板上的电荷量q、电容器里的电场强度E、线圈里的磁感应强度B，都在，电场能和磁场能也随着发生周期性的．【重难诠释】1．各物理量随时间的变化图像：振荡过程中电流i、极板上的电荷量q之间的对应关系．(如图)2．相关量与电路状态的对应情况电路状态abcde时刻t0eq\f(T,4)eq\f(T,2)eq\f(3T,4)T电荷量q最多0最多0最多电场能EE最大0最大0最大电流i0正向最大0反向最大0磁场能EB0最大0最大03.(1)在LC振荡电路发生电磁振荡的过程中，与电容器有关的物理量：电荷量q、电场强度E、电场能EE是同步变化的，即q↓→E↓→EE↓(或q↑→E↑→EE↑)．与线圈有关的物理量：振荡电流i、磁感应强度B、磁场能EB也是同步变化的，即i↓→B↓→EB↓(或i↑→B↑→EB↑)．(2)在LC振荡过程中，电容器上的三个物理量q、E、EE增大时，线圈中的三个物理量i、B、EB减小，即q、E、EE↑eq\o(→,\s\up7(异向变化))i、B、EB↓.【典例精析】例1．例1．如图所示的无线话筒是一个将声信号转化为电信号并发射出去的装置，其内部电路中有一部分是振荡电路。若话筒使用时，某时刻，话筒中振荡电路中磁场方向如图所示，且电流正在减小，下列说法正确的是（）A．电容器正在放电，极板上的电荷量正在减少B．电容器下板带负电C．俯视看，线圈中电流沿逆时针方向D．电场能正在向磁场能转化【规律方法】1．判断电容器是充电还是放电，一般依据电流的方向，电流由正极板流出为放电，向正极板流入为充电．2．判断电场能和磁场能的转化要依据电流的增减或极板上电荷量的增减．3．自感电动势的作用是阻碍电流的增大还是阻碍电流的减小，可依据放电电流不断增大，充电电流不断减小来判断．变式训练1如图所示，像表示LC振荡电路的电流随时间变化的图像，在时刻，回路中电容器的M板带正电，在某段时间里，回路的磁场能在增大，而M板仍带正电，则这段时间对应图像中（）A．段 B．段 C．段 D．段知识点二电磁振荡的周期和频率【情境导入】如图所示的电路．(1)如果仅更换电感L更大的线圈，将开关S掷向1，先给电容器充电，再将开关掷向2，电容器通过线圈放电，线圈因自感现象产生的自感电动势是否更大？“阻碍”作用是否也更大？由于延缓了振荡电流的变化，振荡周期T会怎样变化？(2)如果仅更换电容C更大的电容器，将开关S掷向1，先给电容器充电，电容器的带电荷量是否增大？再将开关掷向2，电容器通过线圈放电，放电时间是否相应地变长？振荡周期T是否变长？【知识梳理】1．电磁振荡的周期T：电磁振荡完成一次需要的时间．2．电磁振荡的频率f：完成周期性变化的次数与所用时间之比，数值等于单位时间内完成的的次数．如果振荡电路没有能量损耗，也不受其他外界条件影响，这时的周期和频率叫作振荡电路的周期和频率．3．LC电路的周期和频率公式：T＝2πeq\r(LC)，f＝eq\f(1,2π\r(LC)).其中：周期T、频率f、电感L、电容C的单位分别是秒(s)、赫兹(Hz)、亨利(H)、法拉(F)．【重难诠释】1．LC电路的周期和频率公式：T＝2πeq\r(LC)，f＝eq\f(1,2π\r(LC)).2．说明：(1)LC电路的周期、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，所以称为LC电路的固有周期和固有频率．(2)电路中的电流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)；而电场能、磁场能变化周期是振荡周期的一半，即T′＝eq\f(T,2)＝πeq\r(LC).【典例精析】例2．如图所示，L为电感线圈，C为电容器，R为定值电阻，线圈及导线电阻均不计。先闭合开关S，稳定后，再将其断开，并规定此时。当时，LC回路中电感线圈L通过的电流第一次达到0，则（）A．LC电路的振荡周期为B．时电容器中电场最强C．至回路中电场能减小磁场能增大D．时回路中电流沿顺时针方向变式训练2某个智能玩具的声响开关与LC电路中的电流有关，如图所示为玩具内的LC振荡电路部分。已知线圈自感系数L=2.5×103H，电容器电容C=4μF，在电容器开始放电时（取t=0），上极板带正电，下极板带负电，则（）A．LC振荡电路的周期B．当时，电容器上极板带正电C．当时，电路中电流方向为顺时针D．当时，电场能正转化为磁场能针对训练一、单选题1．为营造更为公平公正的高考环境，“反作弊”工具金属探测仪（如图甲所示）被各考点广为使用。如图乙所示为探测仪的内部结构，由线圈与电容器构成LC振荡电路，当探测仪检测到金属物体时，探测仪的蜂鸣器发出声响。已知某时刻，探测仪中电路里的电流方向由b流向a，且电流正在减小，则下列说法正确的是（）A．此时线圈的自感电动势正在减小B．此时线圈的磁场能转化为电场能C．探测仪靠近金属时，金属被磁化D．若探测仪与金属保持相对静止，则金属中不会产生感应电流2．如图所示，单刀双掷开关S先打到a端让电容器充满电。时开关S打到b端，时LC回路中电容器下极板带正电荷且电荷量第一次达到最大值。则（）A．LC回路的周期为B．LC回路的电流最大时电容器中电场能最大C．时线圈中电场能最大D．时回路中电流沿顺时针方向3．图甲为LC振荡电路，通过P点的电流如图乙，P点电流向左为正，下列说法正确的是（）A．电容器上极板带正电B．电容器中的电场能增大C．在时刻，线圈中的磁场能最大D．增大电容器两板间距，振荡电流的周期将减小4．某时刻，LC振荡电路的状态如图所示（电流流向电容器带正电的极板），则下列判断中正确的是（）A．振荡电流在减小 B．线圈中的磁场在增强C．电容器极板上的电荷在减少 D．电场能在向磁场能转化5．如图所示电路中，电容器的电容为C，电感线圈的自感系数为L，线圈的电阻忽略不计，原来开关S闭合，现从开关S断开的瞬间开始计时，以下说法正确的是（）A．时刻，电容器的左板带负电，右板带正电B．时刻，线圈L的感应电动势为零C．时刻，通过线圈L的电流最大，方向向左D．时刻，电容器C两极板间电压最大6．在LC振荡电路产生电磁振荡的过程中，下列说法正确的是（）A．电容器放电完毕时刻，电路中磁场能最小B．电路中电流值最大时刻，电路中磁场能最小C．电容器极板上电荷量最多时，电场能最大D．电路中电流值最小时刻，电场能最小7．如图所示，单刀双掷开关S先置于a端。当时刻开关S置于b端，若LC振荡电路的周期。下列说法正确的是（）A．时回路中的电流顺时针方向达到最大值B．时电感线圈中的自感电动势值最小C．时间内，电容器极板间电场方向竖直向上且逐渐增大D．时间内，线圈中的磁场能逐渐减小8．把线圈、电容器、电源和单刀双掷开关按照图示连成电路。把示波器的两端连在电容器的两个极板上。先把开关置于电源一侧为电容器充电；稍后再把开关置于线圈一侧，从此刻开始计时，电容器通过线圈放电（规定逆时针方向为电流的正方向）。电路工作过程中，同时会向外辐射电磁波，则电压Uab和电流随时间t变化的波形正确的是（）A．

B．

C．

D．

二、多选题9．如图所示，单刀双掷开关S先置于端，在时刻开关S置于端，若振荡电路的周期。下列说法正确的是（）A．时电路中的电流逆时针方向达到最大值B．时电感线圈中的自感电动势值最小C．时间内，电容器极板间电场方向竖直向下且逐渐增大D．时间内，线圈中的磁场能逐渐增大10．在如图所示的电路中，L是直流电阻可以忽略的电感线圈，闭合开关S，电路稳定后突然断开开关S并开始计时，已知LC振荡电路的振荡周期为T，则在时间内（

）A．电容器在放电 B．电场能转化为磁场能C．A板所带的负电荷减少 D．L产生的自感电动势减小11．如图所示为一款地下金属探测仪，探测仪内部结构可简化为线圈与电容器构成的LC振荡电路，当探测仪检测到附近有金属物时，探测仪连接的蜂鸣器会发出声响。已知如图，探测仪中电路里的电流强度正在增加过程中，则下列说法错误的是（）A．电流的方向由D向左流向CB．此过程是放电过程，且如果此时是放电结束时，线圈的自感电动势最大C．A极板带正电，AB内电场强度增大D．如果线圈中插入铁芯，振荡电路的周期变大12．图甲为超声波悬浮仪，上方圆柱体中，高频电信号（由图乙电路产生）通过压电陶瓷转换成同频率的高频声信号，发出超声波，下方圆柱体将接收到的超声波信号反射回去。两列超声波信号叠加后，会出现振幅几乎为零的点—