浙江专版2024年高中物理第十四章电磁波第12节电磁波的发现电磁振荡讲义含解析新人教版选修3-4

PAGE12-电磁波的发觉电磁振荡宏大的预言[探新知·基础练]1．变更的磁场产生电场试验基础：如图所示，在变更的磁场中放一个闭合电路，电路里就会产生感应电流。麦克斯韦对该问题的见解：电路里有感应电流产生，肯定是变更的磁场产生了电场，自由电荷在电场的作用下发生了定向移动。该现象的实质：变更的磁场产生了电场。2．变更的电场产生磁场麦克斯韦大胆地假设，既然变更的磁场能产生电场，变更的电场也会在空间产生磁场。[辨是非](对的划“√”，错的划“×”)1．变更的磁场会产生变更的电场。(×)2．变更的电场会产生磁场。(√)3．电场四周肯定存在磁场，磁场四周肯定存在电场。(×)[释疑难·对点练]1．对麦克斯韦电磁场理论的理解恒定的电场不产生磁场恒定的磁场不产生电场匀称变更的电场在四周空间产生恒定的磁场匀称变更的磁场在四周空间产生恒定的电场不匀称变更的电场在四周空间产生变更的磁场不匀称变更的磁场在四周空间产生变更的电场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2.对电磁场的理解(1)电磁场的产生：假如在空间某区域有周期性变更的电场，那么这个变更的电场在它四周空间产生周期性变更的磁场；这个变更的磁场又在它四周空间产生新的周期性变更的电场……变更的电场和变更的磁场交替产生，形成了不行分割的统一体，这就是电磁场。(2)电磁场与静电场、静磁场的比较：三者可以在某空间混合存在，但由静电场和静磁场混合的空间不属于电磁场。电磁场是电场、磁场相互激发，相互耦联形成的统一体。[试身手]1．(多选)某电路的电场随时间变更的图象如图所示，能产生磁场的电场是()解析：选BCD题图A中电场不随时间变更，不产生磁场；题图B和题图C中电场都随时间做匀称变更，能产生稳定的磁场；题图D中电场随时间做不匀称的变更，能在四周空间产生变更的磁场。电磁波[探新知·基础练]1．电磁波的产生假如空间某区域存在不匀称变更的电场，那么它就会在空间引起不匀称变更的磁场，这一不匀称变更的磁场又引起不匀称变更的电场——于是变更的电场和变更的磁场交织产生，由近及远向四周传播，形成电磁波。2．电磁波是横波依据麦克斯韦的电磁场理论，电磁波中的电场强度和磁感应强度相互垂直，而且二者均与波的传播方向垂直，因此电磁波是横波。3．电磁波的速度麦克斯韦指出了光的电磁本性，他预言电磁波的速度等于光速。4．电磁波的验证1886年，赫兹用试验证明白麦克斯韦预言的正确性，第一次捕获到了电磁波。(1)赫兹的试验装置，如图所示(2)试验现象：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，空间出现了快速变更的电磁场。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。[辨是非](对的划“√”，错的划“×”)1．麦克斯韦预言了电磁波的存在。(√)2．赫兹用试验证明白电磁波的存在。(√)3．电磁波的传播须要介质，不能在真空中传播。(×)[释疑难·对点练]电磁波与机械波的比较电磁波是电磁现象，机械波是力学现象，两种波因产朝气理不同，除具有波的共性外，还有不同之处。机械波电磁波探讨对象力学现象电磁现象周期性位移随时间和空间做周期性变更电场强度E和磁感应强度B随时间和空间做周期性变更传播状况传播须要介质，波速与介质有关，与频率无关传播无需介质，在真空中波速总等于光速c，在介质中传播时，波速与介质及频率都有关产朝气理由(波源)质点的振动产生由电磁振荡(周期性变更的电流)激发是否横波可以是是是否纵波可以是否干涉现象满意干涉条件时均能发生干涉现象衍射现象满意衍射条件时均能发生明显衍射[试身手]2．(多选)关于电磁波与机械波，下列说法正确的是()A．电磁波传播不须要介质，机械波传播须要介质B．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都相同C．电磁波和机械波都不能发生干涉D．电磁波和机械波都能发生衍射解析：选AD电磁波的波速与介质和频率都有关，传播时无需介质，而机械波的传播速度只与介质有关，传播时须要介质，故A对，B错；电磁波和机械波都具有波的一些特征，包括干涉和衍射，故C错，D对。电磁振荡[探新知·基础练]1．振荡电流和振荡电路(1)振荡电流：大小和方向都做周期性快速变更的电流。(2)振荡电路：产生振荡电流的电路。最简洁的振荡电路为LC振荡电路。2．电磁振荡的过程放电过程：由于线圈的自感作用，放电电流由零渐渐增大，电容器极板上的电荷渐渐变少，电容器里的电场渐渐减弱，线圈的磁场渐渐增加，电场能渐渐转化为磁场能，振荡电流渐渐增大，放电完毕，电流达到最大，电场能全部转化为磁场能。充电过程：电容器放电完毕后，由于线圈的自感作用，电流保持原来的方向渐渐减小，电容器将进行反向充电，线圈的磁场渐渐减弱，电容器里的电场渐渐增加，磁场能渐渐转化为电场能，振荡电流渐渐减小，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。3．电磁振荡的实质在电磁振荡过程中，电容器极板上的电荷量，电路中的电流及与振荡电流相联系的电场和磁场都在周期性的变更，电场能和磁场能周期性的转化。4．电磁振荡的周期和频率(1)周期：电磁振荡完成一次周期性变更须要的时间。(2)频率：1s内完成的周期性变更的次数。假如振荡电路没有能量损失，也不受其他外界影响，这时的周期和频率分别叫做固有周期、固有频率。(3)周期和频率公式：T＝2πeq\r(LC)，f＝eq\f(1,2π\r(LC))。[辨是非](对的划“√”，错的划“×”)1．当振荡电路中流过电感线圈的电流最大时，其两端电压最大。(×)2．LC振荡电路是产生振荡电流最简洁的振荡电路。(√)3．大小和方向做周期性变更的电流叫振荡电流。(×)[释疑难·对点练]振荡过程中各物理量的变更状况给LC回路供应能量后，利用电容器的充放电作用和线圈产生自感的作用，使LC回路中产生振荡电流，同时电容器极板上电荷q及与q相关联的电场(E，U，E电)，通电线圈的电流i及与i相关联的磁场(B，E磁)都发生周期性变更的现象，称电磁振荡。其中，产生的大小和方向都周期性变更的电流称振荡电流。产生振荡电流的电路称振荡电路。最简洁的振荡电路是LC振荡电路。(1)各物理量变更状况一览表：带电荷量q电场强度E电势差U电场能电流i磁感应强度B磁场能0→eq\f(T,4)电容器放电减小减小减小减小增大增大增大t＝eq\f(T,4)时刻0000最大最大最大eq\f(T,4)→eq\f(T,2)反向充电增大增大增大增大减小减小减小t＝eq\f(T,2)时刻最大最大最大最大000eq\f(T,2)→eq\f(3T,4)反向放电减小减小减小减小增大增大增大t＝eq\f(3T,4)时刻0000最大最大最大eq\f(3T,4)→T电容器充电增大增大增大增大减小减小减小(2)振荡电流、极板带电荷量随时间的变更图象：[试身手]3．(多选)在LC回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，回路中磁场能最小B．回路中电流值最大时刻，回路中磁场能最大C．电容器极板上电荷最多时，电场能最大D．回路中电流值最小时刻，电场能最小解析：选BC电容器放电完毕时，q＝0，但此时i最大，所以磁场能最大，则A错；电流最小i＝0时，q最多，极板间电场最强，电场能最大，则D错；同理分析，选项B、C对。麦克斯韦电磁场理论[典例1]依据麦克斯韦电磁场理论，下列说法正确的是()A．有电场的空间肯定存在磁场，有磁场的空间也肯定能产生电场B．在变更的电场四周肯定产生变更的磁场，在变更的磁场四周肯定产生变更的电场C．匀称变更的电场四周肯定产生匀称变更的磁场D．周期性变更的磁场四周空间肯定产生周期性变更的电场[解析]选D依据麦克斯韦电磁场理论，只有变更的电场才能产生磁场，匀称变更的电场产生恒定的磁场，非匀称变更的电场产生变更的磁场，只有D正确。电磁波与机械波的比较[典例2](多选)电磁波和声波比较，下列说法正确的是()A．电磁波的传播不须要介质，声波的传播须要介质B．由空气进入水中时，电磁波的速度变小，声波的速度变大C．由空气进入水中时，电磁波的波长变小，声波的波长变大D．由空气进入水中时，电磁波的频率变小，声波的频率变大[解析]选ABC选项A、B与事实相符，电磁波本身是物质的，传播不须要介质，而机械波的传播必需借助介质，机械波的波速由介质确定，电磁波进入介质后的传播遵守折射原理，A、B正确；不论是电磁波还是机械波，传播过程中频率是不变的，选项D错误；由公式λ＝eq\f(v,f)可知C正确。电磁波和机械波都遵守波长、波速、频率的关系公式λ＝eq\f(v,f)，电磁波进入介质遵守公式n＝eq\f(c,v)。电磁振荡过程的分析[典例3]LC振荡中，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．若电容器正在放电，则电容器上极板带负电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C该题图中标明白电流的磁场方向，由安培定则可推断出振荡电流在线圈中逆时针(俯视)流淌。若该时刻电容器上极板带正电，则可知电容器处于充电阶段，电流正在减小，知A选项正确；若该时刻电容器上极板带负电，则可知电容器正在放电，电流正在增大，知B选项正确；由楞次定律知D选项正确。错误选项只有C。[典例4]如图所示是一个LC振荡电路中电流的变更图线，以下说法正确的是()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时刻电容器所带电荷量为零[解析]选D由题图可知t1时刻电流i最大，说明放电结束，磁场能最大，电场能为零，电压、电荷量均为零。t2时刻电流i最小，说明还没放电，则磁场能为零，电场能最大，电压、电荷量均最大。综上所述，只有D正确。[课堂对点巩固]1．下列关于电磁波的说法正确的是()A．匀称变更的磁场能够在空间产生电场B．电磁波在真空和介质中传播速度相同C．只要有电场和磁场，就能产生电磁波D．电磁波在同种介质中只能沿直线传播解析：选A由麦克斯韦电磁场理论知A正确；电磁波在真空中传播速度最大，为c＝3×108m/s，在介质中传播速度v＝eq\f(c,n)，n为介质折射率，选项B错误；匀称变更的电场或磁场，不能产生电磁波，选项C错误；电磁波只有在同种匀称介质中才沿直线传播，选项D错误。2．某同学对机械波和电磁波进行类比，总结出下列内容，其中不正确的是()A．机械波的频率、波长和波速三者满意的关系，对电磁波也适用B．机械波和电磁波都能产生干涉和衍射现象C．机械波的传播依靠于介质，而电磁波可以在真空中传播D．机械波既有横波又有纵波，而电磁波只有纵波解析：选D波长、波速、频率的关系对任何波都是成立的，对电磁波也成立，故A正确；干涉和衍射是波的特性，机械波、电磁波都是波，这些特性都具有，故B正确；机械波是机械振动在介质中传播形成的，所以机械波的传播须要介质，而电磁波是交替变更的电场和磁场由近及远的传播形成的，所以电磁波传播不须要介质，故C项正确；机械波既有横波又有纵波，但是电磁波只能是横波，D项错误。3．(多选)LC振荡电路中，通过P点的电流变更规律如图乙所示(图中周期为2s)。现规定沿顺时针方向的电流方向为正，则()A．0.5s至1s时间内，电容器充电B．0.5s至1s时间内，电容器上极板带的是正电C．1s至1.5s时间内，磁场能正在转化为电场能D．1s至1.5s时间内，电容器下极板的电势高解析：选AD由振荡电流的图象可知，在0.5～1s的时间内，电流为正方向，且电流值正在减小，由题意可知，LC回路中的电流是沿顺时针方向的，而且电容器C正在充电。由于充电电流是由电容器C的负极板流出，流向正极板，可知在0.5～1s的时间内电容器C的上极板带负电，下极板带正电，选项A正确，B错误；在1～1.5s的时间内，电流为负方向，且电流的值正在增大，由题意可知，此时间内LC回路中的电流是沿逆时针方向的，所以电容器下极板的电势高，而且由于电流值正在增大，所以电场能正在转化为磁场能，选项C错误，D正确。4．要增大LC振荡电路的频率，可实行的方法是()A．增大电容器两极板正对面积B．削减极板带电荷量C．在线圈中放入软铁棒作铁芯D．削减线圈匝数解析：选D依据LC振荡电路的频率公式f＝eq\f(1,2π\r(LC))和平行板电容器电容公式C＝eq\f(εrS,4πkd)知，当增大电容器两极板正对面积时，C增大，f减小；削减极板带电荷量，不影响C，即f不变；在线圈中放入软铁棒作铁芯，L增大，f减小；削减线圈匝数，L减小，f增大。故D正确。eq\a\vs4\al(­­­­­­­­­­­­­­­)[课堂小结]eq\a\vs4\al(­­­­­­­­­­­­­­­)[课时跟踪检测十七]一、单项选择题1．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．麦克斯韦解析：选D麦克斯韦建立了电磁场理论并且预言了电磁波的存在，选项D正确。2．下列说法错误的是()A．变更的磁场四周肯定存在着电场，与是否有闭合电路无关B．恒定电流能够在四周空间产生稳定的磁场C．稳定电场能够在四周空间产生稳定的磁场D．匀称变更的电场能够在四周空间产生稳定的磁场解析：选C变更的磁场四周产生电场，当电场中有闭合回路时，回路中有电流，若无闭合回路，电场仍旧存在，A对；电场按其是否随时间变更分为稳定电场(静电场)和变更电场(如运动电荷形成的电场)，稳定电场不产生磁场，只有变更的电场四周空间才存在对应磁场，故C错，D对；恒定电流四周存在稳定磁场，B对。3．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成电场能D．振荡电流减小的过程中，线圈中的磁场能转化为电场能解析：选D振荡电流最大时处于电容器放电结束瞬间，电场强度为零，A错误；振荡电流为零时，振荡电流变更方向，这时的电流变更最快，电流变更率最大，线圈中的自感电动势最大，B错误；振荡电流增大时，电场能转化为磁场能，C错误；振荡电流减小时，线圈中的磁场能转化为电场能，D正确。4．在LC振荡电路中，电容器上带的电荷量从最大值变更到零所需的最短时间是()A.eq\f(π,4)eq\r(LC) B.eq\f(π,2)eq\r(LC)C．πeq\r(LC) D．2πeq\r(LC)解析：选BLC振荡电路的周期T＝2πeq\r(LC)，其中电容器上的电荷量从最大值变到零所需的最短时间为t＝eq\f(T,4)，只有选项B正确。5．如图所示的电路中，L是电阻不计的电感器，C是电容器，闭合开关S，待电路达到稳定状态后，再断开开关S，LC电路中将产生电磁振荡，假如规定电感器L中的电流方向从a到b为正，断开开关的时刻为t＝0，那么选项图中能正确表示电感器中的电流i随时间t变更规律的是()解析：选CS断开前，ab段短路，电流从b→a，电容器不带电；S断开时，ab中产生自感电动势，阻碍电流减小，给电容器充电，此时电流负向最大；给电容器充电过程，电容器充电量达到最大时，ab中电流减为零；此后，LC回路发生电磁振荡形成交变电流。综上所述，选项C正确。6．有一LC振荡电路，能产生肯定波长的电磁波，若要产生波长比原来短一些的电磁波，可用的措施为()A．增加线圈匝数B．在线圈中插入铁芯C．减小电容器极板正对面积D．减小电容器极板间距离解析：选C由于电磁波传播过程中波速v＝λf恒定，因此欲使波长λ变短，必需使频率f上升，由于频率f＝eq\f(1,2π\r(LC))，所以，增加线圈匝数和在线圈中插入铁芯，将使线圈自感系数L增大而降低频率f；减小电容器极板间距将使电容C增大而降低频率f；减小电容器极板正对面积将使电容C减小而上升频率f。可见，选项C正确。二、多项选择题7．某LC回路电容器两端的电压U随时间t变更的关系如图所示，则()A．在时刻t1，电路中的电流最大B．在时刻t2，电路中的磁场能最大C．从时刻t2至t3，电路的电场能不断增大D．从时刻t3至t4，电容器的电荷量不断增大解析：选BC由LC回路中各物理量的变更规律可知，时刻t1电容两端电压最高时，电路中振荡电流为零，时刻t2电容两端电压为零，电路中振荡电流最强、磁场能最大，选项A错误，B正确；在t2至t3的过程中，从题图可知，电容器两板电压增大，故电场能增加，选项C正确；而在t3至t4的过程中，电容器两板电压减小，电荷量同时削减，选项D错误。8．一个LC振荡电路中，线圈的自感系数为L，电容器电容为C，从电容器上电压达到最大值U起先计时，则有()A．至少经过πeq\r(LC)，磁场能达到最大B．至少经过eq\f(π,2)eq\r(LC)，磁场能达到最大C．在eq\f(π,2)eq\r(LC)时间内，电路中的平均电流是eq\f(2U,π)eq\r(\f(C,L))D．在eq\f(π,2)eq\r(LC)时间内，电容器放电量为CU解析：选BCDLC振荡电路周期T＝2πeq\r(LC)，电容器电压最大时，起先放电，至少经时间eq\f(π,2)eq\r(LC)，放电结束，此时电容器电荷量为零，电路中电流最大，磁场最强，磁场能最大。因为Q＝CU，所以电容器放电量Q＝CU，由I＝eq\f(Q,t)，所以I＝eq\f(2U,π)eq\r(\f(C,L))。三、非选择题9．试验室里有一水平放置的平行板电容器，其电容C＝1μF。在两板带有肯定