2026版创新设计高考总复习物理(人教基础版)教师用-第3讲　电磁振荡和电磁波

第3讲电磁振荡和电磁波学习目标1.了解LC振荡电路中振荡电流的产生过程及电磁振荡过程中能量转化情况。2.掌握电磁振荡的周期公式和频率公式。3.理解麦克斯韦电磁场理论,了解电磁波的产生、发射、传播和接收过程。考点一电磁振荡1.振荡电流大小和方向都做周期性迅速变化的电流。2.振荡电路产生振荡电流的电路。由电感线圈L和电容C组成最简单的振荡电路,称为LC振荡电路,如图所示。3.电磁振荡:在LC振荡电路中,电容器不断地充电和放电,就会使电容器极板上的电荷量q、电路中的电流i、电容器内的电场强度E、线圈内的磁感应强度B发生周期性的变化,这种现象就是电磁振荡。4.电磁振荡中的能量变化(1)放电过程中电容器储存的电场能逐渐转化为线圈的磁场能。(2)充电过程中线圈中的磁场能逐渐转化为电容器的电场能。(3)在电磁振荡过程中,电场能和磁场能会发生周期性的转化。5.电磁振荡的周期和频率(1)周期T=2πLC。(2)频率f=12π6.振荡电流、极板带电荷量等随时间的变化(1)图像描述(2)图表分析(电容器电荷量最大时开始计时)时刻(时间)0→TT4→T2→3T4工作过程放电过程充电过程放电过程充电过程电荷量q变小变大变小变大电压u变小变大变小变大电场强度E变小变大变小变大电流i变大变小变大变小磁感应强度B变大变小变大变小能量转化E电→E磁E磁→E电E电→E磁E磁→E电判断正误(1)LC振荡电路中,电容器放电完毕时,回路中电流最小。(×)(2)LC振荡电路中,回路中的电流最大时回路中的磁场能最大。(√)(3)电磁振荡的固有周期与电流的变化快慢有关。(×)例1(2025·北京东城模拟)如图甲所示为某一LC振荡电路,图乙i-t图像为LC振荡电路的电流随时间变化的关系图像。在t=0时刻,回路中M板带正电,下列说法中正确的是()A.O~a阶段,电容器正在充电,电场能正在向磁场能转化B.a~b阶段,电容器正在放电,磁场能正在向电场能转化C.b~c阶段,电容器正在放电,回路中电流沿顺时针方向D.c~d阶段,电容器正在充电,回路中电流沿逆时针方向答案C解析O~a阶段,电容器正在放电,电流不断增加,电场能正在向磁场能转化,选项A错误;a~b阶段,电容器正在充电,电流逐渐减小,磁场能正在向电场能转化,选项B错误;b~c阶段,电容器正在放电,回路中电流沿顺时针方向,选项C正确;c~d阶段,电容器正在充电,回路中电流沿顺时针方向,选项D错误。例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,电容器在图示时刻所带的电荷量为Q。若图示时刻电容器正在放电,至放电完毕所需时间为13πLC;若图示时刻电容器正在充电,则充电至电容器所带电荷量最大所需时间为(A.12πLC B.13C.16πLC D.23答案C解析LC振荡电路在一个周期内电容器会充电两次、放电两次,每次充电或放电的时间均为14T=π2LC。根据题意,电容器所带的电荷量由Q减小到零所需时间为13πLC=16T,说明电容器所带的电荷量由最大放电到Q所需时间为14T-16T=112T=16πLC,则电容器所带电荷量由例3如图为发射电磁波的LC振荡电路,某时刻电路中电流方向如图所示,此时电容器的上极板带正电,下极板带负电,则下列说法正确的是()A.电容器正在放电 B.电流正在减小C.线圈中的磁场能正在增大 D.电容器中的电场能正在减小答案B解析由题图知,电流正流向电容器正极,电容器正在充电,电流正在减小,磁场能转化为电场能,线圈中磁场能正在减小,电容器中的电场能正在增大,故B正确。总结提升LC振荡电路充、放电过程的判断方法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,处于放电过程根据物理量的变化趋势判断当电容器的带电荷量q(电压U、电场强度E)增大或电流i(磁感应强度B)减小时,处于充电过程;反之,处于放电过程根据能量判断电场能增加时充电,磁场能增加时放电例4如图所示,单刀双掷开关S打到a端让电容器充满电。t=0时开关S打到b端,t=0.02s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0.02sB.LC回路的电流最大时电容器中电场能最大C.t=1.01s时线圈中磁场能最大D.t=1.01s时回路中电流沿顺时针方向答案C解析当电容器C充满电后,电容器上极板带正电,电容器中的电场强度最大,电场能最大,然后开始放电,电荷释放完瞬间,LC振荡电路电流最大,电场能转化为磁场能;接着自感线圈对电容器反向充电,电流逐渐减弱,磁场能转化为电场能,此时电容器下极板带正电;随后电容器开始反向放电,然后自感线圈对电容器充电,最后电容器上极板带正电,一个完整的电磁振荡周期结束。根据以上分析T=0.04s,选项A错误;电流最大时磁场能最大,电场能最小,选项B错误;t=1.01s=2514T,即从初始状态开始经过1.01s,电荷释放完,电流最大,自感线圈中磁场能最大,选项C正确;在1.01s时,线路中的电流是逆时针方向,选项D错误考点二电磁场与电磁波电磁波谱1.对麦克斯韦电磁场理论的理解变化的电场产生磁场变化的磁场产生电场均匀变化的电场在周围空间产生恒定的磁场均匀变化的磁场在周围空间产生恒定的电场不均匀变化的电场在周围空间产生变化的磁场不均匀变化的磁场在周围空间产生变化的电场周期性振荡电场产生同频率的振荡磁场周期性振荡磁场产生同频率的振荡电场2.电磁波(1)电磁场在空间由近及远地向周围传播,形成电磁波。(2)电磁波的传播不需要(选填“需要”或“不需要”)介质。在真空中不同频率的电磁波传播速度相同,都等于光速3×108m/s。在同一介质中不同频率的电磁波传播速度是不同的,频率越高,波速越小。

(3)v=λf,f是电磁波的频率。3.无线电波的发射(1)发射条件:开放电路和高频振荡信号,所以要对传输信号进行调制。(2)调制方式①调幅:使高频电磁波的振幅随信号的强弱而改变。②调频:使高频电磁波的频率随信号的强弱而改变。4.无线电波的接收(1)当接收电路的固有频率跟收到的电磁波的频率相同时,接收电路中产生的振荡电流最强,这就是电谐振现象。(2)使接收电路产生电谐振的过程叫作调谐,能够调谐的接收电路叫作调谐电路。(3)从经过调制的高频振荡信号中“检”出调制信号的过程,叫作检波。检波是调制的逆过程,也叫作解调。5.电磁波谱(1)定义:按照电磁波的波长大小或频率高低的顺序把它们排列成的谱叫作电磁波谱。(2)电磁波谱分析及应用电磁波谱频率/Hz真空中波长/m特性应用递变规律无线电波<3×1011>10-3波动性强,易发生衍射无线电技术:通信、广播及其他信号传输波长越长,越容易产生干涉、衍射现象,波长越短,穿透能力越强。不同频率的电磁波在同一种介质中传播时,频率越高,折射率越大,速度越小红外线1011~101510-3~10-7热效应红外遥感技术可见光101510-7引起视觉照明、摄影紫外线1015~101710-7~10-9化学效应、荧光效应、灭菌消毒医用消毒、防伪检查X射线1016~101910-8~10-11穿透本领强工业探伤、医用透视、机场等安检γ射线>1019<10-11穿透本领最强工业探伤、医用治疗癌症6.各种电磁波产生机理无线电波振荡电路中电子周期性运动产生红外线、可见光和紫外线原子的外层电子受激发后产生X射线原子的内层电子受激发后产生γ射线原子核受激发后产生判断正误(1)法拉第预言了电磁波的存在,并揭示了电、磁、光现象在本质上的统一性。(×)(2)赫兹通过一系列实验,证实了麦克斯韦关于光的电磁理论。(√)(3)电场周围一定存在磁场,磁场周围一定存在电场。(×)(4)电磁波与机械波不同,机械波在介质中传播的速度只与介质有关,电磁波在介质中传播的速度与介质和频率均有关。(√)例5(多选)关于电磁波,下列说法正确的是()A.电磁波在真空中的传播速度与电磁波的频率无关B.周期性变化的电场和磁场可以相互激发,形成电磁波C.电磁波在真空中自由传播时,其传播方向与电场强度、磁感应强度均垂直D.利用电磁波传递信号可以实现无线通信,但电磁波不能通过电缆、光缆传输答案ABC解析电磁波在真空中的传播速度等于光速,与电磁波的频率无关,选项A正确;周期性变化的电场和磁场可以相互激发,形成电磁波,选项B正确;电磁波传播方向与电场强度、磁感应强度均垂直,选项C正确;电磁波可以通过全反射在光缆中传输,选项D错误。例6(多选)关于电磁波的接收,下列说法正确的是()A.当处于电谐振时,所有的电磁波仍能在接收电路中产生感应电流B.当处于电谐振时,只有被接收的电磁波才能在接收电路中产生感应电流C.由调谐电路接收的感应电流,再经过耳机就可以听到声音了D.由调谐电路接收的感应电流,再经过检波、放大,通过耳机才可以听到声音答案AD解析当处于电谐振时,所有的电磁波仍能在接收电路中产生感应电流,只不过频率跟接收电路固有频率相等的电磁波,在接收电路中激发的感应电流最强,由调谐电路接收的感应电流,要再经过检波(也就是调制的逆过程)、放大,通过耳机才可以听到声音,故A、D正确。例7关于生活中遇到的各种波,下列说法正确的是()A.电磁波可以传递信息,声波不能传递信息B.手机在通话时涉及的波既有电磁波又有声波C.太阳光中的可见光和医院“B超”中的超声波传播速度相同D.遥控器发出的红外线波长和医院“CT”中的X射线波长相同答案B解析电磁波、声波等一切波都可以传递能量和信息,A错误;手机在通话时需要声音信号与电信号的相互转换,电信号以电磁波的形式在空中传播,B正确;超声波是声波,在空气中传播速度约为340m/s,C错误;由电磁波谱分布情况可知,红外线的波长比X射线的波长长,D错误。

限时作业(限时:30分钟)基础对点练对点练1电磁振荡1.某电路中电场强度随时间变化的关系图像如图所示,能发射电磁波的是()答案D解析由麦克斯韦电磁场理论知,当空间出现恒定的电场时(如题图A),由于它不激发磁场,故无电磁波产生;当出现均匀变化的电场时(如题图B、C),会激发出磁场,但磁场恒定,不会在较远处激发出电场,故也不会产生电磁波;只有周期性变化的电场(如题图D),才会激发出周期性变化的磁场,它又激发出周期性变化的电场……如此交替的产生磁场和电场,便会形成电磁波,故D正确。2.要想增大LC振荡电路中产生的振荡电流的频率,可采用的方法是()A.增大电容器两极板的间距 B.升高电容器的充电电压C.增加线圈的匝数 D.在线圈中插入铁芯答案A解析LC振荡电路中产生的振荡电流的频率f=12πLC,要想增大频率,应该减小电容C,或减小线圈的自感系数L,再根据C=εrS4πkd可知,增大电容器两极板的间距,电容减小,故A正确;升高电容器的充电电压,电容不变,故B错误;增加线圈的匝数、在线圈中插入铁芯,自感系数增大,3.如图所示的是LC振荡电路某时刻的情况,以下说法正确的是()A.此时电路中电流等于零 B.电容器正在充电C.电感线圈中的电流正在增大 D.电容器两极板间的电场能正在减小答案B解析根据图示磁场方向结合安培定则可知,电流流向电容器的正极板,说明电容器正在充电,电路中电流不为零,此时电感线圈中的电流逐渐减小,磁场能转化为电场能,所以电容器两极板间的电场能正在增大,A、C、D错误,B正确。4.将线圈、电容器、电流表、电源和单刀双掷开关连成如图所示的电路。先把开关置于1位置,为电容器充电。已知线圈的自感系数为L,电容器的电容为C。把开关置于2位置并开始计时,下列说法正确的是()A.t1=πLC2时刻,回路中电流为零B.t2=πLC时刻,回路中电流最大,电场能全部转化为磁场能C.从0时刻到t1=πLC2时刻,电流由a向b流过电流表D.从t1=πLC2时刻到t2=πLC时刻,电流由b到a流过电流表答案C解析t1=πLC2=14T时刻,电容器放电结束,回路中电流最大,电场能全部转化为磁场能,A错误;t2=πLC=T2时刻,电容器充电结束,回路中电流为零,磁场能全部转化为电场能,B错误;从0时刻到t1=πLC2时刻,电容器放电,上极板的电子从b→a移动,所以电流从a→b流过电流表,电场能正向磁场能转化,C正确;从t1=πLC2时刻到t2=πLC时刻,电容器充电,电流从a→对点练2电磁场与电磁波电磁波谱5.如图所示,我国成功研发的反隐身先进米波雷达堪称隐身飞机的克星,它标志着我国雷达研究又创新的里程碑。米波雷达发射无线电波的波长在1~10m范围内,则对该无线电波的判断正确的是()A.米波的频率比厘米波频率高 B.和机械波一样须靠介质传播C.同光波一样会发生反射现象 D.不可能产生干涉和衍射现象答案C解析由ν=cλ可知,波长越长,频率越低,故米波的频率比厘米波频率低,选项A错误;无线电波是电磁波,它的传播不须靠介质,选项B错误;无线电波与光波一样具有波的特性,会发生反射、折射、干涉和衍射现象,选项C正确,D错误6.(多选)目前雷达发射的电磁波频率多在200MHz至1000MHz的范围内。下列关于雷达和电磁波的说法正确的是()A.真空中上述雷达发射的电磁波的波长范围在0.3m至1.5m之间B.电磁波是由恒定不变的电场或磁场产生的C.测出从发射电磁波到接收反射波的时间间隔可以确定雷达和目标的距离D.波长越短的电磁波,反射性能越强答案ACD解析由公式v=λf可得,λmin=vfmax=3×1081000×106m=0.3m,λmax=vfmin=3×108200×106m=1.5m,A正确;电磁波是由周期性变化的电场或磁场产生的,B错误;7.(多选)下列关于无线电广播要对电磁波进行调制的原因的说法中正确的是()A.经过调制后的高频电磁波向外辐射能量的本领更强B.经过调制后的电磁波在空间传播得更快C.经过调制后的电磁波在空间传播的波长一定不变D.经过调制后的电磁波在空间传播的波长可能改变答案AD解析调制是把要发射的信号“加”到高频振荡电流上去,频率越高,传播信息能力越强,A正确;电磁波在空气中的传播速度接近光速且恒定不变,B错误;由v=λf,知波长与波速和传播频率有关,C错误,D正确。8.(多选)(2025·北京海淀区高三期末)各种电磁波在日常生活和生产中已经被大量应用了。关于电磁波的应用,下列说法中正确的有()A.控制电视、空调的遥控器使用的是红外线B.银行和商店用来鉴别大额钞票真伪的验钞机使用的是X射线C.手机通话使用的是无线电波D.机场、车站用来检查旅客行李包的透视仪使用的是紫外线答案AC解析控制电视、空调的遥控器使用的是红外线,故A正确;银行和商店用来鉴别大额钞票真伪的验钞机使用的是紫外线,不是X射线,故B错误;手机通话使用的是无线电波,故C正确;机场、车站用来检查旅客行李包的透视仪使用的是X射线,不是紫外线,故D错误。综合提升练9.(多选)下列说法正确的是()A.在均匀变化的电场周围一定产生均匀变化的磁场,在均匀变化的磁场周围一定产生均匀变化的电场B.电磁场是周期性变化的电场和磁场交替产生而形成的不可分离的统一体C.在电磁波谱中,最容易发生衍射现象的是γ射线D.机械波和电磁波都可发生反射、折射、干涉和衍射现象答案BD解析均匀变化的电场周围产生稳定的磁场,均匀变化的磁场周围产生稳定的电场,故A错误;根据麦克斯韦电磁场理论,电磁场是周期性变化的电场和磁场交替产生而形成的不可分离的统一体,故B正确;在电磁波谱中,无线电波的波长最长,则最容易发生衍射现象的是无线电波,故C错误;反射、折射、干涉和衍射是波的特性,机械波和电磁波它们都可发生反射、折射、干涉和衍射现象,故D正确。10.如图甲所示,线圈L的直流电阻不计,闭合开关S,待电路达到稳定状态后断开开关S,LC回路中将产生电磁振荡。从开关S断开计时,线圈中的磁场能EB随时间t的变化规律如图乙所示。下列说法中不正确的是()A.LC电路振荡周期为2×10-3sB.在1×10-3s时,电容器右极板带正电C.电容器中最大的电场能为2.5×10-2JD.0~1×10-3s时间内与1×10-3~2×10-3s时间内回路中的电流方向相反答案A解析t=0时刻断开开关S,电感线圈与电容器构成振荡回路,电感线圈中的电流从某一最大值开始减小,产生自感电动势对电容器充电,磁场能转化为电场能,电容器所带电荷量从零开始增加,当线圈中的电流减为零时,电容器充电结束,所带电荷量达到最大,振荡电路经历14T时,磁场能为零,电场能最大,电容器中最大的电场能为2.5×10-2J,随后电容器放电,所带电荷量减小,电感线圈中的电流反向增加,电场能转化为磁场能,形成振荡电路,故LC电路振荡周期为4×10-3s,C正确,A错误;没断开开关前,线圈与R串联,由于线圈的电阻不计,所以线圈两端的电压为零,电容器两极板所带的电荷量为零,此时通过线圈的电流自左向右。当断开开关时,开始给电容器充电,电流逐渐减小,经过14个周期,即t=1×10-3s时,充电电流减小到最小,此时电容器所带的电荷量最大(左极板带负电,右极板带正电),线圈L的感应电动势最大,随后电容器开始放电,此时通过线圈的电流自右向左,再经过14T,即t=2×10-3s时,放电结束,B、11.如图所示为某款玩具内的LC振荡电路,已知线圈自感系数L=2.5×10-3H,电容器电容C=4μF,LC振荡电路的周期公式为T=2πLC。t=0时刻,上极板带正电,下极板带负电,瞬时电流为零,则()A.LC振荡电路的周期T=π×10-4sB.当t=π2×10-4s时,C.当t=3π2×10-4s时,D.在t=π2×10-4s至3π2×10-4s时间内答