（浙江專版）2018年高中物理 第十四章 電磁波 第1、2節(jié) 電磁波的發(fā)現(xiàn) 電磁振蕩學案 新人教版選修3-4

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1、 第1、2節(jié) 電磁波的發(fā)現(xiàn)__電磁振蕩 [目標早知道] 浙江選考·學習要求 知識內容 考試要求 1.電磁波的發(fā)現(xiàn) 加試a 2.電磁振蕩 加試c 3.電磁波的發(fā)射和接收 加試b 4.電磁波與信息化社會 加試a 5.電磁波譜 加試a 偉大的預言 [探新知·基礎練] 1．變化的磁場產生電場 實驗基礎：如圖所示，在變化的磁場中放一個閉合電路，電路里就會產生感應電流。 　　 麥克斯韋對該問題的見解：電路里有感應電流產生，一定是變化的磁場產生了電場，自由電荷在電場的作用下發(fā)生了定向移動。該現(xiàn)象的實質：變化的磁場產生了電場。 2．變化的電場產生磁場

2、麥克斯韋大膽地假設，既然變化的磁場能產生電場，變化的電場也會在空間產生磁場。 [辨是非](對的劃“√”，錯的劃“×”) 1．變化的磁場會產生變化的電場。(×) 2．變化的電場會產生磁場。(√) 3．電場周圍一定存在磁場，磁場周圍一定存在電場。(×) [釋疑難·對點練] 1．對麥克斯韋電磁場理論的理解 恒定的電場不產生磁場 恒定的磁場不產生電場 均勻變化的電場在周圍空間產生恒定的磁場 均勻變化的磁場在周圍空間產生恒定的電場 不均勻變化的電場在周圍空間產生變化的磁場 不均勻變化的磁場在周圍空間產生變化的電場 振蕩電場產生同頻率的振蕩磁場 振蕩磁場產生同頻率的振蕩電場

3、2.對電磁場的理解 (1)電磁場的產生： 如果在空間某區(qū)域有周期性變化的電場，那么這個變化的電場在它周圍空間產生周期性變化的磁場；這個變化的磁場又在它周圍空間產生新的周期性變化的電場……變化的電場和變化的磁場交替產生，形成了不可分割的統(tǒng)一體，這就是電磁場。 (2)電磁場與靜電場、靜磁場的比較： 三者可以在某空間混合存在，但由靜電場和靜磁場混合的空間不屬于電磁場。電磁場是電場、磁場相互激發(fā)，相互耦聯(lián)形成的統(tǒng)一體。 [試身手] 1．(多選)某電路的電場隨時間變化的圖象如圖所示，能產生磁場的電場是(　　) 解析：選BCD　題圖A中電場不隨時間變化，不產生磁場；題圖B和題圖C中電場都

4、隨時間做均勻變化，能產生穩(wěn)定的磁場；題圖D中電場隨時間做不均勻的變化，能在周圍空間產生變化的磁場。 電磁波 [探新知·基礎練] 1．電磁波的產生 如果空間某區(qū)域存在不均勻變化的電場，那么它就會在空間引起不均勻變化的磁場，這一不均勻變化的磁場又引起不均勻變化的電場——于是變化的電場和變化的磁場交錯產生，由近及遠向周圍傳播，形成電磁波。 2．電磁波是橫波 根據(jù)麥克斯韋的電磁場理論，電磁波中的電場強度和磁感應強度互相垂直，而且二者均與波的傳播方向垂直，因此電磁波是橫波。 3．電磁波的速度 麥克斯韋指出了光的電磁本性，他預言電磁波的速度等于光速。 4．電磁波的驗證 1886年，

5、赫茲用實驗證明了麥克斯韋預言的正確性，第一次捕捉到了電磁波。 (1)赫茲的實驗裝置，如圖所示 (2)實驗現(xiàn)象：當感應圈兩個金屬球間有火花跳過時，導線環(huán)兩個小球間也跳過火花。 (3)現(xiàn)象分析：當感應圈使得與它相連的兩個金屬球間產生電火花時，空間出現(xiàn)了迅速變化的電磁場。這種電磁場以電磁波的形式在空間傳播。當電磁波到達導線環(huán)時，它在導線環(huán)中激發(fā)出感應電動勢，使得導線環(huán)的空隙中也產生了火花。 [辨是非](對的劃“√”，錯的劃“×”) 1．麥克斯韋預言了電磁波的存在。(√) 2．赫茲用實驗證實了電磁波的存在。(√) 3．電磁波的傳播需要介質，不能在真空中傳播。(×) [釋疑難·對點

6、練] 電磁波與機械波的比較 電磁波是電磁現(xiàn)象，機械波是力學現(xiàn)象，兩種波因產生機理不同，除具有波的共性外，還有不同之處。 機械波 電磁波 研究對象 力學現(xiàn)象 電磁現(xiàn)象 周期性 位移隨時間和空間做周期性變化 電場強度E和磁感應強度B隨時間和空間做周期性變化 傳播情況 傳播需要介質，波速與介質有關，與頻率無關 傳播無需介質，在真空中波速總等于光速c，在介質中傳播時，波速與介質及頻率都有關 產生機理 由(波源)質點的振動產生 由電磁振蕩(周期性變化的電流)激發(fā) 是否橫波 可以是 是 是否縱波 可以是 否 干涉現(xiàn)象 滿足干涉條件時均能發(fā)生干涉現(xiàn)象

7、 衍射現(xiàn)象 滿足衍射條件時均能發(fā)生明顯衍射 [試身手] 2．(多選)關于電磁波與機械波，下列說法正確的是(　　) A．電磁波傳播不需要介質，機械波傳播需要介質 B．電磁波在任何介質中傳播速率都相同，機械波在同一種介質中傳播速率都相同 C．電磁波和機械波都不能發(fā)生干涉 D．電磁波和機械波都能發(fā)生衍射 解析：選AD　電磁波的波速與介質和頻率都有關，傳播時無需介質，而機械波的傳播速度只與介質有關，傳播時需要介質，故A對，B錯；電磁波和機械波都具有波的一些特征，包括干涉和衍射，故C錯，D對。 電磁振蕩 [探新知·基礎練] 1．振蕩電流和振蕩電路 (1)振蕩電流：大小

8、和方向都做周期性迅速變化的電流。 (2)振蕩電路：產生振蕩電流的電路。最簡單的振蕩電路為LC振蕩電路。 2．電磁振蕩的過程 放電過程：由于線圈的自感作用，放電電流由零逐漸增大，電容器極板上的電荷逐漸變少，電容器里的電場逐漸減弱，線圈的磁場逐漸增強，電場能逐漸轉化為磁場能，振蕩電流逐漸增大，放電完畢，電流達到最大，電場能全部轉化為磁場能。 充電過程：電容器放電完畢后，由于線圈的自感作用，電流保持原來的方向逐漸減小，電容器將進行反向充電，線圈的磁場逐漸減弱，電容器里的電場逐漸增強，磁場能逐漸轉化為電場能，振蕩電流逐漸減小，充電完畢，電流減小為零，磁場能全部轉化為電場能。 此后，這樣充電和

9、放電的過程反復進行下去。 3．電磁振蕩的實質 在電磁振蕩過程中，電容器極板上的電荷量，電路中的電流及與振蕩電流相聯(lián)系的電場和磁場都在周期性的變化，電場能和磁場能周期性的轉化。 4．電磁振蕩的周期和頻率 (1)周期：電磁振蕩完成一次周期性變化需要的時間。 (2)頻率：1 s內完成的周期性變化的次數(shù)。 如果振蕩電路沒有能量損失，也不受其他外界影響，這時的周期和頻率分別叫做固有周期、固有頻率。 (3)周期和頻率公式：T＝2π，f＝。 [辨是非](對的劃“√”，錯的劃“×”) 1．當振蕩電路中流過電感線圈的電流最大時，其兩端電壓最大。(×) 2．LC振蕩電路是產生振蕩電流最簡單的振

10、蕩電路。(√) 3．大小和方向做周期性變化的電流叫振蕩電流。(×) [釋疑難·對點練] 振蕩過程中各物理量的變化情況 給LC回路提供能量后，利用電容器的充放電作用和線圈產生自感的作用，使LC回路中產生振蕩電流，同時電容器極板上電荷q及與q相關聯(lián)的電場(E，U，E電)，通電線圈的電流i及與i相關聯(lián)的磁場(B，E磁)都發(fā)生周期性變化的現(xiàn)象，稱電磁振蕩。其中，產生的大小和方向都周期性變化的電流稱振蕩電流。產生振蕩電流的電路稱振蕩電路。最簡單的振蕩電路是LC振蕩電路。 (1)各物理量變化情況一覽表： 帶電荷量q 電場強度E 電勢差U 電場能 電流i 磁感應強度B 磁場能

11、0→電容器放電 減小 減小 減小 減小 增大 增大 增大 t＝時刻 0 0 0 0 最大 最大 最大 →反向充電 增大 增大 增大 增大 減小 減小 減小 t＝時刻 最大 最大 最大 最大 0 0 0 →反向放電 減小 減小 減小 減小 增大 增大 增大 t＝時刻 0 0 0 0 最大 最大 最大 →T電容器充電 增大 增大 增大 增大 減小 減小 減小 (2)振蕩電流、極板帶電荷量隨時間的變化圖象： [試身手] 3．(多選)在LC回路產生電磁振蕩的過程中，下列說法正

12、確的是(　　) A．電容器放電完畢時刻，回路中磁場能最小 B．回路中電流值最大時刻，回路中磁場能最大 C．電容器極板上電荷最多時，電場能最大 D．回路中電流值最小時刻，電場能最小 解析：選BC　電容器放電完畢時，q＝0，但此時i最大，所以磁場能最大，則A錯；電流最小i＝0時，q最多，極板間電場最強，電場能最大，則D錯；同理分析，選項B、C對。 麥克斯韋電磁場理論 [典例1]　根據(jù)麥克斯韋電磁場理論，下列說法正確的是(　　) A．有電場的空間一定存在磁場，有磁場的空間也一定能產生電場 B．在變化的電場周圍一定產生變化的磁場，在變化的磁場周圍一定產生變化的電場 C．

13、均勻變化的電場周圍一定產生均勻變化的磁場 D．周期性變化的磁場周圍空間一定產生周期性變化的電場 [解析]選D　根據(jù)麥克斯韋電磁場理論，只有變化的電場才能產生磁場，均勻變化的電場產生恒定的磁場，非均勻變化的電場產生變化的磁場，只有D正確。 電磁波與機械波的比較 [典例2]　(多選)電磁波和聲波比較，下列說法正確的是(　　) A．電磁波的傳播不需要介質，聲波的傳播需要介質 B．由空氣進入水中時，電磁波的速度變小，聲波的速度變大 C．由空氣進入水中時，電磁波的波長變小，聲波的波長變大 D．由空氣進入水中時，電磁波的頻率變小，聲波的頻率變大 [解析]選ABC　選項A、B與事實

14、相符，電磁波本身是物質的，傳播不需要介質，而機械波的傳播必須借助介質，機械波的波速由介質決定，電磁波進入介質后的傳播遵守折射原理，A、B正確；不論是電磁波還是機械波，傳播過程中頻率是不變的，選項D錯誤；由公式λ＝可知C正確。 電磁波和機械波都遵守波長、波速、頻率的關系公式λ＝，電磁波進入介質遵守公式n＝。 電磁振蕩過程的分析 [典例3]　LC振蕩中，某時刻磁場方向如圖所示，則下列說法錯誤的是(　　) A．若磁場正在減弱，則電容器上極板帶正電 B．若電容器正在放電，則電容器上極板帶負電 C．若電容器上極板帶正電，則線圈中電流正在增大 D．若電容器正在放電，則自感電動勢正

15、在阻礙電流增大 [解析]選C　該題圖中標明了電流的磁場方向，由安培定則可判斷出振蕩電流在線圈中逆時針(俯視)流動。若該時刻電容器上極板帶正電，則可知電容器處于充電階段，電流正在減小，知A選項正確；若該時刻電容器上極板帶負電，則可知電容器正在放電，電流正在增大，知B選項正確；由楞次定律知D選項正確。錯誤選項只有C。 [典例4]　如圖所示是一個LC振蕩電路中電流的變化圖線，以下說法正確的是(　　) A．t1時刻電感線圈兩端電壓最大 B．t2時刻電容器兩極板間電壓為零 C．t1時刻電路中只有電場能 D．t1時刻電容器所帶電荷量為零 [解析]選D　由題圖可知t1時刻電流i最大，說明放

16、電結束，磁場能最大，電場能為零，電壓、電荷量均為零。t2時刻電流i最小，說明還沒放電，則磁場能為零，電場能最大，電壓、電荷量均最大。綜上所述，只有D正確。 [課堂對點鞏固] 1．下列關于電磁波的說法正確的是(　　) A．均勻變化的磁場能夠在空間產生電場 B．電磁波在真空和介質中傳播速度相同 C．只要有電場和磁場，就能產生電磁波 D．電磁波在同種介質中只能沿直線傳播 解析：選A　由麥克斯韋電磁場理論知A正確；電磁波在真空中傳播速度最大，為c＝3×108 m/s，在介質中傳播速度v＝，n為介質折射率，選項B錯誤；均勻變化的電場或磁場，不能產生電磁波，選項C錯誤；電磁波只有在同

17、種均勻介質中才沿直線傳播，選項D錯誤。 2．某同學對機械波和電磁波進行類比，總結出下列內容，其中不正確的是(　　) A．機械波的頻率、波長和波速三者滿足的關系，對電磁波也適用 B．機械波和電磁波都能產生干涉和衍射現(xiàn)象 C．機械波的傳播依賴于介質，而電磁波可以在真空中傳播 D．機械波既有橫波又有縱波，而電磁波只有縱波 解析：選D　波長、波速、頻率的關系對任何波都是成立的，對電磁波也成立，故A正確；干涉和衍射是波的特性，機械波、電磁波都是波，這些特性都具有，故B正確；機械波是機械振動在介質中傳播形成的，所以機械波的傳播需要介質，而電磁波是交替變化的電場和磁場由近及遠的傳播形成的，所以電

18、磁波傳播不需要介質，故C項正確；機械波既有橫波又有縱波，但是電磁波只能是橫波，D項錯誤。 3．(多選)LC振蕩電路中，通過P點的電流變化規(guī)律如圖乙所示(圖中周期為2 s)?，F(xiàn)規(guī)定沿順時針方向的電流方向為正，則(　　) A．0.5 s至1 s時間內，電容器充電 B．0.5 s至1 s時間內，電容器上極板帶的是正電 C．1 s至1.5 s時間內，磁場能正在轉化為電場能 D．1 s至1.5 s時間內，電容器下極板的電勢高 解析：選AD　由振蕩電流的圖象可知，在0.5～1 s的時間內，電流為正方向，且電流值正在減小，由題意可知，LC回路中的電流是沿順時針方向的，而且電容器C正在充電。由

19、于充電電流是由電容器C的負極板流出，流向正極板，可知在0.5～1 s的時間內電容器C的上極板帶負電，下極板帶正電，選項A正確，B錯誤；在1～1.5 s的時間內，電流為負方向，且電流的值正在增大，由題意可知，此時間內LC回路中的電流是沿逆時針方向的，所以電容器下極板的電勢高，而且由于電流值正在增大，所以電場能正在轉化為磁場能，選項C錯誤，D正確。 4．要增大LC振蕩電路的頻率，可采取的辦法是(　　) A．增大電容器兩極板正對面積 B．減少極板帶電荷量 C．在線圈中放入軟鐵棒作鐵芯 D．減少線圈匝數(shù) 解析：選D　根據(jù)LC振蕩電路的頻率公式f＝和平行板電容器電容公式C＝知，當增大電容器兩

20、極板正對面積時，C增大，f減小；減少極板帶電荷量，不影響C，即f不變；在線圈中放入軟鐵棒作鐵芯，L增大，f減小；減少線圈匝數(shù)，L減小，f增大。故D正確。 [課堂小結] [課時跟蹤檢測十七] 一、單項選擇題 1．建立完整的電磁場理論并首先預言電磁波存在的科學家是(　　) A．法拉第 B．奧斯特 C．赫茲 D．麥克斯韋 解析：選D　麥克斯韋建立了電磁場理論并且預言了電磁波的存在，選項D正確。 2．下列說法錯誤的是(　　) A．變化的磁場周圍一定存在著電場，與是否有閉合電路無關 B．恒定電流能夠在周圍空間產生穩(wěn)定的磁場 C．穩(wěn)定電場能夠在周圍空間產生穩(wěn)定的磁場

21、 D．均勻變化的電場能夠在周圍空間產生穩(wěn)定的磁場 解析：選C　變化的磁場周圍產生電場，當電場中有閉合回路時，回路中有電流，若無閉合回路，電場仍然存在，A對；電場按其是否隨時間變化分為穩(wěn)定電場(靜電場)和變化電場(如運動電荷形成的電場)，穩(wěn)定電場不產生磁場，只有變化的電場周圍空間才存在對應磁場，故C錯，D對；恒定電流周圍存在穩(wěn)定磁場，B對。 3．關于LC振蕩電路中的振蕩電流，下列說法中正確的是(　　) A．振蕩電流最大時，電容器兩極板間的電場強度最大 B．振蕩電流為零時，線圈中自感電動勢為零 C．振蕩電流增大的過程中，線圈中的磁場能轉化成電場能 D．振蕩電流減小的過程中，線圈中的磁場

22、能轉化為電場能 解析：選D　振蕩電流最大時處于電容器放電結束瞬間，電場強度為零，A錯誤；振蕩電流為零時，振蕩電流改變方向，這時的電流變化最快，電流變化率最大，線圈中的自感電動勢最大，B錯誤；振蕩電流增大時，電場能轉化為磁場能，C錯誤；振蕩電流減小時，線圈中的磁場能轉化為電場能，D正確。 4．在LC振蕩電路中，電容器上帶的電荷量從最大值變化到零所需的最短時間是(　　) A. B. C．π D．2π 解析：選B　LC振蕩電路的周期T＝2π，其中電容器上的電荷量從最大值變到零所需的最短時間為t＝，只有選項B正確。 5．如圖所示的電路中，L是電阻不計的電感器，C是電容器，閉合開關S

23、，待電路達到穩(wěn)定狀態(tài)后，再斷開開關S，LC電路中將產生電磁振蕩，如果規(guī)定電感器L中的電流方向從a到b為正，斷開開關的時刻為t＝0，那么選項圖中能正確表示電感器中的電流i隨時間t變化規(guī)律的是(　　) 解析：選C　S斷開前，ab段短路，電流從b→a，電容器不帶電；S斷開時，ab中產生自感電動勢，阻礙電流減小，給電容器充電，此時電流負向最大；給電容器充電過程，電容器充電量達到最大時，ab中電流減為零；此后，LC回路發(fā)生電磁振蕩形成交變電流。綜上所述，選項C正確。 6．有一LC振蕩電路，能產生一定波長的電磁波，若要產生波長比原來短一些的電磁波，可用的措施為(　　) A．增加線圈匝數(shù) B．

24、在線圈中插入鐵芯 C．減小電容器極板正對面積 D．減小電容器極板間距離 解析：選C　由于電磁波傳播過程中波速v＝λf恒定，因此欲使波長λ變短，必須使頻率f升高，由于頻率f＝，所以，增加線圈匝數(shù)和在線圈中插入鐵芯，將使線圈自感系數(shù)L增大而降低頻率f；減小電容器極板間距將使電容C增大而降低頻率f；減小電容器極板正對面積將使電容C減小而升高頻率f。可見，選項C正確。 二、多項選擇題 7．某LC回路電容器兩端的電壓U隨時間t變化的關系如圖所示，則(　　) A．在時刻t1，電路中的電流最大 B．在時刻t2，電路中的磁場能最大 C．從時刻t2至t3，電路的電場能不斷增大 D．從時刻t

25、3至t4，電容器的電荷量不斷增大 解析：選BC　由LC回路中各物理量的變化規(guī)律可知，時刻t1電容兩端電壓最高時，電路中振蕩電流為零，時刻t2電容兩端電壓為零，電路中振蕩電流最強、磁場能最大，選項A錯誤，B正確；在t2至t3的過程中，從題圖可知，電容器兩板電壓增大，故電場能增加，選項C正確；而在t3至t4的過程中，電容器兩板電壓減小，電荷量同時減少，選項D錯誤。 8．一個LC振蕩電路中，線圈的自感系數(shù)為L，電容器電容為C，從電容器上電壓達到最大值U開始計時，則有(　　) A．至少經過π，磁場能達到最大 B．至少經過，磁場能達到最大 C．在時間內，電路中的平均電流是 D．在時間內，電容

26、器放電量為CU 解析：選BCD　LC振蕩電路周期T＝2π，電容器電壓最大時，開始放電，至少經時間，放電結束，此時電容器電荷量為零，電路中電流最大，磁場最強，磁場能最大。因為Q＝CU，所以電容器放電量Q＝CU，由I＝，所以I＝ 。 三、非選擇題 9．實驗室里有一水平放置的平行板電容器，其電容C＝1 μF。在兩板帶有一定電荷時，發(fā)現(xiàn)一粉塵恰好靜止在兩板間。還有一個自感系數(shù)L＝0.1 mH的電感器，現(xiàn)連成如圖所示電路，試分析以下兩個問題： (1)從S閉合時開始計時，經過π×10－5 s時，電容器內粉塵的加速度大小是多少？ (2)當粉塵的加速度為多大時，線圈中電流最大？ 解析：(1)S

27、斷開時，電容器內帶電粉塵恰好靜止，說明電場力方向向上，且F電＝mg， 閉合S后，L、C構成LC振蕩電路， T＝2π＝2π×10－5 s， 經過π×10－5 s時，電容器間的電場強度反向，電場力的大小不變，方向豎直向下， 由牛頓第二定律得 a＝＝2g。 (2)線圈中電流最大時，電容器兩極間的電場強度為零， 由牛頓第二定律可得a＝＝g，方向豎直向下。 答案：(1)2g　(2)g，方向豎直向下 10．如圖所示，線圈的自感系數(shù)L＝0.5 mH，電容器的電容C＝0.2 μF，電源電動勢E＝4 V，電阻的阻值R＝10 Ω，不計線圈和電源的內阻，閉合開關S，待電路中電流穩(wěn)定后斷開S，求：

28、 (1)LC回路的振蕩頻率； (2)LC回路振蕩電流的有效值； (3)從斷開S到電容器上極板帶正電荷最多所經歷的最短時間。 解析：(1)根據(jù)f＝得 f＝ Hz≈1.6×104 Hz。 (2)開關S閉合，電路穩(wěn)定時，流過線圈的電流 I＝＝0.4 A 故LC回路振蕩電流的峰值為0.4 A，則有效值 I有＝≈0.28 A。 (3)由T＝2π，得T＝6.28×10－5 s。 S斷開時，電容器上的電荷量為零，然后電容器開始充電，且下極板帶正電，因此最短經電容器上極板帶正電荷最多， 則最短時間為t＝×6.28×10－5 s≈4.7×10－5 s。 答案：(1)1.6×104 Hz　(2)0.28 A (3)4.7×10－5 s 13