人教版選修34 電磁振蕩 第1課時(shí) 教案.docx

14.2電磁振蕩教學(xué)目標(biāo)：1.知道什么是lc振蕩電路和振蕩電流.2.知道lc回路中振蕩電流的產(chǎn)生過(guò)程.3.知道產(chǎn)生電磁振蕩過(guò)程中，lc振蕩電路中的能量轉(zhuǎn)換情況，知道振蕩電路中能量損失的途徑以及得到等幅振蕩的方法.4.知道什么是電磁振蕩的周期和頻率，了解lc回路的周期和頻率公式.重點(diǎn)：知道什么是lc振蕩電路和振蕩電流，振蕩電流的產(chǎn)生過(guò)程.難點(diǎn)：知道振蕩電路中能量損失的途徑以及得到等幅振蕩的方法.進(jìn)行新課：導(dǎo)入：我們之前學(xué)過(guò)電容器，也學(xué)過(guò)電感器，以及電容器和電感器對(duì)交變電流的影響。請(qǐng)大家回顧一下，電容器和電感器各有什么作用？對(duì)交變電路的影響又有哪些特點(diǎn)？提示：電容器的作用：儲(chǔ)存電荷，儲(chǔ)存電場(chǎng)能；在電路中有充、放電的作用。電感器的作用：能儲(chǔ)存磁場(chǎng)能，在通過(guò)的電流發(fā)生變化時(shí)有自感的作用。電容器在交變電路中有通高頻、阻低頻的特點(diǎn)；電感器在交變電路中有通低頻、阻高頻的特點(diǎn)。基礎(chǔ)知識(shí)梳理：1電磁振蕩的產(chǎn)生(1)振蕩電流：大小和方向都做_迅速變化的電流，叫做振蕩電流。(2)振蕩電路：能產(chǎn)生振蕩電流的電路叫做_。(3)振蕩過(guò)程：如圖所示，將開(kāi)關(guān)s擲向1，先給電容器充電，再將開(kāi)關(guān)擲向2，從此時(shí)起，電容器要對(duì)線圈放電。放電過(guò)程：由于線圈的_作用，放電電流不能立刻達(dá)到最大值，由0逐漸增大，同時(shí)電容器極板上的電荷_。放電完畢時(shí)，極板上的電荷為零，放電電流達(dá)到_。該過(guò)程電容器儲(chǔ)存的_轉(zhuǎn)化為線圈的_。充電過(guò)程：電容器放電完畢，由于線圈的_作用，電流并不會(huì)立刻消失，而要保持原來(lái)的方向繼續(xù)流動(dòng)，并逐漸減小，電容器開(kāi)始_，極板上的電荷逐漸_，當(dāng)電流減小到零時(shí)，充電結(jié)束，極板上的電荷量達(dá)到_。該過(guò)程線圈中的_又轉(zhuǎn)化為電容器的_。此后電容器再放電、再充電，周而復(fù)始，于是電路中就有了周期性變化的振蕩電流。(4)實(shí)際的lc振蕩是阻尼振蕩：電路中有電阻，振蕩電流通過(guò)時(shí)會(huì)有_產(chǎn)生，另外還會(huì)有一部分能量以_的形式輻射出去。如果要實(shí)現(xiàn)等幅振蕩，必須有能量補(bǔ)充到電路中。思考：電磁振蕩過(guò)程中能量轉(zhuǎn)化過(guò)程較為復(fù)雜，你能類比單擺擺動(dòng)過(guò)程中能量轉(zhuǎn)化來(lái)分析嗎？2電磁振蕩的周期和頻率(1)周期：電磁振蕩完成一次_需要的時(shí)間叫做周期。(2)頻率：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)完成的_變化的次數(shù)叫做頻率。如果振蕩電路沒(méi)有能量損失，也不受外界影響，這時(shí)的周期和頻率分別叫做_周期和_頻率。(3)周期和頻率公式：t_，f_。思考：電磁振蕩的固有周期(頻率)和哪些因素有關(guān)？答案：1(1)周期性(2)振蕩電路(3)自感減少最大電場(chǎng)能磁場(chǎng)能自感反向充電增加最大磁場(chǎng)能電場(chǎng)能(4)電熱電磁波思考提示：電容器充電時(shí)相當(dāng)于擺球從平衡位置拉到最高點(diǎn)，電場(chǎng)能相當(dāng)于擺球勢(shì)能，磁場(chǎng)能相當(dāng)于擺球動(dòng)能。電容器在放電過(guò)程中電場(chǎng)能轉(zhuǎn)化為磁場(chǎng)能，相當(dāng)于擺球由最高點(diǎn)向平衡位置運(yùn)動(dòng)，擺球勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。電容器放電結(jié)束電場(chǎng)能全部轉(zhuǎn)化為磁場(chǎng)能，相當(dāng)于擺球到達(dá)平衡位置時(shí)擺球勢(shì)能全部轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。2(1)周期性變化(2)周期性固有固有(3)思考提示：lc振蕩電路的固有周期和固有頻率只取決于線圈的自感系數(shù)l和電容器的電容c，與電容器帶電多少、極板間的電壓高低和是否接入電路等因素?zé)o關(guān)。重難點(diǎn)突破：一、振蕩過(guò)程中各物理量的變化情況給lc電路提供能量后，利用電容器的充放電作用和線圈產(chǎn)生自感的作用，使lc電路中產(chǎn)生電流，同時(shí)電容器極板上電荷量q及與q相關(guān)聯(lián)的電場(chǎng)(e，u，e電)，通電線圈的電流i及與i相關(guān)聯(lián)的磁場(chǎng)(b，e磁)都發(fā)生周期性變化的現(xiàn)象，稱電磁振蕩。其中，產(chǎn)生的大小和方向都周期性變化的電流稱振蕩電流。產(chǎn)生振蕩電流的電路稱振蕩電路。最簡(jiǎn)單的振蕩電路是lc振蕩電路。1各物理量變化情況一覽表2.振蕩電流、極板帶電荷量隨時(shí)間的變化圖象，如圖所示電磁振蕩過(guò)程中磁場(chǎng)能與電流i對(duì)應(yīng)，電場(chǎng)能與帶電荷量q對(duì)應(yīng)，在等幅振蕩中，磁場(chǎng)能與電場(chǎng)能的總量保持不變。二、lc電路中各量間的變化規(guī)律及對(duì)應(yīng)關(guān)系1同步同變關(guān)系在lc電路發(fā)生電磁振蕩的過(guò)程中，電容器上的物理量：帶電荷量q、電場(chǎng)強(qiáng)度e、電場(chǎng)能ee是同步同向變化的，即qeee(或qeee)。振蕩線圈上的物理量：振蕩電流i、磁感應(yīng)強(qiáng)度b、磁場(chǎng)能eb也是同步同向變化的，即ibeb(或ibeb)。2同步異變關(guān)系在lc電路產(chǎn)生電磁振蕩的過(guò)程中，電容器上的三個(gè)物理量q、e、ee與線圈中的三個(gè)物理量i、b、eb是同步異向變化的，即q、e、ee同時(shí)減小時(shí)，i、b、eb同時(shí)增大，且它們是同步的，也即q、e、eei、b、eb。3物理量的等式關(guān)系線圈上的振蕩電流i，自感電動(dòng)勢(shì)e自l，振蕩周期t2。4極值、圖象的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖所示，i0時(shí)，q最大，e最大，ee最大，e自(e自為自感電動(dòng)勢(shì))最大。q0時(shí)，i最大，b最大，eb最大，e自0。對(duì)于電場(chǎng)e與磁場(chǎng)b以及電場(chǎng)能ee與磁場(chǎng)能eb隨時(shí)間變化的圖象有這樣的對(duì)應(yīng)關(guān)系。圖象能更直觀地反映同步異變關(guān)系和極值對(duì)應(yīng)關(guān)系。5自感電動(dòng)勢(shì)e自與i-t圖象的關(guān)系由e自l知，e自是i-t圖象上某點(diǎn)處曲線切線的斜率k的絕對(duì)值。所以，利用圖象可分析自感電動(dòng)勢(shì)隨時(shí)間的變化和極值。判斷l(xiāng)c電路處于放電過(guò)程還是充電過(guò)程的方法：當(dāng)電流流向帶正電的極板，電荷量增加，磁場(chǎng)能向電場(chǎng)能轉(zhuǎn)化，電場(chǎng)能增加，電流減小，磁場(chǎng)能減少，處于充電過(guò)程；當(dāng)電流流出帶正電的極板，電荷量減少，電場(chǎng)能向磁場(chǎng)能轉(zhuǎn)化，電場(chǎng)能減少，電流增大，磁場(chǎng)能增加，處于放電過(guò)程。典例分析類型一 lc振蕩電路的振蕩過(guò)程【例1】 在lc電路產(chǎn)生電磁振蕩的過(guò)程中，下列說(shuō)法中正確的是()。a電容器放電完畢時(shí)刻，回路中磁場(chǎng)能最小b回路中電流值最大時(shí)刻，回路中磁場(chǎng)能最大c電容器極板上電荷最多時(shí)，電場(chǎng)能最大d回路中電流值最小時(shí)刻，電場(chǎng)能最小解析：電容器放電完畢時(shí)，q0，但此時(shí)i最大，所以磁場(chǎng)能最大，則a項(xiàng)錯(cuò)誤；電流最小i0時(shí)，q最多，極板間電場(chǎng)最強(qiáng)，電場(chǎng)能最大，則d項(xiàng)錯(cuò)誤；同理分析，選項(xiàng)b、c正確。答案：bc題后反思：q決定了電容器極板間的電場(chǎng)強(qiáng)弱和電場(chǎng)能的大小，i決定了線圈中磁場(chǎng)強(qiáng)弱和磁場(chǎng)能的大小。因?yàn)殡姾煽偭亢愣ǎ援?dāng)qqmax時(shí)，i0；當(dāng)iimax時(shí)，q0，從另一方面看：電容器充電時(shí)，qi；放電時(shí)qi。關(guān)鍵是分析q或i的變化，只要能確定一個(gè)量值的變化情況，就能分析得出另一個(gè)量值的變化。類型二 決定振蕩頻率的因素【例2】 為了增大lc振蕩電路的固有頻率，下列辦法中可采取的是()。a增大電容器兩極板的正對(duì)面積并在線圈中放入鐵芯b減小電容器兩極板的距離并增加線圈的匝數(shù)c減小電容器兩極板的距離并在線圈中放入鐵芯d減小電容器兩極板的正對(duì)面積并減少線圈的匝數(shù)解析：本題考查lc振蕩電路的頻率公式f的應(yīng)用。由此式可知增大固有頻率f的辦法是減小l或減小c或同時(shí)減小l和c。由c可知：電容器兩極板的正對(duì)面積增大，則c增大，正對(duì)面積減小，則c減小。在線圈中放入鐵芯或增加線圈的匝數(shù)，則l增大，減小線圈的匝數(shù)，則l減小。故選項(xiàng)d正確。答案：d題后反思：要解決此類問(wèn)題，首先要明確lc振蕩電路的固有頻率與l、c的關(guān)系，還要明確電感線圈的自感系數(shù)l及電容器的電容c由哪些因素決定。l一般由線圈的長(zhǎng)度、橫截面積、單位長(zhǎng)度上的匝數(shù)及有無(wú)鐵芯決定，電容c由公式c可知，與電介質(zhì)的介電常數(shù)、極板正對(duì)面積s及板間距離d有關(guān)。隨堂練習(xí)1關(guān)于電磁振蕩和簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，下列說(shuō)法中正確的是()。a電磁振蕩的過(guò)程就是lc電路充、放電的過(guò)程，簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的過(guò)程就是振子加速和減速的過(guò)程b電磁振蕩的規(guī)律是電容器兩極間電勢(shì)差隨時(shí)間做正弦(或余弦)規(guī)律變化，簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的規(guī)律是振子振動(dòng)的位移隨時(shí)間做正弦(或余弦)規(guī)律變化c電磁振蕩是電場(chǎng)能與磁場(chǎng)能相互轉(zhuǎn)化，總能量守恒；簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)是動(dòng)能與勢(shì)能相互轉(zhuǎn)化，總能量守恒d電磁振蕩和簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的本質(zhì)區(qū)別就在于電磁振蕩是振蕩電路中自由電子的電磁運(yùn)動(dòng)，簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)是振子的機(jī)械運(yùn)動(dòng)2 如圖表示lc振蕩電路某時(shí)刻的情況，以下說(shuō)法中正確的是()。a電容器正在充電b電感線圈中的磁場(chǎng)能正在增加c電感線圈中的電流正在增大d此時(shí)刻自感電動(dòng)勢(shì)正在阻礙電流增大3有一lc振蕩電路，能產(chǎn)生一定波長(zhǎng)的電磁波，若要產(chǎn)生波長(zhǎng)比原來(lái)短些的電磁波，可采取的措施有()。a增加線圈的匝數(shù)b在線圈中插入鐵芯c減小電容器極板間的距離d減小電容器極板正對(duì)面積4 如圖是振蕩電流的電流圖線，下列說(shuō)法中正確的是()。a在0t1的時(shí)間里電容器在充電b在時(shí)刻t1時(shí)，電容器的電荷最多ct2時(shí)刻電容器兩極板間電壓為零d在t2t3的時(shí)間里電容器在放電5 如圖所示的lc振蕩電路中，振蕩電流的周期為210-2 s，自振蕩電流沿逆時(shí)針?lè)较蜻_(dá)到最大值時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，當(dāng)t=3.410-2 s時(shí)，電容器正處于_狀態(tài)(選填“充電”“放電”或“充電完畢”)，這時(shí)電容器的上極板_(選填“帶正電”“帶負(fù)電”或“不帶電”)。答案：1abcd在振蕩電路產(chǎn)生振蕩電流的過(guò)程中，電容器極板上的電荷、通過(guò)線圈的電流，以及跟電荷和電流相聯(lián)系的電場(chǎng)和磁場(chǎng)都發(fā)生周期性的變化，這種現(xiàn)象叫電磁振蕩；如果質(zhì)點(diǎn)的位移與時(shí)間的關(guān)系遵從正弦函數(shù)的規(guī)律，即它的振動(dòng)圖象(xt圖象)是一條正弦曲線，這樣的振動(dòng)叫做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)。2bcd由圖中磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向和安培定則可知，此時(shí)電流向著電容器帶負(fù)電的極板流動(dòng)，也就是電容器處于放電過(guò)程中，這時(shí)兩極板電荷量和電壓、電場(chǎng)能處于減少過(guò)程中，而電流和線圈中磁場(chǎng)能處于增加過(guò)程中，由楞次定律可知，線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)正阻礙電流的增加。3dlc振蕩電路產(chǎn)生的電磁波的頻率為：f，再由vf，解得2v，所以減小波長(zhǎng)的方法是減小自感系數(shù)l或電容c。選項(xiàng)a、b都是增大l的措施。關(guān)于電容c有：c，可知選項(xiàng)d正確。4d電流增大的階段是放電過(guò)程，電流減小的階段是充電過(guò)程，電流等于零的瞬間，電壓最大，電荷量最多，電流最大的瞬間，電壓為零，電荷量為零。5解析：根據(jù)題意可畫(huà)出lc電路振蕩電流的變化圖象(如圖)，t3.4102 s時(shí)刻即為圖象中的p點(diǎn)，正處于順時(shí)針電流減小的過(guò)程中，所以，電容器正處于充電狀態(tài)，上極板帶正電。答案：充電帶正電作業(yè)：3關(guān)于lc振蕩電路中的振蕩電流，下列說(shuō)法中正確的是()a振蕩電流最大時(shí)，電容器兩極板間的電場(chǎng)強(qiáng)度最大b振蕩電流為零時(shí)，線圈中自感電動(dòng)勢(shì)為零c振蕩電流增大的過(guò)程中，線圈中的磁場(chǎng)能轉(zhuǎn)化成電場(chǎng)能d振蕩電流減小的過(guò)程中，線圈中的磁場(chǎng)能轉(zhuǎn)化為電場(chǎng)能解析：選d振蕩電流最大時(shí)處于電容器放電結(jié)束瞬間，電場(chǎng)強(qiáng)度為零，a錯(cuò)誤；振蕩電流為零時(shí)，振蕩電流改變方向，這時(shí)的電流變化最快，電流變化率最大，線圈中的自感電動(dòng)勢(shì)最大，b錯(cuò)誤；振蕩電流增大時(shí)，電場(chǎng)能轉(zhuǎn)化為磁場(chǎng)能，c錯(cuò)誤；振蕩電流減小時(shí)，線圈中的磁場(chǎng)能轉(zhuǎn)化為電場(chǎng)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(shí)間是()a. b.c d2解析：選blc振蕩電路的周期t2，其中電容器上的電荷量從最大值變到零所需的最短時(shí)間為t，只有選項(xiàng)b正確。5如圖所示的電路中，l是電阻不計(jì)的電感器，c是電容器，閉合開(kāi)關(guān)s，待電路達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，再斷開(kāi)開(kāi)關(guān)s，lc電路中將產(chǎn)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(kāi)開(kāi)關(guān)的時(shí)刻為t0，那么選項(xiàng)圖中能正確表示電感器中的電流i隨時(shí)間t變化規(guī)律的是() 解析：選cs斷開(kāi)前，ab段短路，電流從ba，電容器不帶電；s斷開(kāi)時(shí)，ab中產(chǎn)生自感電動(dòng)勢(shì)，阻礙電流減小，給電容器充電，此時(shí)電流負(fù)向最大；給電容器充電過(guò)程，電容器充電量達(dá)到最大時(shí)，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(xiàng)c正確。6有一lc振蕩電路，能產(chǎn)生一定波長(zhǎng)的電磁波，若要產(chǎn)生波長(zhǎng)比原來(lái)短一些的電磁波，可用的措施為()a增加線圈匝數(shù)b在線圈中插入鐵芯c減小電容器極板正對(duì)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(guò)程中波速vf恒定，因此欲使波長(zhǎng)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(duì)面積將使電容c減小而升高頻率f?？梢?jiàn)，選項(xiàng)c正確。二、多項(xiàng)選擇題7某lc回路電容器兩端的電壓u隨時(shí)間t變化的關(guān)系如圖所示，則()a在時(shí)刻t1，電路中的電流最大b在時(shí)刻t2，電路中的磁場(chǎng)能最大c從時(shí)刻t2至t3，電路的電場(chǎng)能不斷增大d從時(shí)刻t3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(shí)刻t1電容兩端電壓最高時(shí)，電路中振蕩電流為零，時(shí)刻t2電容兩端電壓為零，電路中振蕩電流最強(qiáng)、磁場(chǎng)能最大，選項(xiàng)a錯(cuò)誤，b正確；在t2至t3的過(guò)程中，從題圖可知，電容器兩板電壓增大，故電場(chǎng)能增加，選項(xiàng)c正確；而在t3至t4的過(guò)程中，電容器兩板電壓減小，電荷量同時(shí)減少，選項(xiàng)d錯(cuò)誤。8一個(gè)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(dá)到最大值u開(kāi)始計(jì)時(shí)，則有()a至少經(jīng)過(guò)，磁場(chǎng)能達(dá)到最大b至少經(jīng)過(guò)，磁場(chǎng)能達(dá)到最大c在時(shí)間內(nèi)，電路中的平均電流是d在時(shí)間內(nèi)，電容器放電量為cu解析：選bcdlc振蕩電路周期t2，電容器電壓最大時(shí)，開(kāi)始放電，至少經(jīng)時(shí)間，放電結(jié)束，此時(shí)電容器電荷量為零，電路中電流最大，磁場(chǎng)最強(qiáng)，磁場(chǎng)能最大。因?yàn)閝cu，所以電容器放電量qcu，由i，所以i 。三、非選擇題9實(shí)驗(yàn)室里有一水平放置的平行板電容器，其電容c1 f。在兩板帶有一定電荷時(shí)，發(fā)現(xiàn)一粉塵恰好靜止在兩板間。還有一個(gè)自感系數(shù)l0.1 mh的電感器，現(xiàn)連成如圖所示電路，試分