(RJ)第十八章電磁場和電磁波 1-6節(jié)

1、 【本講教育信息】一. 教學內(nèi)容：第十八章 電磁振蕩 電磁波 第一節(jié) 電磁振蕩 第二節(jié) 電磁振蕩的周期和頻率第三節(jié) 電磁場 第四節(jié) 電磁波第五節(jié) 無線電波的發(fā)射和接收 第六節(jié) 電視 雷達 二. 知識要點：1. 振蕩電流的形成及其變化規(guī)律下圖所示，將電鍵K扳到1，給電容器充電，然后將電鍵K扳到2，此時可以見到G表的指針來回擺動。小結：能產(chǎn)生大小和方向都作周期發(fā)生變化的電流叫振蕩電流。能產(chǎn)生振蕩電流的電路叫振蕩電路。其中最簡單的振蕩電路叫LC回路。振蕩電流是一種交變電流，是一種頻率很高的交變電流，它無法用線圈在磁場中轉動產(chǎn)生，只能是由振蕩電路產(chǎn)生。那么振蕩電路中的交變電流有一些什么樣的性質： （1

2、）介紹振蕩電路中交變電流的一些重要性質：（2）電路分析：甲圖：電場能達到最大，磁場能為零，電路感應電流i=0甲乙：電場能，磁場能，電路中電流i，電路中電場能向磁場能轉化，叫放電過程。乙圖：磁場能達到最大，電場能為零，電路中電流I達到最大。乙丙：電場能，磁場能，電路中電流i，電路中電場能向磁場能轉化，叫充電過程。丙圖：電場能達到最大（與甲圖的電場反向），磁場能為零，電路中電流為零。丙丁：電場能，磁場能，電路中電流i，電路中電場能向磁場能轉化，叫放電過程。丁圖：磁場能達到最大，電場能為零，回路中電流達到最大（方向與原方向相反），丁戊：電場能，磁場能，電路中電流i，電路中電場能向磁場能轉化，叫充電過

3、程。戊與甲是重合的，從而振蕩電路完成了一個周期。小結： 充電完畢（放電開始）：電場能達到最大，磁場能為零，回路中感應電流i=0。 放電完畢（充電開始）：電場能為零，磁場能達到最大，回路中感應電流達到最大。 充電過程：電場能在增加，磁場能在減小，回路中電流在減小，電容器上電量在增加。從能量看：磁場能在向電場能轉化。 放電過程：電場能在減少，磁場能在增加，回路中電流在增加，電容器上的電量在減少。從能量看：電場能在向磁場能轉化。歸納：在振蕩電路中產(chǎn)生振蕩電流的過程中，電容器極板上的電荷，通過線圈的電流，以及跟電流和電荷相聯(lián)系的磁場和電場都發(fā)生周期性變化，這種現(xiàn)象叫電磁振蕩。在振蕩電流的形成過程中，幾

4、個主要物理量的變化情況是： 電容器電量Q、兩極間電壓U、電場能E電變化規(guī)律相同； 線圈中電流I、磁場能E磁變化規(guī)律相同。電容器放電時，Q、U、E電均減小，I、E磁則增大，放電結束時，Q、U、E電為零而I、E磁達最大，電容器充電時，情況相反。2. LC回路工作時，電感線圈兩端電壓UL，線圈中自感電動勢E、電容器兩極間電壓U始終保持相同。應當注意，當電流最大時，UL或E為零，UL或E最大時，電流I則為零。因為此處電路為非純電阻電路，歐姆定律不適用。3. 阻尼振蕩與無阻尼振蕩。（1）阻尼振蕩：在振蕩電路中由于能量被逐漸消耗，振蕩電路中的電流要逐漸減小，直到最后停下來。（2）無阻尼振蕩：在電磁振蕩的電

5、路中，如果沒有能量損失，振蕩應該永遠地持續(xù)下去，電路中振蕩電流的振幅應該永遠保持不變，這種振蕩叫無阻尼振蕩4. 電磁振蕩完成一次周期性變化需要的時間叫做周期，ls內(nèi)完成周期性變化的次數(shù)叫做頻率。如果電磁振蕩時，沒有能量損失，也不受其他外界的影響，這時電磁振蕩的周期和頻率叫做振蕩電路的固有周期和固有頻率。理論和實驗都可以證明，周期T和頻率跟自感系數(shù)L和電容C的關系是T2。5. LC電路的周期和頻率都由組成電路的線圈和電容器本身的特性決定，與板上電量的多少、板間電壓的高低、是否接入電路等因素無關。要想改變LC回路中的周期和頻率，只有改變電容器的電容C或自感線圈的自感系數(shù)L。改變電容的方法有：改變電

6、容器兩極板間的距離，改變兩極板的正對面積，改變兩極板間的介質；改變線圈自感系數(shù)的方法有：在線圈中插入鐵心，改變線圈的長度、橫截面積，改變單位長度上的匝數(shù)。6. 麥克斯韋電磁場理論：（1）變化的磁場產(chǎn)生電場，均勻變化的磁場產(chǎn)生穩(wěn)定的電場，周期性變化的磁場產(chǎn)生周期性變化的電場；（2）變化的電場產(chǎn)生磁場，均勻變化的電場產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場，周期性變化的電場產(chǎn)生周期性變化的磁場；（3）變化的電場和磁場總是相互聯(lián)系的，形成一個不可分離的統(tǒng)一場，這就是電磁場，電磁場是變化著的統(tǒng)一體，靜電場和靜磁場即使在空間重疊，也是兩個各自獨立的場。 7. 電磁波的基本特點是：（1）電磁波傳播時不需要介質，可在真空中傳播；（2

7、）電磁波是橫波，電場方向和磁場方向都跟傳播方向垂直；（3）電磁波具有波的共性，能產(chǎn)生干涉、衍射、反射等現(xiàn)象；（4）電磁波傳遞的是電磁場的能量。8. 一般音頻信號的頻率較低，向外輻射能量的本領較弱，為了使音頻信號傳向遠方，可將音頻信號“加”到高頻振蕩電流上去，這個過程叫調制。理解調制的物理意義，我們可以作如下比喻：人的遠行能力有限，但可以乘坐飛機迅速到達遠方；音頻信號的遠行能力有限，但可以“乘坐”高頻信號迅速到達遠方，也就是說高頻信號是音頻信號的載體。9. 要正確理解調諧的作用：當調諧電路的固有頻率等于某一電磁波頻率時，在調諧電路中激起的這個頻率的感應電流較強，這與放大作用是不相同的，電諧振不存

8、在放大作用。與此同時，其他頻率的電磁波激起的感應非常弱，不等于其他頻率的電磁波不激起感應電流，所以日常生活中用收音機收聽電臺時，經(jīng)常在某個電臺廣播時伴有其他電臺的雜音。10. 雷達是利用無線電波來測定物體位置的無線電設備。它有四個特點： 雷達既是無線電波的發(fā)射端，又是無線電波的接收端； 雷達使用的是直線性好、反射性能強的微波段； 雷達發(fā)射的是不連續(xù)的無線電波，每次發(fā)射時間約為106s； 障礙物的距離等情況都由顯示器直接顯示出來。 【典型例題】例1 在LC振蕩電路中，某時刻線圈中磁場方向如圖1所示，則下列說法中正確的是（ ）A. 若磁場E在加強，則電容器正在充電，電流方向abB. 若磁場E在加強

9、，則電場能E在減少，電容器下板帶負電荷C. 若磁場E在減弱，則電場能E在增加，電容器下板帶負電荷 D. 若磁場E在減弱，則電容器正在充電，電流方向ba圖1 解：由磁場方向可以判斷此時電流方向是由a流向b。若磁場是增強的，說明此過程對應的是電場能向磁場能轉化，電流增大，電容器正在放電，上極板帶負電。所以選項A、B均不對。若磁場是減弱的，說明此過程對應的是磁場能向電場能轉化，電流減小，電容器正在充電，電場能增加，電容器上極板帶正電，所以選項C正確。 例2（1996年全國高考試卷）LC回路中電容器兩端的電壓U隨時刻變化的關系如圖2所示，則（ ）A. 在時刻t1，電路中的電流最大B. 在時刻t2，電路

10、中的磁場能最大 C. 從時刻t2至t3，電路中的電場能不斷增大 D. 從時刻t3至t4，電容的帶電量不斷增大圖2解：由圖2知，t1時刻電容器上電壓最大時，電路中的電流為零。t2時刻電容的電壓為零時，電流最大，磁場最強，磁場能最大，B選項正確。從t2時刻到t3時刻之間，電容器上的電壓逐漸增大，是充電過程。C選項正確。t3時刻至t4時刻電容器上的電壓逐漸減小，是放電過程。 例3（1997年全國高考試卷）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面積并在線圈中放入鐵心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人鐵

11、心 D. 減小電容器兩極板的正對面積并減少線圈的匝數(shù)解：由LC振蕩電路的頻率公式可知，增大固有頻率的辦法是減小L或減小C或同時減小L和C。由L和C的影響因素可知只有選項D是正確的。 例4 在LC振蕩電路中，下列說法中正確的是（ ）A. 電容器充放電一次，所用的時間是一個周期 B. 自感線圈的自感系數(shù)L增大時，電容器的充放電過程變慢 C. 電場能與磁場能的轉化周期為T2 D. 從電容器放電開始計時，當t=k（k=1、2、3）時電流為零解：一個振蕩周期有兩個充放電過程，A錯；由周期公式T2知，L大T長，B對；電場能和磁場能只有大小，沒有方向，因此在電磁振蕩的一個周期內(nèi)各出現(xiàn)兩次最大值，即電場能和磁

12、場能的轉化周期為振蕩周期的一半，C錯；放電開始至放電結束為半個周期的整數(shù)倍，故D對，所以正確答案為B、D 例5 某LC振蕩電路中，振蕩電流的變化規(guī)律為i0.14sin（1000t）A，已知回路中線圈的自感系數(shù)L50mH，則電容器的電容C為多少？解：由電流瞬時值表達式和可知，震蕩電流的頻率為Hz。由周期公式得，、。 ， C=。 例6 根據(jù)麥克斯韋電磁場理論，下列敘述中正確的是（ ）A. 在電場周圍一定產(chǎn)生磁場，磁場周圍一定產(chǎn)生電場B. 在變化的電場周圍一定產(chǎn)生變化的磁場，變化的磁場周圍一定產(chǎn)生變化的電場 C. 均勻變化的電場周圍一定產(chǎn)生均勻變化的磁場D. 周期性、非線性變化的電場周圍一定產(chǎn)生周期

13、性變化的磁場答案：D解：變化的磁場產(chǎn)生感應電場，若磁場的變化率恒定，產(chǎn)生的感應電場就是恒定的。只有磁場的變化率不恒定，產(chǎn)生的電場才是變化的。同理，變化的電場產(chǎn)生磁場，電場的變化率恒定，產(chǎn)生的磁場才恒定。電場的變化率改變，產(chǎn)生的磁場才是變化的。A、B、C選項錯誤。 例7 按照有關規(guī)定，工作場所受到的電磁輻射強度（單位時間內(nèi)垂直通過單位面積的電磁輻射能量）不得超過0.5Wm2。若某小型無線通信裝置的電磁輻射功率是1W，那么在距離該通信裝置 m以外是符合規(guī)定的安全區(qū)域。（已知球面面積為S4R2） 解：設以半徑為R的圓球外是安全區(qū)，則，所以，R0.4m。 例8下列關于電磁波的敘述中，正確的是（ ）A.

14、 電磁波是電磁場由發(fā)生區(qū)域向遠處的傳播B. 電磁波在任何介質中傳播速度均為3×108ms C. 電磁波由真空進入介質傳播時，波長將變短D. 電磁波不能產(chǎn)生干涉、衍射現(xiàn)象答案：A、C 例9 某收音機調諧電路中，線圈的電感是固定的，可變電容器的電容為360pF，接收到波長為600m的電臺信號，如果要接收波長為200m的電臺信號，應將可變電容器的電容調整為多大?解：因自感系數(shù)L為定值，由LC回路頻率公式可知，收音機先后兩次接收電臺信號的頻率之比為：。又根據(jù)關系式，v光速，可得先后兩次接收的電臺信號的波長之比：，聯(lián)列以上兩式得 C2=40pF。 例10 如圖所示為某雷達的熒光屏，屏上標尺的最

15、小刻度對應的時間為2×104s。雷達天線朝東方時，屏上的波形如圖（a）；雷達的天線朝西方時，屏上的波形如圖（b）。問雷達在何方發(fā)現(xiàn)了目標？目標與雷達相距多遠?解：雷達向東方發(fā)射電磁波時，沒有反射回來的信號；向西方發(fā)射時，有反射回來的信號，所以目標在西方，從發(fā)射到接收到信號的時間差為t10×2×104s2×103s，故目標到雷達站的距離為 d300km。 說明：電磁波在同種介質中的傳播可以認為是勻速直線運動，因此可利用勻速直線運動的規(guī)律來解題。我們在分析實際問題時，關鍵是要抓住主要因素，拋開次要因素，抽象出一個合理的物理模型。 【模擬試題】（答題時間：60

16、分鐘）1. 在LC無阻尼振蕩電路中，當振蕩電流最大時，則（ ）A. 電場能全部轉變?yōu)榇艌瞿?，電容器極板上電荷最多B. 磁場能全部轉化為電場能，電容器上電荷最多 C. 電場能全部轉變?yōu)榇艌瞿?，電容器上電荷為?D. 磁場能全部轉化為電場能，電容器上電荷為零2. 一個LC振蕩電路，處在如圖1所示的狀態(tài)中，對它作出的以下判斷正確的是（ ）A. 電流強度在減小B. 電流強度在增大C. 電場能在轉變?yōu)榇艌瞿?D. 磁場能在轉變?yōu)殡妶瞿軋D13. 如圖2（甲）是一LC振蕩電路，（乙）是電路中電容器極板1上的電量隨時間變化的曲線，則（ ）A. a、c兩時刻電路中電流最大，方向相反 B. b時刻回路中電流為順時

17、針方向C. c時刻電容器中電場最強，方向由2指向1 D. d時刻電容器中電場最強，方向由2指向1 圖24. 如圖3所示為某時刻LC振蕩電路中電容器里電場的方向和電感線圈中的磁場方向，則下列說法中正確的是（ ）A. 電容器正在放電 B. 電感線圈的磁場能正在減少 C. 電感線圈中的自感電動勢正在阻礙電流的減小D. 電容器的電場能正在增加圖35. 下述關于電磁振蕩中能量的說法中，正確的是（ ）A. 振蕩電流的最大值越大，表示電磁振蕩中能量越大B. 沒有和振蕩器連接的振蕩電路中的振蕩電流，振幅一定是逐漸減小的C. 等幅振蕩是無阻尼振蕩D. 產(chǎn)生無阻尼振蕩回路中的能量既不向外輻射，也不轉換成內(nèi)能6.

18、在LC振蕩電路中，電容器上的帶電量從零變化到最大值所需的時間是（ ）A. B. C. D. 7. 由自感系數(shù)為L的線圈和可變電容器C構成LC回路，為使振蕩頻率在f550kHz至f1650kHz范圍內(nèi)，則可變電容器和f1對應的電容C1與和f2對應的電容C2之比為（ ）A. l: B. :1 C. 1:9 D. 9:18. 如圖4所示，LC振蕩電路中，L是電感線圈的自感系數(shù)，C是由a和b兩板組成的電容器，在tl時刻，電路中的電流不為零，而電容器的a板帶電量為+q，經(jīng)過一段時間到t2時刻，a板第一次帶q的電量，則可能有（ ）A. t2t1 B. t2t1C. 在t1和t2時刻，電路中的電流方向相同D

19、. 在tl和t2時刻，電路中的電流方向相反圖49. LC振蕩電路中，振蕩電流隨時間變化的關系圖線如圖5所示，在t時間內(nèi)把線圈L中的鐵心抽走，它引起的振蕩電流的變化是（ ）A. 振幅加大，周期變大B. 振幅加大，周期變小 C. 振幅減小，周期變小 D. 振幅減小，周期變大圖510. LC振蕩電路的振蕩頻率為20kHz，若將振蕩電路的平行板電容器兩板間距離減小到原來的，則該振蕩電路的振蕩頻率變?yōu)?kHz。11. 在一個LC振蕩電路中，電流i=0.01sin2000t（A），已知電容器的電容C10F，求電感線圈的電感L。12. 關于電磁波，下列說法中正確的是（ ）A. 電磁波既能在媒質中傳播，又能在

20、真空中傳播。B. 只要有變化的電場，就一定有電磁波存在。C. 電磁波在真空中傳播時，頻率和波長的乘積是一個恒量。D. 振蕩電路發(fā)射電磁波的過程也是向外輻射能量的過程。13. 關于電磁波，下列說法中正確的是（ ）A. 在真空中，頻率高的電磁波速度較大B. 在真空中，電磁波的能量越大，傳播速度越大C. 電磁波由真空進人介質，速度變小，頻率不變D. 只要發(fā)射電路的電磁振蕩一停止，產(chǎn)生的電磁波立即消失14. 有一LC振蕩電路，能產(chǎn)生一定波長的電磁波，若要產(chǎn)生波長比原來短些的電磁波，可采用的措施是（ ）A. 增加線圈匝數(shù) B. 在線圈中插入鐵心C. 減小電容器極板間的正對面積 D. 減小電容器極板間的距離15. 某電路中電場隨時間變化的圖像如圖6所示，能發(fā)射電磁波的電場是（ ）16. 振蕩電路的輻射本領與頻率的四次方成正比，所以發(fā)射電磁波的電路不但形式上開放，而且它的電感線圈的匝數(shù)要 ，電容器兩極間距離要 ，正對面積要 ，使開放電路輻射電磁波的本領很高。17. 有一振蕩電路，線圈的自感系數(shù)為8mH，電容器的電容為20pF，