2020-2021學(xué)年高二人教版物理選修3-4學(xué)案：第十四章 1　電磁波的發(fā)現(xiàn) 2　電磁振蕩 Word版含解析

1、第十四章電磁波1電磁波的發(fā)現(xiàn)2電磁振蕩一、麥克斯韋的電磁場理論及對電磁波的預(yù)言1麥克斯韋電磁場理論英國物理學(xué)家麥克斯韋在總結(jié)前人研究電磁現(xiàn)象成果的基礎(chǔ)上，建立了完整的電磁場理論可定性表述為：變化的磁場產(chǎn)生電場，變化的電場產(chǎn)生磁場2麥克斯韋對電磁波的預(yù)言如果在空間某區(qū)域內(nèi)有周期性變化的電場，那么這個變化的電場就在空間引起周期性變化的磁場；這個變化的磁場又引起新的變化的電場于是，變化的電場和變化的磁場交替產(chǎn)生，由近及遠向周圍傳播，形成了電磁波3電磁波的特點(1)電磁波中的電場強度與磁感應(yīng)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(2)電磁波在真空中傳播的速度等于光速c，光的本質(zhì)是

2、電磁波4赫茲的實驗(1)赫茲利用如圖的實驗裝置，證實了電磁波的存在(2)赫茲的其他實驗成果：赫茲通過一系列的實驗，觀察到了電磁波的反射、折射、干涉、衍射和偏振現(xiàn)象，并通過測量證明，電磁波在真空中具有與光相同的速度，證實了麥克斯韋關(guān)于光的電磁理論北京時間2011年11月3日凌晨，“神舟”八號飛船與“天宮”一號目標飛行器實現(xiàn)剛性連接，形成組成體，中國載人航天首次空間交會對接試驗獲得成功“神舟”八號與“天宮”一號交會對接的成功意味著我國成為繼美國、俄羅斯后，第三個獨立掌握航天交會對接技術(shù)的國家因此，“天宮”一號與“神八”這次太空中的親密接觸，不僅奠定了中國載人航天技術(shù)在世界上的一席之地，也使中國未來

3、空間站的組裝和建造成為可能“神八”與“天宮”一號的對接過程是在地面控制中心的科學(xué)家們的指揮下完成的，地面控制中心與“神舟”八號和“天宮”一號相距如此之遠，他們是如何完成控制指令的傳輸?shù)模刻崾荆航柚陔姶挪ǘ?、電磁振蕩的產(chǎn)生1振蕩電流和振蕩電路(1)振蕩電流：大小和方向都做周期性迅速變化的電流(2)振蕩電路：產(chǎn)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減少，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(zhuǎn)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(zhuǎn)化為磁場能充電過程：電容

4、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(zhuǎn)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(zhuǎn)化為電場能此后，這樣充電和放電的過程反復(fù)進行下去3電磁振蕩的實質(zhì)在電磁振蕩過程中，電容器極板上的電荷量，電路中的電流，與振蕩電流相聯(lián)系的電場和磁場都在周期性地變化，電場能和磁場能周期性地轉(zhuǎn)化打開收音機的開關(guān)，轉(zhuǎn)動選臺旋鈕，使收音機收不到電臺的廣播，然后開大音量在收音機附近，將電池盒的兩根引線反復(fù)碰撞(如圖)，你會聽到收音機中發(fā)出“喀喀”的響聲為什么會產(chǎn)生這種現(xiàn)象呢？打開電扇，將它靠近收音機，

5、看看又會怎樣提示：電磁波是由電磁振蕩產(chǎn)生的，在收音機附近，將電池盒的兩引線反復(fù)碰觸，變化的電流產(chǎn)生變化的磁場，變化的磁場產(chǎn)生變化的電場，這樣會形成電磁波，從而導(dǎo)致收音機中發(fā)出“喀喀”聲，若將轉(zhuǎn)動的電扇靠近收音機，因為電扇中電動機內(nèi)通有交流電，發(fā)動機的運行同樣會引起收音機發(fā)出“喀喀”聲三、電磁振蕩的周期和頻率1電磁振蕩的周期t：電磁振蕩完成一次周期性變化需要的時間2電磁振蕩的頻率f：1 s內(nèi)完成周期性變化的次數(shù)3lc電路的周期(頻率)公式周期、頻率公式：t2，f1/(2)，其中：周期t、頻率f、自感系數(shù)l、電容c的單位分別是秒(s)、赫茲(hz)、亨利(h)、法拉(f)某lc振蕩電路，線圈的自感

6、系數(shù)可從0.1 mh變到4 mh，電容器的電容可從4 pf變到90 pf.該電路振蕩的最高頻率是多少？最低頻率是多少？答案：8.0×106 hz2.7×105 hz解析：由f知，當l10.1 mh，c14 pf時，頻率最高，即fmax8.0×106 hz當l24 mh，c290 pf時，頻率最低，即fmin2.7×105 hz.考點一麥克斯韋電磁場理論1麥克斯韋電磁場理論(1)變化的磁場產(chǎn)生電場如下圖所示，麥克斯韋認為在變化的磁場周圍產(chǎn)生電場，是一種普遍存在的現(xiàn)象，跟閉合電路(導(dǎo)體環(huán))是否存在無關(guān)導(dǎo)體環(huán)的作用只是用來顯示電場的存在變化的磁場產(chǎn)生的電場，稱

7、為感應(yīng)電場，也叫渦旋場，跟前面學(xué)過的靜電場一樣，處于電場中的電荷受力的作用，且fqe.但它們也有顯著的區(qū)別，表現(xiàn)為：(1)靜電場的電場線是非閉合曲線，而感應(yīng)電場的電場線是閉合曲線；(2)靜電場中有電勢的概念，而感應(yīng)電場中無電勢的概念；(3)在同一靜電場中，電荷運動一周(曲線閉合)，電場力做功一定為零，而在感應(yīng)電場中，電荷沿閉合曲線運動一周，電場力做功不一定為零；(4)靜電場的“源”起于電荷，而感應(yīng)電場的“源”起于變化的磁場(2)變化的電場產(chǎn)生磁場根據(jù)麥克斯韋理論，在給電容器充電的時候，不但導(dǎo)體中的電流要產(chǎn)生磁場，而且在電容器兩極板間變化的電場周圍也要產(chǎn)生磁場，如右圖所示2對電磁場理論的理解變化

8、的電場產(chǎn)生磁場變化的磁場產(chǎn)生電場恒定的電場不產(chǎn)生磁場恒定的磁場不產(chǎn)生電場均勻變化的電場在周圍空間產(chǎn)生恒定的磁場均勻變化的磁場在周圍空間產(chǎn)生恒定的電場不均勻變化的電場在周圍空間產(chǎn)生變化的磁場不均勻變化的磁場在周圍空間產(chǎn)生變化的電場振蕩電場產(chǎn)生同頻率的振蕩磁場振蕩磁場產(chǎn)生同頻率的振蕩電場麥克斯韋的重大貢獻有哪些？麥克斯韋集電磁學(xué)研究成果之大成，不僅預(yù)言了電磁波的存在，而且揭示了電、磁、光現(xiàn)象在本質(zhì)上的統(tǒng)一性，建立了完整的電磁場理論麥克斯韋電磁場理論的意義足以與牛頓力學(xué)體系相媲美，它是物理學(xué)發(fā)展中一個劃時代的里程碑【例1】關(guān)于電磁場理論，下列說法中正確的是()a在電場周圍一定產(chǎn)生磁場，磁場周圍一定產(chǎn)

9、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周期性變化的電場周圍一定產(chǎn)生周期性變化的磁場【導(dǎo)思】1.穩(wěn)定的磁場能產(chǎn)生電場嗎？2穩(wěn)定的電場能產(chǎn)生磁場嗎？3均勻變化的磁場產(chǎn)生什么樣的電場？4均勻變化的電場產(chǎn)生什么樣的磁場？5周期性變化的磁場產(chǎn)生什么樣的電場？6周期性變化的電場產(chǎn)生什么樣的磁場？【解析】根據(jù)麥克斯韋電磁場理論，只有變化的電場才產(chǎn)生磁場，均勻變化的電場產(chǎn)生恒定的磁場，非均勻變化的電場產(chǎn)生變化的磁場【答案】d在理解麥克斯韋電磁場理論時，要注意靜電場不產(chǎn)生磁場，穩(wěn)定磁場也不產(chǎn)生電場.下列說法正確的是(d)a穩(wěn)定的電

10、場產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場b均勻變化的電場產(chǎn)生均勻變化的磁場，均勻變化的磁場產(chǎn)生均勻變化的電場c變化的電場產(chǎn)生的磁場一定是變化的d振蕩的電場周圍空間產(chǎn)生的磁場也是振蕩的解析：麥克斯韋電磁場理論的要點是：變化的磁場(電場)要在周圍空間產(chǎn)生電場(磁場)，若磁場(電場)的變化是振蕩的，產(chǎn)生的電場(磁場)也是振蕩的，由此可判斷出正確的為d項考點二電磁場和電磁波1電磁場：如果在空間某區(qū)域中有周期性變化的電場，那么這個電場就會在它周圍空間引起周期性變化的磁場；這個周期性變化的磁場又會在它周圍空間引起新的變化的電場變化的電場和變化的磁場是相互聯(lián)系著的，形成不可分割的統(tǒng)一體，這就是電磁場2電磁波變化的電場和變化的磁場總

11、是交替產(chǎn)生的，并且由發(fā)生的區(qū)域向周圍空間傳播電磁場由發(fā)生區(qū)域向遠處的傳播就是電磁波3電磁波的特點(1)電磁波是橫波，在傳播方向上的任一點，e和b都隨時間做正弦變化，e與b相互垂直且均與傳播方向垂直，如右圖所示(2)電磁波的傳播不需要介質(zhì)，在真空中，電磁波的傳播速度與光速相同，為3.0×108 m/s.電磁波和光一樣，在介質(zhì)中的傳播速度都要小于在真空中的傳播速度，其大小與介質(zhì)有關(guān)(3)電磁波具有波的共性，能產(chǎn)生干涉、衍射等現(xiàn)象，與物質(zhì)相互作用時，能發(fā)生反射、吸收、折射(4)電磁波的波速、波長與頻率的關(guān)系：vf或.4赫茲發(fā)現(xiàn)了電磁波：1886年，赫茲用如圖所示的實驗證明了麥克斯韋預(yù)言的正

12、確性，第一次發(fā)現(xiàn)了電磁波他還通過實驗觀察到了電磁波的反射、折射、干涉、偏振和衍射等現(xiàn)象通過實驗證明了電磁波在真空中具有與光相同的速度c.后人為紀念赫茲的實驗為無線電技術(shù)的發(fā)展作出的突出貢獻，把頻率的單位定為赫茲.【例2】(多選)電磁波與聲波比較，下列說法正確的是()a電磁波的傳播不需要介質(zhì)，聲波的傳播需要介質(zhì)b由空氣進入水中時，電磁波速度變小，聲波速度變大c由空氣進入水中時，電磁波波長變短，聲波波長變長d電磁波和聲波在介質(zhì)中的傳播速度，都是由介質(zhì)決定的，與頻率無關(guān)【導(dǎo)思】要知道電磁波與機械波有哪些相同，哪些不同【解析】電磁波傳播不需要介質(zhì)，而聲波屬于機械波，聲波傳播離不開介質(zhì)，a正確；電磁波在

13、空氣中的速度接近光在真空中的速度，進入水中速度變小，而聲波進入水中速度反而比空氣中大，b正確；由vf，電磁波或聲波由一種介質(zhì)進入另一種介質(zhì)時，頻率不變，可見波速v與波長成正比，c正確；電磁波的速度不僅與介質(zhì)有關(guān)，還與頻率有關(guān)，這點與聲波不相同，d錯誤【答案】abc(多選)下列關(guān)于電磁波的敘述中，正確的是(acd)a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(zhì)中的傳播速度均為3.0×108 m/sc電磁波由真空進入介質(zhì)傳播時，波長將變短d電磁波也能產(chǎn)生干涉，衍射現(xiàn)象解析：電場、磁場相互激發(fā)并向外傳播，形成電磁波，選項a正確電磁波只有在真空中波速為3.0×108 m/

14、s，在其他介質(zhì)中均小于3.0×108 m/s，選項b錯誤根據(jù)知，光從真空進入介質(zhì)，頻率不變，波速減小，所以波長減小，故選項c正確電磁波具有波的一切性質(zhì)，能產(chǎn)生干涉和衍射現(xiàn)象，故選項d正確考點三電磁振蕩的產(chǎn)生1振蕩電流的產(chǎn)生：(1)振蕩電流：大小和方向都做周期性迅速變化的電流；(2)振蕩電路：能夠產(chǎn)生振蕩電流的電路；(3)lc振蕩電路：由電感線圈l和電容器c組成的電路，lc振蕩電路是一種最簡單的振蕩電路2電磁振蕩：在振蕩電路產(chǎn)生振蕩電流的過程中，電容器極板上的電荷量、極板上的電壓、電路中的電流以及跟電荷有關(guān)的電場、與電流有關(guān)的磁場都發(fā)生周期性變化的現(xiàn)象叫電磁振蕩在電磁振蕩過程中，電場能

15、和磁場能同時發(fā)生周期性變化3振蕩電路中的電流i、極板上的電荷量q、電壓、電場能和磁場能之間的對應(yīng)關(guān)系(1)圖象說明如下圖所示(2)圖表說明：在分析電磁振蕩的過程中，首先要明確電容器和電感線圈在電路中的作用電容器在電路中有充電和放電的作用，電感線圈在電路中有阻礙電流變化的作用，線圈中自感電動勢的大小和電流的變化率成正比，方向總是阻礙電流的變化【例3】(多選)如圖所示，為lc振蕩電路中電容器極板上電荷量q隨時間變化的關(guān)系圖線，則下列說法中正確的是()at1時刻電路中磁場能最小bt1t2時間內(nèi)電路中電流值不斷減小ct2t3時間內(nèi)電容器充電dt4時刻電路中電場能最小【導(dǎo)思】1.由圖可知哪些時間段充電？

16、哪些時間段放電？2充電過程電流如何變化？放電過程電流如何變化？【解析】t1時刻電荷量達到峰值，則電場能達到峰值，因此磁場能最小t1t2時間內(nèi)電荷量減小，為放電過程，故電流增大t2t3時間內(nèi)電荷量增大，電場能增加，所以磁場能減小，是充電過程t3t4過程是放電過程，到t4時刻放電完畢，所以t4時刻電場能最小充電過程電荷量增加，電場能增大，磁場能減小，電流減小【答案】acd(多選)在lc振蕩電路中，某時刻線圈中磁場方向如右圖所示，則下列說法正確的是(ac)a若磁場正在加強，則電容器正在放電，電流方向為abb若磁場正在減弱，則電場能正在減小，電容器下極板帶負電荷c若磁場正在減弱，則電場能正在增大，電容

17、器下極板帶負電荷d若磁場正在加強，則電容器正在充電，電流方向為ba解析：在電磁振蕩的一個周期內(nèi)，磁場加強的過程，必定是電容器放電過程，振蕩電流增大而電場能減小，根據(jù)線圈磁感線方向，用安培定則可確定線圈上振蕩電流的方向，從而得知回路中電流方向是ab，注意到這是放電電流，故電容器下極板帶正電荷；磁場正在減弱的過程，必定是電容器充電過程，振蕩電流減小而電場能增大，用安培定則判斷此時電流方向仍是ab，但這是充電電流，故負電荷不斷聚到下極板，上極板則出現(xiàn)等量正電荷，電容器兩極板的電荷不斷增加由以上分析可知，本題正確選項應(yīng)為a、c.考點四電磁振蕩的周期和頻率振蕩電路中發(fā)生電磁振蕩時，如果沒有能量損失，也不

18、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，簡稱振蕩電路的周期和頻率1lc振蕩電路的周期和頻率：(1)公式：t2，f.(2)影響電磁振蕩的周期和頻率的因素由電磁振蕩的周期公式t2知，要改變電磁振蕩的周期和頻率，必須改變線圈的自感系數(shù)l或者電容器的電容c.影響線圈自感系數(shù)l的是：線圈的匝數(shù)、有無鐵芯及線圈橫截面積和長度匝數(shù)越多，自感系數(shù)l越大，有鐵芯的自感系數(shù)比無鐵芯的大影響電容器電容的是：兩極板正對面積s、兩極板間介質(zhì)的介電常數(shù)以及兩極板間的距離d.由c(平行板電容器電容)，不難判斷、s、d變化時，電容c的變化一般來講，由于電容器兩極板間的正對面積的改變較為方便

19、，只需將可變電容器的動片旋出或旋入，便可改變電容c的大小，所以通常用改變電容器極板正對面積的方法改變lc振蕩電路的振蕩周期和頻率2對lc振蕩電路周期公式的理解(1)電感線圈l和電容器c在lc振蕩電路中既是能量的轉(zhuǎn)換器，又決定著這種轉(zhuǎn)換的快慢，l或c越大，能量轉(zhuǎn)換時間也越長，故周期也越大；(2)回路中的電流i、線圈中的磁感應(yīng)強度b、電容器極板間的電場強度e的變化周期就是lc振蕩電路的振蕩周期t2，在一個周期內(nèi)上述各量方向改變兩次；電容器極板上所帶的電荷量，其變化周期也是振蕩周期t2，極板上電荷的電性在一個周期內(nèi)改變兩次；電場能、磁場能也在做周期性變化，但是它們的變化周期是振蕩周期的一半，即t.3

20、lc振蕩電路中各物理量的變化關(guān)系在lc電路振蕩過程中，電容器上的三個物理量q、e、ee與線圈中的三個物理量i、b、eb是同步異向變化的，即q、e、ee同時減小時，i、b、eb同時增大，且它們的變化是同步的，也即：q、e、eei、b、eb.【例4】電子鐘是利用lc振蕩電路來工作計時的，現(xiàn)發(fā)現(xiàn)電子鐘每天要慢30 s，造成這一現(xiàn)象的原因可能是()a電池用久了b振蕩電路中電容器的電感小了c振蕩電路中線圈的電感大了d振蕩電路中的電容器的電容小了【導(dǎo)思】本題關(guān)鍵是找到影響lc回路固有頻率的各個因素，并理清它們之間的關(guān)系【解析】電子鐘變慢的原因是lc振蕩電路的振蕩周期變大了，而影響周期的因素是振蕩電路中的l

21、和c，這兩個物理量有一個或兩個變大都會造成振蕩周期變大，故c項正確【答案】c要想增大lc振蕩電路中產(chǎn)生的振蕩電流的頻率，可采用的方法是(a)a增大電容器兩極板的間距b升高電容器的充電電壓c增加線圈的匝數(shù)d在線圈中插入鐵芯解析：振蕩電路的頻率由lc回路本身的特性決定，f.增大電容器兩極板間距，電容減小，振蕩頻率升高，a正確；升高電容器的充電電壓不能改變振蕩電流的頻率，b錯；增加線圈匝數(shù)和插入鐵芯，電感l(wèi)都增大，頻率降低，c、d錯重難疑點辨析判斷l(xiāng)c回路處于放電過程還是充電過程的方法當電流流向帶正電的極板時，電荷量增加，磁場能向電場能轉(zhuǎn)化，電場能增加，電流減小，磁場能減少，處于充電過程；當電流流出

22、帶正電的極板時，電荷量減少，電場能向磁場能轉(zhuǎn)化，電場能減少，電流增大，磁場能增加，處于放電過程【典例】如圖所示為lc振蕩電路中振蕩電流隨時間變化的圖象，由圖可知，在oa段時間內(nèi)_能轉(zhuǎn)化為_能，在ab段時間內(nèi)電容器處于_(選填“充電”或“放電”)過程，在時刻c，電容器帶的電荷量_(選填“為零”或“最大”)【解析】由圖可知，振蕩電流隨時間呈正弦規(guī)律變化在oa段時間內(nèi)電流增大，電容器正在放電，電場能逐漸轉(zhuǎn)化為磁場能在ab段時間內(nèi)電流減小，電容器正在充電在時刻c電流最大，為電容器放電完畢瞬間，電荷量為零【答案】電場磁場充電為零回路中的電流i、線圈中的磁感應(yīng)強度b、電容器極板間的電場強度e的變化周期就是lc回路的振蕩周期t2，在一個周期內(nèi)上述各量方向改變兩次；電容器極板上所帶的電荷量，其變化周期也是振蕩周期t2，極板上電荷的電性在一個周期內(nèi)改變兩次；電場