電磁場和電磁波

1、電磁場和電磁波知識網(wǎng)絡(luò)：單元切塊：按照考綱的要求，本章內(nèi)容均為級要求，在復(fù)習(xí)過程中，不再細(xì)分為幾個單元。本章重點是了解交變電場和交變磁場的相互聯(lián)系，定性理解麥克斯韋的電磁場理論。教學(xué)目標(biāo)：1了解交變電場和交變磁場的相互聯(lián)系，定性理解麥克斯韋的電磁場理論2了解電磁場和電磁波概念，記住真空中電磁波的傳播速度3了解我國廣播電視事業(yè)的發(fā)展教學(xué)重點：了解交變電場和交變磁場的相互聯(lián)系，定性理解麥克斯韋的電磁場理論教學(xué)難點：定性理解麥克斯韋的電磁場理論教學(xué)方法：講練結(jié)合，計算機輔助教學(xué)教學(xué)過程：一、電磁振蕩1振蕩電路：大小和方向都隨時間做周期性變兒的電流叫做振蕩電流，能夠產(chǎn)生振蕩電流的電路叫振蕩電路，LC回

2、路是一種簡單的振蕩電路。2LC回路的電磁振蕩過程：可以用圖象來形象分析電容器充、放電過程中各物理量的變化規(guī)律，如圖所示3LC回路的振蕩周期和頻率 注意：（1）LC回路的T、f只與電路本身性質(zhì)L、C有關(guān)（2）電磁振蕩的周期很小，頻率很高，這是振蕩電流與普通交變電流的區(qū)別。分析電磁振蕩要掌握以下三個要點（突出能量守恒的觀點）：iqttoo放電 充電 放電 充電理想的LC回路中電場能E電和磁場能E磁在轉(zhuǎn)化過程中的總和不變。回路中電流越大時，L中的磁場能越大（磁通量越大）。極板上電荷量越大時，C中電場能越大（板間場強越大、兩板間電壓越高、磁通量變化率越大）。C LLC回路中的電流圖象和電荷圖象總是互為

3、余函數(shù)（見右圖）?！纠?】 某時刻LC回路中電容器中的電場方向和線圈中的磁場方向如右圖所示。則這時電容器正在_（充電還是放電），電流大小正在_（增大還是減?。?。解：用安培定則可知回路中的電流方向為逆時針方向，而上極板是正極板，所以這時電容器正在充電；因為充電過程電場能增大，所以磁場能減小，電流在減小。 a K b C1 L1L2C2 K【例2】右邊兩圖中電容器的電容都是C=410-6F，電感都是L=9104H，左圖中電鍵K先接a，充電結(jié)束后將K扳到b；右圖中電鍵K先閉合，穩(wěn)定后斷開。兩圖中LC回路開始電磁振蕩t=3.14104s時刻，C1的上極板正在_電（充電還是放電）,帶_電（正電還是負(fù)電）

4、；L2中的電流方向向_(左還是右)，磁場能正在_（增大還是減?。?。q，iO t5T/6解：先由周期公式求出=1.2104s， t=3.14104s時刻是開始振蕩后的。再看與左圖對應(yīng)的q-t圖象（以上極板帶正電為正）和與右圖對應(yīng)的i-t圖象（以LC回路中有逆時針方向電流為正），圖象都為余弦函數(shù)圖象。在時刻，從左圖對應(yīng)的q-t圖象看出，上極板正在充正電；從右圖對應(yīng)的i-t圖象看出，L2中的電流向左，正在增大，所以磁場能正在增大。二、電磁場1麥克斯韋的電磁場理論要深刻理解和應(yīng)用麥克斯韋電磁場理論的兩大支柱：變化的磁場產(chǎn)生電場，變化的電場產(chǎn)生磁場。（1）變化的磁場（電場）能夠在周圍空間產(chǎn)生電場（磁場）

5、；（2）均勻變化的磁場（電場）能夠在周圍空間產(chǎn)生穩(wěn)定的電場（磁場）；（3）振蕩的磁場（電場）能夠在周圍空間產(chǎn)生同頻率的振蕩電場（磁場）；可以證明：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。點評：變化的磁場在周圍空間激發(fā)的電場為渦旋電場，渦旋電場與靜電場一樣，對電荷有力的作用，但渦旋電場又于靜電場不同，它不是靜電荷產(chǎn)生的，它的電場線是閉合的，在渦旋電場中移動電荷時，電場力做的功與路徑有關(guān)，因此不能引用“電勢”、“電勢能”等概念。另外要用聯(lián)系的觀點認(rèn)識規(guī)律，變化的磁場產(chǎn)生電場是電磁感應(yīng)現(xiàn)象的本質(zhì)。v0B【例3】右圖中，內(nèi)壁光滑、水平放置的玻璃圓環(huán)內(nèi)，有一直徑略小于環(huán)口徑的帶正電的

6、小球，正以速率v0沿逆時針方向勻速轉(zhuǎn)動。若在此空間突然加上豎直向上、磁感應(yīng)強度B隨時間成正比例增加的變化磁場，設(shè)小球運動過程中的電量不變，那么（）A.小球?qū)ΣＡЛh(huán)的壓力不斷增大 B.小球受到的磁場力不斷增大 C.小球先沿逆時針方向做減速運動，過一段時間后，沿順時針方向做加速運動D.磁場力一直對小球不做功分析：因為玻璃環(huán)所處有均勻變化的磁場，在周圍產(chǎn)生穩(wěn)定的渦旋電場，對帶正電的小球做功，由楞次定律，判斷電場方向為順時針，在電場力的作用下，小球先沿逆時針方向做減速運動，過一段時間后，沿順時針方向做加速運動。小球在水平面內(nèi)沿軌跡半徑方向受兩個力：環(huán)的彈力N和磁場的洛侖茲力f，而且兩個力的矢量和始終提

7、供向心力，考慮到小球速度大小的變化和方向的變化以及磁場強弱的變化，彈力和洛侖茲力不一定始終在增大。洛侖茲力始終和運動方向垂直，所以磁場力不做功。正確為CD。2電磁場：按照麥克斯韋的電磁場理論，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，稱為電磁場。電場和磁場只是這個統(tǒng)一的電磁場的兩種具體表現(xiàn)。理解電磁場是統(tǒng)一的整體：根據(jù)麥克斯韋電磁場理論的兩個要點：在變化的磁場的周圍空間將產(chǎn)生渦漩電場，在變化的電場的周圍空間將產(chǎn)生渦漩磁場當(dāng)變化的電場增強時，磁感線沿某一方向旋轉(zhuǎn)，則在磁場減弱時，磁感線將沿相反方向旋轉(zhuǎn)，如果電場不改變是靜止的，則就不產(chǎn)生磁場同理，減弱或增強的電場周圍也將產(chǎn)生不同旋

8、轉(zhuǎn)方向的磁場因此，變化的電場在其周圍產(chǎn)生磁場，變化的磁場在其周圍產(chǎn)生電場，一種場的突然減弱，導(dǎo)致另一種場的產(chǎn)生這樣，周期性變化的電場、磁場相互激發(fā)，形成的電磁場鏈一環(huán)套一環(huán)，如下圖所示需要注意的是，這里的電場和磁場必須是變化的，形成的電磁場鏈環(huán)不可能是靜止的，這種電磁場是無源場（即：不是由電荷激發(fā)的電場，也不是由運動電荷-電流激發(fā)的磁場），并非簡單地將電場、磁場相加，而是相互聯(lián)系、不可分割的統(tǒng)一整體在電磁場示意圖中，電場E矢量和磁場B矢量，在空間相互激發(fā)時，相互垂直，以光速c在空間傳播3電磁波變化的電場和磁場從產(chǎn)生的區(qū)域由近及遠地向周圍空間傳播開去，就形成了電磁波。（1）有效地發(fā)射電磁波的條件

9、是：頻率足夠高（單位時間內(nèi)輻射出的能量Pf 4）；形成開放電路（把電場和磁場分散到盡可能大的空間里去）。（2）電磁波的特點：電磁波是橫波。在電磁波傳播方向上的任一點，場強E和磁感應(yīng)強度B均與傳播方向垂直且隨時間變化，因此電磁波是橫波。電磁波的傳播不需要介質(zhì)，在真空中也能傳播。在真空中的波速為c=3.0108m/s。波速和波長、頻率的關(guān)系：cf注意：麥克斯韋根據(jù)他提出的電磁場理論預(yù)言了電磁波的存在以及在真空中波速等于光速c，后由赫茲用實驗證實了電磁波的存在（3）電磁波和機械波有本質(zhì)的不同4無線電波的發(fā)射和接收（1）無線電波：無線電技術(shù)中使用的電磁波（2）無線電波的發(fā)射：如圖所示。調(diào)制：使電磁波隨

10、各種信號而改變調(diào)幅和調(diào)頻（3）無線電波的接收電諧振：當(dāng)接收電路的固有頻率跟接收到的電磁波的頻率相同時，接收電路中產(chǎn)生的振蕩電流最強，這種現(xiàn)象叫做電諧振。調(diào)諧：使接收電路產(chǎn)生電諧振的過程。調(diào)諧電路如圖所示。通過改變電容器電容來改變調(diào)諧電路的頻率。檢波：從接收到的高頻振蕩中“檢”出所攜帶的信號。4.電磁波的應(yīng)用廣播、電視、雷達、無線通信等都是電磁波的具體應(yīng)用。雷達：無線電定位的儀器，波位越短的電磁波，傳播的直線性越好，反射性能強，多數(shù)的雷達工作于微波波段。缺點，沿地面?zhèn)鞑ヌ綔y距離短。中、長波雷達沿地面的探測距離較遠，但發(fā)射設(shè)備復(fù)雜。【例4】 一臺收音機，把它的調(diào)諧電路中的可變電容器的動片從完全旋入

11、到完全旋出，仍然收不到某一較高頻率的電臺信號。要想收到該電臺信號，應(yīng)該_（增大還是減?。╇姼芯€圈的匝數(shù)。解：調(diào)諧電路的頻率和被接受電臺的頻率相同時，發(fā)生電諧振，才能收到電臺信號。由公式可知，L、C越小，f越大。當(dāng)調(diào)節(jié)C達不到目的時，肯定是L太大，所以應(yīng)減小L，因此要減小匝數(shù)?！纠?】 某防空雷達發(fā)射的電磁波頻率為f=3103MHZ，屏幕上尖形波顯示，從發(fā)射到接受經(jīng)歷時間t=0.4ms，那么被監(jiān)視的目標(biāo)到雷達的距離為_km。該雷達發(fā)出的電磁波的波長為_m。解：由s= ct=1.2105m=120km。這是電磁波往返的路程，所以目標(biāo)到雷達的距離為60km。由c= f可得= 0.1m【例6】 電子感

12、應(yīng)加速器是利用變化磁場產(chǎn)生的電場來加速電子的。如圖所示，在圓形磁鐵的兩極之間有一環(huán)形真空室，用交變電流勵磁的電磁鐵在兩極間產(chǎn)生交變磁場，從而在環(huán)形室內(nèi)產(chǎn)生很強的電場，使電子加速被加速的電子同時在洛倫茲力的作用下沿圓形軌道運動。設(shè)法把高能電子引入靶室，就能進一步進行實驗工作。已知在一個軌道半徑為r=0.84m的電子感應(yīng)加速器中，電子在被加速的4.2ms內(nèi)獲得的能量為120MeV設(shè)在這期間電子軌道內(nèi)的高頻交變磁場是線性變化的，磁通量的最小值為零，最大值為1.8Wb，試求電子在加速器中共繞行了多少周？解：根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，環(huán)形室內(nèi)的感應(yīng)電動勢為E= 429V，設(shè)電子在加速器中繞行了N周，則電場

13、力做功NeE應(yīng)該等于電子的動能EK，所以有N= EK/Ee，帶入數(shù)據(jù)可得N=2.8105周。v0【例7】 如圖所示，半徑為 r 且水平放置的光滑絕緣的環(huán)形管道內(nèi)，有一個電荷量為 e，質(zhì)量為 m 的電子。此裝置放在勻強磁場中，其磁感應(yīng)強度隨時間變化的關(guān)系式為 B=B0+kt（k0）。根據(jù)麥克斯韋電磁場理論，均勻變化的磁場將產(chǎn)生穩(wěn)定的電場，該感應(yīng)電場對電子將有沿圓環(huán)切線方向的作用力，使其得到加速。設(shè)t=0時刻電子的初速度大小為v0，方向順時針，從此開始后運動一周后的磁感應(yīng)強度為B1，則此時電子的速度大小為 A. B. C. D.解：感應(yīng)電動勢為E=kr2，電場方向逆時針，電場力對電子做正功。在轉(zhuǎn)動

14、一圈過程中對電子用動能定理：kr2e=mv2-mv02，得答案B?！纠?】 如圖所示，平行板電容器和電池組相連。用絕緣工具將電容器兩板間的距離逐漸增大的過程中，關(guān)于電容器兩極板間的電場和磁場，下列說法中正確的是 A.兩極板間的電壓和場強都將逐漸減小B.兩極板間的電壓不變，場強逐漸減小C.兩極板間將產(chǎn)生順時針方向的磁場D.兩極板間將產(chǎn)生逆時針方向的磁場解：由于極板和電源保持連接，因此兩極板間電壓不變。兩極板間距離增大，因此場強E=U/d將減小。由于電容器帶電量Q=UC，d增大時，電容C減小，因此電容器帶電量減小，即電容器放電。放電電流方向為逆時針。在引線周圍的磁場方向為逆時針方向，因此在兩極板間

15、的磁場方向也是逆時針方向。選BD。【例9】如圖所示，氫原子中的電子繞核逆時什快速旋轉(zhuǎn)，勻強磁場垂直于軌道平面向外，電子的運動軌道半徑r不變，若使磁場均勻增加，則電子的動能（）A不變 B增大C減小 D無法判斷解析：正確答案為 B電子在庫侖力F和洛倫茲力f作用下做勻速圓周運動，用左手定則判斷f和F方向始終相同，兩者之和為向心力。當(dāng)磁場均勻增加時，根據(jù)麥克斯韋理論，將激起一穩(wěn)定電場，由楞次定律及安培定則可判出上述電場的方向為順時針，這時電子除受到上述兩力外，又受到一個逆時針方向的電場力作用，該力對電子做正功，所以電子的動能將增大，故答案B正確。三、針對性練習(xí)：1對處于圖所示時刻的LC振蕩電路，下列說

16、法正確的是（）LCiA、電容器正在放電，電場能正轉(zhuǎn)變成磁場能；B、電容器正在充電，電場能正轉(zhuǎn)變成磁場能；C、電容器正在放電，磁場能正轉(zhuǎn)變成電場能；D、電容器正在充電，磁場能正轉(zhuǎn)變成電場能2.下列關(guān)于電磁波的敘述中，正確的是A.電磁波是電磁場由發(fā)生區(qū)域向遠處的傳播B.電磁波由真空進入介質(zhì)傳播時，波長將變長C.電磁波不能產(chǎn)生干涉、衍射現(xiàn)象D.雷達是利用自身發(fā)射的電磁波來對目標(biāo)進行定位的3在我們的周圍空間存在著各種不同頻率的電磁波，它的存在為人類的信息交流帶來了極大的方便：（1）是誰首先預(yù)言了電磁波的存在？答：（2）是誰用實驗的方法證實了電磁波的存在？答：（3）無線電波按波長從大到小可分為長波、中波

17、、中短波、短波等，按傳播方式可分為天波傳播、地波傳播和直線傳播，其中地波是依靠波的衍射作用沿地球表面?zhèn)鞑サ?，那么上面提到的四種無線電波中哪種最適宜地波傳播答：4在聽收音機時，常常要從一個電臺調(diào)到另一個電臺，去收聽自己喜歡的節(jié)目；如果你正在收聽中央人民廣播電臺頻率為1035KHz的節(jié)目。現(xiàn)在你想改聽北京人民廣播電臺頻率為828KHz的節(jié)目，那么：（1） 在對收音機進行調(diào)諧時，你應(yīng)把調(diào)諧電路中的可變電容器的動片旋進一些，還是旋出一些？為什么？（提示：旋進時電容器兩極板的正對面積增大，當(dāng)收音機的調(diào)諧電路的頻率與電臺發(fā)射頻率相同時，就能清楚地收到該電臺的節(jié)目）答： （2） 若北京人民廣播電臺正在實況廣

18、播一場音樂會，試問離舞臺30米遠的現(xiàn)場觀眾甲和遠在現(xiàn)場3000公里外的聽眾乙比較，誰先聽到歌手的聲音？答： 5電磁波遇到某些障礙物會發(fā)生反射，雷達就是根據(jù)這一原理制成的，某雷達站正在觀察一飛機飛行，若飛機正向雷達站飛來，某一時刻雷達第一次發(fā)出電磁波到接收到反射波歷時200微秒，第二次發(fā)出電磁波到接收到反射波歷時186微秒，第一次發(fā)射到第二次發(fā)射的時間差為4秒鐘，則刻飛機的飛行速度為m/s6麥克斯韋的電磁場理論有兩個要點：（1） ；（2） 7電磁場：電磁波：8電磁波在真空中的波速是 m/s電磁波的波速、波長、周期、頻率的關(guān)系用公式表示是v=傳播過程中電磁波的不變9某收音機可變電容器的電容量為C1

19、時能收到無線電波的彼長是1，當(dāng)電容量為C2時，能收到的無線電波的波長是2，若把電容量調(diào)為C1C2，則能收到的電磁波的波長是 102008年奧運會將在中國北京進行，為了實現(xiàn)全球的電視轉(zhuǎn)播，我國政府將進行設(shè)計多種方案，下面正確的一種是（）A.只需運用一顆同步衛(wèi)星，在赤道平面上空運行B.至少需運用三顆同步衛(wèi)星，在赤道平面上空運行C.只需運用一顆同步衛(wèi)星，繞著通過南北極的上空運行D.至少需運用三顆同步衛(wèi)星，繞著通過南北極的上空運行112003年10月16日我國成功發(fā)射了“神州五號”載人飛船，這標(biāo)志著我國的航天航空事業(yè)居于世界前列。（1）如圖是A“神州五號”的火箭發(fā)射場，B為山區(qū)，C為城市，發(fā)射場正在進行發(fā)射，若該火箭起飛時質(zhì)量為2.02105kg，起飛推力2.75106N，火箭發(fā)射塔高100m，則該火箭起飛的加速度大小為 ，在火箭推力不變的情況下，若不考慮空氣阻力和火箭質(zhì)量的變化，火箭起飛后經(jīng) s飛離發(fā)射塔。（2）為了轉(zhuǎn)播發(fā)射實況，我國科技工作者在發(fā)射場建立了發(fā)射臺用于發(fā)射廣播與電視信號。已知傳輸無線電廣播所用的電磁波波長為550m，而傳輸電視信號所用的電磁波波長為0.556m，為了不讓山區(qū)擋住信號的傳播，使城市居民能聽到和收看實況，必須通過在山頂?shù)霓D(zhuǎn)發(fā)站來轉(zhuǎn)發(fā) （填無線電