十七----電磁振蕩電磁波

1、高考物理電磁振蕩電磁波復(fù)習(xí)復(fù)習(xí)要點(diǎn)1了解電磁振蕩的產(chǎn)生過程，認(rèn)識(shí)電磁振蕩過程的物理本質(zhì)。2掌握LC振蕩電路的振蕩規(guī)律。3了解麥克斯韋電磁場(chǎng)理論的要點(diǎn)4掌握電磁波傳播的簡(jiǎn)單規(guī)律二、難點(diǎn)剖析1對(duì)LC振蕩過程的認(rèn)識(shí)。（1）從振蕩的表象上看：LC振蕩過程實(shí)際上是通過線圈L對(duì)電容器C充、放電的過程。（2）從物理本質(zhì)上看：LC振蕩過程實(shí)質(zhì)上是磁場(chǎng)能和電場(chǎng)能之間通過充、放電的形式相互轉(zhuǎn)化的過程。2LC振蕩過程中規(guī)律的表達(dá)。（1）定性表達(dá)。在LC振蕩過程中，磁場(chǎng)能及與磁場(chǎng)能相磁的物理量（如線圈中電流強(qiáng)度、線圈電流周圍的磁場(chǎng)的磁感強(qiáng)度、穿過線圈的磁通量等）和電場(chǎng)能及與電場(chǎng)能相關(guān)的物理量（如電容器的極板間電壓、極

2、板間電場(chǎng)的電場(chǎng)強(qiáng)度、極板上電量等）都隨時(shí)間做周期相同的周期性變化。這兩組量中，一組最大時(shí)，另一組恰最?。灰唤M增大時(shí)，另一組正減小。這一特征正是能的轉(zhuǎn)化和襯恒定律所決定的。 （2）定量表達(dá)。在LC振蕩過程中，盡管磁場(chǎng)能和電場(chǎng)能的變化曲線都比較復(fù)雜，但與之相關(guān)的其他物理量和變化情況卻都可以用簡(jiǎn)單的正（余）弱曲線給出定量表達(dá)。以LC振蕩過程中線圈L中的振蕩電流i（與磁場(chǎng)能相關(guān)）和電容器C的極板間交流電壓u（與電場(chǎng)能相關(guān)）為例，其變化曲線分別如圖1中的（a）、（b）所示。（a） （b） 圖13LC振蕩過程中一個(gè)周期內(nèi)四個(gè)階段的分析。如圖221所示，在O、t2、t4時(shí)刻，線圈中振蕩電流i為0，磁場(chǎng)能最小

3、，而電容器極板間電壓u恰好達(dá)到最大值，電場(chǎng)能最多，在t1、t3時(shí)刻則正相反，振蕩電流、磁場(chǎng)能均達(dá)到最大值，而電壓為0，電場(chǎng)能最少。在Ot1和t2t3階段，電流增強(qiáng)，磁場(chǎng)能增多，而電壓降低，電場(chǎng)能減小，這是電容器放電把電場(chǎng)能轉(zhuǎn)化為磁場(chǎng)能的階段；在t1t2和t3t4階段，電流減弱，磁場(chǎng)能減小，而電壓升高，電場(chǎng)能增多，這是電容器充電把磁場(chǎng)能轉(zhuǎn)化為電場(chǎng)能的階段。4LC振蕩過程一個(gè)周期內(nèi)的幾個(gè)特別狀態(tài)振蕩電路的狀態(tài)時(shí)刻t=0t=t=t=TT電容器極板上的電量最大零最大零最大振蕩電流ii=0正向最大i=0反向最大I=0電場(chǎng)能最大零最大零最大磁場(chǎng)能零最大零最大零5LC振蕩過程與單擺擺動(dòng)過程的比較。如把LC振

4、蕩過程中的物理量及各階段與單擺擂動(dòng)過程中相應(yīng)的物理量及各階段作出如下表所示的對(duì)照比較，則可以認(rèn)為L(zhǎng)C振蕩與單擺擺動(dòng)實(shí)際上是極其相似的兩個(gè)物理過程：?jiǎn)螖[擺動(dòng)過程實(shí)質(zhì)上是通過擺球的擺動(dòng)而使擺球動(dòng)能與擺球勢(shì)能相互轉(zhuǎn)化，LC振蕩過程實(shí)質(zhì)上是通過對(duì)電容器的充、放電而使磁場(chǎng)能與電場(chǎng)能相互轉(zhuǎn)化（見下表）：過程LC電磁振蕩過程單擺的擺動(dòng)過程物理量振蕩過程擺球的速度電容器電壓擺球的高度能量磁場(chǎng)能擺球的動(dòng)能電場(chǎng)能擺球的勢(shì)能階段充電階段擺球上升階段放電階段擺球下降階段6對(duì)周期公式T=2的定性分析。（1）L對(duì)T的影響：L越大，振蕩過程中因自感現(xiàn)象產(chǎn)生的自感電動(dòng)勢(shì)就越大，楞次定律中所說的“阻礙”作用也就將越大，從而延緩

5、著振蕩電流的變化，使振蕩周期T變長(zhǎng)。（2）C對(duì)T的影響：C越大，振蕩過程中無論是充電階段將C充至一定電壓，或是放電階段一定電壓下的C中的電放完，其時(shí)間都應(yīng)當(dāng)相應(yīng)地變長(zhǎng)，從而使振蕩周期T變長(zhǎng)。7麥克斯韋電磁場(chǎng)理論的要點(diǎn)（1）變化的磁（電）場(chǎng)將產(chǎn)生電（磁）場(chǎng)。（2）變化的磁（電）場(chǎng)所產(chǎn)生的電（磁）場(chǎng)取決于磁（電）場(chǎng)的變化率。具體地說，均勻變化的磁（電）場(chǎng)將產(chǎn)生恒定的電（磁）場(chǎng)，非均勻變化的磁（電）場(chǎng)將產(chǎn)生變化的電（磁）場(chǎng)，周期性變化的磁（電）場(chǎng)將產(chǎn)生周期相同的周期性變化的電（磁）場(chǎng)。（3）變化的磁場(chǎng)和變化的電場(chǎng)互相聯(lián)系著，形成一個(gè)不可分離的統(tǒng)一體電磁場(chǎng)。8電磁波傳播規(guī)律。電磁波在真空（空氣）中傳播

6、速度為C=3×108m/s其波長(zhǎng)，頻率f與波速C間的關(guān)系為C=f.三、典型例題例1 如圖2所示為L(zhǎng)C振蕩電路某時(shí)刻的情況下，以下說法正確的是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)刻線圈中的自感電動(dòng)勢(shì)正在阻礙電流增大 圖2 分析：從所給磁場(chǎng)方向和電容器極板所帶電的性質(zhì)即可判斷振蕩過程所處的階段。解答：由圖2B的方向及電容器極板上帶電性質(zhì)可判斷電流方向，進(jìn)而知電容器正處在放電階段，于是又出可知磁場(chǎng)能正在增加放電電流正在增強(qiáng)，而自感電動(dòng)勢(shì)正阻礙放電電流的增強(qiáng)。即應(yīng)選BCD。例2 如圖3所示的LC振蕩回路中振蕩電流的周期為2×102s。自振蕩電

7、流沿逆時(shí)針方向達(dá)最大值時(shí)開始計(jì)時(shí)，當(dāng)t=3.4×1023s時(shí)，電容器正處于_狀態(tài)（填充電、放電、充電完畢或放電完畢）。這時(shí)電容器的上極板_（填帶正電、帶負(fù)電或不帶電）。分析：把握住LC振蕩過程的周期性特征即可得出正確解答。 圖3解答：電磁振蕩過程是電路中振蕩電流、極板帶電量等物理量周期性變化的過程，為分析某時(shí)刻t（tT）振蕩情況，可由下列變換式t=nT+t/(n為正整數(shù)，0t/T)，轉(zhuǎn)而分析t/時(shí)刻的振蕩狀態(tài)。設(shè)t=3.4×10 2s=2×102s+1.4×102s=T+t/，則T/2t/3T/4，t時(shí)刻與t/時(shí)刻電路振蕩狀態(tài)相同。作出振蕩電流i隨時(shí)間變

8、化圖象如圖4所示，t軸上方圖線表示蕩電流沿逆時(shí)針方向。在T/23T/4時(shí)間內(nèi)，振蕩電流不斷減小，磁場(chǎng)能不斷減小，電場(chǎng)能不斷增加，因此電容器處于充電狀態(tài)。 圖4從圖線處于t軸下方可右，電路中振蕩電流沿順時(shí)針方向，故上極板應(yīng)帶正電。即應(yīng)依次填充：充電；帶正電。 例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)比原來短些的電磁波，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分析：解答的基礎(chǔ)有二：波長(zhǎng)、頻率、波速間關(guān)系；影響頻率的因素。解答：由于電磁波傳播過程中波速=f恒定，因此欲使波長(zhǎng)變短，必須使頻率f升高。而由于頻率f=所以：增加線圈匝數(shù)

9、和在線圈中插入鐵芯境外將由于使線圈自感系數(shù)L增大而降低頻率f；減小電容器極板間距將由于使電容C增大而降低頻率f；減小電容器極板正對(duì)面積將由于電容C減小而升高頻率f。可見：此例應(yīng)選C。例4按照麥克斯韋的電磁場(chǎng)理論，以下說法中正確的是A恒定的電場(chǎng)周圍產(chǎn)生恒定的磁場(chǎng)，恒定的磁場(chǎng)周圍產(chǎn)生恒定的電場(chǎng)B變化的電場(chǎng)周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)，變化的磁場(chǎng)周圍產(chǎn)生電場(chǎng)C均勻變化的電場(chǎng)周圍產(chǎn)生均勻變化的磁場(chǎng)，均勻變化的磁場(chǎng)周圍產(chǎn)生均勻變化的電場(chǎng)D均勻變化的電場(chǎng)周圍產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場(chǎng)，均勻變化的磁場(chǎng)周圍產(chǎn)生穩(wěn)定的電場(chǎng)解答：麥克斯韋電磁場(chǎng)理論的核心內(nèi)容是：變化的電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)；變化的磁場(chǎng)主產(chǎn)生電場(chǎng)。對(duì)此理論全面正確理解為：不變化的電場(chǎng)周

10、圍不產(chǎn)生磁場(chǎng)；變化的電場(chǎng)可以產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，也可產(chǎn)生不變化的磁場(chǎng)；均勻變化的電場(chǎng)產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場(chǎng)；周期性變化的電場(chǎng)產(chǎn)生同頻率的周期性變化的磁場(chǎng)。由變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)的規(guī)律與上似同。由此可知：此例應(yīng)選B、D。分析：此例所考查的是對(duì)麥克斯韋電磁場(chǎng)理論要點(diǎn)的把握。例5如圖225（甲）電路中，L是電阻不計(jì)的電感器，C是電容器，閉合電鍵S，待電路達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，再打開電鍵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，打開電鍵的時(shí)刻為t=0，那么圖5（乙） 圖5（甲）中能正確表示電感器中的電流隨時(shí)間t變化規(guī)律的是 圖5（乙） 分析：要正確理解電磁振蕩過程中線圈中電流和兩端壓（即電容器電極板間電壓）的變化關(guān)系，一定要注意克服