高中物理 第3章 電磁場與電磁波 3.1 麥克斯韋的電磁場理論 電磁波的發(fā)現(xiàn)案 滬科3-4

學(xué)必求其心得，業(yè)必貴于專精學(xué)必求其心得，業(yè)必貴于專精PAGEPAGE1學(xué)必求其心得，業(yè)必貴于專精1麥克斯韋的電磁場理論電磁波的發(fā)現(xiàn)［學(xué)習(xí)目標(biāo)定位］1.了解麥克斯韋電磁場理論的兩大基本論點，能從這兩個基本論點出發(fā)分析簡單問題。2。知道麥克斯韋預(yù)言了電磁波的存在及其在物理學(xué)發(fā)展史上的意義。3。知道赫茲用實驗證實了電磁波的存在。4.了解什么叫電磁振蕩,了解LC回路中電磁振蕩的產(chǎn)生過程及其固有周期(頻率）.5。了解有效發(fā)射電磁波的兩個條件，知道電磁波的特點及其與機(jī)械波的異同．1．電磁感應(yīng)現(xiàn)象中產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件：穿過閉合電路的磁通量發(fā)生變化．2．電感對交流電有阻礙作用，交流電能通過電容器，電容器對交流電也有阻礙作用．3．法拉第創(chuàng)造性地用“力線”和“場”的概念來描述電荷之間、磁體之間以及電與磁之間的相互作用．4．電磁場理論的兩大支柱：（1)變化的磁場產(chǎn)生電場；(2)變化的電場產(chǎn)生磁場．5．赫茲用實驗證明了麥克斯韋電磁場理論的正確性．6．電磁振蕩(1)振蕩電流:大小和方向都做周期性變化的電流．（2)振蕩電路：能夠產(chǎn)生振蕩電流的電路．圖1就是一種基本的振蕩電路，稱為LC振蕩電路．圖1(3)電磁振蕩:在振蕩電路中，電路中的電流、電容器極板上的電荷、電容器中的電場強(qiáng)度和線圈中的磁感應(yīng)強(qiáng)度都要發(fā)生周期性的變化，這種現(xiàn)象叫做電磁振蕩．7．電磁波的特點（1）電磁波是橫波；（2)電磁波在真空中的傳播速度等于光在真空中的傳播速度c,約為3。0×108(3）電磁波具有波的一般特征，波長λ、頻率f、周期T和波速v之間的關(guān)系為v＝eq\f(λ，T）＝λf；（4）電磁波也具有能量．一、電磁場理論的兩大支柱［問題設(shè)計］1．如圖2所示,當(dāng)磁棒相對一閉合線圈運動時，線圈中的電荷做定向移動,是因為受到什么力的作用?若把閉合線圈換成一個內(nèi)壁光滑的絕緣環(huán)形管,管內(nèi)有直徑略小于環(huán)內(nèi)徑的帶正電的小球，則磁棒運動過程中會有什么現(xiàn)象？小球受到的是什么力？圖2答案電荷受到電場力作用做定向移動．當(dāng)磁棒運動時，帶電小球會做定向滾動，小球受到的仍然是電場力．2．以上現(xiàn)象說明什么問題？答案空間磁場變化，就會產(chǎn)生電場,與有沒有閉合線圈無關(guān)．3．在如圖3所示的含有電容器的交流電路中，電路閉合時，電路中有交變電流，導(dǎo)線周圍存在磁場．那么在這個閉合電路的電容器中有電流嗎?電容器兩極板間存在磁場嗎？圖3答案電容器中無電流，兩極板間存在磁場．[要點提煉]1．電磁場理論的兩大支柱(1)變化的磁場產(chǎn)生電場；（2）變化的電場產(chǎn)生磁場．2．對麥克斯韋電磁場理論的理解恒定的電場不產(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例1根據(jù)麥克斯韋電磁場理論,下列說法正確的是（）A．在電場的周圍空間，一定存在著和它聯(lián)系著的磁場B．在變化的電場周圍空間，一定存在著和它聯(lián)系著的磁場C．恒定電流在其周圍不存在磁場D．恒定電流周圍存在著穩(wěn)定的磁場解析電場按其是否隨時間變化分為穩(wěn)定電場(靜電場)和變化電場（如運動電荷形成的電場)，穩(wěn)定電場不產(chǎn)生磁場,只有變化的電場周圍空間才存在對應(yīng)的磁場,故B對，A錯；恒定電流周圍存在穩(wěn)定磁場，磁場的方向可由安培定則判斷，D對,C錯．答案BD二、電磁振蕩［問題設(shè)計］把自感線圈、可變電容器、示波器、電源和單刀雙擲開關(guān)按圖4連成電路．先把開關(guān)置于電源一邊，為電容器充電,稍后再把開關(guān)置于線圈一邊，使電容器通過線圈放電．圖41．在示波器顯示屏上看到的是電流的圖像還是線圈兩端電壓的圖像？是什么形狀的圖像?答案示波器呈現(xiàn)的是線圈兩端電壓的圖像．圖像呈周期性變化,類似家庭電路所用的交流電．2．調(diào)節(jié)電容器電容的大小，圖像如何變化？答案電容變小時，圖像周期變小;電容變大時，圖像周期變大．［要點提煉］1．電磁振蕩的過程如圖5所示,圖6是電路中的振蕩電流、電容器極板帶電荷量隨時間的變化圖像．圖5圖62．各物理量的變化情況時刻（時間）工作過程qEiB能量0放電瞬間qmEm00E電最大E磁最小0→eq\f（T,4）放電過程qm→0Em→00→im0→BmE電→E磁eq\f（T，4）放電結(jié)束00imBmE電最小E磁最大eq\f（T，4)→eq\f(T,2)充電過程0→qm0→Emim→0Bm→0E磁→E電eq\f（T，2)充電結(jié)束qmEm00E電最大E磁最小eq\f（T,2）→eq\f（3T,4)放電過程qm→0Em→00→im0→BmE電→E磁eq\f(3T，4)放電結(jié)束00imBmE電最小E磁最大eq\f（3T，4）→T充電過程0→qm0→Emim→0Bm→0E磁→E電T充電結(jié)束qmEm00E電最大E磁最小3.電磁振蕩的周期和頻率周期T＝2πeq\r（LC)，頻率f＝eq\f(1,2π\(zhòng)r（LC))。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（H）、法（F)．［延伸思考］為什么放電完畢時，電流反而最大?答案開始放電時，由于線圈的自感作用，放電電流不能瞬間達(dá)到最大值,而是逐漸增大,隨著線圈的阻礙作用減弱，放電電流增加變快，當(dāng)放電完畢時，電流達(dá)到最大值．例2如圖7所示為LC振蕩電路中電容器的極板帶電荷量隨時間變化曲線，下列判斷中正確的是(）圖7①在b和d時刻，電路中電流最大②在a→b時間內(nèi)，電場能轉(zhuǎn)變?yōu)榇艌瞿堍踑和c時刻,磁場能為零④在O→a和c→d時間內(nèi),電容器被充電A．只有①和③ B．只有②和④C．只有④ D．只有①②和③解析a和c時刻是充電結(jié)束時刻，此時刻電場能最大,磁場能最小為零，③正確;b和d時刻是放電結(jié)束時刻，此時刻電路中電流最大，①正確;a→b是放電過程,電場能轉(zhuǎn)化為磁場能,②正確；O→a是充電過程，而c→d是放電過程，④錯誤．答案D三、電磁波的發(fā)射[問題設(shè)計］如今在我們周圍空間充滿了各種頻率不同、傳遞信息各異的電磁波，你知道這些電磁波是如何發(fā)射出去的嗎？答案由巨大的開放電路發(fā)射出去的．［要點提煉］1．有效地向外發(fā)射電磁波時，振蕩電路必須具有的兩個特點：（1）利用開放電路發(fā)射電磁波．(2）提高振蕩頻率．2．實際應(yīng)用的開放電路（如圖8）,線圈的一端用導(dǎo)線與大地相連，這條導(dǎo)線叫地線；線圈的另一端與高高地架在空中的天線相連．圖8例3要提高LC振蕩電路輻射電磁波的本領(lǐng)，應(yīng)該采取的措施是()A．增加輻射波的波長B．使振蕩電容的正對面積足夠小C．盡可能使電場和磁場分散開D．增加回路中的電容和電感解析理論證明，電磁波發(fā)射本領(lǐng)(功率）與f成正比，電磁場應(yīng)盡可能擴(kuò)散到周圍空間,形成開放電路．而f＝eq\f（1，2π\(zhòng)r(LC)），C＝eq\f(εS，4πkd）,要使f增大，應(yīng)減小L或C，只有B符合題意．答案B四、電磁波及其與機(jī)械波的比較[問題設(shè)計]電磁波是電磁現(xiàn)象,機(jī)械波是力學(xué)現(xiàn)象，兩者都具有波的特性，但它們具有本質(zhì)的不同，你能舉例說明嗎？答案例如機(jī)械波的傳播依賴于介質(zhì)的存在,但電磁波的傳播則不需要介質(zhì)．［要點提煉］電磁波與機(jī)械波的比較電磁波機(jī)械波研究對象電磁現(xiàn)象力學(xué)現(xiàn)象周期性電場強(qiáng)度E和磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨時間和空間做周期性變化位移隨時間和空間做周期性變化傳播情況傳播無需介質(zhì)，在真空中波速總等于光速c，在介質(zhì)中傳播時，波速與介質(zhì)及頻率都有關(guān)傳播需要介質(zhì)，波速與介質(zhì)有關(guān)，與頻率無關(guān)產(chǎn)生機(jī)理由電磁振蕩(周期性變化的電流）激發(fā)由（波源)質(zhì)點的振動產(chǎn)生是否橫波是可以是是否縱波否可以是干涉現(xiàn)象滿足干涉條件時均能發(fā)生干涉現(xiàn)象衍射現(xiàn)象滿足衍射條件時均能發(fā)生明顯衍射例4關(guān)于電磁波與聲波，下列說法正確的是（)A．電磁波是電磁場由發(fā)生的區(qū)域向遠(yuǎn)處傳播，聲波是聲源的振動向遠(yuǎn)處傳播B．電磁波的傳播不需要介質(zhì),聲波的傳播有時也不需要介質(zhì)C．由空氣進(jìn)入水中傳播時,電磁波的傳播速度變小,聲波傳播速度變大D．由空氣進(jìn)入水中傳播時,電磁波的波長不變，聲波的波長變小解析由電磁波和聲波的概念可知A正確．因為電磁波可以在真空中傳播，而聲波屬于機(jī)械波，它的傳播需要介質(zhì)，在真空中不能傳播，故B錯．電磁波在空氣中的傳播速度大于在水中的傳播速度，在真空中的傳播速度最大；聲波在氣體、液體、固體中的傳播速度依次增大，故C正確．無論是電磁波還是聲波,從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時頻率都不變，所以由波長λ＝eq\f（v，f)及它們在不同介質(zhì)中的速度可知，由空氣進(jìn)入水中時，電磁波的波長變短，聲波的波長變長，故D錯．答案AC1．下列說法正確的是（）A．電荷的周圍一定有電場,也一定有磁場B．均勻變化的電場在其周圍空間一定產(chǎn)生磁場C．任何變化的電場在其周圍空間一定產(chǎn)生變化的磁場D．正弦交變的電場在其周圍空間一定產(chǎn)生同頻率交變的磁場答案BD解析靜止的電荷周圍有恒定的電場，不產(chǎn)生磁場，運動的電荷周圍的電場是變化的，所以產(chǎn)生磁場，A錯誤；由麥克斯韋電磁場理論判斷B、D正確，C錯誤．2．關(guān)于電磁波的特點，下列說法正確的是(）A．電磁波中的電場和磁場互相垂直，電磁波沿與二者垂直的方向傳播B．電磁波是橫波C．電磁波的傳播不需要介質(zhì),是電場和磁場之間的相互感應(yīng)D．電磁波不具有干涉和衍射現(xiàn)象答案ABC解析電磁波是橫波，其E、B、v三者互相垂直．電磁波也是一種波，它具有波的特性，因此A、B、C正確，D錯．3．某時刻LC振蕩電路的狀態(tài)如圖9所示,則此時刻()圖9A．振蕩電流i在減小B．振蕩電流i在增大C．電場能正在向磁場能轉(zhuǎn)化D．磁場能正在向電場能轉(zhuǎn)化答案AD解析本題關(guān)鍵是根據(jù)電容器的兩極板的帶電情況和電流方向，判定出電容器正處于充電過程．由電磁振蕩的規(guī)律可知,電容器充電過程中，電流逐漸減小，電場能逐漸增大,磁場能逐漸減小，即磁場能正向電場能轉(zhuǎn)化，故A、D正確．［基礎(chǔ)題]1．下列關(guān)于電磁場理論的敘述正確的是（）A．變化的磁場周圍一定存在著電場,與是否有閉合電路無關(guān)B．周期性變化的磁場產(chǎn)生同頻率變化的電場C．電場和磁場相互關(guān)聯(lián)，形成一個統(tǒng)一的場,即電磁場D．電場周圍一定存在磁場,磁場周圍一定存在電場答案AB解析變化的磁場周圍產(chǎn)生電場，當(dāng)電場中有閉合回路時,回路中有電流；若無閉合回路時，電場仍然存在，A對．若要形成電磁場必須有周期性變化的電場和磁場,B對，C、D錯．2．某電路中電場強(qiáng)度隨時間變化的關(guān)系圖像如圖所示，能發(fā)射電磁波的是()答案D解析由麥克斯韋電磁場理論知,當(dāng)空間出現(xiàn)恒定的電場時（如A圖)，由于它不激發(fā)磁場，故無電磁波產(chǎn)生；當(dāng)出現(xiàn)均勻變化的電場時(如B圖、C圖），會激發(fā)出磁場，但磁場恒定，不會在較遠(yuǎn)處激發(fā)出電場，故也不會產(chǎn)生電磁波；只有周期性變化的電場(如D圖)，才會激發(fā)出周期性變化的磁場，它又激發(fā)出周期性變化的電場……如此交替的產(chǎn)生磁場和電場，便會形成電磁波，故D正確．3．下列關(guān)于機(jī)械波與電磁波的說法中正確的是（）A．機(jī)械波與電磁波，本質(zhì)上是一致的B．機(jī)械波的波速只與介質(zhì)有關(guān)，而電磁波在介質(zhì)中的波速，不僅與介質(zhì)有關(guān)，而且與電磁波的頻率有關(guān)C．機(jī)械波可以是縱波，而電磁波只能是橫波D．它們都可發(fā)生干涉、衍射現(xiàn)象答案BCD解析機(jī)械波是機(jī)械振動在介質(zhì)中的傳播產(chǎn)生的，而電磁波是電磁振蕩產(chǎn)生的，產(chǎn)生的本質(zhì)不同，A錯．不同頻率的機(jī)械波在同一介質(zhì)中傳播速度相同，在不同介質(zhì)中傳播速度不同,不同頻率的電磁波在同一介質(zhì)中傳播速度不同，B正確．機(jī)械波有橫波和縱波之分，而電磁波只有橫波這一種形式,C正確．機(jī)械波和電磁波雖然本質(zhì)不同,但有相同的特征，都能發(fā)生干涉、衍射現(xiàn)象,D正確．4．電磁波在傳播時,不變的物理量是()A．振幅B．頻率C．波速D．波長答案B解析離波源越遠(yuǎn),振幅越?。姶挪ㄔ诓煌橘|(zhì)中的波速不一樣，波長也不一樣．5．關(guān)于電磁波的傳播速度，以下說法正確的是（)A．電磁波的頻率越高，傳播速度越大B．電磁波的波長越長，傳播速度越大C．電磁波的能量越大，傳播速度越大D．所有的電磁波在真空中的傳播速度都相等答案D解析以光為例，無論是哪種頻率的光在真空中的傳播速度都相等,D正確．當(dāng)光進(jìn)入介質(zhì)時，傳播速度發(fā)生變化，不同頻率的光其傳播速度不同，故電磁波在介質(zhì)中的傳播速度與介質(zhì)和頻率有關(guān)．A、B、C錯誤．6．下列關(guān)于電磁波的說法正確的是()A．電磁波必須依賴介質(zhì)傳播B．電磁波可以發(fā)生衍射現(xiàn)象C．電磁波不會發(fā)生偏振現(xiàn)象D．電磁波無法攜帶信息傳播答案B解析電磁波具有波的共性，可以發(fā)生衍射現(xiàn)象,故B正確;電磁波是橫波，能發(fā)生偏振現(xiàn)象,故C錯;電磁波能攜帶信息傳播,且傳播不依賴介質(zhì),在真空中也可以傳播，故A、D錯．7．關(guān)于LC振蕩電路中的振蕩電流，下列說法中正確的是（）A．振蕩電流最大時，電容器兩極板間的電場強(qiáng)度最大B．振蕩電流為零時，線圈中自感電動勢為零C．振蕩電流增大的過程中,線圈中的磁場能轉(zhuǎn)化為電場能D．振蕩電流減小的過程中，線圈中的磁場能轉(zhuǎn)化為電場能答案D解析振蕩電流最大時為電容器放電結(jié)束瞬間，電場強(qiáng)度為零，A選項錯誤；振蕩電流為零時，其要改變方向，這時電流變化最快，電流變化率最大，線圈中的自感電動勢最大，B選項錯誤；振蕩電流增大時，線圈中的電場能轉(zhuǎn)化為磁場能,C選項錯誤；振蕩電流減小時，線圈中的磁場能轉(zhuǎn)化為電場能，D選項正確．8．在LC振蕩電路中，電容器放電時間取決于()A．充電電壓的大小B．電容器儲電量的多少C．自感L和電容C的數(shù)值D．回路中電流的大小答案C解析放電時間等于四分之一個振蕩周期，即t＝eq\f（T，4)＝eq\f(π，2)eq\r(LC），所以放電時間取決于自感L和電容C.故選項C正確．9．關(guān)于在LC振蕩電路的一個周期的時間內(nèi),下列說法中正確的是()①磁場方向改變一次；②電容器充、放電各一次；③電場方向改變兩次；④電場能向磁場能轉(zhuǎn)化完成兩次A．①②B．②③④C．③④D．①③④答案C解析在一個振蕩周期內(nèi),電場、磁場方向改變兩次，電場能、磁場能轉(zhuǎn)化兩次；電容器充、放電各兩次．故選項C正確．[能力題］10．如圖1甲中通過P點電流的(向右為正）變化規(guī)律如圖乙所示，則（）圖1A．0。5～1s內(nèi)，電容器C正在充電B．0。5～1s內(nèi)，電容器C上極板帶正電C．1～1。5s內(nèi)，Q點電勢比P點電勢高D．1～1.5s內(nèi)磁場能轉(zhuǎn)化為電場能答案AC解析0.5~1s內(nèi)，電流逐漸減小,是充電過程,電容器上極板帶負(fù)電，故選項A正確,B錯誤;1~1。5s內(nèi)，電流逐漸增大，是放電過程，電場能轉(zhuǎn)化為磁場能,故選項D錯誤；且電流沿逆時針方向流動,Q點電勢比P點的電勢高,故選項C正確．11．為了增大無線電臺向空間輻射無線電波的能力,對LC振蕩電路結(jié)構(gòu)可采取下列的哪些措施()A．增大電容器極板的正對面積B．增大電容器極板的間距C．增大自感線圈的匝數(shù)D．提高供電電壓答案B解析要增大無線電臺向空間輻射電磁波的能力,必須提高其振蕩頻率，由f＝eq\f(1,2π\(zhòng)r（LC))知，可減小L和C以提高f，要減小L可采取減少線圈匝數(shù)，向外抽出鐵芯的辦法，要減小C可采取增大極板間距，減小正對面積，減小介電常數(shù)的辦法,故B正確，A、C、D錯誤．12．應(yīng)用麥克斯韋的電磁場理論判斷表示電場產(chǎn)生磁場（或磁場產(chǎn)生電場)的關(guān)系圖像中（每個選項的上圖表示的是變化的場,下圖表示的是由變化的場產(chǎn)生的另外的場）正確的是(）答案BC解析A項中的上圖磁場是穩(wěn)定的，由麥克斯韋的電磁場理論可知周圍空間不會產(chǎn)生電場，A項中的下圖是錯誤的．B項中的上圖是均勻變化的電場，應(yīng)該產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場，下圖的磁場是穩(wěn)定的，所以B項正確．C項中的上圖是振蕩的磁場，它能產(chǎn)生同頻率的振蕩電場，且相位相差eq\f(π，2)，C項是正確的．D項的上圖是振蕩的電場,在其周圍空間產(chǎn)生振蕩的磁場，但是下圖中的圖像與上圖相比較，相位相差π,故D項不正確，所以只有B、C正確．13．LC振蕩電路中，某