2023學(xué)年完整公開課版電磁振蕩

第十四章電磁波第2節(jié)電磁振蕩學(xué)習(xí)目標(biāo)1.理解振蕩電磁波、振蕩電路及LC電路的概念,了解LC回路中振蕩電流的產(chǎn)生過程。2.了解電磁振蕩的周期與頻率,會求LC電路的周期與頻率。一、電磁振蕩的產(chǎn)生1.振蕩電流:大小和方向都做_______迅速變化的電流。2.振蕩電路:能產(chǎn)生_________的電路。3.振蕩過程:如圖所示,將開關(guān)S擲向1,先給電容器充電,再將開關(guān)S擲向2,從此時起,電容器要對線圈放電。周期性振蕩電流(1)放電過程:由于線圈的_____作用,放電電流不能立刻達(dá)到最大值,而是由零逐漸增大,同時電容器極板上的電荷逐漸_____。放電完畢時,極板上的電荷為零,放電電流達(dá)到_______。該過程電容器儲存的_______轉(zhuǎn)化為線圈的_______。(2)充電過程:電容器放電完畢,由于線圈的_____作用,電流并不會立刻消失,而要保持原來的方向繼續(xù)流動,并逐漸減小,電容器開始_____,極板上的電荷逐漸_____。當(dāng)電流減小到零時,充電結(jié)束,極板上的電荷量達(dá)到_______。該過程中,線圈中的_______又轉(zhuǎn)化為電容器的_______。自感減少最大值電場能磁場能自感充電增加最大值磁場能電場能此后電容器再放電、再充電,周而復(fù)始,于是電路中就有了周期性變化的振蕩電流。(3)實際的LC振蕩是阻尼振蕩。電路中有電阻,振蕩電流通過時會有_____產(chǎn)生,另外還會有一部分能量以_______的形式輻射出去。如果要實現(xiàn)等幅振蕩,必須有能量補(bǔ)充到電路中。熱量電磁波【自我思悟】在LC回路中為什么放電完畢時,電流反而最大?提示:開始放電時,由于線圈的自感作用,放電電流不是突然變大,而是逐漸增大,隨著線圈的阻礙作用減弱,放電電流逐漸增大。當(dāng)放電完畢時,線圈的自感作用最弱,電流達(dá)到最大。二、電磁振蕩的周期和頻率1.周期:電磁振蕩完成一次___________需要的時間。2.頻率:1s內(nèi)完成的___________的次數(shù)。如果振蕩電路沒有能量損失,也不受其他外界影響,這時的周期和頻率分別叫作_____周期和_____頻率。3.周期和頻率公式:T=________,f=________。周期性變化周期性變化固有固有【自我思悟】在LC振蕩電路中,電壓u與電流i之間的關(guān)系及變化是否遵循歐姆定律?為什么?提示:不遵循歐姆定律。因為LC振蕩電路是非純電阻電路,分析振蕩過程可知,當(dāng)電容器兩極電壓最大時,回路中的電流反而是零。1.電磁波的傳播不需要介質(zhì)。電磁波在不同介質(zhì)中的傳播速度不同。2.1886年,赫茲用實驗證明了麥克斯韋預(yù)言的正確性,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。3.振蕩電流屬于交流電,一般指頻率很高的交變電流。4.由周期和頻率公式可知,適當(dāng)?shù)剡x擇電容器和線圈,就可以使振蕩電路的周期和頻率符合我們的需要。振蕩過程中各物理量的變化拓展延伸給LC回路提供能量后,利用電容器的充放電作用和線圈產(chǎn)生的自感作用,使LC回路中產(chǎn)生振蕩電流,同時電容器極板上電荷q及與q相關(guān)的電場(E、U、E電),通電線圈的電流i及與i相關(guān)聯(lián)的磁場(B、E磁)都發(fā)生周期性變化。1.各物理量變化情況一覽表:時刻(時間)工作過程qEiB能量0→放電過程qm→0Em→00→im0→BmE電→E磁→充電過程0→qm0→Emim→0Bm→0E磁→E電→放電過程qm→0Em→00→im0→BmE電→E磁→T充電過程0→qm0→Emim→0Bm→0E磁→E電2.振蕩電流、極板帶電荷量隨時間的變化圖像:3.LC回路中各量間的變化規(guī)律及對應(yīng)關(guān)系:(1)同步同變關(guān)系:①在LC振蕩回路發(fā)生電磁振蕩的過程中,電容器上的物理量:電量q、板間電壓U、電場強(qiáng)度E、電場能E電是同步同向變化的,即:q↓→U↓→E↓→E電↓(或q↑→U↑→E↑→E電↑)。②振蕩線圈上的物理量:振蕩電流i、磁感應(yīng)強(qiáng)度B、磁場能E磁也是同步同向變化的,即i↓→B↓→E磁↓(或i↑→B↑→E磁↑)。(2)同步異變關(guān)系:在LC振蕩過程中,電容器上的三個物理量q、E、E電與線圈中的三個物理量i、B、E磁是同步異向變化的,即q、E、E電同時減小時,i、B、E磁同時增大,且它們的變化是同步的,即q、E、E電↑i、B、E磁↓。(3)物理量的等式關(guān)系:線圈上的振蕩電流i=,自感電動勢E=L·,振蕩周期T=2π。(4)極值、圖像的對應(yīng)關(guān)系:如圖所示,i=0時,q最大,E最大,E電最大,E自(E自為自感電動勢)最大。q=0時,i最大,B最大,E磁最大,E電=0。對于電場E與磁場B以及電場能E電與磁場能E磁隨時間的變化圖像有這樣的對應(yīng)關(guān)系,圖像能直觀地反映同步異變關(guān)系和極值對應(yīng)關(guān)系。(5)自感電動勢E與i-t圖像的關(guān)系:由E=L·

知,E∝,是i-t圖像上某處曲線切線的斜率k的絕對值。所以,利用i-t圖像可分析自感電動勢隨時間的變化和極值?！疚⑺伎肌?1)在充電過程中極板上的電荷量逐漸增加,充電電流如何變化?提示:隨電容器上充電電荷的增多,充電電流逐漸減小。(2)LC回路中電流最大時,極板上的電荷量有什么特點?提示:當(dāng)回路中電流最大時,極板上的電荷量最小?！绢}組通關(guān)】【示范題】(多選)LC振蕩電路中,某時刻的磁場方向如圖所示,則(

)A.若磁場正在減弱,則電容器正在充電,電流由b向aB.若磁場正在減弱,則電場能正在增大,電容器上極板帶負(fù)電C.若磁場正在增強(qiáng),則電場能正在減小,電容器上極板帶正電D.若磁場正在增強(qiáng),則電容器正在充電,電流方向由a向b【解題探究】(1)電流與磁場的方向由什么確定?提示:由安培定則確定。(2)磁場正在增強(qiáng)時,LC回路是充電還是放電?如何確定極板的帶電性質(zhì)?提示:磁場正在增強(qiáng)時,電流在增大,是放電過程,由安培定則可判斷上、下極板所帶電荷的電性?！疽?guī)范解答】選A、B、C。若磁場正在減弱,則電流在減小,是充電過程,根據(jù)安培定則可確定電流由b向a,電場能增大,上極板帶負(fù)電,故選項A、B正確;若磁場正在增強(qiáng),則電流在增大,是放電過程,電場能正在減小,根據(jù)安培定則,可判斷電流由b向a,上極板帶正電,故選項C正確,D錯誤?！就P(guān)1+1】1.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)化成電場能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【解析】選D。振蕩電流最大時,處于電容器放電結(jié)束瞬間,電場強(qiáng)度為零,A錯誤;振蕩電流為零時,LC回路振蕩電流改變方向,這時的電流變化最快,電流強(qiáng)度變化率最大,線圈中自感電動勢最大,B錯誤;振蕩電流增大時,線圈中電場能轉(zhuǎn)化為磁場能,C錯誤;振蕩電流減小時,線圈中磁場能轉(zhuǎn)化為電場能,D正確。2.(多選)(2013·昆明高二檢測)LC回路電容器兩端的電壓U隨時間t變化的關(guān)系如圖所示,則(

)A.在t1時刻,電路中的電流最大B.在t2時刻,電路中的磁場能最大C.從時刻t2～t3,電路的電場能不斷增大D.從時刻t3～t4,電容器的帶電量不斷增大【解析】選B、C。本題考查對LC振蕩電路中各物理量振蕩規(guī)律的理解。t1時刻電容器兩端電壓最高時,電路中振蕩電流為零,t2時刻電容器兩端電壓為零,電路中振蕩電流最強(qiáng)、磁場能最多,選項A錯誤,B正確;在t2～t3的過程中,從圖可知,電容器兩板間電壓增大,必有電場能增加,選項C正確;而在t3～t4的過程中,電容器兩板間電壓減小,帶電量同時減少,選項D錯誤。【變式訓(xùn)練】1.(2014·銀川高二檢測)如圖所示,LC電路的L不變,C可調(diào),要使振蕩的頻率從700Hz變?yōu)?400Hz,則可以采用的辦法有(

)A.把電容增大到原來的4倍B.把電容增大到原來的2倍C.把電容減小到原來的D.把電容減小到原來的【解析】選D。由題意，頻率變?yōu)樵瓉淼?倍，則周期就變?yōu)樵瓉淼挠蒚＝L不變，當(dāng)C′＝時符合要求。2.(2014·攀枝花高二檢測)在如圖所示振蕩電流的圖像中,表示電容器充電過程的有

;線圈中有最大電流的點是

;電場能轉(zhuǎn)化為磁場能的過程有

?！窘馕觥扛鶕?jù)i-t圖像,充電過程有a→b、c→d、e→f,線圈中有最大電流的點是a、c、e,電場能轉(zhuǎn)化為磁場能的過程有b→c、d→e。答案:a→b、c→d、e→f

a、c、e

b→c、d→e【素養(yǎng)升華】LC振蕩電路充、放電過程的判斷方法(1)根據(jù)電流流向判斷,當(dāng)電流流向帶正電的極板時,處于充電過程;反之,處于放電過程。(2)根據(jù)物理量的變化趨勢判斷:當(dāng)電容器的帶電量q(U、E)增大時,處于充電過程;反之,處于放電過程。(3)根據(jù)能量判斷:電場能增加時,充電;磁場能增加時,放電?！举Y源平臺】電磁振蕩的周期和頻率【示范題】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芯B.減小電容器兩極板的距離并增加