第1節(jié) 電磁波的產(chǎn)生

第4章

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電磁波第1節(jié)電磁波的產(chǎn)生核心素養(yǎng)點(diǎn)擊

物理觀念(1)初步了解麥克斯韋的電磁場理論的基本思想。(2)知道電磁波的概念，了解電磁場是物質(zhì)的一種形式。(3)了解電磁振蕩，知道電磁振蕩的周期和頻率?？茖W(xué)思維(1)領(lǐng)會(huì)在發(fā)現(xiàn)電磁波的過程中所蘊(yùn)含的科學(xué)精神和科學(xué)研究方法；體會(huì)赫茲實(shí)驗(yàn)的重大意義。(2)經(jīng)歷分析電磁振蕩周期與L、C關(guān)系的過程，體會(huì)定性分析推理的方法。科學(xué)探究用赫茲實(shí)驗(yàn)證明電磁波的存在?？茖W(xué)態(tài)度與責(zé)任體會(huì)電磁波對(duì)人類社會(huì)進(jìn)步的重大促進(jìn)作用，培養(yǎng)探索自然的能力，為人類造福的責(zé)任感。一、麥克斯韋的預(yù)言、赫茲實(shí)驗(yàn)1．填一填(1)19世紀(jì)60年代，英國物理學(xué)家麥克斯韋建立了完整的

理論，并預(yù)言了

________的存在。(2)麥克斯韋電磁場理論的兩個(gè)基本假設(shè)①變化的磁場能夠在周圍空間產(chǎn)生

。②變化的電場能夠在周圍空間產(chǎn)生

。電磁場電磁波電場磁場

圖甲變化的磁場在其周圍空間產(chǎn)生

。

圖乙變化的電場在其周圍空間產(chǎn)生

。(3)電磁場

變化的電場和變化的磁場

產(chǎn)生，形成不可分割的統(tǒng)一體，稱為電磁場。(4)電磁波

這種在空間交替變化的

在空間的傳播稱為電磁波。(5)赫茲實(shí)驗(yàn)

赫茲利用如圖所示的實(shí)驗(yàn)裝置，證實(shí)了

的存在。電場磁場交替電磁場電磁波2．判一判(1)19世紀(jì)60年代，麥克斯韋用實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了電磁波的存在。

()(2)交變的電場和交變的磁場相互聯(lián)系，產(chǎn)生電磁場。

()(3)不同頻率的電磁波在空間傳播的速度是不同的。

(

)3．想一想根據(jù)麥克斯韋電磁場理論，你認(rèn)為電磁波是怎樣產(chǎn)生的？提示：交變的電場周圍產(chǎn)生交變的磁場，交變的磁場周圍產(chǎn)生交變的電場，在空間交替變化并傳播出去的電磁場就形成了電磁波?！痢痢潭㈦姶耪袷?．填一填(1)振蕩電流

大小和

都周期性變化的電流。(2)振蕩電路

產(chǎn)生

的電路稱為振蕩電路。由電感線圈L和電容器C所組成的電路就是一種基本的振蕩電路，稱為

，如圖所示。(3)電磁振蕩

在LC振蕩電路中，電容器極板上的電荷量，電路中的電流，與振蕩電流相聯(lián)系的電場和磁場也周期性交替

，電場能和磁場能相互

，這種現(xiàn)象稱為電磁振蕩。方向振蕩電流LC振蕩電路變化轉(zhuǎn)化(4)電磁振蕩的周期和頻率①電磁振蕩的周期T：完成一次

的時(shí)間。②電磁振蕩的頻率f：一段時(shí)間內(nèi)完成

的次數(shù)與這段時(shí)間之比。(5)LC振蕩電路的周期和頻率①公式：T＝2

，f＝

。②單位：周期T、頻率f、自感L、電容C的單位分別是

、赫茲(Hz)、

、法拉(F)。周期性變化周期性變化秒(s)亨利(H)2．判一判(1)LC振蕩電路中的電流方向和大小都做周期性變化。

()(2)自感越大，電荷量越大，振蕩電路的頻率越大。

(

)(3)只減小LC電路中電感線圈的匝數(shù)，振蕩電流的周期減小。

(

)√√×3．選一選要增大LC振蕩電路的頻率，可采取的辦法是

(

)A．減小電容器兩極板正對(duì)面積B．減少電容器的帶電荷量C．在線圈中放入軟鐵棒作鐵芯D．增加線圈匝數(shù)答案：A

探究(一)

麥克斯韋電磁場理論和電磁波[問題驅(qū)動(dòng)](1)變化的磁場一定產(chǎn)生變化的電場嗎？請(qǐng)解釋下原因。(2)電磁場與靜電場、靜磁場相同嗎？為什么？提示：(1)不一定。均勻變化的磁場在周圍空間產(chǎn)生恒定的電場，不均勻變化的磁場在周圍空間產(chǎn)生變化的電場。(2)不同。電磁場是動(dòng)態(tài)的，并且電場和磁場不可分割；靜電場、靜磁場單獨(dú)存在。

[重難釋解]1．對(duì)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2．對(duì)電磁場的認(rèn)識(shí)(1)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。周期性變化的電場、磁場相互激發(fā)，以光速(真空中)在空間

傳播，傳播方向上的任一點(diǎn)，E與B彼此垂直且與傳播方向垂直，如圖所示。(2)電磁場是動(dòng)態(tài)的，并且電場和磁場不可分割，磁感線、電場線都是閉合的曲線；靜電場、靜磁場是單獨(dú)存在的，且電場線是非閉合曲線，靜止的電場和磁場不是電磁場。3．機(jī)械波與電磁波的比較項(xiàng)目機(jī)械波電磁波對(duì)象研究力學(xué)現(xiàn)象研究電磁現(xiàn)象周期性變化的物理量位移隨時(shí)間和空間做周期性變化電場強(qiáng)度E和磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨時(shí)間和空間做周期性變化傳播傳播需要介質(zhì)，波速與介質(zhì)有關(guān)，與頻率無關(guān)傳播無需介質(zhì)，在真空中波速總是c，在介質(zhì)中傳播時(shí)，波速與介質(zhì)及頻率都有關(guān)系項(xiàng)目機(jī)械波電磁波產(chǎn)生由質(zhì)點(diǎn)(波源)的振動(dòng)產(chǎn)生由周期性變化的電流(電磁振蕩)激發(fā)干涉可以發(fā)生可以發(fā)生衍射可以發(fā)生可以發(fā)生分類可以是橫波也可以是縱波一定是橫波(多選)根據(jù)麥克斯韋的電磁場理論，下列說法正確的是(

)A．變化的電場(或磁場)產(chǎn)生的磁場(或電場)一定是變化的B．變化的電場(或磁場)產(chǎn)生的磁場(或電場)一定是穩(wěn)定的C．周期性變化的電場(或磁場)產(chǎn)生的磁場(或電場)一定是周期性變化的D．周期性變化的電場(或磁場)一定可以產(chǎn)生電磁波[解析]均勻變化的電場(或磁場)產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場(或電場)；周期性變化的電場(或磁場)產(chǎn)生周期性變化的磁場(或電場)，周期性變化的電場和周期性變化的磁場相互聯(lián)系著形成統(tǒng)一的電磁場，電磁場傳播出去就形成了電磁波。[答案]

CD[素養(yǎng)訓(xùn)練]1．(多選)根據(jù)麥克斯韋的電磁場理論，以下敘述中正確的是

(

)A．教室中點(diǎn)亮的日光燈周圍空間必有磁場和電場B．工作時(shí)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器周圍必有磁場和電場C．穩(wěn)定的電場產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場，穩(wěn)定的磁場激發(fā)穩(wěn)定的電場D．電磁波在傳播過程中，電場方向、磁場方向和傳播方向三者互相垂直解析：教室中點(diǎn)亮的日光燈、工作時(shí)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器用的振蕩電流，在其周圍均產(chǎn)生振蕩磁場和電場，故選項(xiàng)A、B正確；穩(wěn)定的電場不會(huì)產(chǎn)生磁場，故選項(xiàng)C錯(cuò)誤；電磁波是橫波，電場方向、磁場方向和傳播方向相互垂直，故選項(xiàng)D正確。答案：ABD

2．如圖所示是某一固定平面的磁通量隨時(shí)間的變化圖像，在它周圍

空間產(chǎn)生的電場中的某一點(diǎn)電場強(qiáng)度E應(yīng)是

(

)A．逐漸增強(qiáng) B．逐漸減弱C．不變

D．無法確定解析：由題圖可知磁通量Φ隨時(shí)間t均勻變化，由Φ＝BS，可知磁場是均勻變化的，根據(jù)麥克斯韋電磁場理論可知C正確。答案：C

3．(多選)如圖所示，有一水平放置、內(nèi)壁光滑、絕緣的真空?qǐng)A形管，半徑

為R，有一帶正電的粒子靜止在管內(nèi)(粒子直徑略小于管內(nèi)徑)，

整個(gè)裝

置處于豎直向上的磁場中，要使帶電粒子由靜止開始沿管做圓周運(yùn)動(dòng)，所加磁場可能是

(

)A．勻強(qiáng)磁場B．均勻增加的磁場C．均勻減少的磁場D．由于洛倫茲力不做功，不管加什么磁場都不能使帶電粒子運(yùn)動(dòng)解析：磁場對(duì)靜止的電荷不產(chǎn)生力的作用，但當(dāng)磁場變化時(shí)可產(chǎn)生電場，電場對(duì)帶電粒子產(chǎn)生力的作用，帶電粒子在電場力作用下可以產(chǎn)生加速度，選項(xiàng)B、C正確。答案：BC探究(二)

電磁振蕩的周期性變化規(guī)律[問題驅(qū)動(dòng)]按如圖所示的裝置連接好電路。先把開關(guān)扳到電池組一邊，給電容器充電，稍后再把開關(guān)扳到線圈一邊。(1)此后電路中有哪些物理量發(fā)生了變化？(2)電路中的能量是怎樣轉(zhuǎn)化的？提示：(1)電容器極板上的電荷量、極板間電壓、板間電場強(qiáng)度、電場能、電感線圈中的電流、磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁場能均發(fā)生周期性的變化。(2)電容器放電過程：電容器極板間的電場能轉(zhuǎn)化為電感線圈中的磁場能；電容器充電過程：電感線圈中的磁場能轉(zhuǎn)化為電容器極板間的電場能。

[重難釋解]1．用圖像對(duì)應(yīng)分析LC振蕩電路中i、q的變化關(guān)系，如圖3．幾個(gè)關(guān)系(1)同步同變關(guān)系。

在LC振蕩電路發(fā)生電磁振蕩的過程中，電容器上的物理量：電荷量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↑)

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EB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振蕩電路發(fā)生電磁振蕩的過程中，電容器上的三個(gè)物理量q、E、E電與線圈中的三個(gè)物理量i、B、E磁是同步異向變化的，即q、E、E電同時(shí)減小時(shí)，i、B、E磁同時(shí)增大，且它們的變化是同步的。(多選)LC振蕩電路中，某時(shí)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，電容器上極板帶正電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[解析]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方向由b向a，電場能增大，上極板帶負(fù)電，故選項(xiàng)A正確，B錯(cuò)誤；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，可判斷電流方向由b向a，電容器上極板帶正電，故選項(xiàng)C正確，D錯(cuò)誤。[答案]

AC[遷移·發(fā)散](多選)在典例激活2情境中，已知電容器上極板帶正電，如圖所示，以下說法正確的是

(

)A．電容器正在充電B．電容器兩極板間的電壓正在增大C．電感線圈中的電流正在增大D．此時(shí)刻自感電動(dòng)勢(shì)正在阻礙電流增大[解析]

由電流的磁場方向可判斷線圈中電流方向從上往下看是逆時(shí)針方向，又電容器上極板帶正電，可知電容器正在放電，兩極板間電壓減小，電路中的電流在增大，此時(shí)刻自感電動(dòng)勢(shì)正在阻礙電流增大，故A、B錯(cuò)誤，C、D正確。[答案]

CDLC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(shí)，電容器的電荷量增加，處于充電過程；反之，當(dāng)電流流出帶正電的極板時(shí)，電荷量減少，處于放電過程。(2)根據(jù)物理量的變化趨勢(shì)判斷：當(dāng)電容器的帶電荷量q(電壓U、電場強(qiáng)度E)增大或電流i(磁場B)減小時(shí)，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(shí)充電，磁場能增加時(shí)放電。[素養(yǎng)訓(xùn)練]1.

如圖所示是一個(gè)LC振蕩電路中電流隨時(shí)間變化的圖線，下列說法

正確的是

(

)A．t1時(shí)刻電感線圈兩端電壓最大B．t2時(shí)刻電容器兩極板間電壓為0C．t1時(shí)刻電路中只有電場能D．t1時(shí)刻電容器所帶電荷量為0解析：振蕩過程中由于電感和電容的存在，電路不是純電阻電路，故不滿足閉合電路歐姆定律的適用條件，t1時(shí)刻電容器兩極板電荷量為0，電壓為0，t2時(shí)刻電容器兩極板電荷量最大，電壓最大，A、B錯(cuò)誤。電流i最大時(shí)，說明磁場最強(qiáng)，磁場能最大，電場能為0，電壓、電容器所帶電荷量均為0，故C錯(cuò)誤，D正確。答案：D

答案：B

一、培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新思維1．赫茲在1888年做了一個(gè)有名的實(shí)驗(yàn)，證明了電磁波的存在。他把環(huán)狀導(dǎo)線的兩端各固定一個(gè)金屬小球，兩小球之間有一很小間隙，他把這個(gè)裝置放在一個(gè)距離正在放電發(fā)生電火花的感應(yīng)線圈不遠(yuǎn)的地方，令他振奮的現(xiàn)象發(fā)生了。他當(dāng)時(shí)看到了什么現(xiàn)象？為什么說這個(gè)現(xiàn)象讓他捕捉到了電磁波？提示：他看到兩球間隙處產(chǎn)生了火花放電。因?yàn)檎诜烹姷母袘?yīng)線圈周圍建立了一個(gè)迅速變化的電磁場，這種電磁場以電磁波的形式在空間傳播，當(dāng)電磁波經(jīng)過接收器時(shí)，接收器產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，使接收器兩球間隙處產(chǎn)生電壓，當(dāng)電壓足夠高時(shí)就會(huì)產(chǎn)生火花放電，從而證明了電磁波的存在。二、注重學(xué)以致用和思維建模2．(多選)如圖所示是一臺(tái)電子鐘，其原理類似于擺鐘，擺鐘是利用單擺的

周期性運(yùn)動(dòng)計(jì)時(shí)的，電子鐘是利用LC振蕩電路來計(jì)時(shí)的，有一臺(tái)電子

鐘在家使用一段時(shí)間后，發(fā)現(xiàn)每晝夜總是快1min。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的可能原因是(

)A．L不變，C變大了 B．L不變，C變小了C．L變小了，C不變

D．L、C均變小了答案：BCD

3．5G是“第五代移動(dòng)通信技術(shù)”的簡稱，其最顯著的特征之一是具有超高速的數(shù)據(jù)傳輸速率。5G信號(hào)一般采用3.3×109～6×109Hz頻段的無線電波，而現(xiàn)行第四代移動(dòng)通信技術(shù)4G的頻段范圍是1.88×109～2.64×