第一、二節(jié) 電磁振蕩 麥克斯韋電磁場理論

第四章電磁振蕩與電磁波第一、二節(jié)電磁振蕩

麥克斯韋電磁場理論核心素養(yǎng)導(dǎo)學(xué)物理觀念(1)了解電磁振蕩，知道LC振蕩電路中電荷、電場、電流、磁場的動態(tài)變化情況及電場能與磁場能的轉(zhuǎn)化情況。(2)了解麥克斯韋電磁場理論的基本思想，知道電磁波的概念。(3)了解電磁場是物質(zhì)的一種形式，會從電磁場的物質(zhì)性與能量傳播的觀點解釋電磁波的發(fā)射與接收。科學(xué)思維(1)知道電磁振蕩的周期與頻率，會用(2)經(jīng)歷分析電磁振蕩周期與L、C關(guān)系的過程，體會定性分析推理的方法。其分析、解釋有關(guān)問題?？茖W(xué)探究實驗觀察電磁振蕩中各物理量的變化過程?？茖W(xué)態(tài)度與責(zé)任了解麥克斯韋對電磁學(xué)的貢獻(xiàn)，領(lǐng)會物理實驗對物理學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)意義。續(xù)表一、振蕩電流的產(chǎn)生1．振蕩電流：大小和方向都做_________變化的電流。2．振蕩電路：能產(chǎn)生__________的電路。3．LC振蕩電路：由線圈和電容器組成的振蕩電路。二、電磁振蕩中能量的轉(zhuǎn)化如圖所示，先把開關(guān)置于電源一側(cè)，為電容器充電，稍后再把開關(guān)置于線圈一側(cè)，使電容器通過線圈放電。周期性振蕩電流1．放電過程：由于線圈的自感作用，放電電流不能立刻達(dá)到最大值，而是由零逐漸增大。到放電完畢時，電容器極板上沒有電荷，放電電流達(dá)到_______。此過程中，能量由_____能逐漸轉(zhuǎn)化為______能。2．充電過程：電容器放電完畢時，由于線圈的自感作用，電流不會立即減小為零，而是保持原來的方向繼續(xù)流動并逐漸減小，電容器在與原來相反的方向上重新_____，到反方向充電結(jié)束的瞬間，電流減小為零，極板上的電量達(dá)到______。此過程中能量由磁場能逐漸轉(zhuǎn)化為_____能。最大值電場磁場充電最大值電場周期性次數(shù)四、兩個基本假設(shè)1．19世紀(jì)60年代，英國物理學(xué)家麥克斯韋建立了具有劃時代意義的_______理論，并預(yù)言了________的存在。2．麥克斯韋電磁場理論的兩個基本假設(shè)(1)變化的磁場周圍會產(chǎn)生______。(2)變化的電場周圍會產(chǎn)生______。3．電磁場：變化的磁場產(chǎn)生電場，變化的電場產(chǎn)生磁場，變化的電場和磁場總是相互_______，形成一個不可分離的統(tǒng)一體，稱為電磁場。電磁場電磁波電場磁場聯(lián)系五、偉大的預(yù)言赫茲實驗1．偉大的預(yù)言(1)電磁波：變化的電場和磁場由近及遠(yuǎn)地向周圍空間______形成電磁波。(2)電磁波的特點：①電磁波是____波。②電磁波的頻率由_____決定，與介質(zhì)無關(guān)。③電磁波在真空中的傳播速度等于光在真空中的傳播速度，光波的本質(zhì)是_____波。傳播橫波源電磁2．赫茲實驗(1)1888年，赫茲利用如下實驗方案證實了________的存在。(2)赫茲還觀察到電磁波的反射、______、干涉、衍射和偏振等現(xiàn)象，證明了電磁波在真空中的傳播速度就是_____。(1)麥克斯韋研究電磁場理論預(yù)言了電磁波的存在，而赫茲則用實驗證實了電磁波的存在。(2)電磁波可以在真空中傳播，即傳播時不需要介質(zhì)。

電磁波折射光速1．音叉的振動產(chǎn)生聲音，但是要形成持續(xù)的聲音，則需要不斷地打擊音叉。手機(jī)接收的是電磁波，要產(chǎn)生持續(xù)的電磁波，需要持續(xù)變化的電流。怎樣才能產(chǎn)生這樣的電流呢？提示：要產(chǎn)生持續(xù)變化的電流，可以通過線圈和電容器組成的電路實現(xiàn)。2．如圖所示的振蕩電路，要增大振蕩電路的頻率。判斷下列方法是否正確。(1)減少電容器的帶電荷量。

()(2)在線圈中放入軟鐵棒作鐵芯。

()(3)減少線圈匝數(shù)。

()××√3．如圖所示，為某電路的電場隨時間變化的圖像，那么，該變化的電場能否在空間產(chǎn)生電磁波？提示：電場均勻變化，產(chǎn)生的磁場恒定不變，故不會在空間產(chǎn)生電磁波。4．如圖是一列電磁波，判斷下列說法是否正確。(1)電磁波在真空中的傳播速度與電磁波的頻率有關(guān)。

()(2)周期性變化的電場和磁場可以相互激發(fā)，形成電磁波。

()(3)電磁波在傳播過程中可以發(fā)生干涉、衍射，但不能發(fā)生反射和折射。()×√×新知學(xué)習(xí)(一)|電磁振蕩過程分析[任務(wù)驅(qū)動]如圖所示，將開關(guān)S擲向1，先給電容器充電，再將開關(guān)擲向2。(1)電容器通過線圈放電過程中，線圈中的電流怎樣變化？電容器的電場能轉(zhuǎn)化為什么形式的能？(2)在如圖所示的電路中，如果僅更換自感系數(shù)L更大的線圈，線圈因自感現(xiàn)象產(chǎn)生的自感電動勢是否更大？“阻礙”作用是否也更大？振蕩周期T會怎樣變化？提示：(1)電容器放電過程中，線圈中的電流逐漸增大，電容器的電場能轉(zhuǎn)化為磁場能。(2)自感電動勢更大，“阻礙”作用更大，振蕩周期變長。

[重點釋解]各物理量變化情況一覽表[典例體驗][典例]

(2022·陽江高二檢測)(多選)如圖(a)所示，在LC振蕩電路中，通過P點的電流變化規(guī)律如圖(b)所示，且把通過P點向右的方向規(guī)定為電流i的正方向，則

(

)

A．0.5～1s時間內(nèi)，電容器C在放電B．0.5～1s時間內(nèi)，電容器C的上極板帶正電C．1～1.5s時間內(nèi)，Q點的電勢比P點的電勢高D．1～1.5s時間內(nèi)，電場能正在轉(zhuǎn)變成磁場能[解析]

0.5～1s時間內(nèi)，振蕩電流是充電電流，充電電流是由負(fù)極板流向正極板，A、B錯誤；1～1.5s時間內(nèi)，振蕩電流是放電電流，放電電流是由正極板流向負(fù)極板，由于電流為負(fù)值，所以由Q流向P，Q點的電勢比P點的電勢高，電場能正在轉(zhuǎn)變成磁場能，C、D正確。[答案]

CD/方法技巧/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，電容器的電荷量增加，磁場能向電場能轉(zhuǎn)化，處于充電過程；反之，當(dāng)電流流出帶正電的極板時，電荷量減少，電場能向磁場能轉(zhuǎn)化，處于放電過程。(2)根據(jù)物理量的變化趨勢判斷：當(dāng)電容器的帶電荷量q(電壓U、電場強(qiáng)度E)增大或電流i(磁場B)減小時，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。[針對訓(xùn)練]1．(多選)如圖所示是一臺電子鐘，其原理類似于擺鐘，擺鐘是利用

單擺的周期性運動計時的，電子鐘是利用LC振蕩電路來計時的，

有一臺電子鐘在家使用一段時間后，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

2．如圖甲所示的振蕩電路中，電容器極板間電壓隨時間變化的規(guī)律如圖乙所示，規(guī)定回路中振蕩電流的方向為逆時針時為正方向，則電路中振蕩電流隨時間變化的圖像是

(

)答案：D

新知學(xué)習(xí)(二)|麥克斯韋電磁場理論的理解[重點釋解]1．對麥克斯韋電磁場理論的理解電場磁場恒定的電場不產(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．電磁場與靜電場、磁場的比較三者可以在某空間混合存在，但由靜電場和磁場混合的空間不屬于電磁場。電磁場是電場、磁場相互激發(fā)，相互耦聯(lián)形成的統(tǒng)一體。電磁場由近及遠(yuǎn)傳播，形成電磁波，如圖所示。[典例體驗][典例]

(多選)如圖所示，在內(nèi)壁光滑、水平放置的玻璃圓環(huán)內(nèi)，有一直徑略小于玻璃圓環(huán)內(nèi)徑的帶正電荷的小球，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方向豎直向上、磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨時間成正比例增加的變化磁場，設(shè)運動過程中小球所帶電荷量不變，那么

(

)A．小球?qū)ΣＡA環(huán)的壓力不斷增大B．小球受到的洛倫茲力不斷增大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．洛倫茲力對小球一直不做功[解析]

玻璃圓環(huán)所在處有均勻變化的磁場，在周圍產(chǎn)生穩(wěn)定的渦旋電場，對帶正電荷的小球做功。由楞次定律，判斷電場方向為順時針方向。在電場力作用下，小球先沿逆時針方向做減速運動，后沿順時針方向做加速運動。小球在水平面內(nèi)沿玻璃圓環(huán)半徑方向受兩個力作用：環(huán)的彈力FN和磁場的洛倫茲力F＝Bqv，而且兩個力的矢量和時刻等于小球做圓周運動的向心力?？紤]小球速度大小、方向以及磁場強(qiáng)弱的變化，彈力FN和洛倫茲力F不一定始終在增大。洛倫茲力始終與小球做圓周運動的線速度方向垂直，所以洛倫茲力對小球不做功。[答案]

CD/方法技巧/(1)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。而產(chǎn)生的電場或磁場如何變化與原磁場或原電場的變化規(guī)律有關(guān)。(2)洛倫茲力對運動電荷永不做功，但變化的磁場產(chǎn)生的感應(yīng)電場可以對運動電荷做功。[針對訓(xùn)練]1．下列關(guān)于電場與磁場的產(chǎn)生的理解正確的是

(

)答案：C

2．某空間中出現(xiàn)了如圖中虛線所示的一組閉合的電場線，這可能是(

)A．在中心點O有一靜止的點電荷B．沿AB方向有一段通有恒定電流的直導(dǎo)線C．沿BA方向的磁場在減弱D．沿AB方向的磁場在減弱解析：首先應(yīng)知道閉合的電場線是由變化的磁場產(chǎn)生的，閉合的電場線類似于環(huán)形電流，根據(jù)楞次定律環(huán)形電流產(chǎn)生的磁場由B→A，阻礙原磁場的變化，所以BA方向的磁場在減弱，選C。答案：C新知學(xué)習(xí)(三)|電磁波和機(jī)械波的對比[典例體驗][典例]

(多選)水下機(jī)器人在水下開啟尋魚模式可以通過聲吶技術(shù)(通過發(fā)射聲波和接收回波判斷目標(biāo)物的距離、方位和移動速度等信息)準(zhǔn)確探測魚群。它也能將水下魚群信息通過無線電波傳輸上岸，由于在水中衰減快，其最大傳輸距離為80m。下列分析合理的是

(

)A．聲波和無線電波在水中的傳播速度相等B．無線電波在水中衰減指的是其頻率不斷減小C．發(fā)射聲波后能形成回波是波的反射現(xiàn)象D．若接收回波頻率大于發(fā)射聲波的頻率，說明魚正在靠近[解析]

聲音進(jìn)入水中傳播速度會增大，無線電波進(jìn)入水中速度會減小，但兩者的速度不相等，A錯誤；無線電波進(jìn)入水中時頻率不變，波長變短，B錯誤；發(fā)射聲波后能形成回波是波的反射現(xiàn)象，C正確；根據(jù)聲音的多普勒效應(yīng)可知，若接收回波頻率大于發(fā)射聲波的頻率，說明聲源接近觀察者，即魚正在靠近，D正確。[答案]

CD[系統(tǒng)歸納]電磁波與機(jī)械波的比較

機(jī)械波電磁波實質(zhì)力學(xué)現(xiàn)象電磁現(xiàn)象周期性位移隨時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隨時間和空間做周期性變化傳播特點傳播需要介質(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)產(chǎn)生機(jī)理由質(zhì)點(波源)的振動產(chǎn)生由電磁振蕩(周期性變化的電場)激發(fā)續(xù)表[針對訓(xùn)練]1．(多選)關(guān)于電磁波和機(jī)械波，說法正確的是

(

)A．電磁波和機(jī)械波的傳播都需要借助于介質(zhì)B．電磁波在任何介質(zhì)中傳播的速度都相同，而機(jī)械波的波速大小與介質(zhì)密切相關(guān)C．電磁波和機(jī)械波都能產(chǎn)生干涉和衍射現(xiàn)象D．根據(jù)麥克斯韋的電磁場理論，變化的電場產(chǎn)生磁場解析：機(jī)械波的傳播需要借助于介質(zhì)，但電磁波的傳播不需要借助介質(zhì)，A錯誤；電磁波和機(jī)械波的傳播速度都與介質(zhì)有關(guān)，B錯誤；電磁波和機(jī)械波都能產(chǎn)生干涉和衍射現(xiàn)象，C正確；變化的電場產(chǎn)生磁場，D正確。答案：CD

2．(多選)關(guān)于電磁波與聲波，下列說法正確的是

(

)A．電磁波是由電磁場發(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，聲波的傳播速度變大D．由空氣進(jìn)入水中傳播時，電磁波的波長不變，聲波的波長變小答案：AC

一、好素材分享——看其他教材如何落實核心素養(yǎng)

物理觀念——麥克斯韋電磁場理論(選自滬科版新教材課后練習(xí))(多選)根據(jù)麥克斯韋的電磁場理論，變化的磁場可以產(chǎn)生電場。當(dāng)產(chǎn)生的電場的電場線如圖所示時，可能是(

)A．向上方向的磁場在增強(qiáng)B．向上方向的磁場在減弱C．向上方向的磁場先增強(qiáng)，然后反向減弱D．向上方向的磁場先減弱，然后反向增強(qiáng)解析：根據(jù)楞次定律可以確定，A、C正確，B、D錯誤。答案：AC二、新題目精選——品立意深處所蘊(yùn)含的核心