教科版高中物理選擇性必修第二冊電磁振蕩

教科版高中物理選擇性必修第二冊電磁振蕩CATALOGUE目錄電磁振蕩基本概念與原理LC振蕩電路分析阻尼振蕩與受迫振蕩現(xiàn)象探討電磁波發(fā)射、傳播和接收原理電磁振蕩在科技領(lǐng)域應(yīng)用實(shí)驗(yàn)探究：電磁振蕩相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與操作01電磁振蕩基本概念與原理變化的電場和磁場相互激發(fā)、交替產(chǎn)生，形成不可分割的統(tǒng)一體，即電磁場。電磁場由近及遠(yuǎn)地傳播形成電磁波，電磁波向外傳播的過程也是傳播能量的過程。變化的電場和磁場總是相互聯(lián)系著，形成一個(gè)不可分割的統(tǒng)一體，即電磁場。如果空間某處產(chǎn)生了變化的電場，那么就會在空間引起磁場，而這個(gè)磁場的變化又會在較遠(yuǎn)的空間引起電場，接著又在更遠(yuǎn)一些的空間引起磁場。這樣，變化的電場和磁場交替產(chǎn)生，由近及遠(yuǎn)地傳播出去形成電磁波。電磁場電磁波電磁波的產(chǎn)生電磁場與電磁波簡介振蕩電路組成振蕩電路一般由電阻、電感、電容等元件和電子器件所組成。由電感線圈l和電容器c相連而成的lc電路是最簡單的一種振蕩電路。工作原理充電完畢（放電開始）：電場能達(dá)到最大，磁場能為零，回路中感應(yīng)電流i=0。放電完畢（充電開始）：電場能為零，磁場能達(dá)到最大，回路中感應(yīng)電流達(dá)到最大。振蕩電路組成及工作原理電磁振蕩產(chǎn)生條件與過程產(chǎn)生條件：振蕩電路產(chǎn)生振蕩電流的條件是：①整個(gè)電路的電阻r=0（包括線圈、導(dǎo)線），從能量角度看沒有其它形式的能向內(nèi)能轉(zhuǎn)化，即熱損耗為零。②電感線圈l集中了全部電路的電感，電容器c集中了全部電路的電容，無潛布電容存在。③lc振蕩電路在發(fā)生電磁振蕩時(shí)不向外界空間輻射電磁波，是嚴(yán)格意義上的閉合電路，lc電路內(nèi)部只發(fā)生線圈磁場能與電容器電場能之間的相互轉(zhuǎn)化。過程：放電過程：由于開始時(shí)整個(gè)電路處于靜止?fàn)顟B(tài)，即沒有自由的電荷在電路中移動，電池內(nèi)正、負(fù)離子之間的相互作用力跟靜電排斥力一樣。當(dāng)斷開s時(shí)，正離子推向負(fù)極板，負(fù)離子推向正極板的過程開始，相當(dāng)b板的外城電子被電池吸收到電池內(nèi)部形成了電池中的電流。隨著正、負(fù)離子逐漸分離，兩極板之間的電勢差逐漸增大，到正負(fù)離子完全分離時(shí)，兩極板之間的電勢差達(dá)到最大。此過程中能量相互轉(zhuǎn)化的情況是：先由化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡姶拍?，到兩極板間的電勢差最大時(shí)，全部轉(zhuǎn)變?yōu)閮蓸O板間的電場能。充電過程：將兩極板接回到電池上后，負(fù)極板的自由電子通過電池的作用開始移向正極板，使得正離子由上向下運(yùn)動形成電流。這些正離子與已經(jīng)分離到負(fù)極板一側(cè)的負(fù)電荷中和后又回到正極板附近，故又稱此過程為中和過程。此過程一直進(jìn)行到與正極板分離的正離子全部回到正極板為止。這一過程中正離子向下運(yùn)動的宏觀表現(xiàn)即為電池中的電流由正極流向負(fù)極。此過程中能量相互轉(zhuǎn)化的情況是：隨著兩極板間電勢差的逐漸減小，兩極板間的電場能將逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)殡姶拍?。?dāng)兩極板間的電勢差為零時(shí)，全部電場能轉(zhuǎn)變?yōu)殡姶拍艿倪^程結(jié)束。同時(shí)由電源通過自感線圈提供的電磁能開始轉(zhuǎn)變?yōu)殡娙萜髦械碾妶瞿?。能量轉(zhuǎn)化與守恒在電磁振蕩中體現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化：在lc振蕩電路中，當(dāng)電容器在放電過程：電場能在減少，磁場能在增加，回路中電流在增加，電容器上的電量在減少。從能量看：電場能在向磁場能轉(zhuǎn)化；從電壓看：電容器上電壓在減??；從電流看：電流在增大；從電場強(qiáng)度看：電場強(qiáng)度在減??；從磁感應(yīng)強(qiáng)度看：磁感應(yīng)強(qiáng)度在增大；從安培力看：安培力在增大。當(dāng)電容器在充電過程：電場能在增加，磁場能在減小，回路中電流在減小，電容器上電量在增加。從能量看：磁場能在向電場能轉(zhuǎn)化；從電壓看：電容器上電壓在增大；從電流看：電流在減小；從電場強(qiáng)度看：電場強(qiáng)度在增大；從磁感應(yīng)強(qiáng)度看：磁感應(yīng)強(qiáng)度在減??；從安培力看：安培力在減小。能量守恒：充電結(jié)束后，電容器極板上帶電量最多。放電結(jié)束后，電容器極板上帶電量最少。充電過程結(jié)束后相當(dāng)于將電源內(nèi)部的電荷通過非靜電力做功搬運(yùn)到了電容器上極板上儲存了起來；放電過程結(jié)束后相當(dāng)于將電容器上極板上的電荷又搬運(yùn)回到了電源內(nèi)部之中。因此在lc振蕩電路中一個(gè)周期內(nèi)充電一次和放電一次所經(jīng)過的時(shí)間是相同的；充電過程和放電過程也是互逆的過程。充電過程和放電過程中電場能、磁場能和動能之間的轉(zhuǎn)化所遵循的規(guī)律是——能量守恒定律。02LC振蕩電路分析由電感L和電容C組成，無外加電源電感線圈L中儲存磁場能，電容器C中儲存電場能電場能與磁場能之間可以相互轉(zhuǎn)化，形成振蕩LC振蕩電路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)電容器極板上的電荷量增加，電路中的電流逐漸減小，電場能逐漸增強(qiáng)充電過程電容器極板上的電荷量減少，電路中的電流逐漸增大，磁場能逐漸增強(qiáng)放電過程充放電過程中電量和電流變化規(guī)律單位時(shí)間內(nèi)完成振蕩的次數(shù)，計(jì)算公式為f=1/T，其中T為振蕩周期完成一次充電或放電所需的時(shí)間，計(jì)算公式為T=2π√(LC)，其中L為電感，C為電容振蕩頻率和周期計(jì)算方法振蕩周期T振蕩頻率f收音機(jī)調(diào)諧回路是一個(gè)典型的LC振蕩電路，用于選擇特定頻率的無線電信號通過調(diào)整可變電容器的電容值，可以改變振蕩電路的固有頻率，從而選擇接收不同頻率的無線電信號當(dāng)調(diào)諧回路的固有頻率與接收到的無線電信號頻率相同時(shí)，回路中會產(chǎn)生最大的感應(yīng)電流，使得收音機(jī)能夠清晰地接收到該信號實(shí)例分析：收音機(jī)調(diào)諧回路03阻尼振蕩與受迫振蕩現(xiàn)象探討阻尼振蕩是由于振蕩系統(tǒng)受到摩擦、空氣阻力等阻尼力的作用，使得振蕩幅度逐漸減小。產(chǎn)生原因阻尼振蕩的頻率和周期與無阻尼振蕩相同，但振幅逐漸減小，最終停止振蕩。特點(diǎn)阻尼振蕩產(chǎn)生原因及特點(diǎn)概念受迫振蕩是指振蕩系統(tǒng)在外界周期性驅(qū)動力作用下產(chǎn)生的振蕩。產(chǎn)生條件外界驅(qū)動力的頻率與振蕩系統(tǒng)的固有頻率接近或相等，且驅(qū)動力足夠大以克服阻尼力。受迫振蕩概念及產(chǎn)生條件受迫振蕩頻率和振幅影響因素頻率影響因素受迫振蕩的頻率等于外界驅(qū)動力的頻率，與振蕩系統(tǒng)的固有頻率無關(guān)。振幅影響因素受迫振蕩的振幅與驅(qū)動力的頻率、驅(qū)動力的大小以及振蕩系統(tǒng)的阻尼系數(shù)有關(guān)。當(dāng)驅(qū)動力頻率接近固有頻率時(shí)，振幅達(dá)到最大值，稱為共振現(xiàn)象。音響設(shè)備音響設(shè)備利用共振原理，通過調(diào)整驅(qū)動力的頻率，使音響喇叭產(chǎn)生共振，從而放大聲音。樂器演奏樂器如鋼琴、小提琴等，通過調(diào)整琴弦或音板的固有頻率，使其與外界驅(qū)動力產(chǎn)生共振，發(fā)出美妙的音樂。建筑結(jié)構(gòu)在建筑結(jié)構(gòu)中，利用共振原理可以避免或減少地震等自然災(zāi)害對建筑物的破壞。通過調(diào)整建筑物的固有頻率，使其與地震波等外界驅(qū)動力的頻率不一致，從而避免共振現(xiàn)象的發(fā)生。實(shí)例分析：共振現(xiàn)象在生活中的應(yīng)用04電磁波發(fā)射、傳播和接收原理振蕩電路產(chǎn)生高頻振蕩電流，通過天線將電能轉(zhuǎn)換為電磁波輻射出去。電磁波發(fā)射過程天線是電磁波發(fā)射和接收的轉(zhuǎn)換器，它將高頻振蕩電流轉(zhuǎn)換為電磁波，并將接收到的電磁波轉(zhuǎn)換為高頻振蕩電流。天線作用電磁波發(fā)射過程及天線作用電磁波傳播方式電磁波在空間中以光速傳播，不需要介質(zhì)支持，可穿過真空。電磁波傳播特性電磁波具有反射、折射、衍射、干涉等波動特性，同時(shí)還具有偏振現(xiàn)象。電磁波在空間中傳播特性電磁波接收原理及檢波器作用接收天線接收到電磁波后，將其轉(zhuǎn)換為高頻振蕩電流，經(jīng)過檢波器等電路處理后還原為原始信號。電磁波接收原理檢波器是接收電路中的關(guān)鍵部件，它可以將高頻振蕩電流中的有用信號提取出來，同時(shí)濾除無用信號和噪聲。檢波器作用VS無線通信系統(tǒng)由發(fā)射機(jī)、信道、接收機(jī)等部分組成。其中發(fā)射機(jī)負(fù)責(zé)將信號轉(zhuǎn)換為電磁波并發(fā)射出去，信道是電磁波傳播的路徑，接收機(jī)負(fù)責(zé)接收并處理電磁波信號。無線通信工作原理在無線通信系統(tǒng)中，發(fā)射機(jī)將原始信號經(jīng)過調(diào)制等處理后轉(zhuǎn)換為高頻振蕩電流，并通過天線發(fā)射出去。電磁波在空間中傳播，經(jīng)過反射、折射等過程后到達(dá)接收天線。接收機(jī)接收到電磁波后將其轉(zhuǎn)換為高頻振蕩電流，并經(jīng)過檢波器等電路處理后還原為原始信號。無線通信系統(tǒng)組成實(shí)例分析：無線通信系統(tǒng)組成與工作原理05電磁振蕩在科技領(lǐng)域應(yīng)用微波爐利用電磁振蕩產(chǎn)生高頻電磁波，使食物分子產(chǎn)生振動摩擦生熱，實(shí)現(xiàn)快速均勻加熱。加熱速度快、效率高、節(jié)能環(huán)保、易于控制加熱程度等。微波爐加熱原理優(yōu)點(diǎn)微波爐加熱原理及優(yōu)點(diǎn)手機(jī)通信原理手機(jī)通過電磁振蕩產(chǎn)生電磁波進(jìn)行信息傳輸，實(shí)現(xiàn)語音、數(shù)據(jù)等通信功能。要點(diǎn)一要點(diǎn)二電磁振蕩作用在手機(jī)通信中，電磁振蕩的頻率和幅度決定了信號的傳輸質(zhì)量和距離。手機(jī)通信中電磁振蕩作用利用強(qiáng)磁場和特定頻率的電磁振蕩對人體內(nèi)部進(jìn)行掃描，通過接收反射回來的電磁波信號進(jìn)行成像。核磁共振成像原理無輻射、分辨率高、可多角度成像等，廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)診斷和治療。優(yōu)點(diǎn)醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用：核磁共振成像技術(shù)利用電磁振蕩產(chǎn)生的磁場進(jìn)行能量傳輸，實(shí)現(xiàn)無線充電功能。無線充電傳感器技術(shù)粒子加速器利用電磁振蕩檢測物體的位置、速度、溫度等參數(shù)，廣泛應(yīng)用于自動化控制和測量領(lǐng)域。利用強(qiáng)電磁振蕩對帶電粒子進(jìn)行加速，用于高能物理研究等領(lǐng)域。030201其他領(lǐng)域應(yīng)用簡介06實(shí)驗(yàn)探究：電磁振蕩相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與操作實(shí)驗(yàn)?zāi)康耐ㄟ^搭建LC振蕩電路，觀察電磁振蕩現(xiàn)象，理解振蕩電路的工作原理。實(shí)驗(yàn)器材信號發(fā)生器、示波器、電感線圈、電容器、電阻器等。LC振蕩電路搭建與觀測實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)步驟搭建LC振蕩電路，連接信號發(fā)生器和示波器。調(diào)節(jié)信號發(fā)生器的頻率，使電路產(chǎn)生振蕩。LC振蕩電路搭建與觀測實(shí)驗(yàn)0102LC振蕩電路搭建與觀測實(shí)驗(yàn)分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，理解振蕩電路的工作原理。觀察示波器上的波形，記錄振蕩頻率和幅度。受迫振蕩觀察實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)康模和ㄟ^觀察受迫振蕩現(xiàn)象，理解受迫振蕩的原理和特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)器材：受迫振蕩裝置（包括彈簧振子、驅(qū)動電機(jī)等）、測量儀器（如頻率計(jì)、振幅計(jì)等）。實(shí)驗(yàn)步驟在不同驅(qū)動頻率下，觀察受迫振蕩的現(xiàn)象，記錄振蕩頻率、幅度和相位差。分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，理解受迫振蕩的原理和特點(diǎn)。安裝并調(diào)試受迫振蕩裝置，使其處于正常工作狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)?zāi)康耐ㄟ^模擬電磁波發(fā)射和接收過程，理解電磁波的傳播特性和接收原理。實(shí)驗(yàn)器材電磁波發(fā)射器、接收器、示波器、測量儀器等。電磁波發(fā)射和接收模擬實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)步驟搭建電磁波發(fā)射和接收裝置，連接示波器和測量儀器。發(fā)射電磁波并記錄發(fā)射信號