2024-2025學年新教材高中物理第4章電磁波第1節(jié)電磁波的產(chǎn)生學案魯科版選擇性必修2

PAGE8-第1節(jié)電磁波的產(chǎn)生學習目標：1.[科學看法與責任]了解麥克斯韋電磁場理論的基本內(nèi)容以及電磁波的預言。2.[科學探究]了解赫茲發(fā)覺電磁波過程，體會電磁場的物質(zhì)性。3.[科學思維]理解LC回路中振蕩電流的產(chǎn)生過程，會求LC電路的周期與頻率。閱讀本節(jié)教材，回答第83頁“問題”并梳理必要學問點。教材P83問題提示：依據(jù)麥克斯韋電磁理論，利用LC振蕩電路可以產(chǎn)生電磁波。一、麥克斯韋的預言1．變更的磁場四周會產(chǎn)生電場麥克斯韋提出，在變更的磁場四周會激發(fā)出一種電場——渦旋電場(也叫感生電場，如圖所示)，不管有無閉合電路，變更的磁場激發(fā)的渦旋電場總是存在的。變更的磁場四周產(chǎn)生渦旋電場2．變更的電場四周會產(chǎn)生磁場麥克斯韋從場的觀點得出，即使沒有電流存在，只要空間某處的電場發(fā)生變更，就會在其四周產(chǎn)生渦旋磁場，如圖所示。變更的電場產(chǎn)生渦旋磁場示意圖3．電磁波(1)交變的電場和交變的磁場相互聯(lián)系在一起，就會在空間形成一個統(tǒng)一的、不行分割的電磁場。這種在空間交替變更并傳播出去的電磁場就形成了電磁波。(2)自然界存在很多不同頻率的電磁波，并且它們都以光速在空間傳播，可見光只不過是人眼可以看得見的，頻率范圍很小的電磁波。二、赫茲試驗1．赫茲試驗原理圖，如圖所示：赫茲試驗原理示意圖2．試驗現(xiàn)象：當感應線圈兩極間有火花跳過時，環(huán)的間隙處也有火花跳過。3．現(xiàn)象分析：火花在A、B間來回跳動時，在四周空間建立了一個快速變更的電磁場，這種變更的電磁場以電磁波的形式在空間傳播。當電磁波經(jīng)過接收器時，導致接收器產(chǎn)生感應電動勢，使接收器兩球間隙處產(chǎn)生電壓，當電壓足夠高時，兩球之間產(chǎn)生火花放電現(xiàn)象。4．試驗結論：赫茲證明白電磁波的存在。5．試驗意義：證明白麥克斯韋的預言，為麥克斯韋的電磁場理論奠定了堅實的試驗基礎。三、電磁振蕩1．振蕩電流：大小和方向都周期性變更的電流。2．振蕩電路：產(chǎn)生振蕩電流的電路。由電感線圈L和電容器C所組成的一種基本的振蕩電路為LC振蕩電路，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變更，電場能和磁場能相互轉化的現(xiàn)象。4．電磁振蕩的周期和頻率(1)電磁振蕩的周期T：完成一次周期性變更的時間。(2)電磁振蕩的頻率f：在一段時間內(nèi)完成周期性變更的次數(shù)與這段時間之比。5．LC振蕩電路的周期和頻率(1)公式：T＝2πeq\r(LC)，f＝eq\f(1,2π\(zhòng)r(LC))。(2)單位：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)、亨利(H)、法(F)。1．思索推斷(正確的打“√”，錯誤的打“×”)(1)在電場四周肯定產(chǎn)生磁場，在磁場四周肯定產(chǎn)生電場。 (×)(2)勻稱變更的電場四周肯定產(chǎn)生勻稱變更的磁場。 (×)(3)周期性變更的電場四周肯定產(chǎn)生周期性變更的磁場。 (√)(4)放電時，由于線圈的自感作用，放電電流由零漸漸增大。 (√)(5)放電時，電容器兩極板間的電場能漸漸轉化為線圈的磁場能。 (√)(6)振蕩電流最大時，放電完畢。 (√)2．關于電磁場理論，下列說法正確的是()A．在電場四周肯定產(chǎn)生磁場，磁場四周肯定產(chǎn)生電場B．在變更的電場四周肯定產(chǎn)生變更的磁場，在變更的磁場四周肯定產(chǎn)生變更的電場C．勻稱變更的電場四周肯定產(chǎn)生勻稱變更的磁場D．周期性變更的電場四周肯定產(chǎn)生周期性變更的磁場D[依據(jù)麥克斯韋電磁場理論，只有變更的電場能產(chǎn)生磁場，勻稱變更的電場產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場，非勻稱變更的電場才產(chǎn)生變更的磁場。]3．關于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，線圈中的磁場能轉化為電場能D．振蕩電流減小的過程中，線圈中的磁場能轉化為電場能D[振蕩電流最大時，處于電容器放電結束瞬間，電場強度為零，A錯；振蕩電流為零時，LC回路振蕩電流變更方向，這時的電流變更最快，電流變更率最大，線圈中自感電動勢最大，B錯；振蕩電流增大時，電容器中的電場能轉化為磁場能，C錯；振蕩電流減小時，線圈中的磁場能轉化為電場能，D對。]麥克斯韋的預言空間存在如圖所示的電場，那么在空間能不能產(chǎn)生磁場？在空間能不能形成電磁波？提示：如題圖所示的電場是勻稱變更的，依據(jù)麥克斯韋電磁場理論可知會在空間激發(fā)出磁場，但磁場恒定，不會激發(fā)出新的電場，故不會產(chǎn)生電磁波。1．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)生電場勻稱變更的電場在四周空間產(chǎn)生恒定的磁場勻稱變更的磁場在四周空間產(chǎn)生恒定的電場不勻稱變更的電場在四周空間產(chǎn)生變更的磁場不勻稱變更的磁場在四周空間產(chǎn)生變更的電場振蕩電場產(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.對電磁場的理解(1)電磁場的產(chǎn)生：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，周期性變更的電場、磁場相互激發(fā)，形成的電磁場一環(huán)套一環(huán)，如圖所示。(2)電磁場并非簡潔地將電場、磁場相加，而是相互聯(lián)系、不行分割的統(tǒng)一整體。在電磁場示意圖中，電場E矢量和磁場B矢量，在空間相互激發(fā)時，相互垂直，以光速c在空間傳播?！纠?】依據(jù)麥克斯韋電磁場理論，下列說法中正確的是()A．恒定的電場四周產(chǎn)生恒定的磁場，恒定的磁場四周產(chǎn)生恒定的電場B．變更的電場四周產(chǎn)生變更的磁場，變更的磁場四周產(chǎn)生變更的電場C．勻稱變更的電場四周產(chǎn)生勻稱變更的磁場，勻稱變更的磁場四周產(chǎn)生勻稱變更的電場D．勻稱變更的電場四周產(chǎn)生恒定的磁場，勻稱變更的磁場四周產(chǎn)生恒定的電場D[麥克斯韋的電磁場理論的核心內(nèi)容是：變更的電場四周產(chǎn)生磁場；變更的磁場四周產(chǎn)生電場。對此理論全面正確的理解為：不變更的電場四周不產(chǎn)生磁場；變更的電場四周可以產(chǎn)生變更的磁場，也可以產(chǎn)生不變更的磁場；勻稱變更的電場四周產(chǎn)生恒定的磁場。變更的磁場產(chǎn)生電場的規(guī)律與以上類似，故正確答案為D。]麥克斯韋電磁場理論的兩大支柱變更的磁場產(chǎn)生電場，變更的電場產(chǎn)生磁場。須要著重對以下兩點加以理解：(1)勻稱變更的磁場四周產(chǎn)生穩(wěn)定的電場，勻稱變更的電場四周產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場。(2)不勻稱變更的磁場四周產(chǎn)生變更的電場，不勻稱變更的電場四周產(chǎn)生變更的磁場。eq\o([跟進訓練])1．某電路中電場隨時間變更的圖像如圖所示，能放射電磁波的電場是()ABCDD[由麥克斯韋電磁場理論知，當空間出現(xiàn)恒定的電場時(如A圖)，由于其不激發(fā)磁場，故無電磁波產(chǎn)生；當出現(xiàn)勻稱變更的電場時(如B圖、C圖)，會激發(fā)出磁場，但磁場恒定，不會再在較遠處激發(fā)起電場，故也不會產(chǎn)生電磁波，只有周期性變更的電場(如D圖)，才會激發(fā)出周期性變更的磁場，其又激發(fā)出周期性變更的電場…，如此不斷激發(fā)，便會形成電磁波。]電磁振蕩的理解如圖所示，將開關S擲向1，先給電容器充電，再將開關擲向2，從今時起，電容器通過線圈放電，線圈中是否會產(chǎn)生自感電動勢？自感電動勢產(chǎn)生什么效果？線圈中的電流怎樣變更？電容器的電場能轉化為什么形式的能？當線圈中的電流減小時，是否會對電容器充電？此時線圈中的磁場能轉化為什么形式的能？提示：線圈中的電流發(fā)生變更時，線圈中會產(chǎn)生自感電動勢，阻礙線圈中電流的變更，電流漸漸增大，電容器的電場能轉化為磁場能；線圈中電流減小時，對電容器充電，線圈中的磁場能轉化為電容器的電場能。1．用圖像對應分析i、q的變更關系(如圖所示)abcde2．相關量與電路狀態(tài)的對應狀況電路狀態(tài)abcde時刻t0eq\f(T,4)eq\f(T,2)eq\f(3T,4)T電荷量q最多0最多0最多電場能最大0最大0最大電流i0正向最大0反向最大0磁場能0最大0最大03.幾個關系(1)同步同變關系在LC振蕩回路發(fā)生電磁振蕩的過程中，電容器上的物理量：電荷量q、電場強度E、電場能EE是同步變更的，即q↓→E↓→EE↓(或q↑→E↑→EE↑)。振蕩線圈上的物理量：振蕩電流i、磁感應強度B、磁場能EB也是同步變更的，即i↓→B↓→EB↓(或i↑→B↑→EB↑)。(2)同步異變關系在LC振蕩過程中，電容器上的三個物理量q、E、EE增大時，線圈中的三個物理量i、B、EB減小，且它們的變更是同步的，也即q、E、EE↑同步異向變更，i、B、EB↓?！纠?】(多選)如圖所示，是LC振蕩電路某時刻的狀況，以下說法正確的是()A．電容器正在充電B．電感線圈中的磁場能正在增加C．電感線圈中的電流正在增大D．此時刻自感電動勢正在阻礙電流增大BCD[由題圖中磁感應強度的方向和右手螺旋定則可知，此時電流向著電容器帶負電的極板流淌，也就是電容器處于放電過程中，這時兩極板上的電荷量和電壓、電場能處于削減過程，而電流和線圈中的磁場能處于增加過程，由楞次定律可知，線圈中的感應電動勢阻礙電流的增大。]電磁振蕩狀態(tài)分析的三點留意(1)推斷電容器是充電還是放電，一般依據(jù)電流的方向，電流由正極板流出為放電，向正極板流入為充電。(2)推斷電場能和磁場能的轉化要依據(jù)電流的增減或極板上電荷量的增減。(3)自感電動勢的作用是阻礙電流的增大還是阻礙電流的減小，可依據(jù)放電電流不斷增大，充電電流不斷減小來推斷。eq\o([跟進訓練])2．如圖是一個LC振蕩電路中的電流變更圖線，依據(jù)圖線可推斷()A．t1時刻電感線圈兩端電壓最大B．t2時刻電容器兩極板間電壓為零C．t1時刻電路中只有電場能D．t1時刻電容器帶電荷量為零D[由圖像知，計時起先時，電容器兩極板間帶電荷量最大，電流為零，電容器起先放電，依據(jù)電流隨時間的變更規(guī)律可以在圖中畫出q-t圖像(在解析圖中用虛線表示)。依據(jù)圖像分析可知：t1時刻，電容器上電荷量為零，電勢差為零，電場能為零，故D對，A、C皆錯。t2時刻電容器上電荷量q最大，兩板間電勢差最大，B錯。]1．物理觀念：麥克斯韋電磁理論、振蕩電流、LC振蕩電路、電磁振蕩。2．科學探究：赫茲證明電磁波試驗。3．科學思維：振蕩電流的產(chǎn)生過程。4．科學看法與責任：麥克斯韋預言電磁波。1．建立了完整的電磁場理論并首先預言電磁波存在的科學家是()A．法拉第 B．奧斯特C．赫茲 D．麥克斯韋D[麥克斯韋建立了電磁場理論并且預言了電磁波的存在，選項D正確。]2．(多選)依據(jù)麥克斯韋的電磁場理論，以下敘述中正確的是()A．教室中正在發(fā)光的日光燈四周空間必有磁場和電場B．工作時打點計時器四周必有磁場和電場C．穩(wěn)定的電場產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場，穩(wěn)定的磁場產(chǎn)生穩(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相互垂直ABD[教室中正在發(fā)光的日光燈、工作的打點計時器，在其四周產(chǎn)生振蕩磁場和電場，故選項A、B正確；穩(wěn)定的電場不會產(chǎn)生磁場，故選項C錯誤；電磁波是橫波，傳播過程中電場方向、磁場方向和傳播方向相互垂直，故選項D正確。]3．(多選)在LC回路中，電容器兩端的電壓隨時間t變更的關系如圖所示，則()A．在時刻t1，電路中的電流最大B．在時刻t2，電路中的磁場能最大C．從時刻t2至t3，電路的電場能不斷增大D．從時刻t3至t4，電容器的帶電荷量不斷增大AD[電磁振蕩中的物理量可分為兩組：①電容器帶電荷量q、極板間電壓u、電場強度E及電場能為一組；②自感線圈中的電流i、磁感應強度B及磁場能為一組。同組量的大小變更規(guī)律一樣，同增同減同為最大或為零。異組量的大小變更規(guī)律相反，若q、E、u等量按正弦規(guī)律變更，則i、B等量必按余弦規(guī)律變更。依據(jù)上述分析由題圖可以看出，本題正確選項為A、D。]4．(多選)一個電容為C的電容器，充電至電壓等于U以后，與電源斷開并通過一個自感系數(shù)為L的線圈放電，從起先放電到第一次放電完畢的過程中，下列推斷正確的是()A．振蕩電流始終在增大B．振蕩電流先增大后減小C．通過電路的平均電流等于eq\f(2U,π)eq\r(\f(C,L))D．磁場能始終在增大ACD[由電磁振蕩的學問可知，在放電過程中電流漸漸增大，磁場能漸漸增大，放電完畢時電流最大，故B選項錯誤，A、D選項正確；電容器起先時的電荷量q＝CU，第一次放電完畢的時間為eq\f(T,4)，T＝2πeq\r(LC)，所以平均電流I＝eq\f(q,Δt)＝eq\f(2U,π)eq\r(\f(C,L))，故選項C正確。]5．如圖所示，L為一電阻可忽視的線圈，D為一燈泡，C為電容器，開關S處于閉合狀態(tài)，燈D正常發(fā)光，現(xiàn)突然斷開S，并起先計時，畫出反映電容器a極板上電荷量q隨時間變更的圖像