電磁振蕩、電磁場(chǎng)與電磁波 高二下學(xué)期物理人教版(2019)選擇性必修第二冊(cè)_第1頁(yè)
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第4章電磁振蕩與電磁波

ECSL水波是由機(jī)械振動(dòng)形成的。一顆石子投入水面會(huì)激起一陣漣漪,但是要形成持續(xù)的水波,則需要不斷地?fù)舸蛩?。電視、廣播接收的是電磁波,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?新課導(dǎo)入不斷地?fù)舸蛩?電磁振蕩2電磁場(chǎng)與電磁波

把線圈、電容器、電源和單刀雙擲開(kāi)關(guān)按照?qǐng)D連成電路。把電壓傳感器(或示波器)的兩端連在電容器的兩個(gè)極板上。

先把開(kāi)關(guān)置于電源一側(cè),為電容器充電;稍后再把開(kāi)關(guān)置于線圈一側(cè),使電容器通過(guò)線圈放電。觀察電腦顯器顯示的電壓波形。演示觀察振蕩電路中電壓的波形ECSL學(xué)習(xí)任務(wù)一電磁振蕩的產(chǎn)生及其變化規(guī)律學(xué)習(xí)任務(wù)一1.圖示電路的開(kāi)關(guān)閉合后,線圈中電流和極板上的電荷量會(huì)如何變化?閉合開(kāi)關(guān)后,電容器開(kāi)始放電。由于線圈的自感作用,放電電流由0逐漸增大,極板上的電荷量逐漸減少。到放電完畢時(shí),放電電流達(dá)到最大值,極板上電荷量減為0。

放電過(guò)程

電容器放電完畢后,由于線圈的自感作用,電流會(huì)逐漸減小到0.此電流會(huì)給電容器(反向)充電。充電完畢瞬間,電流減小為0,極板上的電荷最多。

(反向)充電過(guò)程

LC

振蕩電路學(xué)習(xí)任務(wù)一學(xué)習(xí)任務(wù)一電磁振蕩的產(chǎn)生及其變化規(guī)律[模型建構(gòu)]2.電磁振蕩過(guò)程電量和電流的變化情況q最大i=0q=0i最大q最大i=0q=0i最大q最大i=0放電q減小i增大(反向)充電q增大i減小

(反向)放電q減小i增大充電q增大i減小

i取順時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎齫取上極板帶正電為正放電充電放電充電學(xué)習(xí)任務(wù)一學(xué)習(xí)任務(wù)一電磁振蕩的產(chǎn)生及其變化規(guī)律①振蕩電流:大小和方向都做周期性迅速變化的電流②振蕩電路:能夠產(chǎn)生振蕩電流的電路。③LC振蕩電路:想一想與交流電有何區(qū)別?

當(dāng)開(kāi)關(guān)置于線圈一側(cè)時(shí),由電感線圈L和電容C組成的電路,就是最簡(jiǎn)單的振蕩電路。1.概念4.理想的LC振蕩電路:

只考慮線圈、電容器的作用,而忽略能量損耗。2.振蕩電路的工作原理注意觀察:電荷量和電流大小及方向的變化情況2.振蕩電路的工作原理電磁振蕩的充放電過(guò)程+-+-+-+-+-正向放電正向充電反向放電反向充電①電容器充電結(jié)束,兩極板上的電荷量最多。②電容器開(kāi)始放電,回路中電流從0開(kāi)始逐漸增到最大。兩極板電荷量從最大減為0。③自感線圈給電容器正向充電結(jié)束,回路中電流從最大減為0,兩極板電荷量從0變回最大。⑤自感線圈給電容器反向充電,于是整個(gè)電路回到最開(kāi)始狀態(tài)。④電容開(kāi)始反向放電

電磁振蕩的圖象分析——電流、電量的變化圖像電流I0t+-電容器電量Q0t+-+-+-+-正向放電正向充電反向放電反向充電+-tqotio正向放電正向充電反向充電反向充電一個(gè)周期內(nèi)兩次充放電

在整個(gè)過(guò)程中,電路中的電流i、電荷量q、電場(chǎng)強(qiáng)度E、磁感應(yīng)強(qiáng)度B,都在周期性地變化著。這種現(xiàn)象就是電磁振蕩。

電磁振蕩與機(jī)械振動(dòng)雖然有著本質(zhì)的不同,但它們還是具有一些共同的特點(diǎn)。在機(jī)械振動(dòng)中,例如在單擺的振動(dòng)中,位移x、速度v、加速度a這幾個(gè)物理量周期性地變化。在電磁振蕩中,電荷量q、電流i、電場(chǎng)強(qiáng)度E、磁感應(yīng)強(qiáng)度B這幾個(gè)物理量也在周期性地變化。

在機(jī)械振動(dòng)中,動(dòng)能與勢(shì)能周期性地相互轉(zhuǎn)化。那么,在電磁振蕩中,能量是如何轉(zhuǎn)化的?電磁振蕩中的能量變化i0tB0tQ0tE0t時(shí)間t電流I電量Q電場(chǎng)能磁場(chǎng)能0零最大最大最大零零零零零零零最大最大最大最大最大最大最大零零B

0tE電磁振蕩的過(guò)程中,電場(chǎng)能和磁場(chǎng)能發(fā)生周期性的轉(zhuǎn)化t0磁場(chǎng)能

電場(chǎng)能

電場(chǎng)能磁場(chǎng)能充電磁感強(qiáng)度B電容器帶電量q電路中電流i同步變化同步變化兩極間場(chǎng)強(qiáng)E放電步調(diào)相反Q、B、i、E變化周期T電場(chǎng)能、磁場(chǎng)能變化周期電場(chǎng)能所以,在電磁振蕩的過(guò)程中,電場(chǎng)能和磁場(chǎng)能會(huì)發(fā)生周期性的轉(zhuǎn)化。磁場(chǎng)能電場(chǎng)能磁場(chǎng)能電場(chǎng)能電場(chǎng)能磁場(chǎng)能充電磁感強(qiáng)度B電容器帶電量q電路中電流i同步變化同步變化步調(diào)相反兩極間場(chǎng)強(qiáng)E理想情況能量有損耗

如果能夠適時(shí)地把能量補(bǔ)充到振蕩電路中,以補(bǔ)償能量損耗,就可以得到振幅不變的等幅振蕩。實(shí)際電路中由電源通過(guò)電子器件為L(zhǎng)C電路補(bǔ)充能量。內(nèi)能電磁波例1

(多選)LC振蕩電路在t1和t2時(shí)刻自感線圈中磁感線方向和電容器的極板帶電情況如圖所示,則(

)A.在t1時(shí)刻電容器正在充電B.在t2時(shí)刻電容器兩極板間電場(chǎng)正在增強(qiáng)C.在t1時(shí)刻電路中電流正在增大D.在t2時(shí)刻自感線圈中磁場(chǎng)正在增強(qiáng)學(xué)習(xí)任務(wù)一AB[解析]

根據(jù)安培定則可知,t1時(shí)刻自感線圈中電流自右向左,而電容器左極板帶正電,則電容器正在充電,振蕩電流是減小的,故A正確,C錯(cuò)誤;根據(jù)安培定則可知,t2時(shí)刻自感線圈中電流從左向右,而電容器右極板帶正電,所以t2時(shí)刻電容器正在充電,隨著極板上電荷量的增多,電容器兩極板間電場(chǎng)增強(qiáng),又由于充電過(guò)程振蕩電流減小,自感線圈中磁場(chǎng)減弱,故B正確,D錯(cuò)誤.學(xué)習(xí)任務(wù)一變式1

(多選)如圖所示,L為一直流電阻可忽略的線圈,D為一燈泡,C為電容器,開(kāi)關(guān)S處于閉合狀態(tài),燈泡D正常發(fā)光.現(xiàn)突然斷開(kāi)S,并開(kāi)始計(jì)時(shí),能正確反映電容器a極板上電荷量q及LC回路中電流i(規(guī)定順時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎?隨時(shí)間變化的圖像是圖中的(圖中q為正值表示a極板帶正電)(

)學(xué)習(xí)任務(wù)一BC[解析]

S斷開(kāi)前,電容器C被短路,線圈中電流從上到下,電容器不帶電;S斷開(kāi)時(shí),線圈L中產(chǎn)生自感電動(dòng)勢(shì),阻礙電流減小,給電容器C充電,此時(shí)LC回路中電流i沿順時(shí)針?lè)较?正向)且最大;給電容器充電過(guò)程中,電容器所帶電荷量最大時(shí)(a板帶負(fù)電),LC回路中電流減為零,選項(xiàng)B、C正確.學(xué)習(xí)任務(wù)一LC回路工作過(guò)程具有對(duì)稱性和周期性,可歸結(jié)為:(1)兩個(gè)物理過(guò)程:放電過(guò)程:電場(chǎng)能轉(zhuǎn)化為磁場(chǎng)能,q↓→i↑充電過(guò)程:磁場(chǎng)能轉(zhuǎn)化為電場(chǎng)能,q↑→i↓(2)兩個(gè)特殊狀態(tài):充電完畢狀態(tài):磁場(chǎng)能向電場(chǎng)能轉(zhuǎn)化完畢,電場(chǎng)能最大,磁場(chǎng)能最小放電完畢狀態(tài):電場(chǎng)能向磁場(chǎng)能轉(zhuǎn)化完畢,磁場(chǎng)能最大,電場(chǎng)能最小學(xué)習(xí)任務(wù)一LC電磁振蕩的各物理量的變化規(guī)律及對(duì)應(yīng)關(guān)系(1)總能量=電場(chǎng)能+磁場(chǎng)能=恒量(2)電場(chǎng)能與磁場(chǎng)能交替轉(zhuǎn)化學(xué)習(xí)任務(wù)一周期:電磁振蕩完成一次周期性變化所需的時(shí)間。頻率:一秒鐘內(nèi)完成周期變化的次數(shù)叫做頻率。

電容較大時(shí),電容器充電、放電的時(shí)間會(huì)長(zhǎng)些還是短些?線圈的自感系數(shù)較大時(shí),電容器充電、放電的時(shí)間會(huì)長(zhǎng)些還是短些?根據(jù)討論結(jié)果,定性分析LC電路的周期(頻率)與電容C、電感L的關(guān)系。學(xué)習(xí)任務(wù)二電磁振蕩的周期和頻率學(xué)習(xí)任務(wù)二學(xué)習(xí)任務(wù)二學(xué)習(xí)任務(wù)二電磁振蕩的周期和頻率[科學(xué)探究]有如圖所示的電路.(1)如果僅更換自感系數(shù)L更大的線圈,將開(kāi)關(guān)S擲向1,先給電容器充電,再將開(kāi)關(guān)擲向2,電容器通過(guò)線圈放電,那么線圈因自感現(xiàn)象產(chǎn)生的自感電動(dòng)勢(shì)是否更大?“阻礙”作用是否也更大?振蕩周期T會(huì)怎樣變化?[答案]

自感電動(dòng)勢(shì)更大,“阻礙”作用更大,振蕩周期變長(zhǎng).學(xué)習(xí)任務(wù)二(2)如果僅更換電容C更大的電容器,將開(kāi)關(guān)S擲向1,先給電容器充電,那么電容器的帶電荷量是否增大?再將開(kāi)關(guān)擲向2,電容器通過(guò)線圈放電,放電時(shí)間是否會(huì)相應(yīng)地變長(zhǎng)?振蕩周期T是否變長(zhǎng)?[答案]

帶電荷量增大,放電時(shí)間變長(zhǎng),振蕩周期變長(zhǎng).實(shí)驗(yàn)L1>L2C1>C2第一次振蕩周期大于第二次振蕩周期理論分析表明,LC電路的周期T與電感L、電容C的關(guān)系是①式中各物理量T、L、C、f的單位分別是s、H、F、Hz。③改變周期的方法:L:線圈的大小、形狀、匝數(shù)、鐵芯。

注意:在一個(gè)周期內(nèi),振蕩電流的方向改變兩次;電場(chǎng)能(或磁場(chǎng)能)完成兩次周期性變化。②適當(dāng)?shù)剡x擇電容器和線圈,可使振蕩電路物周期和頻率符合我們的需要。④由振蕩回路本身特性所決定的振蕩周期和頻率,叫做振蕩電路的固有周期和固有頻率,簡(jiǎn)稱振蕩電路的周期和頻率。例2

要想增大LC振蕩電路中產(chǎn)生的振蕩電流的頻率,可采用的方法是(

)A.增大電容器兩極板的間距B.升高電容器的充電電壓C.增加線圈的匝數(shù)D.在線圈中插入鐵芯學(xué)習(xí)任務(wù)二A學(xué)習(xí)任務(wù)二

學(xué)習(xí)任務(wù)二[教材鏈接]閱讀教材,回答下列問(wèn)題:麥克斯韋電磁場(chǎng)理論:變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生

,變化的電場(chǎng)產(chǎn)生

,變化的電場(chǎng)和

總是相互聯(lián)系的,形成一個(gè)不可分割的統(tǒng)一體,這就是電磁場(chǎng).

學(xué)習(xí)任務(wù)三學(xué)習(xí)任務(wù)三電磁場(chǎng)電場(chǎng)磁場(chǎng)磁場(chǎng)例3

關(guān)于電磁場(chǎng)理論,下列說(shuō)法正確的是(

)A.電場(chǎng)周圍一定產(chǎn)生磁場(chǎng),磁場(chǎng)周圍一定產(chǎn)生電場(chǎng)B.變化的電場(chǎng)周圍一定產(chǎn)生變化的磁場(chǎng),變化的磁場(chǎng)周圍一定產(chǎn)生變化的電場(chǎng)C.均勻變化的電場(chǎng)周圍一定產(chǎn)生均勻變化的磁場(chǎng)D.周期性變化的電場(chǎng)周圍一定產(chǎn)生周期性變化的磁場(chǎng)學(xué)習(xí)任務(wù)三D[解析]

變化的電場(chǎng)在周圍空間產(chǎn)生磁場(chǎng),變化的磁場(chǎng)在周圍空間產(chǎn)生電場(chǎng),均勻變化的電場(chǎng)(磁場(chǎng))在周圍空間產(chǎn)生恒定的磁場(chǎng)(電場(chǎng)),周期性變化的電場(chǎng)(磁場(chǎng))在周圍空間產(chǎn)生同頻率的周期性變化的磁場(chǎng)(電場(chǎng)),選項(xiàng)D正確.對(duì)麥克斯韋電磁場(chǎng)理論的理解學(xué)習(xí)任務(wù)三[教材鏈接]閱讀教材,回答下列問(wèn)題:電磁波:周期性變化的電場(chǎng)在周圍空間引起

,變化的電場(chǎng)和磁場(chǎng)又會(huì)在較遠(yuǎn)的空間引起新的變化的電場(chǎng)和磁場(chǎng),這樣變化的電場(chǎng)和磁場(chǎng)由近及遠(yuǎn)地向周圍傳播,形成了電磁波.

學(xué)習(xí)任務(wù)四學(xué)習(xí)任務(wù)四電磁波周期性變化的磁場(chǎng)激發(fā)電磁波形成示意圖:非均勻變化的磁場(chǎng)變化電場(chǎng)若是均勻變化穩(wěn)定磁場(chǎng)不再激發(fā)若非均勻變化變化磁場(chǎng)若是均勻變化穩(wěn)定電場(chǎng)若非均勻變化激發(fā)激發(fā)激發(fā)學(xué)習(xí)任務(wù)四學(xué)習(xí)任務(wù)四電磁波

[物理觀念]電磁波的發(fā)現(xiàn)20多年后,1886年,赫茲通過(guò)自制的實(shí)驗(yàn)裝置證實(shí)了電磁波的存在。令人振奮的電火花學(xué)習(xí)任務(wù)四學(xué)習(xí)任務(wù)四電磁波

[物理觀念]電磁波的特點(diǎn)(1)電磁波中的電場(chǎng)和磁場(chǎng)互相垂直,電磁波在與二者均垂直的方向傳播,所以電磁波是橫波。(2)電磁波在真空中的傳播速度等于光在真空中的傳播速度,c=3×108m/s。(3)電磁波的傳播不需要介質(zhì)。(4)電磁波也會(huì)發(fā)生反射、折射、干涉、衍射、和偏振等現(xiàn)象。(光是電磁波)(5)電磁波的發(fā)射過(guò)程就是輻射能量的過(guò)程。例4

(多選)關(guān)于電磁波,下列說(shuō)法正確的是(

)A.電磁波和機(jī)械波都需要通過(guò)介質(zhì)傳播,它們由一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時(shí)頻率都不變B.電磁波可以由電磁振蕩產(chǎn)生,若波源的電磁振蕩停止,空間的電磁波隨即消失C.根據(jù)麥克斯韋電磁場(chǎng)理論,電磁波中的電場(chǎng)和磁場(chǎng)互相垂直,電磁波是橫波D.電磁波和機(jī)械波都能傳遞能量和信息學(xué)習(xí)任務(wù)四CD[解析]

電磁波不需要通過(guò)介質(zhì)傳播,而機(jī)械波需要通過(guò)介質(zhì)傳播,它們由一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時(shí)頻率都不變,故A錯(cuò)誤;波源的電磁振蕩停止后,已發(fā)出的電磁波不會(huì)立即消失,還要繼續(xù)傳播一段時(shí)間,故B錯(cuò)誤;根據(jù)麥克斯韋電磁場(chǎng)理論可知,電磁波中的電場(chǎng)和磁場(chǎng)互相垂直,電磁波是橫波,故C正確;電磁波和機(jī)械波都能傳遞能量和信息,故D正確.學(xué)習(xí)任務(wù)四電磁波與機(jī)械波的比較學(xué)習(xí)任務(wù)四

機(jī)械波電磁波產(chǎn)生由質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)產(chǎn)生由周期性變化的電流激發(fā)波的種類橫波或縱波橫波傳播需要介質(zhì)不需要介質(zhì)波速波速與介質(zhì)有關(guān),與頻率無(wú)關(guān)在真空中等于光速c=3×108m/s在介質(zhì)中傳播時(shí),波速與介質(zhì)和頻率都有關(guān)電磁波與機(jī)械波的比較學(xué)習(xí)任務(wù)四

機(jī)械波電磁波周期性變化的物理量位移、速度、加速度隨時(shí)間和空間做周期性變化電場(chǎng)強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度隨時(shí)間和空間做周期性變化能量傳播機(jī)械能電磁能速度公式v=λf性質(zhì)均能發(fā)生反射、折射、干涉、衍射等現(xiàn)象LC振蕩電路:當(dāng)開(kāi)關(guān)置于線圈一側(cè)時(shí),由電感線圈L

和電容C

組成的電路,就是最簡(jiǎn)單的振蕩電路。電磁振蕩:在整個(gè)過(guò)程中,電路中的電流

i、電荷量q、電場(chǎng)強(qiáng)度E、

磁感應(yīng)強(qiáng)度B,都在周期性地變化著。電磁振蕩的周期和頻率課堂小結(jié)麥克斯韋電磁場(chǎng)理論的兩個(gè)支柱:變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)、變化的電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)。周期性變化的電場(chǎng)和周期性變化的磁場(chǎng)相互聯(lián)系形成統(tǒng)一的電磁場(chǎng)。電磁場(chǎng)在空間傳播形成電磁波。

赫茲實(shí)驗(yàn)的過(guò)程及對(duì)無(wú)線電技術(shù)的貢獻(xiàn)。電磁振蕩電磁場(chǎng)與電磁波課后習(xí)題1.一個(gè)LC電路產(chǎn)生電磁振蕩。以橫坐標(biāo)軸表示時(shí)間,縱坐標(biāo)軸既表示電流又表示電壓,試在同一坐標(biāo)系內(nèi),從某一次放電開(kāi)始,畫出該電路中電流和電容器兩極板間電壓隨時(shí)間變化的i-t圖像和u-t圖像。課后習(xí)題2.在上題圖像中的一周期內(nèi),哪段時(shí)間電場(chǎng)能在增大?電場(chǎng)能最大時(shí)電流和電壓的大小有什么

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