2024-2025學(xué)年高中物理第14章1電磁波的發(fā)現(xiàn)2電磁振蕩學(xué)案新人教版選修3-4

PAGE7-1電磁波的發(fā)覺(jué)2電磁振蕩[學(xué)習(xí)目標(biāo)]1.了解麥克斯韋電磁場(chǎng)理論的基本內(nèi)容以及在物理學(xué)發(fā)展史上的意義.2.了解電磁波的基本特點(diǎn)及其發(fā)覺(jué)過(guò)程，通過(guò)電磁波體會(huì)電磁場(chǎng)的物質(zhì)性．(重點(diǎn))3.理解振蕩電流、振蕩電路及LC電路的概念，了解LC回路中振蕩電流的產(chǎn)生過(guò)程．(難點(diǎn))4.了解電磁振蕩的周期與頻率，會(huì)求LC電路的周期與頻率．一、電磁場(chǎng)和電磁波1．麥克斯韋電磁理論的兩個(gè)基本假設(shè)(1)改變的磁場(chǎng)能夠在四周空間產(chǎn)生電場(chǎng)(如圖所示)．(2)改變的電場(chǎng)能夠在四周空間產(chǎn)生磁場(chǎng)(如圖所示)．eq\o(\a\al(改變的磁場(chǎng)在其,四周空間產(chǎn)生電場(chǎng)))eq\o(\a\al(改變的電場(chǎng)在其周,圍空間產(chǎn)生磁場(chǎng)))2．電磁場(chǎng)：改變的電場(chǎng)和改變的磁場(chǎng)交替產(chǎn)生，形成不行分割的統(tǒng)一體，稱(chēng)為電磁場(chǎng)．3．電磁波(1)電磁波的產(chǎn)生：改變的電場(chǎng)和磁場(chǎng)交替產(chǎn)生而形成的電磁場(chǎng)是由近及遠(yuǎn)地傳播的，這種改變的電磁場(chǎng)在空間的傳播稱(chēng)為電磁波．(2)電磁波的特點(diǎn)：①電磁波是橫波，電磁波在空間傳播不須要介質(zhì)；②電磁波的波長(zhǎng)、頻率、波速的關(guān)系：v＝λf，在真空中，電磁波的速度c＝3.0×108m/s.(3)電磁波能產(chǎn)生反射、折射、干涉和衍射等現(xiàn)象．4．赫茲的電火花(1)赫茲試驗(yàn)的分析和高壓感應(yīng)線(xiàn)圈相連的拋光金屬球間產(chǎn)生電火花時(shí)，空間出現(xiàn)了快速改變的電磁場(chǎng)，這種改變的電磁場(chǎng)以電磁波的形式傳到了導(dǎo)線(xiàn)環(huán)，導(dǎo)線(xiàn)環(huán)中激發(fā)出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，使與導(dǎo)線(xiàn)環(huán)相連的金屬球間也產(chǎn)生了電火花．這個(gè)導(dǎo)線(xiàn)環(huán)事實(shí)上是電磁波的檢測(cè)器．結(jié)論：赫茲試驗(yàn)證明白電磁波的存在，檢驗(yàn)了麥克斯韋電磁場(chǎng)理論的正確性．(2)赫茲的其他成果赫茲視察到了電磁波的反射、折射、干涉、偏振和衍射等現(xiàn)象．測(cè)量證明白電磁波在真空中具有與光相同的速度c，證明白麥克斯韋關(guān)于光的電磁場(chǎng)理論．二、電磁振蕩1．振蕩電流：大小和方向都隨時(shí)間做周期性快速改變的電流．2．振蕩電路：能夠產(chǎn)生振蕩電流的電路．最基本的振蕩電路為L(zhǎng)C振蕩電路．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，電場(chǎng)和磁場(chǎng)周期性相互轉(zhuǎn)變的過(guò)程也就是電場(chǎng)能和磁場(chǎng)能周期性相互轉(zhuǎn)化的過(guò)程．4．電磁振蕩的周期與頻率(1)周期：電磁振蕩完成一次周期性改變須要的時(shí)間．(2)頻率：1s內(nèi)完成周期性改變的次數(shù)．振蕩電路里發(fā)生無(wú)阻尼振蒎時(shí)的周期和頻率分別叫作固有周期、固有頻率．(3)周期和頻率公式：T＝2πeq\r(LC)，f＝eq\f(1,2π\(zhòng)r(LC)).1．思索推斷(正確的打“√”，錯(cuò)誤的打“×”)(1)改變的電場(chǎng)肯定產(chǎn)生改變的磁場(chǎng)． (×)(2)電磁波和光在真空中的傳播速度都是3.0×108m/s. (√)(3)在振蕩電路中，電容器充電完畢磁場(chǎng)能全部轉(zhuǎn)化為電場(chǎng)能． (√)(4)電容器放電完畢，電流最大． (√)(5)L和C越大，電磁振蕩的頻率越高． (×)2．關(guān)于電磁場(chǎng)理論的敘述，正確的是()A．改變的磁場(chǎng)四周肯定存在著電場(chǎng)，與是否有閉合電路無(wú)關(guān)B．周期性改變的磁場(chǎng)產(chǎn)生同頻率改變的電場(chǎng)C．改變的電場(chǎng)和改變的磁場(chǎng)相互關(guān)聯(lián)，形成一個(gè)統(tǒng)一的場(chǎng)，即電磁場(chǎng)D．電場(chǎng)四周肯定存在磁場(chǎng)E．磁場(chǎng)四周肯定存在電場(chǎng)ABC[]3.LC振蕩電路中，某時(shí)刻磁場(chǎng)方向如圖所示，則下列說(shuō)法正確的是()A．若磁場(chǎng)正在減弱，則電容器上極板帶正電B．若電容器正在充電，則電容器下極板帶正電C．若電容器上極板帶正電，則線(xiàn)圈中電流正在增大D．若電容器正在放電，則自感電動(dòng)勢(shì)正在阻礙電流增大E．若電容器正在充電，則自感電動(dòng)勢(shì)正在阻礙電流增大BCD[本題考查各物理量發(fā)生改變的推斷方法．由電流的磁場(chǎng)方向和安培定則可推斷振蕩電流方向，由于題目中未標(biāo)明電容器兩極板的帶電狀況，可分兩種狀況探討：(1)若該時(shí)刻電容器上極板帶正電，則可知電容器處于放電階段，電流增大，則C對(duì)，A錯(cuò)；(2)若該時(shí)刻電容器下極板帶正電，可知電容器處于充電狀態(tài)，電流在減小，則B對(duì)，由楞次定律可判定D對(duì)E錯(cuò)．故正確答案為BCD.]電磁場(chǎng)和電磁波1．電磁場(chǎng)的產(chǎn)生假如在空間某處有周期性改變的電場(chǎng)，那么這個(gè)改變的電場(chǎng)就在它四周空間產(chǎn)生周期性改變的磁場(chǎng)，這個(gè)改變的磁場(chǎng)又在它四周空間產(chǎn)生改變的電場(chǎng)——改變的電場(chǎng)和改變的磁場(chǎng)是相互聯(lián)系著的，形成不行分割的統(tǒng)一體，這就是電磁場(chǎng)．2．對(duì)麥克斯韋電磁場(chǎng)理論的理解恒定的電場(chǎng)不產(chǎn)生磁場(chǎng)恒定的磁場(chǎng)不產(chǎn)生電場(chǎng)勻稱(chēng)改變的電場(chǎng)在四周空間產(chǎn)生恒定的磁場(chǎng)勻稱(chēng)改變的磁場(chǎng)在四周空間產(chǎn)生恒定的電場(chǎng)不勻稱(chēng)改變的電場(chǎng)在四周空間產(chǎn)生改變的磁場(chǎng)不勻稱(chēng)改變的磁場(chǎng)在四周空間產(chǎn)生改變的電場(chǎng)振蕩電場(chǎng)產(chǎn)生同頻率的振蕩磁場(chǎng)振蕩磁場(chǎng)產(chǎn)生同頻率的振蕩電場(chǎng)3.機(jī)械波與電磁波的比較機(jī)械波電磁波探討對(duì)象力學(xué)現(xiàn)象電磁現(xiàn)象周期性改變的物理量位移隨時(shí)間和空間做周期性改變電場(chǎng)強(qiáng)度E和磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨時(shí)間和空間做周期性改變傳播傳播須要介質(zhì)，波速與介質(zhì)有關(guān)，與頻率無(wú)關(guān)傳播無(wú)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)系產(chǎn)生由質(zhì)點(diǎn)(波源)的振動(dòng)產(chǎn)生由周期性改變的電流(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)生橫波可以是是縱波可以是不是【例1】下列關(guān)于電磁波的敘述中，正確的是()A．電磁波是電磁場(chǎng)由發(fā)生區(qū)域向遠(yuǎn)處的傳播B．電磁波在任何介質(zhì)中的傳播速度均為3×108m/sC．電磁波由真空進(jìn)入介質(zhì)傳播時(shí)，波長(zhǎng)變短D．電磁波不能產(chǎn)生干涉、衍射現(xiàn)象E．電磁波具有波的一切特征ACE[電磁波是交替產(chǎn)生呈周期性改變的電磁場(chǎng)由發(fā)生區(qū)域向遠(yuǎn)處傳播而產(chǎn)生，故A項(xiàng)正確；電磁波只有在真空中傳播時(shí)，其速度為3×108m/s，故B項(xiàng)不正確；電磁波在傳播過(guò)程中其頻率f不變，由波速公式v＝λf知，由于電磁波在介質(zhì)中的傳播速度比在真空中的傳播速度小，所以可得此時(shí)波長(zhǎng)變短，故C正確；電磁波是一種波，具有波的一切特性，能產(chǎn)生干涉、衍射等現(xiàn)象，故E項(xiàng)正確，D項(xiàng)不正確．]電磁波的特點(diǎn)1．電磁波有波的一切特點(diǎn)：能發(fā)生反射、折射現(xiàn)象；能產(chǎn)生干涉、衍射等現(xiàn)象．2．電磁波是橫波．在電磁波中，每處的電場(chǎng)強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度方向總是相互垂直的，并且都跟那里的電磁波的傳播方向垂直．3．電磁波可以在真空中傳播，向外傳播的是電磁能．1．麥克斯韋建立了完整的電磁場(chǎng)理論，______用試驗(yàn)證明白麥克斯韋預(yù)言的正確性，第一次發(fā)覺(jué)了________，測(cè)定了電磁波的________和________，得到了電磁波的________，證明在真空中它等于________．[解析]赫茲用試驗(yàn)驗(yàn)證了麥克斯韋電磁場(chǎng)理論的正確性，探討出電磁波的特點(diǎn)及其性質(zhì)，揭示了光的本質(zhì)是電磁波．[答案]赫茲電磁波波長(zhǎng)頻率波速光速電磁振蕩1．各物理量改變狀況一覽表時(shí)刻(時(shí)間)工作過(guò)程qEiB能量0→eq\f(T,4)放電過(guò)程qm→0Em→00→im0→BmE電→E磁eq\f(T,4)→eq\f(T,2)充電過(guò)程0→qm0→Emim→0Bm→0E磁→E電eq\f(T,2)→eq\f(3T,4)放電過(guò)程qm→0Em→00→im0→BmE電→E磁eq\f(3T,4)→T充電過(guò)程0→qm0→Emim→0Bm→0E磁→E電2．振蕩電流、極板帶電荷量隨時(shí)間的改變圖象(如圖所示)3．板間電壓u、電場(chǎng)能EE、磁場(chǎng)能EB隨時(shí)間改變的圖象(如圖所示)u、EE規(guī)律與q-t圖象相對(duì)應(yīng)；EB規(guī)律與i-t圖象相對(duì)應(yīng)．4．分類(lèi)分析(1)同步關(guān)系在LC振蕩回路發(fā)生電磁振蕩的過(guò)程中，電容器上的物理量：電荷量q、電場(chǎng)強(qiáng)度E、電場(chǎng)能EE是同步改變的，即：q↓→E↓→EE↓(或q↑→E↑→EE↑)振蕩線(xiàn)圈上的物理量：振蕩電流i、磁感應(yīng)強(qiáng)度B、磁場(chǎng)能EB也是同步改變的，即：i↓→B↓→EB↓(或i↑→B↑→EB↑)(2)同步異變關(guān)系在LC振蕩過(guò)程中，電容器上的三個(gè)物理量q、E、EE與線(xiàn)圈中的三個(gè)物理量i、B、EB是同步異向改變的，即q、E、EE同時(shí)減小時(shí)，i、B、EB同時(shí)增大，且它們的改變是同步的，也即：q、E、EE↑同步異向改變,i、B、EB↓.留意：自感電動(dòng)勢(shì)E的改變規(guī)律與q-t圖象相對(duì)應(yīng)．【例2】如圖所示，L為一電阻可忽視的線(xiàn)圈，D為一燈泡，C為電容器，開(kāi)關(guān)S處于閉合狀態(tài)，燈D正常發(fā)光，現(xiàn)突然斷開(kāi)S，并起先計(jì)時(shí)，畫(huà)出反映電容器a極板上電荷量q隨時(shí)間改變的圖象(q為正值表示a極板帶正電)．[解析]開(kāi)關(guān)S處于閉合狀態(tài)時(shí)，電流穩(wěn)定，又因L電阻可忽視，因此電容器C兩極板間電壓為0，所帶電荷量為0，S斷開(kāi)的瞬間，D燈馬上熄滅，L、C組成的振蕩電路起先振蕩，由于線(xiàn)圈的自感作用，此后的eq\f(T,4)時(shí)間內(nèi)，線(xiàn)圈給電容器充電，電流方向與線(xiàn)圈中原電流方向相同，電流從最大漸漸減為0，而電容器極板上電荷量則由0增為最大，依據(jù)電流流向，此eq\f(T,4)時(shí)間里，電容器下極板b帶正電，所以此eq\f(T,4)時(shí)間內(nèi)，a極板帶負(fù)電，由0增為最大．[答案]解決電磁振蕩問(wèn)題的基本思路分析電磁振蕩的過(guò)程時(shí)，可以結(jié)合圖象，這樣會(huì)使問(wèn)題更直觀．首先依據(jù)題意找出振蕩圖象的初狀態(tài)，然后畫(huà)出其電流或電荷量隨時(shí)間改變的圖象，依據(jù)時(shí)間關(guān)系，可以大體找出該時(shí)刻在圖象上對(duì)應(yīng)的位置，從而確定處于充電還是放電狀態(tài)，最終再依據(jù)充、放電過(guò)程中各物理量的改變規(guī)律求解詳細(xì)問(wèn)題．2．如圖所示，LC振蕩電路中，已知某時(shí)刻電流i的方向指向A板，且正在增大，則()A．B板帶正電B．A、B兩板間的電壓在減小C．電容器C正在充電D．電場(chǎng)能正在轉(zhuǎn)化為磁場(chǎng)能E．磁場(chǎng)能正在轉(zhuǎn)化為電場(chǎng)能ABD[電流i