3.1电磁振荡-3.2电磁场和电磁波 学案（2020年教科版高中物理选修3-4）

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1、1 电磁振荡电磁振荡 2 电磁场和电磁波电磁场和电磁波 学科素养与目标要求 物理观念：1.了解振荡电流、LC 电路中振荡电流的产生过程.2.了解阻尼振荡和无阻尼振荡.3. 知道电磁振荡的周期和频率.4.知道麦克斯韦电磁理论.5.了解电磁波的基本特点、发现过程及 传播规律，知道电磁波与机械波的区别. 科学思维：会求 LC 振荡电路的周期和频率. 科学态度与责任：1.了解电磁波的发现对人类文明的影响.2.了解麦克斯韦电磁理论在物理学 发展史上的意义. 一、电磁振荡 1.振荡电流：大小和方向都随时间做周期性迅速变化的电流. 2.振荡电路：能够产生振荡电流的电路. 3.LC 振荡电路及充、放电过程 (

2、1)LC 振荡电路：由线圈 L 和电容器 C 组成的电路，是最简单的振荡电路. (2)电容器放电：由于电感线圈对交变电流的阻碍作用，放电电流不能立即达到最大值，而是 由零逐渐增大，线圈产生的磁场逐渐增强，电容器里的电场逐渐减弱，电场能逐渐转化为磁 场能.放电完毕时，电场能全部转化为磁场能. (3)电容器充电：电容器放电完毕，由于线圈的自感作用，电流并不立即消失，仍保持原来的 方向继续流动，电容器被反向充电.在这个过程中，线圈的磁场逐渐减弱，电容器里的电场逐 渐增强，磁场能逐渐转化为电场能，充电完毕时，磁场能全部转化为电场能. 4.无阻尼振荡和阻尼振荡 (1)无阻尼振荡：如图 1 所示，如果没有

3、能量损失，振荡电流的振幅永远保持不变的电磁振荡. 图 1 (2)阻尼振荡：如图 2 所示，能量逐渐损耗，振荡电流的振幅逐渐减小，直到停止振荡的电磁 振荡. 图 2 二、电磁振荡的周期和频率 1.周期：电磁振荡完成一次周期性变化需要的时间. 频率：1 s 内完成的周期性变化的次数. 2.固有周期和频率 振荡电路里发生无阻尼振荡时的周期和频率叫做振荡电路的固有周期、固有频率，简称振荡 电路的周期和频率 . 3.LC振荡电路的周期T和频率f跟电感线圈的电感L和电容器的电容C的关系是T2 LC、 f 1 2 LC . 三、麦克斯韦电磁理论的两个基本假设 1.变化的磁场能够在周围空间产生电场. (1)磁

4、场随时间变化快，产生的电场强； (2)磁场随时间的变化不均匀时，产生变化的电场； (3)稳定的磁场周围不产生电场. 2.变化的电场能够在周围空间产生磁场. (1)电场随时间变化快，则产生的磁场强； (2)电场随时间的变化不均匀，产生变化的磁场； (3)稳定的电场周围不产生磁场. 四、电磁场和电磁波 1.电磁场 变化的电场和变化的磁场交替产生，形成的不可分割的统一体. 2.电磁波的产生：由变化的电场和磁场交替产生而形成的电磁场是由近及远传播的，这种变 化的电磁场在空间的传播称为电磁波. 3.麦克斯韦在 1865 年从理论上预见了电磁波的存在， 1888 年物理学家赫兹第一次用实验证实 了电磁波的

5、存在.赫兹还运用自己精湛的实验技术测定了电磁波的波长和频率， 得到了电磁波 的传播速度，证实了这个速度等于光速. 4.电磁波的波长 、波速 v 和周期 T、频率 f 的关系： vTv f. 5.电磁波在真空中的传播速度 vc3108 m/s. 1.判断下列说法的正误. (1)LC 振荡电路的电容器放电完毕时，回路中磁场能最小，电场能最大.( ) (2)要提高 LC 振荡电路的振荡频率，可以减小电容器极板的正对面积.( ) (3)在变化的磁场周围一定会产生变化的电场.( ) (4)电磁波是横波.( ) 2.在 LC 振荡电路中， 电容器 C 带的电荷量 q 随时间 t 变化的图像如图 3 所示.

6、110 6 s 到 2 10 6 s 内， 电容器处于 (填“充电”或“放电”)过程， 由此产生的电磁波的波长为 m. 图 3 答案 充电 1 200 一、电磁振荡的产生 如图所示，将开关 S 掷向 1，先给电容器充电，再将开关掷向 2. (1)在电容器通过线圈放电过程中，线圈中的电流怎样变化？电容器的电场能转化为什么形式 的能？ (2)在电容器反向充电过程中，线圈中电流如何变化？电容器和线圈中的能量是如何转化的？ (3)线圈中自感电动势的作用是什么？ 答案 (1)电容器放电过程中，线圈中的电流逐渐增大，电容器的电场能转化为磁场能. (2)电容器反向充电过程中，线圈中电流逐渐减小，线圈中的磁场

7、能转化为电容器的电场能. (3)线圈中电流变化时，产生的自感电动势阻碍电流的变化. 振荡过程各物理量的变化规律 项目 过程 电荷量q 电场强 度 E 电势 差 U 电场能 电流 i 磁感应 强度 B 磁场能 0T 4电容器放电 减少 减小 减小 减少 增大 增大 增加 tT 4时刻 0 0 0 0 最大 最大 最大 T 4 T 2反向充电 增加 增大 增大 增加 减小 减小 减少 tT 2时刻 最大 最大 最大 最大 0 0 0 T 2 3T 4 反向放电 减少 减小 减小 减少 增大 增大 增加 t3T 4 时刻 0 0 0 0 最大 最大 最大 3T 4 T 电容器 充电 增加 增大 增大

8、 增加 减小 减小 减少 例 1 (多选)如图 4 所示，L 为一电阻可忽略的线圈，D 为一灯泡，C 为电容器，开关 S 处 于闭合状态，灯泡 D 正常发光，现突然断开 S，并开始计时，能正确反映电容器 a 极板上电 荷量 q 及 LC 回路中电流 i(规定顺时针方向为正)随时间变化的图像是(图中 q 为正值表示 a 极 板带正电)( ) 图 4 答案 BC 解析 S 断开前，电容器 C 断路，线圈中电流从上到下，电容器不带电；S 断开时，线圈 L 中产生自感电动势， 阻碍电流减小， 给电容器 C 充电， 此时 LC 回路中电流 i 沿顺时针方向(正 向)最大；给电容器充电过程，电容器带电荷量

9、最大时(a 板带负电)，线圈 L 中电流减为零.此 后，LC 回路发生电磁振荡形成交变电流.综上所述，选项 B、C 正确. LC 振荡电路充、放电过程的判断方法 1.根据电流流向判断：当电流流向带正电的极板时，电容器的电荷量增加，磁场能向电场能 转化，处于充电过程；反之，当电流流出带正电的极板时，电荷量减少，电场能向磁场能转 化，处于放电过程. 2.根据物理量的变化趋势判断：当电容器的电荷量 q (电压 U、场强 E、电场能 EE)增大或电 流 i(磁感应强度 B、磁场能 EB)减小时，处于充电过程；反之，处于放电过程. 3.根据能量判断：电场能增加时，充电；磁场能增加时，放电. 针对训练 (

10、多选)(2019 海宁市检测)LC 振荡电路中， 某时刻的磁场方向如图 5 所示， 则( ) 图 5 A.若磁场正在减弱，则电容器正在充电，电流由 b 向 a B.若磁场正在减弱，则电场能正在增大，电容器上极板带负电 C.若磁场正在增强，则电场能正在减小，电容器上极板带正电 D.若磁场正在增强，则电容器正在充电，电流方向由 a 向 b 答案 ABC 解析 若磁场正在减弱，则电流在减小，是充电过程，根据安培定则可确定电流由 b 向 a， 电场能增大，上极板带负电，故选项 A、B 正确；若磁场正在增强，则电流在增大，是放电 过程，电场能正在减小，根据安培定则，可判断电流由 b 向 a，上极板带正电

11、，故选项 C 正 确，D 错误. 二、电磁振荡的周期和频率 如图所示的电路，(1)如果仅更换自感系数 L 更大的线圈，将开关 S 掷向 1，先给电容器充电， 再将开关掷向 2，电容器通过线圈放电，线圈因自感现象产生的自感电动势是否更大？“阻 碍”作用是否也更大？由于延缓了振荡电流的变化，振荡周期 T 会怎样变化？ (2)如果仅更换电容 C 更大的电容器，将开关 S 掷向 1，先给电容器充电，电容器的带电荷量 是否增大？再将开关掷向 2，电容器通过线圈放电，放电时间是否相应地变长？振荡周期 T 是否变长？ 答案 (1)自感电动势更大，“阻碍”作用更大，振荡周期变长. (2)带电荷量增大，放电时间

12、变长，振荡周期变长. 1.由公式 T2 LC、f 1 2 LC可知 T、f 取决于 L、C，与极板所带电荷量、两极板间电压 无关. 2.L、C 的决定因素 L 一般由线圈的长度、 横截面积、 单位长度上的匝数及有无铁芯决定， 电容 C 由公式 C rS 4kd 可知，与电介质的相对介电常数 r、极板正对面积 S 及板间距离 d 有关. 例 2 要想增大 LC 振荡电路中产生的振荡电流的频率，可采用的方法是( ) A.增大电容器两极板的间距 B.升高电容器的充电电压 C.增加线圈的匝数 D.在线圈中插入铁芯 答案 A 解析 LC 振荡电路中产生的振荡电流的频率 f 1 2 LC，要想增大频率，应

13、该减小电容 C， 或减小线圈的自感系数 L，再根据 C rS 4kd，增大电容器两极板的间距，电容减小，所以 A 正确；升高电容器的充电电压，电容不变，B 错误；增加线圈的匝数、在线圈中插入铁芯， 自感系数增大，故 C、D 错误. 学科素养 例 2 首先提出问题，提出要想增大 LC 振荡电路中产生的振荡电流的频率，可 采用什么方法.在解答问题的过程中，考查了频率和相关物理量的关系，让学生对物理规律的 认识更加深刻.这体现了“科学思维”的学科素养. 三、麦克斯韦电磁理论 1.电子感应加速器是用来获得高速电子的装置，其基本原理如图所示，上、下为电磁铁的两 个磁极，磁极之间有一个环形真空室，电磁铁线

14、圈中通入变化的电流，真空室中的带电粒子 就会被加速，其速率会越来越大.请思考：带电粒子受到什么力的作用而被加速？如果线圈中 通以恒定电流会使粒子加速吗？这个现象告诉我们什么道理？ 答案 带电粒子受到电场力作用做加速运动.线圈中通入恒定电流时，带电粒子不会被加速. 变化的磁场能产生电场. 2.用导线将手摇发电机与水平放置的平行板电容器两极板相连，平行板电容器两极板间的距 离为 4 cm 左右， 在下极板边缘放上几个带绝缘底座的可转动小磁针， 当摇动发电机给电容器 充电或电容器放电时，小磁针发生转动，充电结束或放电结束后，小磁针静止不动.请思考： 小磁针受到什么力的作用而发生转动？这个现象告诉我们

15、什么道理？ 答案 小磁针受到磁场力的作用而转动.变化的电场能产生磁场. 对麦克斯韦电磁理论的理解 1.变化的磁场产生电场 (1)均匀变化的磁场产生恒定的电场. (2)非均匀变化的磁场产生变化的电场. (3)周期性变化的磁场产生同频率的周期性变化的电场. 2.变化的电场产生磁场 (1)均匀变化的电场产生恒定的磁场. (2)非均匀变化的电场产生变化的磁场. (3)周期性变化的电场产生同频率的周期性变化的磁场. 例 3 关于麦克斯韦电磁理论，下列说法正确的是( ) A.在电场周围一定产生磁场，磁场周围一定产生电场 B.在变化的电场周围一定产生变化的磁场，在变化的磁场周围一定产生变化的电场 C.均匀变

16、化的电场周围一定产生均匀变化的磁场 D.周期性变化的电场周围一定产生周期性变化的磁场 答案 D 解析 根据麦克斯韦电磁理论，只有变化的电场能产生磁场，均匀变化的电场产生恒定的磁 场，非均匀变化的电场才产生变化的磁场. 学科素养 例 3 涉及对麦克斯韦电磁理论的理解.学生需要认识到：恒定的磁场不会产生电 场，同样，恒定的电场也不会产生磁场.本题考查了学生灵活运用相关知识解决实际问题的能 力，体现了“科学思维”的学科素养. 四、电磁波 如图所示是赫兹证明电磁波存在的实验装置， 当接在高压感应圈上的两金属球间有电火花时， 检波器上两铜球间也会产生电火花，这是为什么？这个实验证实了什么问题？ 答案 当

17、 A、B 两金属球间产生电火花时就会产生变化的电磁场，这种变化的电磁场传播到 检波器时，它在检波器中激发出感应电动势，使检波器上两铜球间也会产生电火花.这个实验 证实了电磁波的存在. 电磁波与机械波的比较 机械波 电磁波 研究对象 力学现象 电磁现象 周期性 位移随时间和空间做周期性变化 电场强度 E 和磁感应强度 B 随 时间和空间做周期性变化 传播情况 传播需要介质，波速与介质有关， 与频率无关 传播无需介质，在真空中波速 等于光速 c，在介质中传播时， 波速与介质和频率都有关 产生机理 由质点(波源)的振动产生 由电磁振荡激发 是横波还是 纵波 可能是横波，也可能是纵波 横波 干涉和衍射

18、 可以发生干涉和衍射 例 4 (多选)以下关于机械波与电磁波的说法中，正确的是( ) A.机械波和电磁波，本质上是一致的 B.机械波的波速只与介质有关，而电磁波在介质中的波速不仅与介质有关，而且与电磁波的 频率有关 C.机械波可能是纵波，而电磁波必定是横波 D.它们都能发生反射、折射、干涉和衍射现象 答案 BCD 解析 机械波由波源的振动产生；电磁波由周期性变化的电场(或磁场)产生，机械波是能量 波，传播需要介质，速度由介质决定，电磁波是物质波，波速由介质和自身的频率共同决定； 机械波有横波，也有纵波，而电磁波一定是横波，它们都能发生反射、折射、干涉和衍射等 现象，故选项 B、C、D 正确.

19、1.(电磁振荡)(2019 西安中学高二第二学期期中)在 LC 振荡电路中(理想情况)，某时刻上部分 电路中电流方向向右，如图 6 所示，且电流正在增大，则该时刻( ) 图 6 A.电容器上极板带正电，下极板带负电 B.电容器上极板带负电，下极板带正电 C.磁场能正在向电场能转化 D.线圈和电容器两边的电压可能不等 答案 A 2.(电磁振荡的周期和频率)在 LC 振荡电路中，电容器放电时间的长短决定于( ) A.充电电压的大小 B.电容器带电荷量的多少 C.放电电流的大小 D.电容 C 和电感 L 的数值 答案 D 解析 电容器放电一次经历四分之一个周期，而周期 T2 LC，周期 T 是由振荡

20、电路的电 容 C 和电感 L 决定的，与充电电压、带电荷量、放电电流等无关. 3.(麦克斯韦电磁理论)下列说法中正确的是( ) A.任何变化的磁场都要在周围空间产生变化的电场，振荡磁场在周围空间产生同频率的振荡 电场 B.任何电场都要在周围空间产生磁场，振荡电场在周围空间产生同频率的振荡磁场 C.任何变化的电场都要在周围空间产生磁场，振荡电场在周围空间产生同频率的振荡磁场 D.电场和磁场总是相互联系着，形成一个不可分割的统一体，即电磁场 答案 C 解析 根据麦克斯韦电磁理论， 如果电场(磁场)的变化是均匀的， 产生的磁场(电场)是恒定的； 如果电场(磁场)的变化是不均匀的，产生的磁场(电场)是

21、变化的；振荡电场(磁场)在周围空间 产生同频率的振荡磁场(电场)；周期性变化的电场和周期性变化的磁场总是相互联系着，形 成一个不可分割的统一体，即电磁场.故选 C. 4.(电磁波的特点)(多选)下列关于电磁波的说法中，正确的是( ) A.电磁波是电磁场由发生区域向远处的传播 B.电磁波在任何介质中的传播速度均为 3.0108 m/s C.电磁波由真空进入介质传播时，波长将变短 D.只要空间中某个区域有变化的电场或变化的磁场，就能产生电磁波 答案 AC 解析 电磁波在真空中的传播速度为光速 c3.0108 m/s，且 cf，从一种介质进入另一 种介质，频率不变，但速度、波长会变化.电磁波仍具有波的特征，电磁波只有在真空中的速 度才为 3.0 108 m/s，在其他介质中的传播速度小于 3.0108 m/s.只有交变的电场和磁场才 能产生电磁波.