2020高考物理 月刊專版 專題09 交變電流和電磁感應(yīng)電磁場和電磁波專題

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1、交變電流和電磁感應(yīng)電磁場和電磁波 知識網(wǎng)絡(luò)： 一、電磁振蕩 1．振蕩電路：大小和方向都隨時間做周期性變兒的電流叫做振蕩電流，能夠產(chǎn)生振蕩電流的電路叫振蕩電路，LC回路是一種簡單的振蕩電路。 2．LC回路的電磁振蕩過程：可以用圖象來形象分析電容器充、放電過程中各物理量的變化規(guī)律，如圖所示 3．LC回路的振蕩周期和頻率 注意：（1）LC回路的T、f只與電路本身性質(zhì)L、C有關(guān) i q t t o o 放電 充電 放電 充電 （2）電磁振蕩的周期很小，頻率很高，這是振蕩電流與普通交變電流的區(qū)別。 分析電磁振蕩要掌握以下三個要點(diǎn)（突出能量守恒的觀點(diǎn)）：

2、 ⑴理想的LC回路中電場能E電和磁場能E磁在轉(zhuǎn)化過程中的總和不變。 ⑵回路中電流越大時，L中的磁場能越大（磁通量越大）。 ⑶極板上電荷量越大時，C中電場能越大（板間場強(qiáng)越大、兩板間電壓越高、磁通量變化率越大）。 還是右)，磁場能正在_____（增大還是減?。?。 q，i O t 5T/6 解：先由周期公式求出=1.2π×10－4s， t=3.14×10－4s時刻是開始振蕩后的。再看與左圖對應(yīng)的q-t圖象（以上極板帶正電為正）和與右圖對應(yīng)的i-t圖象（以LC回路中有逆時針方向電流為正），圖象都為余弦函數(shù)圖象。在時刻，從左圖對應(yīng)的q-t圖象看出，上極板正在

3、充正電；從右圖對應(yīng)的i-t圖象看出，L2中的電流向左，正在增大，所以磁場能正在增大。 二、電磁場 1．麥克斯韋的電磁場理論 要深刻理解和應(yīng)用麥克斯韋電磁場理論的兩大支柱：變化的磁場產(chǎn)生電場，變化的電場產(chǎn)生磁場。 （1）變化的磁場（電場）能夠在周圍空間產(chǎn)生電場（磁場）； （2）均勻變化的磁場（電場）能夠在周圍空間產(chǎn)生穩(wěn)定的電場（磁場）； （3）振蕩的磁場（電場）能夠在周圍空間產(chǎn)生同頻率的振蕩電場（磁場）； 可以證明：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。 點(diǎn)評：變化的磁場在周圍空間激發(fā)的電場為渦旋電場，渦旋電場與靜電場一樣，對電荷有力的作用，但渦旋電場又于靜

4、電場不同，它不是靜電荷產(chǎn)生的，它的電場線是閉合的，在渦旋電場中移動電荷時，電場力做的功與路徑有關(guān)，因此不能引用“電勢”、“電勢能”等概念。另外要用聯(lián)系的觀點(diǎn)認(rèn)識規(guī)律，變化的磁場產(chǎn)生電場是電磁感應(yīng)現(xiàn)象的本質(zhì)。 個力：環(huán)的彈力N和磁場的洛侖茲力f，而且兩個力的矢量和始終提供向心力，考慮到小球速度大小的變化和方向的變化以及磁場強(qiáng)弱的變化，彈力和洛侖茲力不一定始終在增大。洛侖茲力始終和運(yùn)動方向垂直，所以磁場力不做功。正確為CD。 2．電磁場：按照麥克斯韋的電磁場理論，變化的電場和磁場總是相互聯(lián)系的，形成一個不可分離的統(tǒng)一場，稱為電磁場。電場和磁場只是這個統(tǒng)一的電磁場的兩種具體表現(xiàn)。 理解電磁場是

5、統(tǒng)一的整體： 根據(jù)麥克斯韋電磁場理論的兩個要點(diǎn)：在變化的磁場的周圍空間將產(chǎn)生渦漩電場，在變化的電場的周圍空間將產(chǎn)生渦漩磁場．當(dāng)變化的電場增強(qiáng)時，磁感線沿某一方向旋轉(zhuǎn)，則在磁場減弱時，磁感線將沿相反方向旋轉(zhuǎn)，如果電場不改變是靜止的，則就不產(chǎn)生磁場．同理，減弱或增強(qiáng)的電場周圍也將產(chǎn)生不同旋轉(zhuǎn)方向的磁場．因此，變化的電場在其周圍產(chǎn)生磁場，變化的磁場在其周圍產(chǎn)生電場，一種場的突然減弱，導(dǎo)致另一種場的產(chǎn)生．這樣，周期性變化的電場、磁場相互激發(fā)，形成的電磁場鏈一環(huán)套一環(huán)，如下圖所示．需要注意的是，這里的電場和磁場必須是變化的，形成的電磁場鏈環(huán)不可能是靜止的，這種電磁場是無源場（即：不是由電荷激發(fā)的電場，

6、也不是由運(yùn)動電荷-電流激發(fā)的磁場．），并非簡單地將電場、磁場相加，而是相互聯(lián)系、不可分割的統(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． 3．電磁波 變化的電場和磁場從產(chǎn)生的區(qū)域由近及遠(yuǎn)地向周圍空間傳播開去，就形成了電磁波。 （1）有效地發(fā)射電磁波的條件是：①頻率足夠高（單位時間內(nèi)輻射出的能量P∝f 4）；②形成開放電路（把電場和磁場分散到盡可能大的空間里去）。 （2）電磁波的特點(diǎn)： ①電磁波是橫波。在電磁波傳播方向上的任一點(diǎn)，場強(qiáng)E和磁感應(yīng)強(qiáng)度B均與傳播方向垂直且隨時間變化，因此電磁波是橫波。 ②電磁波的傳播不需要介質(zhì)，在

7、真空中也能傳播。在真空中的波速為c=3.0×108m/s。 ③波速和波長、頻率的關(guān)系：c＝λf 注意：麥克斯韋根據(jù)他提出的電磁場理論預(yù)言了電磁波的存在以及在真空中波速等于光速c，后由赫茲用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了電磁波的存在 廣播、電視、雷達(dá)、無線通信等都是電磁波的具體應(yīng)用。 雷達(dá)：無線電定位的儀器，波位越短的電磁波，傳播的直線性越好，反射性能強(qiáng)，多數(shù)的雷達(dá)工作于微波波段。缺點(diǎn)，沿地面?zhèn)鞑ヌ綔y距離短。中、長波雷達(dá)沿地面的探測距離較遠(yuǎn)，但發(fā)射設(shè)備復(fù)雜。 【例4】 一臺收音機(jī)，把它的調(diào)諧電路中的可變電容器的動片從完全旋入到完全旋出，仍然收不到某一較高頻率的電臺信號。要想收到該電臺信號，應(yīng)該______

8、（增大還是減小）電感線圈的匝數(shù)。 解：調(diào)諧電路的頻率和被接受電臺的頻率相同時，發(fā)生電諧振，才能收到電臺信號。由公式可知，L、C越小，f越大。當(dāng)調(diào)節(jié)C達(dá)不到目的時，肯定是L太大，所以應(yīng)減小L，因此要減小匝數(shù)。 【例5】 某防空雷達(dá)發(fā)射的電磁波頻率為f=3×103MHZ，屏幕上尖形波顯示，從發(fā)射到接受經(jīng)歷時間Δt=0.4ms，那么被監(jiān)視的目標(biāo)到雷達(dá)的距離為______km。該雷達(dá)發(fā)出的電磁波的波長為______m。 解：由s= cΔt=1.2×105m=120km。這是電磁波往返的路程，所以目標(biāo)到雷達(dá)的距離為60km。由c= fλ可得λ= 0.1m 【例6】 電子感應(yīng)加速器是利用變化磁場產(chǎn)

9、生的電場來加速電子的。如圖所示，在圓形磁鐵的兩極之間有一環(huán)形真空室，用交變電流勵磁的電磁鐵在兩極間產(chǎn)生交變磁場，從而在環(huán)形室內(nèi)產(chǎn)生很強(qiáng)的電場，使電子加速．被加速的電子同時在洛倫茲力的作用下沿圓形軌道運(yùn)動。設(shè)法把高能電子引入靶室，就能進(jìn)一步進(jìn)行實(shí)驗(yàn)工作。已知在一個軌道半徑為r=0.84m的電子感應(yīng)加速器中，電子在被加速的4.2ms內(nèi)獲得的能量為120MeV．設(shè)在這期間電子軌道內(nèi)的高頻交變磁場是線性變化的，磁通量的最小值為零，最大值為1.8Wb，試求電子在加速器中共繞行了多少周？ 解：根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，環(huán)形室內(nèi)的感應(yīng)電動勢為E== 429V，設(shè)電子在加速器中繞行了N周，則電場力做功NeE應(yīng)

10、該等于電子的動能EK，所以有N= EK/Ee，帶入數(shù)據(jù)可得N=2.8×105周?！? 【例7】 如圖所示，半徑為 r 且水平放置的光滑絕緣的環(huán)形管道內(nèi)，有一個電荷量為 e，質(zhì)量為 m 的電子。此裝置放在勻強(qiáng)磁場中，其磁感應(yīng)強(qiáng)度隨時間變化的關(guān)系式為 B=B0+kt（k>0）。根據(jù)麥克斯韋電磁場理論，均勻變化的磁場將產(chǎn)生穩(wěn)定的電場，該感應(yīng)電場對電子將有沿圓環(huán)切線方向的作用力，使其得到加速。設(shè)t=0時刻電子的初速度大小為v0，方向順時針，從此開始后運(yùn)動一周后的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B1，則此時電子的速度大小為 A. B. C. D. 解：感應(yīng)電動勢為E=kπr2，電場方向逆時針，電場力對電子做正功。在轉(zhuǎn)動一圈過程中對電子用動能定理：kπr2e=mv2-mv02，得答案B。 【例8】 如圖所示，平行板電容器和電池組相連。用絕緣工具將電容器兩板間的距離逐漸增大的過程中，關(guān)于電容器兩極板間的電場和磁場，下列說法中正確的是 電子在庫侖力F和洛倫茲力f作用下做勻速圓周運(yùn)動，用左手定則判斷f和F方向始終相同，兩者之和為向心力。當(dāng)磁場均勻增加時，根據(jù)麥克斯韋理論，將激起一穩(wěn)定電場，由