高中物理 第三章 電磁振蕩與電磁波 第一節(jié) 電磁振蕩學案（含解析）粵教版選修3-4

第一節(jié)電磁振蕩學習目標重點難點1能說出LC回路的組成和什么是振蕩電流2會分析發(fā)生電磁振蕩的過程中，LC回路中各物理量的變化和能量轉化情況3熟記電磁振蕩的周期和頻率公式，會分析相關問題重點：1電磁振蕩的周期和頻率公式2發(fā)生電磁振蕩時，各物理量的變化和能量轉化難點：發(fā)生電磁振蕩時，各物理量的變化和能量轉化一、振蕩電流和振蕩電路1振蕩電流大小和方向都隨時間做周期性迅速變化的電流叫振蕩電流實際振蕩電流的頻率很高，是高頻正弦交流2振蕩電路能產(chǎn)生振蕩電流的電路叫做振蕩電路由自感線圈和電容器組成的最簡單的振蕩電路，稱為LC回路二、電磁振蕩1電磁振蕩LC回路里，產(chǎn)生振蕩電流的過程中，由于自感線圈的自感作用和電容器的充放電作用，線圈中的電流i及其對應的磁場、磁場能與電容器極板上的電荷q及其對應的電場、電場能在不斷地相互轉化，都發(fā)生了周期性的變化，這種現(xiàn)象叫做電磁振蕩2電磁振蕩的周期和頻率LC回路的振蕩周期T和頻率f只跟自感系數(shù)L和電容C有關，與其他因素無關它們的關系式為T2和f預習交流由f=知，改變回路中電容器的電容和線圈的自感系數(shù)可以改變振蕩回路的振蕩頻率收音機、電視機中用于調(diào)臺的調(diào)諧電路就是通過調(diào)節(jié)可變電容器的電容來改變回路的振蕩頻率的一臺無線電接收機，當它接收頻率為535 kHz的信號時，調(diào)諧電路中電容器的電容為270 pF；若調(diào)諧電路的線圈電感不變，則要接收頻率為1 605 kHz的信號時，應該怎么辦？答案：應將調(diào)諧電路中電容器的電容調(diào)為30 pF解析：由f=知1 605 kHz由聯(lián)立解得C30 pF一、電磁振蕩的產(chǎn)生和能量轉化1觀察課本中產(chǎn)生振蕩電流的實驗相關內(nèi)容，會看到什么現(xiàn)象，說明了什么？答案：觀察到電流表指針在零點左右擺動，說明電路中產(chǎn)生了交變電流，即電路中電流的大小、方向做周期性的變化2LC振蕩電路是如何實現(xiàn)電磁振蕩的？答案：（1）首先電容器從外界得到能量（充電），當電容器開始放電后，由于線圈的自感作用，阻礙通過線圈中的電流變化（自感電動勢與電流方向相反），使放電電流不能立刻達到最大值，而是從零逐漸增大，同時電容器極板上的電荷逐漸減少（2）到電容器放電完畢時，電容器極板上沒有電荷，放電電流也達到了最大值（3）電容器放電完畢的瞬間，由于線圈中自感電動勢的作用，阻礙電流減?。ㄗ愿须妱觿莸姆较蛲娏鞣较蛞恢拢?，電流不能立即減小到零，而是要保持原來的方向繼續(xù)流動，并逐漸減小，同時電容器在反向充電，電容器極板上帶上相反的電荷，并且電荷逐漸增多，而極板上的電荷（根據(jù)同種電荷相互排斥）對向極板上累積的電荷產(chǎn)生阻礙作用，反向充電電流逐漸減小，到反向充電完畢時，極板上聚集的電荷最多，電流減小到零（4）此后電容再次放電，再次充電，這樣不斷地充電和放電，電路中就出現(xiàn)了振蕩電流（5）這個過程中，電容器極板上的電荷q，電路中的電流i，電容器內(nèi)的電場強度E，線圈的磁場B，都發(fā)生周期性變化3LC振蕩電路中發(fā)生電磁振蕩過程中的能量是如何轉化的？答案：（1）在LC回路發(fā)生電磁振蕩的過程中，由于電容器極板上帶電荷，則電容器內(nèi)就有與之相聯(lián)系的電場能（2）電路中有電流時，則線圈就有與之相聯(lián)系的磁場能（3）電容器放電階段，電場能轉化為磁場能，放電完畢的一瞬間，電場能為零，振蕩電流和磁場能達到最大值；然后電容器被反向充電，這個階段磁場能轉化為電場能，振蕩電流為零的瞬間，磁場能為零，電容器極板上的電荷和電場能達到最大值4學生討論：在電磁振蕩的過程中，電容器的帶電量q及其對應的電場E、電場能EE和線圈中的電流i及其對應的磁場B，磁場能EB都隨時間周期性變化，試討論在一個充電過程和放電過程中各量的變化規(guī)律及能量轉化情況答案：充電過程中，q增加，E增大，EE增加，i減小，B減小，EB減少，充電過程是一個磁場能轉化為電場能的過程；放電過程中，q減少，E減小，EE減少，i增大，B增大，EB增大，放電過程是一個電場能轉化為磁場能的過程LC振蕩電路中某時刻磁場如圖所示，下列說法正確的是（）A若磁場正在減弱，則電容器上極板帶正電B若電容器正在放電，則電容器上極板帶正電C若電容器上極板帶正電，則線圈中電流正在增大D若電容器正在放電，則自感電動勢阻礙電流的增大答案：AD解析：在振蕩電路中，電容器放電過程，放電電流一定是逐漸增大的，電容器充電電流一定是逐漸減小的根據(jù)圖中磁場方向，由安培定則可判定回路中有順時針方向的電流若該時刻電容器上極板帶正電，說明電容器正在充電，充電電流是不斷減小的，磁場逐漸減弱，故A正確，C錯誤；若電容器正在放電，則電容器下極板帶正電，放電電流是不斷增加的，線圈中自感電動勢總是阻礙線圈中電流的變化，B錯誤，D正確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是同步變化的，即：qEEE（或qEEE）振蕩線圈上的物理量：振蕩電流i、磁感應強度B、磁場能EB也是同步變化的，即：iBEB（或iBEB）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、EB與線圈中的三個物理量i、B、EB是同步異向變化的，即q、E、EE同時減小時，i、B、EB同時增大，且它們的變化是同步的，也即：q、E、EEi、B、EB二、電磁振蕩的頻率1LC振蕩電路的振蕩周期由哪些因素決定？請分析這些因素影響周期長短的原因答案：（1）LC振蕩電路的周期由線圈的自感系數(shù)和電容器的電容決定（2）若電容器的電容越大，電容器每次容納的電荷越多，則其每次充放電的時間就越長，LC回路電磁振蕩的周期就越大，反之周期越短（3）若線圈的自感系數(shù)越大，對電流變化的阻礙就越強，則電流發(fā)生變化所用的時間就越長，LC回路電磁振蕩的周期就越長，反之周期就越短2學生討論：某種電子鐘是利用LC振蕩電路來制成的，使用一段時間后，發(fā)現(xiàn)每晝夜總是快1 min，造成這種現(xiàn)象的原因可能是怎樣的？答案：鐘表變快是因為LC電路的周期變小了，由周期公式知造成這種現(xiàn)象的原因可能是L不變，C變小了；C不變，L變小了；L、C同時變小了要想增大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在線圈中插入鐵芯答案：A解析：振蕩電流的頻率由LC回路本身的特性決定，f，增大電容器兩極板間距，電容減小，振蕩頻率升高，選項A正確；升高電容器的充電電壓只能改變振蕩電流的強弱，對振蕩電流的周期和頻率沒有影響，選項B錯誤；增加線圈的匝數(shù)和在線圈中插入鐵芯，都會使電感L增大，致使頻率降低，選項C、D錯誤1實驗表明：LC回路中電磁振蕩的頻率只與自感系數(shù)L和電容C有關2改變自感系數(shù)L或改變電容C即可改變LC回路的振蕩頻率1在LC回路產(chǎn)生電磁振蕩的過程中，下列說法錯誤的是（）A電容器放電完畢時，回路中電場能最小B回路中電流值最大時，回路中磁場能最大C電容器極板上的電荷量最多時，電場能最大D回路中電流值最小時，電場能最小答案：D解析：電容器放電結束時，電容器極板間場強為零，電場能最小，選項A正確；回路中電流最大時，線圈周圍的磁場最強，磁場能最大，選項B正確；電容器極板上的電荷量最多時，電場最強，磁場能最小，而電場能最大，選項C正確；回路中電流最小時，磁場能最小，而電場能最大，故選項D錯誤，應選D2在LC回路中，電容器兩端的電壓隨時間的變化關系如圖所示，則（）A在t1時刻電路中的電流達到最大B在t2時刻電容器極板上的電荷量達到最大C從t2到t3的過程中，電容器中的電場能不斷增大D從t3到t4的過程中，線圈中的磁場能不斷減小答案：C解析：t1時刻U最大，充電過程結束，此時刻電路中電流恰好減為零，A錯誤；t2時刻U為0，放電過程結束，此時刻電容器極板上的電荷量為0，B錯誤；t2到t3的過程中，U增大，為充電過程，磁場能逐漸轉化為電場能，C正確；t3到t4的過程為放電過程，電場能逐漸轉化為磁場能，D錯誤3關于LC振蕩電路，下列說法正確的是（）A電容器放電完畢瞬間，回路中的電流最大，電場能最大B若線圈的電感增大，則充放電過程變慢C若減小電容器兩極板間的距離，則充放電過程變快D每一個周期內(nèi)，電容器完成一次充、放電過程答案：B解析：電容器放電完畢的瞬間，回路中的電流最大，電場能為零，A錯誤；由T2知，電感增大，T增大，充放電過程變慢，B正確；減小電容器兩板間的距離，電容C變大，T變大，充放電過程變慢，C錯誤；每一個周期內(nèi)，電容器完成兩次充、放電過程，D錯誤4如圖所示，甲、乙、丙、丁四個LC振蕩電路，某時刻振蕩電流i的方向如圖中箭頭所示下列對各電路情況的判斷正確的是（）A若甲電路中電流i正在增大，則該電路中線圈的自感電動勢必定在增大B若乙電路中電流i正在增大，則該電路中電容器的電場方向必定向下C若丙電路中電流i正在減小，則該電路中線圈周圍的磁場必在增強D若丁電路中電流i正在減小，則該電路中電容器的電場方向必定向上答案：BD解析：當電流逐漸增大時，電容器放電，電壓減小，電動勢減小，選項A錯誤，選項B正確；當電流減小時，是充電過程，線圈周圍磁場減小，電流方向指向下極板，電容器中電場強度方向向上，選項C錯誤，選項D正確5在LC振蕩電路中，線圈的自感系數(shù)L2.5 mH，電容C4 F（1）該回路的周期為多大？（2）設t0時，電容器上電壓最大，在t9.0×103 s時，通過線圈的電流是增大還是減??？這時電容器是處在充電過程還是放電過程？答案：（1）6.28×104 s（2）電流減小處于充電過程解析：（1）T22×3.14×s6.28×104 s（2）因為t9.0×103 s相當于14.33個周期，又0.33T，所以當t9.0×103 s時，LC回路中的電磁振蕩正處在第二個的變化過程中t0時，電容器上電壓最大，極板上電荷量最多，電路中電流值為零，回路中電流隨時間的變化規(guī)律如圖所示：第一個內(nèi)，電容器放電，電流由零增至最大；第二個內(nèi)，電容器反向充電，電流由最大減小到零顯然，在t9.0×103 s時，在第二個內(nèi)，線圈中的電流在減小，電容器正處在反向充電過程中。5