浙江專版2019年高中物理第十四章電磁波第12節(jié)電磁波的發(fā)現(xiàn)電磁振蕩講義含解析新人教版選修3 .doc

電磁波的發(fā)現(xiàn) 電磁振蕩偉大的預(yù)言探新知基礎(chǔ)練1變化的磁場產(chǎn)生電場實驗基礎(chǔ)：如圖所示，在變化的磁場中放一個閉合電路，電路里就會產(chǎn)生感應(yīng)電流。麥克斯韋對該問題的見解：電路里有感應(yīng)電流產(chǎn)生，一定是變化的磁場產(chǎn)生了電場，自由電荷在電場的作用下發(fā)生了定向移動。該現(xiàn)象的實質(zhì)：變化的磁場產(chǎn)生了電場。2變化的電場產(chǎn)生磁場麥克斯韋大膽地假設(shè)，既然變化的磁場能產(chǎn)生電場，變化的電場也會在空間產(chǎn)生磁場。辨是非(對的劃“”，錯的劃“”)1變化的磁場會產(chǎn)生變化的電場。()2變化的電場會產(chǎn)生磁場。()3電場周圍一定存在磁場，磁場周圍一定存在電場。()釋疑難對點練1對麥克斯韋電磁場理論的理解恒定的電場不產(chǎn)生磁場恒定的磁場不產(chǎn)生電場均勻變化的電場在周圍空間產(chǎn)生恒定的磁場均勻變化的磁場在周圍空間產(chǎn)生恒定的電場不均勻變化的電場在周圍空間產(chǎn)生變化的磁場不均勻變化的磁場在周圍空間產(chǎn)生變化的電場振蕩電場產(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2.對電磁場的理解(1)電磁場的產(chǎn)生：如果在空間某區(qū)域有周期性變化的電場，那么這個變化的電場在它周圍空間產(chǎn)生周期性變化的磁場；這個變化的磁場又在它周圍空間產(chǎn)生新的周期性變化的電場變化的電場和變化的磁場交替產(chǎn)生，形成了不可分割的統(tǒng)一體，這就是電磁場。(2)電磁場與靜電場、靜磁場的比較：三者可以在某空間混合存在，但由靜電場和靜磁場混合的空間不屬于電磁場。電磁場是電場、磁場相互激發(fā)，相互耦聯(lián)形成的統(tǒng)一體。試身手1(多選)某電路的電場隨時間變化的圖象如圖所示，能產(chǎn)生磁場的電場是()解析：選BCD題圖A中電場不隨時間變化，不產(chǎn)生磁場；題圖B和題圖C中電場都隨時間做均勻變化，能產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場；題圖D中電場隨時間做不均勻的變化，能在周圍空間產(chǎn)生變化的磁場。電磁波探新知基礎(chǔ)練1電磁波的產(chǎn)生如果空間某區(qū)域存在不均勻變化的電場，那么它就會在空間引起不均勻變化的磁場，這一不均勻變化的磁場又引起不均勻變化的電場于是變化的電場和變化的磁場交錯產(chǎn)生，由近及遠(yuǎn)向周圍傳播，形成電磁波。2電磁波是橫波根據(jù)麥克斯韋的電磁場理論，電磁波中的電場強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度互相垂直，而且二者均與波的傳播方向垂直，因此電磁波是橫波。3電磁波的速度麥克斯韋指出了光的電磁本性，他預(yù)言電磁波的速度等于光速。4電磁波的驗證1886年，赫茲用實驗證明了麥克斯韋預(yù)言的正確性，第一次捕捉到了電磁波。(1)赫茲的實驗裝置，如圖所示(2)實驗現(xiàn)象：當(dāng)感應(yīng)圈兩個金屬球間有火花跳過時，導(dǎo)線環(huán)兩個小球間也跳過火花。(3)現(xiàn)象分析：當(dāng)感應(yīng)圈使得與它相連的兩個金屬球間產(chǎn)生電火花時，空間出現(xiàn)了迅速變化的電磁場。這種電磁場以電磁波的形式在空間傳播。當(dāng)電磁波到達(dá)導(dǎo)線環(huán)時，它在導(dǎo)線環(huán)中激發(fā)出感應(yīng)電動勢，使得導(dǎo)線環(huán)的空隙中也產(chǎn)生了火花。辨是非(對的劃“”，錯的劃“”)1麥克斯韋預(yù)言了電磁波的存在。()2赫茲用實驗證實了電磁波的存在。()3電磁波的傳播需要介質(zhì)，不能在真空中傳播。() 釋疑難對點練電磁波與機(jī)械波的比較電磁波是電磁現(xiàn)象，機(jī)械波是力學(xué)現(xiàn)象，兩種波因產(chǎn)生機(jī)理不同，除具有波的共性外，還有不同之處。機(jī)械波電磁波研究對象力學(xué)現(xiàn)象電磁現(xiàn)象周期性位移隨時間和空間做周期性變化電場強(qiáng)度E和磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨時間和空間做周期性變化傳播情況傳播需要介質(zhì)，波速與介質(zhì)有關(guān)，與頻率無關(guān)傳播無需介質(zhì)，在真空中波速總等于光速c，在介質(zhì)中傳播時，波速與介質(zhì)及頻率都有關(guān)產(chǎn)生機(jī)理由(波源)質(zhì)點的振動產(chǎn)生由電磁振蕩(周期性變化的電流)激發(fā)是否橫波可以是是是否縱波可以是否干涉現(xiàn)象滿足干涉條件時均能發(fā)生干涉現(xiàn)象衍射現(xiàn)象滿足衍射條件時均能發(fā)生明顯衍射試身手2(多選)關(guān)于電磁波與機(jī)械波，下列說法正確的是()A電磁波傳播不需要介質(zhì)，機(jī)械波傳播需要介質(zhì)B電磁波在任何介質(zhì)中傳播速率都相同，機(jī)械波在同一種介質(zhì)中傳播速率都相同C電磁波和機(jī)械波都不能發(fā)生干涉D電磁波和機(jī)械波都能發(fā)生衍射解析：選AD電磁波的波速與介質(zhì)和頻率都有關(guān)，傳播時無需介質(zhì)，而機(jī)械波的傳播速度只與介質(zhì)有關(guān)，傳播時需要介質(zhì)，故A對，B錯；電磁波和機(jī)械波都具有波的一些特征，包括干涉和衍射，故C錯，D對。電磁振蕩探新知基礎(chǔ)練1振蕩電流和振蕩電路(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：產(chǎn)生振蕩電流的電路。最簡單的振蕩電路為LC振蕩電路。2電磁振蕩的過程放電過程：由于線圈的自感作用，放電電流由零逐漸增大，電容器極板上的電荷逐漸變少，電容器里的電場逐漸減弱，線圈的磁場逐漸增強(qiáng)，電場能逐漸轉(zhuǎn)化為磁場能，振蕩電流逐漸增大，放電完畢，電流達(dá)到最大，電場能全部轉(zhuǎn)化為磁場能。充電過程：電容器放電完畢后，由于線圈的自感作用，電流保持原來的方向逐漸減小，電容器將進(jìn)行反向充電，線圈的磁場逐漸減弱，電容器里的電場逐漸增強(qiáng)，磁場能逐漸轉(zhuǎn)化為電場能，振蕩電流逐漸減小，充電完畢，電流減小為零，磁場能全部轉(zhuǎn)化為電場能。此后，這樣充電和放電的過程反復(fù)進(jìn)行下去。3電磁振蕩的實質(zhì)在電磁振蕩過程中，電容器極板上的電荷量，電路中的電流及與振蕩電流相聯(lián)系的電場和磁場都在周期性的變化，電場能和磁場能周期性的轉(zhuǎn)化。4電磁振蕩的周期和頻率(1)周期：電磁振蕩完成一次周期性變化需要的時間。(2)頻率：1 s內(nèi)完成的周期性變化的次數(shù)。如果振蕩電路沒有能量損失，也不受其他外界影響，這時的周期和頻率分別叫做固有周期、固有頻率。(3)周期和頻率公式：T2，f。辨是非(對的劃“”，錯的劃“”)1當(dāng)振蕩電路中流過電感線圈的電流最大時，其兩端電壓最大。()2LC振蕩電路是產(chǎn)生振蕩電流最簡單的振蕩電路。()3大小和方向做周期性變化的電流叫振蕩電流。()釋疑難對點練振蕩過程中各物理量的變化情況給LC回路提供能量后，利用電容器的充放電作用和線圈產(chǎn)生自感的作用，使LC回路中產(chǎn)生振蕩電流，同時電容器極板上電荷q及與q相關(guān)聯(lián)的電場(E，U，E電)，通電線圈的電流i及與i相關(guān)聯(lián)的磁場(B，E磁)都發(fā)生周期性變化的現(xiàn)象，稱電磁振蕩。其中，產(chǎn)生的大小和方向都周期性變化的電流稱振蕩電流。產(chǎn)生振蕩電流的電路稱振蕩電路。最簡單的振蕩電路是LC振蕩電路。(1)各物理量變化情況一覽表：帶電荷量q電場強(qiáng)度E電勢差U電場能電流i磁感應(yīng)強(qiáng)度B磁場能0電容器放電減小減小減小減小增大增大增大t時刻0000最大最大最大反向充電增大增大增大增大減小減小減小t時刻最大最大最大最大000反向放電減小減小減小減小增大增大增大t時刻0000最大最大最大T電容器充電增大增大增大增大減小減小減小(2)振蕩電流、極板帶電荷量隨時間的變化圖象：試身手3(多選)在LC回路產(chǎn)生電磁振蕩的過程中，下列說法正確的是()A電容器放電完畢時刻，回路中磁場能最小B回路中電流值最大時刻，回路中磁場能最大C電容器極板上電荷最多時，電場能最大D回路中電流值最小時刻，電場能最小解析：選BC電容器放電完畢時，q0，但此時i最大，所以磁場能最大，則A錯；電流最小i0時，q最多，極板間電場最強(qiáng)，電場能最大，則D錯；同理分析，選項B、C對。麥克斯韋電磁場理論典例1根據(jù)麥克斯韋電磁場理論，下列說法正確的是()A有電場的空間一定存在磁場，有磁場的空間也一定能產(chǎn)生電場B在變化的電場周圍一定產(chǎn)生變化的磁場，在變化的磁場周圍一定產(chǎn)生變化的電場C均勻變化的電場周圍一定產(chǎn)生均勻變化的磁場D周期性變化的磁場周圍空間一定產(chǎn)生周期性變化的電場解析選D根據(jù)麥克斯韋電磁場理論，只有變化的電場才能產(chǎn)生磁場，均勻變化的電場產(chǎn)生恒定的磁場，非均勻變化的電場產(chǎn)生變化的磁場，只有D正確。電磁波與機(jī)械波的比較典例2(多選)電磁波和聲波比較，下列說法正確的是()A電磁波的傳播不需要介質(zhì)，聲波的傳播需要介質(zhì)B由空氣進(jìn)入水中時，電磁波的速度變小，聲波的速度變大C由空氣進(jìn)入水中時，電磁波的波長變小，聲波的波長變大D由空氣進(jìn)入水中時，電磁波的頻率變小，聲波的頻率變大解析選ABC選項A、B與事實相符，電磁波本身是物質(zhì)的，傳播不需要介質(zhì)，而機(jī)械波的傳播必須借助介質(zhì)，機(jī)械波的波速由介質(zhì)決定，電磁波進(jìn)入介質(zhì)后的傳播遵守折射原理，A、B正確；不論是電磁波還是機(jī)械波，傳播過程中頻率是不變的，選項D錯誤；由公式可知C正確。電磁波和機(jī)械波都遵守波長、波速、頻率的關(guān)系公式，電磁波進(jìn)入介質(zhì)遵守公式n。電磁振蕩過程的分析典例3LC振蕩中，某時刻磁場方向如圖所示，則下列說法錯誤的是()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，則電容器上極板帶負(fù)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，則自感電動勢正在阻礙電流增大解析選C該題圖中標(biāo)明了電流的磁場方向，由安培定則可判斷出振蕩電流在線圈中逆時針(俯視)流動。若該時刻電容器上極板帶正電，則可知電容器處于充電階段，電流正在減小，知A選項正確；若該時刻電容器上極板帶負(fù)電，則可知電容器正在放電，電流正在增大，知B選項正確；由楞次定律知D選項正確。錯誤選項只有C。典例4如圖所示是一個LC振蕩電路中電流的變化圖線，以下說法正確的是()At1時刻電感線圈兩端電壓最大Bt2時刻電容器兩極板間電壓為零Ct1時刻電路中只有電場能Dt1時刻電容器所帶電荷量為零解析選D由題圖可知t1時刻電流i最大，說明放電結(jié)束，磁場能最大，電場能為零，電壓、電荷量均為零。t2時刻電流i最小，說明還沒放電，則磁場能為零，電場能最大，電壓、電荷量均最大。綜上所述，只有D正確。課堂對點鞏固1下列關(guān)于電磁波的說法正確的是()A均勻變化的磁場能夠在空間產(chǎn)生電場B電磁波在真空和介質(zhì)中傳播速度相同C只要有電場和磁場，就能產(chǎn)生電磁波D電磁波在同種介質(zhì)中只能沿直線傳播解析：選A由麥克斯韋電磁場理論知A正確；電磁波在真空中傳播速度最大，為c3108 m/s，在介質(zhì)中傳播速度v，n為介質(zhì)折射率，選項B錯誤；均勻變化的電場或磁場，不能產(chǎn)生電磁波，選項C錯誤；電磁波只有在同種均勻介質(zhì)中才沿直線傳播，選項D錯誤。2某同學(xué)對機(jī)械波和電磁波進(jìn)行類比，總結(jié)出下列內(nèi)容，其中不正確的是()A機(jī)械波的頻率、波長和波速三者滿足的關(guān)系，對電磁波也適用B機(jī)械波和電磁波都能產(chǎn)生干涉和衍射現(xiàn)象C機(jī)械波的傳播依賴于介質(zhì)，而電磁波可以在真空中傳播D機(jī)械波既有橫波又有縱波，而電磁波只有縱波解析：選D波長、波速、頻率的關(guān)系對任何波都是成立的，對電磁波也成立，故A正確；干涉和衍射是波的特性，機(jī)械波、電磁波都是波，這些特性都具有，故B正確；機(jī)械波是機(jī)械振動在介質(zhì)中傳播形成的，所以機(jī)械波的傳播需要介質(zhì)，而電磁波是交替變化的電場和磁場由近及遠(yuǎn)的傳播形成的，所以電磁波傳播不需要介質(zhì)，故C項正確；機(jī)械波既有橫波又有縱波，但是電磁波只能是橫波，D項錯誤。3(多選)LC振蕩電路中，通過P點的電流變化規(guī)律如圖乙所示(圖中周期為2 s)。現(xiàn)規(guī)定沿順時針方向的電流方向為正，則()A0.5 s至1 s時間內(nèi)，電容器充電B0.5 s至1 s時間內(nèi)，電容器上極板帶的是正電C1 s至1.5 s時間內(nèi)，磁場能正在轉(zhuǎn)化為電場能D1 s至1.5 s時間內(nèi)，電容器下極板的電勢高解析：選AD由振蕩電流的圖象可知，在0.51 s的時間內(nèi)，電流為正方向，且電流值正在減小，由題意可知，LC回路中的電流是沿順時針方向的，而且電容器C正在充電。由于充電電流是由電容器C的負(fù)極板流出，流向正極板，可知在0.51 s的時間內(nèi)電容器C的上極板帶負(fù)電，下極板帶正電，選項A正確，B錯誤；在11.5 s的時間內(nèi)，電流為負(fù)方向，且電流的值正在增大，由題意可知，此時間內(nèi)LC回路中的電流是沿逆時針方向的，所以電容器下極板的電勢高，而且由于電流值正在增大，所以電場能正在轉(zhuǎn)化為磁場能，選項C錯誤，D正確。4要增大LC振蕩電路的頻率，可采取的辦法是()A增大電容器兩極板正對面積B減少極板帶電荷量C在線圈中放入軟鐵棒作鐵芯D減少線圈匝數(shù)解析：選D根據(jù)LC振蕩電路的頻率公式f和平行板電容器電容公式C知，當(dāng)增大電容器兩極板正對面積時，C增大，f減小；減少極板帶電荷量，不影響C，即f不變；在線圈中放入軟鐵棒作鐵芯，L增大，f減小；減少線圈匝數(shù)，L減小，f增大。故D正確。課堂小結(jié)課時跟蹤檢測十七一、單項選擇題1建立完整的電磁場理論并首先預(yù)言電磁波存在的科學(xué)家是()A法拉第 B奧斯特C赫茲 D麥克斯韋解析：選D麥克斯韋建立了電磁場理論并且預(yù)言了電磁波的存在，選項D正確。2下列說法錯誤的是()A變化的磁場周圍一定存在著電場，與是否有閉合電路無關(guān)B恒定電流能夠在周圍空間產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場C穩(wěn)定電場能夠在周圍空間產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場D均勻變化的電場能夠在周圍空間產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場解析：選C變化的磁場周圍產(chǎn)生電場，當(dāng)電場中有閉合回路時，回路中有電流，若無閉合回路，電場仍然存在，A對；電場按其是否隨時間變化分為穩(wěn)定電場(靜電場)和變化電場(如運動電荷形成的電場)，穩(wěn)定電場不產(chǎn)生磁場，只有變化的電場周圍空間才存在對應(yīng)磁場，故C錯，D對；恒定電流周圍存在穩(wěn)定磁場，B對。3關(guān)于LC振蕩電路中的振蕩電流，下列說法中正確的是()A振蕩電流最大時，電容器兩極板間的電場強(qiáng)度最大B振蕩電流為零時，線圈中自感電動勢為零C振蕩電流增大的過程中，線圈中的磁場能轉(zhuǎn)化成電場能D振蕩電流減小的過程中，線圈中的磁場能轉(zhuǎn)化為電場能解析：選D振蕩電流最大時處于電容器放電結(jié)束瞬間，電場強(qiáng)度為零，A錯誤；振蕩電流為零時，振蕩電流改變方向，這時的電流變化最快，電流變化率最大，線圈中的自感電動勢最大，B錯誤；振蕩電流增大時，電場能轉(zhuǎn)化為磁場能，C錯誤；振蕩電流減小時，線圈中的磁場能轉(zhuǎn)化為電場能，D正確。4在LC振蕩電路中，電容器上帶的電荷量從最大值變化到零所需的最短時間是()A. B.C D2解析：選BLC振蕩電路的周期T2，其中電容器上的電荷量從最大值變到零所需的最短時間為t，只有選項B正確。5如圖所示的電路中，L是電阻不計的電感器，C是電容器，閉合開關(guān)S，待電路達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，再斷開開關(guān)S，LC電路中將產(chǎn)生電磁振蕩，如果規(guī)定電感器L中的電流方向從a到b為正，斷開開關(guān)的時刻為t0，那么選項圖中能正確表示電感器中的電流i隨時間t變化規(guī)律的是() 解析：選CS斷開前，ab段短路，電流從ba，電容器不帶電；S斷開時，ab中產(chǎn)生自感電動勢，阻礙電流減小，給電容器充電，此時電流負(fù)向最大；給電容器充電過程，電容器充電量達(dá)到最大時，ab中電流減為零；此后，LC回路發(fā)生電磁振蕩形成交變電流。綜上所述，選項C正確。6有一LC振蕩電路，能產(chǎn)生一定波長的電磁波，若要產(chǎn)生波長比原來短一些的電磁波，可用的措施為()A增加線圈匝數(shù)B在線圈中插入鐵芯C減小電容器極板正對面積D減小電容器極板間距離解析：選C由于電磁波傳播過程中波速vf恒定，因此欲使波長變短，必須使頻率f升高，由于頻率f，所以，增加線圈匝數(shù)和在線圈中插入鐵芯，將使線圈自感系數(shù)L增大而降低頻率f；減小電容器極板間距將使電容C增大而降低頻率f；減小電容器極板正對面積將使電容C減小而升高頻率f?？梢姡x項C正確。二、多項選擇題7某LC回路電容器兩端的電壓U隨時間t變化的關(guān)系如圖所示，則()A在時刻t1，電路中的電流最大B在時刻t2，電路中的磁場能最大C從時刻t2至t3，電路的電場能不斷增大D從時刻t3至t4，電容器的電荷量不斷增大解析：選BC由LC回路中各物理量的變化規(guī)律可知，時刻t1電容兩端電壓最高時，電路中振蕩電流為零，時刻t2電容兩端電壓為零，電路中振蕩電流最強(qiáng)、磁場能最大，選項A錯誤，B正確；在t2至t3的過程中，從題圖可知，電容器兩板電壓增大，故電場能增加，選項C正確；而在t3至t4的過程中，電容器兩板電壓減小，電荷量同時減少，選項D錯誤。8一個LC振蕩電路中，線圈的自感系數(shù)為L，電容器電容為C，從電容器上電壓達(dá)到最大值U開始計時，則有()A至少經(jīng)過，磁場能達(dá)到最大B至少經(jīng)過，磁場能達(dá)到最大C在時間內(nèi)，電路中的平均電流是D在時間內(nèi)，電容器放電量為CU解析：選BCDLC振蕩電路周期T2，電容器電壓最大時，開始放電，至少經(jīng)時間，放電結(jié)束，此時電容器電荷量為零，電路中電流最大，磁場最強(qiáng)，磁場能最大。因為QCU，所以電容器放電量QCU，由I，所以I 。三、非選擇題9實驗室里有一水平放置的平行板電容器，其電容C1 F。在兩板帶有一定電荷時，發(fā)現(xiàn)一粉塵恰好靜止在兩板間。還有一個自感系數(shù)L0.1 mH的電感器，現(xiàn)連成如圖所示電路，試分析以下兩個問題：(1)從S閉合時開始計時，經(jīng)過105 s時，電容器內(nèi)粉塵的加速度大小是多少？(2)當(dāng)粉塵的加速度為多大時，線圈中電流最大？解析：(1)S斷開時，電容器內(nèi)帶電粉塵恰好靜止，說明電場力方向向上，且F電mg，閉合S后，L、C構(gòu)成LC振蕩電路，T22105 s，經(jīng)過105 s時，電容器間的電場強(qiáng)度反向，電場力的大小不變，方向豎直向下，由牛頓第二定律得a2g。(2)線圈中電流最大時，電容器兩極間的電場強(qiáng)度為零，由牛頓第二定律可得ag，方向豎直向下。答案：(1)2g(2)g，方向豎直向下10如圖所示，線圈的自感系數(shù)L0.5 mH，電容器的電容C0.2 F，電源電動勢E4 V，電阻的阻值R10 ，不計線圈和電源的內(nèi)阻，閉合開關(guān)S，待電路中電流穩(wěn)定后斷開S，求：(1)LC回路的振蕩頻率；(2)LC回路振蕩電流的有效值；(3)從斷開S到電容器上極板帶正電荷最多所經(jīng)歷的最短時間。解析：(1)根據(jù)f得f Hz1.6104 Hz。(2)開關(guān)S閉合，電路穩(wěn)定時，流過線圈的電流I0.4 A故LC回路振蕩電流的峰值為0.4 A，則有效值I有0.28 A。(3)由T2，得T6.28105 s。S斷開時，電容器上的電荷量為零，然后電容器開始充電，且下極板帶正電，因此最短經(jīng)電容器上極板帶正電荷最多，則最短時間為t6.28105 s4.7105 s。答案：(1)1.6104 Hz(2)0.28 A(3)4.7105 s