物理 第3章 電磁場(chǎng)與電磁波 3.1 麥克斯韋的電磁場(chǎng)理論 3.2 電磁波的發(fā)現(xiàn)同步備課 滬科版選修3-4

第3章3.1 麥克斯韋的電磁場(chǎng)理論3.2 電磁波的發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)目標(biāo)1.了解麥克斯韋電磁場(chǎng)理論的兩大基本論點(diǎn)，能從這兩個(gè)基本論點(diǎn)出發(fā)分析簡(jiǎn)單問(wèn)題.2.知道麥克斯韋預(yù)言了電磁波的存在及其在物理學(xué)發(fā)展史上的意義.3.知道赫茲用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了電磁波的存在.4.了解什么叫電磁振蕩，了解LC回路中電磁振蕩的產(chǎn)生過(guò)程及其固有周期(頻率).5.了解有效發(fā)射電磁波的兩個(gè)條件，知道電磁波的特點(diǎn)及其與機(jī)械波的異同.內(nèi)容索引自主預(yù)習(xí)梳理 重點(diǎn)知識(shí)探究 當(dāng)堂達(dá)標(biāo)檢測(cè)自主預(yù)習(xí)梳理1.法拉第創(chuàng)造性地用“ ”和“ ”的概念來(lái)描述電荷之間、磁體之間以及電與磁之間的相互作用.2.電磁場(chǎng)理論的兩大支柱：(1) ；(2)_.3.赫茲用實(shí)驗(yàn)證明了麥克斯韋 的正確性.力線場(chǎng)變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)變化的電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)電磁場(chǎng)理論4.電磁振蕩(1)振蕩電流：大小和 都做周期性變化的電流.(2)振蕩電路：能夠產(chǎn)生 的電路.圖1就是一種基本的振蕩電路，稱為L(zhǎng)C振蕩電路.(3)電磁振蕩：在振蕩電路中，電路中的 、電容器極板上的 、電容器中的 和線圈中的 都要發(fā)生 的變化，這種現(xiàn)象叫做電磁振蕩.方向振蕩電流電流電荷電場(chǎng)強(qiáng)度圖1磁感應(yīng)強(qiáng)度周期性5.電磁波的特點(diǎn)(1)電磁波是 ；(2)電磁波在真空中的傳播速度等于 ，約為_(kāi) m/s；(3)電磁波具有波的一般特征，波長(zhǎng)、頻率f、周期T和波速v之間的關(guān)系為v ；(4)電磁波也具有 .橫波光在真空中的傳播速度c能量3.0108f重點(diǎn)知識(shí)探究一、電磁場(chǎng)理論的兩大支柱導(dǎo)學(xué)探究導(dǎo)學(xué)探究1.如圖2所示，當(dāng)磁棒相對(duì)一閉合線圈運(yùn)動(dòng)時(shí)，線圈中的電荷做定向移動(dòng)，是因?yàn)槭艿绞裁戳Φ淖饔?？若把閉合線圈換成一個(gè)內(nèi)壁光滑的絕緣環(huán)形管，管內(nèi)有直徑略小于環(huán)內(nèi)徑的帶正電的小球，則磁棒運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)有什么現(xiàn)象？小球受到的是什么力？答案圖2答案答案電荷受到電場(chǎng)力作用做定向移動(dòng).當(dāng)磁棒運(yùn)動(dòng)時(shí)，帶電小球會(huì)做定向滾動(dòng)，小球受到的仍然是電場(chǎng)力.2.以上現(xiàn)象說(shuō)明什么問(wèn)題？答案答案答案空間磁場(chǎng)變化，就會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)，與有沒(méi)有閉合線圈無(wú)關(guān).3.在如圖3所示的含有電容器的交流電路中，電路閉合時(shí)，電路中有交變電流，導(dǎo)線周圍存在磁場(chǎng).那么在這個(gè)閉合電路的電容器中有電流嗎？電容器兩極板間存在磁場(chǎng)嗎？答案答案答案電容器中無(wú)電流，兩極板間存在磁場(chǎng).圖3知識(shí)深化知識(shí)深化1.電磁場(chǎng)理論的兩大支柱電磁場(chǎng)理論的兩大支柱(1)變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)；(2)變化的電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng).2.對(duì)麥克斯韋電磁場(chǎng)理論的理解對(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)均勻變化的電場(chǎng)在周圍空間產(chǎn)生恒定的磁場(chǎng)均勻變化的磁場(chǎng)在周圍空間產(chǎn)生恒定的電場(chǎng)不均勻變化的電場(chǎng)在周圍空間產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)不均勻變化的磁場(chǎng)在周圍空間產(chǎn)生變化的電場(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)例例1 (多選)根據(jù)麥克斯韋電磁場(chǎng)理論，下列說(shuō)法正確的是A.在電場(chǎng)的周圍空間，一定存在著和它聯(lián)系著的磁場(chǎng)B.在變化的電場(chǎng)周圍空間，一定存在著和它聯(lián)系著的磁場(chǎng)C.恒定電流在其周圍不存在磁場(chǎng)D.恒定電流周圍存在著穩(wěn)定的磁場(chǎng)解析答案解析解析電場(chǎng)按其是否隨時(shí)間變化分為穩(wěn)定電場(chǎng)(靜電場(chǎng))和變化電場(chǎng)(如運(yùn)動(dòng)電荷形成的電場(chǎng))，穩(wěn)定電場(chǎng)不產(chǎn)生磁場(chǎng)，只有變化的電場(chǎng)周圍空間才存在對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)，故B對(duì)，A錯(cuò)；恒定電流周圍存在穩(wěn)定磁場(chǎng)，磁場(chǎng)的方向可由安培定則判斷，D對(duì)，C錯(cuò).二、電磁振蕩導(dǎo)學(xué)探究導(dǎo)學(xué)探究把自感線圈、可變電容器、示波器、電源和單刀雙擲開(kāi)關(guān)按圖4連成電路.先把開(kāi)關(guān)置于電源一邊，為電容器充電，稍后再把開(kāi)關(guān)置于線圈一邊，使電容器通過(guò)線圈放電.1.在示波器顯示屏上看到的是電流的圖像還是線圈兩端電壓的圖像？是什么形狀的圖像？答案答案答案示波器呈現(xiàn)的是線圈兩端電壓的圖像.圖像呈周期性變化，類似家庭電路所用的交流電.圖42.調(diào)節(jié)電容器電容的大小，圖像如何變化？答案答案答案電容變小時(shí)，圖像周期變??；電容變大時(shí)，圖像周期變大.知識(shí)深化知識(shí)深化1.電磁振蕩的過(guò)程如圖5所示，圖6是電路中的振蕩電流、電容器極板帶電荷量隨時(shí)間的變化圖像.圖5圖62.各物理量的變化情況時(shí)刻(時(shí)間) 工作過(guò)程qEiB能量0放電瞬間qmEm00E電最大E磁最小0放電過(guò)程qm0Em00im0BmE電E磁放電結(jié)束00imBmE電最小E磁最大充電過(guò)程0qm0Emim0Bm0E磁E電充電結(jié)束qmEm00E電最大E磁最小放電過(guò)程qm0Em00im0BmE電E磁放電結(jié)束00imBmE電最小E磁最大T充電過(guò)程0qm0Emim0Bm0E磁E電T充電結(jié)束qmEm00E電最大E磁最小3.電磁振蕩的周期和頻率周期 .其中周期T、頻率f、自感系數(shù)L、電容C的單位分別是秒(s)、赫茲(Hz)、亨(H)、法(F).延伸思考延伸思考為什么放電完畢時(shí)，電流反而最大？答案答案答案開(kāi)始放電時(shí)，由于線圈的自感作用，放電電流不能瞬間達(dá)到最大值，而是逐漸增大，隨著線圈的阻礙作用減弱，放電電流增加變快，當(dāng)放電完畢時(shí)，電流達(dá)到最大值.例例2 如圖7所示為L(zhǎng)C振蕩電路中電容器的極板帶電荷量隨時(shí)間變化曲線，下列判斷中正確的是在b和d時(shí)刻，電路中電流最大在ab時(shí)間內(nèi)，電場(chǎng)能轉(zhuǎn)變?yōu)榇艌?chǎng)能a和c時(shí)刻，磁場(chǎng)能為零在Oa和cd時(shí)間內(nèi)，電容器被充電A.只有和 B.只有和C.只有 D.只有和解析答案圖7解析解析a和c時(shí)刻是充電結(jié)束時(shí)刻，此時(shí)刻電場(chǎng)能最大，磁場(chǎng)能最小為零，正確；b和d時(shí)刻是放電結(jié)束時(shí)刻，此時(shí)刻電路中電流最大，正確；ab是放電過(guò)程，電場(chǎng)能轉(zhuǎn)化為磁場(chǎng)能，正確；Oa是充電過(guò)程，而cd是放電過(guò)程，錯(cuò)誤.三、電磁波的發(fā)射導(dǎo)學(xué)探究導(dǎo)學(xué)探究如今在我們周圍空間充滿了各種頻率不同、傳遞信息各異的電磁波，你知道這些電磁波是如何發(fā)射出去的嗎？答案答案答案由巨大的開(kāi)放電路發(fā)射出去的.知識(shí)深化知識(shí)深化1.有效地向外發(fā)射電磁波時(shí)，振蕩電路必須具有的兩個(gè)特點(diǎn)：(1)利用開(kāi)放電路發(fā)射電磁波.(2)提高振蕩頻率.2.實(shí)際應(yīng)用的開(kāi)放電路(如圖8)，線圈的一端用導(dǎo)線與大地相連，這條導(dǎo)線叫地線；線圈的另一端與高高地架在空中的天線相連.圖8例例3 要提高LC振蕩電路輻射電磁波的本領(lǐng)，應(yīng)該采取的措施是A.增加輻射波的波長(zhǎng)B.使振蕩電容的正對(duì)面積足夠小C.盡可能使電場(chǎng)和磁場(chǎng)分散開(kāi)D.增加回路中的電容和電感解析答案解析解析理論證明，電磁波發(fā)射本領(lǐng)(功率)與f成正比，電磁場(chǎng)應(yīng)盡可能擴(kuò)散到周圍空間，形成開(kāi)放電路.而 要使f增大，應(yīng)減小L或C，只有B符合題意.電磁波是電磁現(xiàn)象，機(jī)械波是力學(xué)現(xiàn)象，兩者都具有波的特性，但它們具有本質(zhì)的不同，你能舉例說(shuō)明嗎？四、電磁波及其與機(jī)械波的比較導(dǎo)學(xué)探究導(dǎo)學(xué)探究答案答案答案例如機(jī)械波的傳播依賴于介質(zhì)的存在，但電磁波的傳播則不需要介質(zhì).知識(shí)深化知識(shí)深化電磁波與機(jī)械波的比較電磁波與機(jī)械波的比較電磁波機(jī)械波研究對(duì)象電磁現(xiàn)象力學(xué)現(xiàn)象周期性電場(chǎng)強(qiáng)度E和磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨時(shí)間和空間做周期性變化位移隨時(shí)間和空間做周期性變化傳播情況傳播無(wú)需介質(zhì)，在真空中波速總等于光速c，在介質(zhì)中傳播時(shí)，波速與介質(zhì)及頻率都有關(guān)傳播需要介質(zhì)，波速與介質(zhì)有關(guān)，與頻率無(wú)關(guān)產(chǎn)生機(jī)理由電磁振蕩(周期性變化的電流)激發(fā)由(波源)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)產(chǎn)生是否橫波是可以是是否縱波否可以是干涉現(xiàn)象滿足干涉條件時(shí)均能發(fā)生干涉現(xiàn)象衍射現(xiàn)象滿足衍射條件時(shí)均能發(fā)生明顯衍射例例4 (多選)關(guān)于電磁波與聲波，下列說(shuō)法正確的是A.電磁波是電磁場(chǎng)由發(fā)生的區(qū)域向遠(yuǎn)處傳播，聲波是聲源的振動(dòng)向遠(yuǎn)處 傳播B.電磁波的傳播不需要介質(zhì)，聲波的傳播有時(shí)也不需要介質(zhì)C.由空氣進(jìn)入水中傳播時(shí)，電磁波的傳播速度變小，聲波傳播速度變大D.由空氣進(jìn)入水中傳播時(shí)，電磁波的波長(zhǎng)不變，聲波的波長(zhǎng)變小解析答案解析解析由電磁波和聲波的概念可知A正確.因?yàn)殡姶挪梢栽谡婵罩袀鞑?，而聲波屬于機(jī)械波，它的傳播需要介質(zhì)，在真空中不能傳播，故B錯(cuò).電磁波在空氣中的傳播速度大于在水中的傳播速度，在真空中的傳播速度最大；聲波在氣體、液體、固體中的傳播速度依次增大，故C正確.無(wú)論是電磁波還是聲波，從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時(shí)頻率都不變，所以由波長(zhǎng) 及它們?cè)诓煌橘|(zhì)中的速度可知，由空氣進(jìn)入水中時(shí)，電磁波的波長(zhǎng)變短，聲波的波長(zhǎng)變長(zhǎng)，故D錯(cuò).課堂要點(diǎn)小結(jié)課堂要點(diǎn)小結(jié)當(dāng)堂達(dá)標(biāo)檢測(cè)1.(多選)下列說(shuō)法正確的是A.電荷的周圍一定有電場(chǎng)，也一定有磁場(chǎng)B.均勻變化的電場(chǎng)在其周圍空間一定產(chǎn)生磁場(chǎng)C.任何變化的電場(chǎng)在其周圍空間一定產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)D.正弦交變的電場(chǎng)在其周圍空間一定產(chǎn)生同頻率交變的磁場(chǎng)12解析答案3解析解析靜止的電荷周圍有恒定的電場(chǎng)，不產(chǎn)生磁場(chǎng)，運(yùn)動(dòng)的電荷周圍的電場(chǎng)是變化的，所以產(chǎn)生磁場(chǎng)，A錯(cuò)誤；由麥克斯韋電磁場(chǎng)理論判斷B、D正確，C錯(cuò)誤.1232.(多選)關(guān)于電磁波的特點(diǎn)，下列說(shuō)法正確的是A.電磁波中的電場(chǎng)和磁場(chǎng)互相垂直，電磁波沿與二者垂直的方向傳播B.電磁波是橫波C.電磁波的傳播不需要介質(zhì)，是電場(chǎng)和磁場(chǎng)之間的相互感應(yīng)D.電磁波不具有干涉和衍射現(xiàn)象解析答案123解析解析電磁波是橫波，其E、B、v三者互相垂直.電磁波也是一種波，它具有波的特性，因此A、B、C正確，D錯(cuò).1233.如圖9所示的電路中，L是電阻不計(jì)的電感線圈，C是電容器，開(kāi)關(guān)S接1，待電路穩(wěn)定后，將開(kāi)關(guān)S改接2，則A.電容器開(kāi)始放電，放電過(guò)程中電感線圈的磁場(chǎng)能減小B.電容器開(kāi)始放電，放電過(guò)程中電感線圈阻礙電流增大C.若增大電容器極板間距，電容器充放電時(shí)間變長(zhǎng)D.若去掉線圈中的鐵芯，電容器充放電頻率會(huì)減小解析答案圖9123解析解析開(kāi)關(guān)S接1時(shí)，電容器充電，穩(wěn)定后，則充電完畢，所以當(dāng)開(kāi)關(guān)改接2時(shí)，電容器即開(kāi)始放電，電場(chǎng)能轉(zhuǎn)化為磁場(chǎng)能，所以A錯(cuò)誤；電感線圈由于自感作用，要阻礙電流的增大，B正確；增大電容器極板間距，則電容減小，由T2 可知周期變短，C錯(cuò)誤；去掉鐵芯，線圈自感系數(shù)減小，周期減小，頻率增大，D錯(cuò)誤.123