（浙江专版）2019年高中物理第十四章电磁波第1、2节电磁波的发现电磁振荡讲义（含解析）新人教版选修3_4.doc

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1、- 1 -电磁波的发现 电磁振荡伟大的预言探新知基础练1变化的磁场产生电场实验基础：如图所示，在变化的磁场中放一个闭合电路，电路里就会产生感应电流。麦克斯韦对该问题的见解：电路里有感应电流产生，一定是变化的磁场产生了电场，自由电荷在电场的作用下发生了定向移动。该现象的实质：变化的磁场产生了电场。2变化的电场产生磁场麦克斯韦大胆地假设，既然变化的磁场能产生电场，变化的电场也会在空间产生磁场。辨是非(对的划“” ，错的划“”)1变化的磁场会产生变化的电场。()2变化的电场会产生磁场。()3电场周围一定存在磁场，磁场周围一定存在电场。()释疑难对点练1对麦克斯韦电磁场理论的理解恒定的电场不产生磁场

2、恒定的磁场不产生电场均匀变化的电场在周围空间产生恒定的磁场 均匀变化的磁场在周围空间产生恒定的电场不均匀变化的电场在周围空间产生变化的磁场不均匀变化的磁场在周围空间产生变化的电场振荡电场产生同频率的振荡磁场 振荡磁场产生同频率的振荡电场2.对电磁场的理解(1)电磁场的产生：如果在空间某区域有周期性变化的电场，那么这个变化的电场在它周围空间产生周期性变化的磁场；这个变化的磁场又在它周围空间产生新的周期性变化的电场变化的电场和变化的磁场交替产生，形成了不可分割的统一体，这就是电磁场。(2)电磁场与静电场、静磁场的比较：三者可以在某空间混合存在，但由静电场和静磁场混合的空间不属于电磁场。电磁场是电场

3、、磁场相互激发，相互耦联形成的统一体。- 2 -试身手1(多选)某电路的电场随时间变化的图象如图所示，能产生磁场的电场是( )解析：选 BCD 题图 A 中电场不随时间变化，不产生磁场；题图 B 和题图 C 中电场都随时间做均匀变化，能产生稳定的磁场；题图 D 中电场随时间做不均匀的变化，能在周围空间产生变化的磁场。电磁波探新知基础练1电磁波的产生如果空间某区域存在不均匀变化的电场，那么它就会在空间引起不均匀变化的磁场，这一不均匀变化的磁场又引起不均匀变化的电场 于是变化的电场和变化的磁场交错产生，由近及远向周围传播，形成电磁波。2电磁波是横波根据麦克斯韦的电磁场理论，电磁波中的电场强度和磁感

4、应强度互相垂直，而且二者均与波的传播方向垂直，因此电磁波是横波。3电磁波的速度麦克斯韦指出了光的电磁本性，他预言电磁波的速度等于光速。4电磁波的验证1886 年，赫兹用实验证明了麦克斯韦预言的正确性，第一次捕捉到了电磁波。(1)赫兹的实验装置，如图所示(2)实验现象：当感应圈两个金属球间有火花跳过时，导线环两个小球间也跳过火花。(3)现象分析：当感应圈使得与它相连的两个金属球间产生电火花时，空间出现了迅速变化的电磁场。这种电磁场以电磁波的形式在空间传播。当电磁波到达导线环时，它在导线环中激发出感应电动势，使得导线环的空隙中也产生了火花。辨是非(对的划“” ，错的划“”)1麦克斯韦预言了电磁波的

5、存在。()2赫兹用实验证实了电磁波的存在。()3电磁波的传播需要介质，不能在真空中传播。() - 3 -释疑难对点练电磁波与机械波的比较电磁波是电磁现象，机械波是力学现象，两种波因产生机理不同，除具有波的共性外，还有不同之处。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，在真空中波速总等于光速 c，在介质中传播时，波速与介质及频率都有关产生机理 由(波源)质点的振动产生 由电磁振荡(周期性变化的电流)激发是否横波 可以是 是是否纵波 可以是 否干

6、涉现象 满足干涉条件时均能发生干涉现象衍射现象 满足衍射条件时均能发生明显衍射试身手2(多选)关于电磁波与机械波，下列说法正确的是( )A电磁波传播不需要介质，机械波传播需要介质B电磁波在任何介质中传播速率都相同，机械波在同一种介质中传播速率都相同C电磁波和机械波都不能发生干涉D电磁波和机械波都能发生衍射解析：选 AD 电磁波的波速与介质和频率都有关，传播时无需介质，而机械波的传播速度只与介质有关，传播时需要介质，故 A 对，B 错；电磁波和机械波都具有波的一些特征，包括干涉和衍射，故 C 错，D 对。电磁振荡探新知基础练1振荡电流和振荡电路(1)振荡电流：大小和方向都做周期性迅速变化的电流。

7、(2)振荡电路：产生振荡电流的电路。最简单的振荡电路为 LC 振荡电路。2电磁振荡的过程放电过程：由于线圈的自感作用，放电电流由零逐渐增大，电容器极板上的电荷逐渐变- 4 -少，电容器里的电场逐渐减弱，线圈的磁场逐渐增强，电场能逐渐转化为磁场能，振荡电流逐渐增大，放电完毕，电流达到最大，电场能全部转化为磁场能。充电过程：电容器放电完毕后，由于线圈的自感作用，电流保持原来的方向逐渐减小，电容器将进行反向充电，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，振荡电流逐渐减小，充电完毕，电流减小为零，磁场能全部转化为电场能。此后，这样充电和放电的过程反复进行下去。3电磁振荡的实质

8、在电磁振荡过程中，电容器极板上的电荷量，电路中的电流及与振荡电流相联系的电场和磁场都在周期性的变化，电场能和磁场能周期性的转化。4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。(2)频率：1 s 内完成的周期性变化的次数。如果振荡电路没有能量损失，也不受其他外界影响，这时的周期和频率分别叫做固有周期、固有频率。(3)周期和频率公式： T2 ， f 。LC12 LC辨是非(对的划“” ，错的划“”)1当振荡电路中流过电感线圈的电流最大时，其两端电压最大。()2 LC 振荡电路是产生振荡电流最简单的振荡电路。()3大小和方向做周期性变化的电流叫振荡电流。()释疑难对点练振荡

9、过程中各物理量的变化情况给 LC 回路提供能量后，利用电容器的充放电作用和线圈产生自感的作用，使 LC 回路中产生振荡电流，同时电容器极板上电荷 q 及与 q 相关联的电场( E， U， E 电 )，通电线圈的电流i 及与 i 相关联的磁场( B， E 磁 )都发生周期性变化的现象，称电磁振荡。其中，产生的大小和方向都周期性变化的电流称振荡电流。产生振荡电流的电路称振荡电路。最简单的振荡电路是 LC 振荡电路。(1)各物理量变化情况一览表：带电荷量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0 电容T4器放电减小 减小 减小 减小 增大 增大 增大- 5 -t 时刻T40 0

10、0 0 最大 最大 最大 反向T4 T2充电增大 增大 增大 增大 减小 减小 减小t 时刻T2 最大 最大 最大 最大0 0 0 反T2 3T4向放电减小 减小 减小 减小 增大 增大 增大t 时3T4刻0 0 0 0 最大 最大 最大 T 电3T4容器充电增大 增大 增大 增大 减小 减小 减小(2)振荡电流、极板带电荷量随时间的变化图象：试身手3(多选)在 LC 回路产生电磁振荡的过程中，下列说法正确的是( )A电容器放电完毕时刻，回路中磁场能最小B回路中电流值最大时刻，回路中磁场能最大C电容器极板上电荷最多时，电场能最大D回路中电流值最小时刻，电场能最小解析：选 BC 电容器放电完毕时

11、， q0，但此时 i 最大，所以磁场能最大，则 A 错；电流最小 i0 时， q 最多，极板间电场最强，电场能最大，则 D 错；同理分析，选项 B、C 对。- 6 -麦克斯韦电磁场理论典例 1 根据麦克斯韦电磁场理论，下列说法正确的是( )A有电场的空间一定存在磁场，有磁场的空间也一定能产生电场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均匀变化的电场周围一定产生均匀变化的磁场D周期性变化的磁场周围空间一定产生周期性变化的电场解析选 D 根据麦克斯韦电磁场理论，只有变化的电场才能产生磁场，均匀变化的电场产生恒定的磁场，非均匀变化的电场产生变化的磁场，只有 D 正确

12、。电磁波与机械波的比较典例 2 (多选)电磁波和声波比较，下列说法正确的是( )A电磁波的传播不需要介质，声波的传播需要介质B由空气进入水中时，电磁波的速度变小，声波的速度变大C由空气进入水中时，电磁波的波长变小，声波的波长变大D由空气进入水中时，电磁波的频率变小，声波的频率变大解析选 ABC 选项 A、B 与事实相符，电磁波本身是物质的，传播不需要介质，而机械波的传播必须借助介质，机械波的波速由介质决定，电磁波进入介质后的传播遵守折射原理，A、B 正确；不论是电磁波还是机械波，传播过程中频率是不变的，选项 D 错误；由公式 可知 C 正确。vf电磁波和机械波都遵守波长、波速、频率的关系公式

13、，电磁波进入介质遵守公式vfn 。cv电磁振荡过程的分析典例 3 LC 振荡中，某时刻磁场方向如图所示，则下列说法错误的是( )- 7 -A若磁场正在减弱，则电容器上极板带正电B若电容器正在放电，则电容器上极板带负电C若电容器上极板带正电，则线圈中电流正在增大D若电容器正在放电，则自感电动势正在阻碍电流增大解析选 C 该题图中标明了电流的磁场方向，由安培定则可判断出振荡电流在线圈中逆时针(俯视)流动。若该时刻电容器上极板带正电，则可知电容器处于充电阶段，电流正在减小，知 A 选项正确；若该时刻电容器上极板带负电，则可知电容器正在放电，电流正在增大，知 B 选项正确；由楞次定律知 D 选项正确。

14、错误选项只有 C。典例 4 如图所示是一个 LC 振荡电路中电流的变化图线，以下说法正确的是( )A t1时刻电感线圈两端电压最大B t2时刻电容器两极板间电压为零C t1时刻电路中只有电场能D t1时刻电容器所带电荷量为零解析选 D 由题图可知 t1时刻电流 i 最大，说明放电结束，磁场能最大，电场能为零，电压、电荷量均为零。 t2时刻电流 i 最小，说明还没放电，则磁场能为零，电场能最大，电压、电荷量均最大。综上所述，只有 D 正确。课堂对点巩固1下列关于电磁波的说法正确的是( )A均匀变化的磁场能够在空间产生电场B电磁波在真空和介质中传播速度相同C只要有电场和磁场，就能产生电磁波D电磁波

15、在同种介质中只能沿直线传播解析：选 A 由麦克斯韦电磁场理论知 A 正确；电磁波在真空中传播速度最大，为c310 8 m/s，在介质中传播速度 v ， n 为介质折射率，选项 B 错误；均匀变化的电场或cn- 8 -磁场，不能产生电磁波，选项 C 错误；电磁波只有在同种均匀介质中才沿直线传播，选项 D错误。2某同学对机械波和电磁波进行类比，总结出下列内容，其中不正确的是( )A机械波的频率、波长和波速三者满足的关系，对电磁波也适用B机械波和电磁波都能产生干涉和衍射现象C机械波的传播依赖于介质，而电磁波可以在真空中传播D机械波既有横波又有纵波，而电磁波只有纵波解析：选 D 波长、波速、频率的关系

16、对任何波都是成立的，对电磁波也成立，故 A 正确；干涉和衍射是波的特性，机械波、电磁波都是波，这些特性都具有，故 B 正确；机械波是机械振动在介质中传播形成的，所以机械波的传播需要介质，而电磁波是交替变化的电场和磁场由近及远的传播形成的，所以电磁波传播不需要介质，故 C 项正确；机械波既有横波又有纵波，但是电磁波只能是横波，D 项错误。3(多选) LC 振荡电路中，通过 P 点的电流变化规律如图乙所示(图中周期为 2 s)。现规定沿顺时针方向的电流方向为正，则( )A0.5 s 至 1 s 时间内，电容器充电B0.5 s 至 1 s 时间内，电容器上极板带的是正电C1 s 至 1.5 s 时间

17、内，磁场能正在转化为电场能D1 s 至 1.5 s 时间内，电容器下极板的电势高解析：选 AD 由振荡电流的图象可知，在 0.51 s 的时间内，电流为正方向，且电流值正在减小，由题意可知， LC 回路中的电流是沿顺时针方向的，而且电容器 C 正在充电。由于充电电流是由电容器 C 的负极板流出，流向正极板，可知在 0.51 s 的时间内电容器 C的上极板带负电，下极板带正电，选项 A 正确，B 错误；在 11.5 s 的时间内，电流为负方向，且电流的值正在增大，由题意可知，此时间内 LC 回路中的电流是沿逆时针方向的，所以电容器下极板的电势高，而且由于电流值正在增大，所以电场能正在转化为磁场能

18、，选项C 错误，D 正确。4要增大 LC 振荡电路的频率，可采取的办法是( )A增大电容器两极板正对面积B减少极板带电荷量C在线圈中放入软铁棒作铁芯D减少线圈匝数- 9 -解析：选 D 根据 LC 振荡电路的频率公式 f 和平行板电容器电容公式 C12 LC知，当增大电容器两极板正对面积时， C 增大， f 减小；减少极板带电荷量，不影响 rS4 kdC，即 f 不变；在线圈中放入软铁棒作铁芯， L 增大， f 减小；减少线圈匝数， L 减小， f 增大。故 D 正确。课堂小结 课时跟踪检测十七一、单项选择题1建立完整的电磁场理论并首先预言电磁波存在的科学家是( )A法拉第 B奥斯特C赫兹 D

19、麦克斯韦解析：选 D 麦克斯韦建立了电磁场理论并且预言了电磁波的存在，选项 D 正确。2下列说法错误的是( )A变化的磁场周围一定存在着电场，与是否有闭合电路无关B恒定电流能够在周围空间产生稳定的磁场C稳定电场能够在周围空间产生稳定的磁场D均匀变化的电场能够在周围空间产生稳定的磁场解析：选 C 变化的磁场周围产生电场，当电场中有闭合回路时，回路中有电流，若无闭合回路，电场仍然存在，A 对；电场按其是否随时间变化分为稳定电场(静电场)和变化电场(如运动电荷形成的电场)，稳定电场不产生磁场，只有变化的电场周围空间才存在对应磁场，故 C 错，D 对；恒定电流周围存在稳定磁场，B 对。3关于 LC 振

20、荡电路中的振荡电流，下列说法中正确的是( )A振荡电流最大时，电容器两极板间的电场强度最大B振荡电流为零时，线圈中自感电动势为零C振荡电流增大的过程中，线圈中的磁场能转化成电场能D振荡电流减小的过程中，线圈中的磁场能转化为电场能解析：选 D 振荡电流最大时处于电容器放电结束瞬间，电场强度为零，A 错误；振荡- 10 -电流为零时，振荡电流改变方向，这时的电流变化最快，电流变化率最大，线圈中的自感电动势最大，B 错误；振荡电流增大时，电场能转化为磁场能，C 错误；振荡电流减小时，线圈中的磁场能转化为电场能，D 正确。4在 LC 振荡电路中，电容器上带的电荷量从最大值变化到零所需的最短时间是( )

21、A. B. 4 LC 2 LCC D2LC LC解析：选 B LC 振荡电路的周期 T2 ，其中电容器上的电荷量从最大值变到零所LC需的最短时间为 t ，只有选项 B 正确。T45如图所示的电路中， L 是电阻不计的电感器， C 是电容器， 闭合开关 S，待电路达到稳定状态后，再断开开关 S， LC 电路中将产生 电磁振荡，如果规定电感器 L 中的电流方向从 a 到 b 为正，断开开关 的时刻为 t0，那么选项图中能正确表示电感器中的电流 i 随时间 t 变化规律的是( )解析：选 C S 断开前， ab 段短路，电流从 b a，电容器不带电； S 断开时， ab 中产生自感电动势，阻碍电流减

22、小，给电容器充电，此时电流负向最大；给电容器充电过程，电容器充电量达到最大时， ab 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 C 正确。6有一 LC 振荡电路，能产生一定波长的电磁波，若要产生波长比原来短一些的电磁波，可用的措施为( )A增加线圈匝数B在线圈中插入铁芯C减小电容器极板正对面积D减小电容器极板间距离解析：选 C 由于电磁波传播过程中波速 v f 恒定，因此欲使波长 变短，必须使频率 f 升高，由于频率 f ，所以，增加线圈匝数和在线圈中插入铁芯，将使线圈自12 LC感系数 L 增大而降低频率 f；减小电容器极板间距将使电容 C 增大而降低频率 f

23、；减小电容器极板正对面积将使电容 C 减小而升高频率 f。可见，选项 C 正确。二、多项选择题- 11 -7某 LC 回路电容器两端的电压 U 随时间 t 变化的关系如图所示，则( )A在时刻 t1，电路中的电流最大B在时刻 t2，电路中的磁场能最大C从时刻 t2至 t3，电路的电场能不断增大D从时刻 t3至 t4，电容器的电荷量不断增大解析：选 BC 由 LC 回路中各物理量的变化规律可知，时刻 t1电容两端电压最高时，电路中振荡电流为零，时刻 t2电容两端电压为零，电路中振荡电流最强、磁场能最大，选项 A错误，B 正确；在 t2至 t3的过程中，从题图可知，电容器两板电压增大，故电场能增加

24、，选项 C 正确；而在 t3至 t4的过程中，电容器两板电压减小，电荷量同时减少，选项 D 错误。8一个 LC 振荡电路中，线圈的自感系数为 L，电容器电容为 C，从电容器上电压达到最大值 U 开始计时，则有( )A至少经过 ，磁场能达到最大LCB至少经过 ，磁场能达到最大 2 LCC在 时间内，电路中的平均电流是 2 LC 2U CLD在 时间内，电容器放电量为 CU 2 LC解析：选 BCD LC 振荡电路周期 T2 ，电容器电压最大时，开始放电，至少经时LC间 ，放电结束，此时电容器电荷量为零，电路中电流最大，磁场最强，磁场能最大。 2 LC因为 Q CU，所以电容器放电量 Q CU，由

25、 I ，所以 I 。Qt 2U CL三、非选择题9实验室里有一水平放置的平行板电容器，其电容 C1 F。在两板带有一定电荷时，发现一粉尘恰好静止在两板间。还有一个自感系数 L0.1 mH 的电感器，现连成如图所示电路，试分析以下两个问题：(1)从 S 闭合时开始计时，经过 10 5 s 时，电容器内粉尘的加速度大小是多少？(2)当粉尘的加速度为多大时，线圈中电流最大？- 12 -解析：(1)S 断开时，电容器内带电粉尘恰好静止，说明电场力方向向上，且 F 电 mg，闭合 S 后， L、 C 构成 LC 振荡电路，T2 210 5 s，LC经过 10 5 s 时，电容器间的电场强度反向，电场力的

26、大小不变，方向竖直向下，由牛顿第二定律得a 2 g。F电 mgm(2)线圈中电流最大时，电容器两极间的电场强度为零，由牛顿第二定律可得 a g，方向竖直向下。mgm答案：(1)2 g (2) g，方向竖直向下10如图所示，线圈的自感系数 L0.5 mH，电容器的电容 C0.2 F，电源电动势E4 V，电阻的阻值 R10 ，不计线圈和电源的内阻，闭合开关 S，待电路中电流稳定后断开 S，求：(1)LC 回路的振荡频率；(2)LC 回路振荡电流的有效值；(3)从断开 S 到电容器上极板带正电荷最多所经历的最短时间。解析：(1)根据 f 得12 LCf Hz1.610 4 Hz。12 10 5(2)开关 S 闭合，电路稳定时，流过线圈的电流I 0.4 AER故 LC 回路振荡电流的峰值为 0.4 A，则有效值I 有 0.28 A。I2(3)由 T2 ，得 T6.2810 5 s。LCS 断开时，电容器上的电荷量为零，然后电容器开始充电，且下极板带正电，因此最短经 电容器上极板带正电荷最多，3T4则最短时间为 t 6.28105 s4.710 5 s。34- 13 -答案：(1)1.610 4 Hz (2)0.28 A(3)4.7105 s