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(chǎng)和電磁波專題

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1、交變電流和電磁感應(yīng)電磁場(chǎng)和電磁波 知識(shí)網(wǎng)絡(luò)： 一、電磁振蕩 1．振蕩電路：大小和方向都隨時(shí)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(gè)要點(diǎn)（突出能量守恒的觀點(diǎn)）：

2、 ⑴理想的LC回路中電場(chǎng)能E電和磁場(chǎng)能E磁在轉(zhuǎn)化過程中的總和不變。 ⑵回路中電流越大時(shí)，L中的磁場(chǎng)能越大（磁通量越大）。 ⑶極板上電荷量越大時(shí)，C中電場(chǎng)能越大（板間場(chǎng)強(qiáng)越大、兩板間電壓越高、磁通量變化率越大）。 還是右)，磁場(chǎng)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(shí)刻是開始振蕩后的。再看與左圖對(duì)應(yīng)的q-t圖象（以上極板帶正電為正）和與右圖對(duì)應(yīng)的i-t圖象（以LC回路中有逆時(shí)針方向電流為正），圖象都為余弦函數(shù)圖象。在時(shí)刻，從左圖對(duì)應(yīng)的q-t圖象看出，上極板正在

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

4、電場(chǎng)不同，它不是靜電荷產(chǎn)生的，它的電場(chǎng)線是閉合的，在渦旋電場(chǎng)中移動(dòng)電荷時(shí)，電場(chǎng)力做的功與路徑有關(guān)，因此不能引用“電勢(shì)”、“電勢(shì)能”等概念。另外要用聯(lián)系的觀點(diǎn)認(rèn)識(shí)規(guī)律，變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)是電磁感應(yīng)現(xiàn)象的本質(zhì)。 個(gè)力：環(huán)的彈力N和磁場(chǎng)的洛侖茲力f，而且兩個(gè)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(chǎng)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(dòng)方向垂直，所以磁場(chǎng)力不做功。正確為CD。 2．電磁場(chǎng)：按照麥克斯韋的電磁場(chǎng)理論，變化的電場(chǎng)和磁場(chǎng)總是相互聯(lián)系的，形成一個(gè)不可分離的統(tǒng)一場(chǎng)，稱為電磁場(chǎng)。電場(chǎng)和磁場(chǎng)只是這個(gè)統(tǒng)一的電磁場(chǎng)的兩種具體表現(xiàn)。 理解電磁場(chǎng)是

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

6、也不是由運(yùn)動(dòng)電荷-電流激發(fā)的磁場(chǎng)．），并非簡單地將電場(chǎng)、磁場(chǎng)相加，而是相互聯(lián)系、不可分割的統(tǒng)一整體．在電磁場(chǎng)示意圖中，電場(chǎng)E矢量和磁場(chǎng)B矢量，在空間相互激發(fā)時(shí)，相互垂直，以光速c在空間傳播． 3．電磁波 變化的電場(chǎng)和磁場(chǎng)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(shí)間內(nèi)輻射出的能量P∝f 4）；②形成開放電路（把電場(chǎng)和磁場(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)E和磁感應(yīng)強(qiáng)度B均與傳播方向垂直且隨時(shí)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(chǎng)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(cè)距離短。中、長波雷達(dá)沿地面的探測(cè)距離較遠(yuǎn)，但發(fā)射設(shè)備復(fù)雜。 【例4】 一臺(tái)收音機(jī)，把它的調(diào)諧電路中的可變電容器的動(dòng)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(tái)信號(hào)。要想收到該電臺(tái)信號(hào)，應(yīng)該______

8、（增大還是減?。╇姼芯€圈的匝數(shù)。 解：調(diào)諧電路的頻率和被接受電臺(tái)的頻率相同時(shí)，發(fā)生電諧振，才能收到電臺(tái)信號(hào)。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(shí)，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(shí)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(chǎng)產(chǎn)

9、生的電場(chǎng)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(lì)磁的電磁鐵在兩極間產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，從而在環(huán)形室內(nèi)產(chǎn)生很強(qiáng)的電場(chǎng)，使電子加速．被加速的電子同時(shí)在洛倫茲力的作用下沿圓形軌道運(yùn)動(dòng)。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(gè)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(chǎng)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(dòng)勢(shì)為E== 429V，設(shè)電子在加速器中繞行了N周，則電場(chǎng)力做功NeE應(yīng)

10、該等于電子的動(dòng)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(gè)電荷量為 e，質(zhì)量為 m 的電子。此裝置放在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，其磁感應(yīng)強(qiáng)度隨時(shí)間變化的關(guān)系式為 B=B0+kt（k>0）。根據(jù)麥克斯韋電磁場(chǎng)理論，均勻變化的磁場(chǎng)將產(chǎn)生穩(wěn)定的電場(chǎng)，該感應(yīng)電場(chǎng)對(duì)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(shí)刻電子的初速度大小為v0，方向順時(shí)針，從此開始后運(yùn)動(dòng)一周后的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B1，則此時(shí)電子的速度大小為 A. B. C. D. 解：感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為E=kπr2，電場(chǎng)方向逆時(shí)針，電場(chǎng)力對(duì)電子做正功。在轉(zhuǎn)動(dòng)一圈過程中對(duì)電子用動(dòng)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(chǎng)和磁場(chǎng)，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(dòng)，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(chǎng)均勻增加時(shí)，根據(jù)麥克斯韋理論，將激起一穩(wěn)定電場(chǎng)，由