高中物理 第3章 電磁波 第1節(jié) 電磁波的產(chǎn)生知識導(dǎo)航素材 魯科版選修3-4（通用）

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1、第1節(jié) 電磁波的產(chǎn)生 思維激活 1.2020年10月12日，“神舟六號”航天器順利升空，進(jìn)入軌道.航天員聶海勝、費(fèi)俊龍與地面控制中心用無線電取得了聯(lián)系，并與家屬通了話.當(dāng)你目睹這激動人心的場面時，你可曾想到是無線電技術(shù)的高度發(fā)展才使人們相隔千里、萬里，仍能如在眼前一樣對話？ 提示：由于電磁波的存在，使宇宙“變小”了，才會出現(xiàn)這種激動人心的場面. 2.高壓線向遠(yuǎn)方輸送著大量電能，把能量源源不斷地送到城鄉(xiāng)各地.如果居民的房屋在高壓線下邊不遠(yuǎn)處，對人會有影響嗎？ 提示：高壓線輸送的是交變電流，因而在其周圍會產(chǎn)生交變電磁場，如果人們長期處在強(qiáng)電磁場中，電磁場一定會對人體產(chǎn)生影響. 自主

2、整理 一、電磁振蕩 __________和__________都做__________變化的電流叫做振蕩電流；產(chǎn)生振蕩電流的電路叫做__________.LC振蕩電路是一種基本的振蕩電路，它是由__________L和__________C所組成的. LC振蕩電路是一種電磁振蕩的理想模型，在產(chǎn)生振蕩電流的過程中，____________能和____________能也在相互轉(zhuǎn)化，因此又叫電磁振蕩. 發(fā)生電磁振蕩時，通過電路中某一點的電流，由____________的最大值再恢復(fù)到____________的最大值，這就是一次____________.完成一次____________的時間

3、叫做電磁振蕩的____________，在____________時間內(nèi)完成____________的次數(shù)叫做電磁振蕩的____________. LC振蕩電路的固有周期T=____________，固有頻率f=____________. 二、麥克斯韋的預(yù)言 ____________的電場周圍產(chǎn)生變化的磁場，____________的磁場周圍產(chǎn)生變化的電場.變化的電場和變化的磁場相互聯(lián)系在一起，形成____________，電磁場相互激發(fā)，由近及遠(yuǎn)向外傳播，形成____________. 麥克斯韋從他的電磁場方程得到電場和磁場的方向____________，并都____________

4、傳播的方向，從而認(rèn)為光是一種按照電磁定律在場內(nèi)傳播的____________. 三、赫茲實驗 ____________物理學(xué)家赫茲首先在實驗中發(fā)現(xiàn)了__________，用事實證明了__________理論的正確性. 高手筆記 1.麥克斯韋電磁場理論 （1）恒定的電場不產(chǎn)生磁場. （2）恒定的磁場不產(chǎn)生電場. （3）均勻變化的磁場在周圍空間產(chǎn)生恒定的電場. （4）均勻變化的電場在周圍空間產(chǎn)生恒定的磁場. （5）振蕩電場產(chǎn)生同頻率的振蕩磁場. （6）振蕩磁場產(chǎn)生同頻率的振蕩電場. 在變化的磁場的周圍空間將產(chǎn)生渦漩電場，在變化的電場的周圍空間將產(chǎn)生渦漩磁場.當(dāng)變化的電場增強(qiáng)時

5、，磁感線沿某一方向旋轉(zhuǎn)，在磁場減弱時，磁感線將沿相反方向旋轉(zhuǎn)，如果電場不改變就不產(chǎn)生磁場.同理，減弱或增強(qiáng)的電場周圍也將產(chǎn)生不同旋轉(zhuǎn)方向的磁場.因此，變化的電場在其周圍產(chǎn)生磁場，變化的磁場在其周圍產(chǎn)生電場，一種場的突然減弱，導(dǎo)致另一種場的產(chǎn)生.這樣，周期性變化的電場、磁場相互激發(fā)，形成的電磁場鏈一環(huán)套一環(huán)，如圖3-1-1所示.需要注意的是，這里的電場和磁場必須是變化的，形成的電磁場鏈環(huán)不可能是靜止的，這種電磁場是無源場（即不是由電荷激發(fā)的電場，也不是由運(yùn)動電荷——電流激發(fā)的磁場），并非簡單地將電場、磁場相加，而是相互聯(lián)系、不可分割的統(tǒng)一整體.在電磁場示意圖中，電場E矢量和磁場B矢量，在空間相互

6、激發(fā)時，相互垂直，以光速c在空間傳播. 圖3-1-1 電磁場示意圖 2.電磁波與機(jī)械波的相同點和不同點 （1）電磁波是橫波，機(jī)械波有橫波和縱波兩類. （2）電磁波的速度（在真空中等于光速）遠(yuǎn)大于機(jī)械波（例如，聲速只有340米/秒）. （3）電磁波的傳播不一定需要介質(zhì)（在真空中也能傳播），機(jī)械波的傳播必須有介質(zhì). 不同頻率的電磁波在真空中的傳播速度相同，但不同頻率的電磁波在同一種介質(zhì)中的傳播速度不同. （4）電磁波向外傳播的是電磁能，機(jī)械波傳播的是機(jī)械能. 名師解惑 1.LC回路中振蕩電流的變化情況如何？ 剖析：在分析LC回路中振蕩電流的產(chǎn)生過程時，要明確電容C和電感L

7、在電路中的作用.電容器在電路中有充電和放電的作用.電感線圈在電路中有阻礙電流變化的作用.電感線圈中的自感電動勢大小和電流的變化率成正比，方向總是阻礙電流的變化. （1）電容器在放電過程中，電路中電流增大，由于線圈自感作用阻礙電流的增大，電流不能立刻達(dá)到最大值. （2）電容器開始放電時，電流的變化率最大，電感線圈的自感作用對電流的阻礙作用最大，但阻礙卻無法阻止，因此，隨自感電動勢的減小，放電電流逐漸增大，電容器放電完畢，電流達(dá)到最大值. （3）電容器放電完成后，電流將保持原來的方向減小，由于線圈的自感作用阻礙電流的減小，因此電流逐漸減小，這個電流使電容器在反方向逐漸充電. （4）電容器反

8、向充電，使電容器極板上帶上相反的電荷，并且電荷逐漸增多，極板上的電荷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，電流減小到零.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. 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(qiáng)度E，線圈的磁場B，都發(fā)生周期性變化. 2.LC回路中電場能和磁場能是如何轉(zhuǎn)化的？ 剖析：（1）電磁振蕩的過程，實質(zhì)上是電場能和磁場能相互轉(zhuǎn)化的過程.LC回路中的電場能和磁場能做周期性變化，但是它們的變化周期是電磁振蕩周期的一半.這是因為電場能和磁場能是標(biāo)量，只有大小在做周期性變化，而回路中的電

9、流、電壓、電場強(qiáng)度、磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向和電容器極板上電荷的電性在電磁振蕩的一個周期內(nèi)改變兩次. （2）若LC回路中沒有能量損失，那么在電磁振蕩過程中，電容器中的電場能E和自感線圈中的磁場能Ei相互轉(zhuǎn)化，能量守恒，即E+Ei=恒量. （3）在電磁振蕩過程中，電容器上電荷量q、電壓U、兩板間的場強(qiáng)及電場能Ei對應(yīng)，它們變化的趨勢一致，同增同減，同為最大或零值，即電荷量最大時，一定是板間電壓、場強(qiáng)及電場能最大時.而線圈中的電流i，磁感應(yīng)強(qiáng)度B及磁場能Ei對應(yīng)，它們的變化趨勢一致，同增同減，同為最大或零值，即當(dāng)電流最大時，線圈中磁感應(yīng)強(qiáng)度及磁場能最大.電容器極板上的電荷量的變化與電路中電流的變化趨勢

10、相反：此增彼減. 3.如何判斷LC回路是處于放電過程還是充電過程？ 剖析：當(dāng)電流流向帶正電的極板，電荷量增加，磁場能向電場能轉(zhuǎn)化，電場能增加，電流減小，磁場能減少，處于充電過程；當(dāng)電流流出帶正電的極板，電荷量減少，電場能向磁場能轉(zhuǎn)化，電場能減少，電流增大，磁場能增加，處于放電過程. 講練互動 【例題1】關(guān)于電磁場理論，下列說法正確的是（ ） A.在電場周圍一定產(chǎn)生磁場，磁場周圍一定產(chǎn)生電場 B.在變化的電場周圍一定產(chǎn)生變化的磁場，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.周期性變化的電場周圍一定產(chǎn)生周期性變化的磁場 解析：根據(jù)麥

11、克斯韋的電磁場理論，只有變化的電場才產(chǎn)生磁場，故A選項錯誤，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.故B、C錯，D正確. 答案：D 綠色通道 在理解麥克斯韋的電磁場理論時，要注意靜電場不產(chǎn)生磁場，靜磁場也不產(chǎn)生電場.還要注意根據(jù)電場（或磁場）的變化情況來確定所產(chǎn)生的是什么樣的磁場（或電場）. 變式訓(xùn)練 1.根據(jù)麥克斯韋電磁場理論，下列說法正確的是（ ） A.在電場的周圍空間，一定存在著和它聯(lián)系著的磁場 B.在變化的電場周圍空間，一定存在著和它聯(lián)系著的磁場 C.恒定電流在其周圍不產(chǎn)生磁場 D.恒定電流周圍存在著穩(wěn)定的磁場 解析：根據(jù)麥克斯韋電磁場理

12、論，只有變化的電場周圍才產(chǎn)生磁場，恒定電流是均勻變化的電場，所以周圍存在穩(wěn)定的磁場，故BD選項正確. 答案：BD 2.將圖3-1-2所示的帶電的平行板電容器C的兩個極板用絕緣工具緩緩拉大板間距離的過程中，在電容器周圍空間（ ） 圖3-1-2 A.會產(chǎn)生變化的磁場 B.會產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場 C.不產(chǎn)生磁場 D.會產(chǎn)生周期性變化的磁場 解析：根據(jù)麥克斯韋電磁場理論，電場周圍是否會產(chǎn)生磁場，產(chǎn)生怎樣的磁場，都取決于電場是否變化及變化情況.若電場不變化，周圍不產(chǎn)生磁場；若均勻變化，則產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場

13、；若非均勻變化，則產(chǎn)生變化的磁場；如果電場周期性變化，則產(chǎn)生的磁場也周期性變化.本題中由于電容器始終跟電源相連，兩極板間電壓不變，根據(jù)E=可知在d緩慢增大的時候，E是非均勻變化的，因此在它們周圍產(chǎn)生變化的磁場，選項A正確. 答案：A 【例題2】某空間出現(xiàn)了如圖3-1-3所示的一組閉合的電場線，這可能是（ ） 圖3-1-3 A.沿AB方向磁場在迅速減弱 B.沿AB方向磁場在迅速增強(qiáng) C.沿BA方向磁場在迅速增強(qiáng) D.沿BA方向磁場在迅速減弱 解析：根據(jù)電磁感應(yīng)理論，閉合回路中磁通量變化時，使閉合電路中產(chǎn)生感應(yīng)電流，該電流可

14、用楞次定律判斷，其中感應(yīng)電流的方向和電場線方向一致. 答案：AC 綠色通道 根據(jù)麥克斯韋電磁場理論，閉合電路中產(chǎn)生感應(yīng)電流，是因為閉合電路中電荷受到了電場力作用，而變化的磁場產(chǎn)生電場，與是否存在閉合電路無關(guān)，故空間內(nèi)磁場變化產(chǎn)生的電場方向，仍可用楞次定律判斷. 變式訓(xùn)練 3．一個帶正電的粒子在垂直于勻強(qiáng)磁場的平面內(nèi)做勻速圓周運(yùn)動，如圖3-1-4所示.當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度均勻增大時，此粒子的（ ） 圖3-1-4 A.動能不變 B.動能增大 C.動能減小 D.以上情況都可能 解析：當(dāng)磁場均勻增加時，根據(jù)麥克斯韋電磁場理論，將產(chǎn)生一恒定

15、的電場，電場是一方向為逆時針的渦旋電場，帶電粒子將受一電場力作用，該力對帶電粒子做正功，所以粒子的動能將增大，選項B正確. 答案：B 4．如圖3-1-5所示，在內(nèi)壁光滑、水平放置的玻璃圓環(huán)內(nèi)，有一直徑略小于環(huán)口徑的帶正電的小球，正以速率v0沿逆時針方向勻速轉(zhuǎn)動.若在此空間突然加上方向豎直向上、磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨時間成正比例增加的變化磁場，設(shè)運(yùn)動過程中小球的帶電荷量不變，那么（ ） 圖3-1-5 A.小球?qū)ΣＡП膲毫Σ粩嘣龃? B.小球受到的磁場力不斷增大 C.小球先沿逆時針方向做減速運(yùn)動，過一段時間后，沿順時針方向做加速運(yùn)動 D.磁場力對小球一直不做功 解析：因為玻璃圓環(huán)

16、所在處有均勻變化的磁場，在周圍產(chǎn)生穩(wěn)定的渦旋電流，對帶正電的小球做功.由楞次定律，判斷電場方向為順時針方向.在電場力作用下，小球先沿逆時針方向做減速運(yùn)動，后沿順時針方向做加速運(yùn)動.故C選項正確. 小球在水平面內(nèi)沿軌跡半徑方向受兩個力作用：環(huán)的彈力FN和磁場的洛倫茲力f=B·q·v，而且兩個力的矢量和時刻等于小球做圓周運(yùn)動的向心力.考慮到小球速度大小的變化和方向的變化以及磁場強(qiáng)弱的變化，彈力FN和洛倫茲力f不一定始終在增大，故A、B選項錯. 磁場力始終與圓周運(yùn)動的線速度方向垂直，所以磁場力對小球不做功，故D選項正確. 答案：CD 【例題3】關(guān)于LC振蕩電路中的振蕩電流，下列說法中正確的是

17、（ ） 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：振蕩電流最大時，處于電容器放電結(jié)束瞬間，場強(qiáng)為零，A錯.振蕩電流為零時，LC回路振蕩電流改變方向，這時的電流變化最快，電流變化率最大，線圈中自感電動勢最大，B錯.振蕩電流增大時，線圈中電場能轉(zhuǎn)化為磁場能，C錯.振蕩電流減小時，線圈中磁場能轉(zhuǎn)化為電場能，D對. 答案：D 綠色通道 磁場能與電流i對應(yīng)，電場能與電荷量q對應(yīng)，在等幅振蕩中，磁場能與電場能的總量保持不變

18、. 變式訓(xùn)練 5．關(guān)于LC振蕩電路中電容器兩極板上的電荷量，下列說法正確的是（ ） A.電荷量最大時，線圈中振蕩電流也最大 B.電荷量為零時，線圈中振蕩電流最大 C.電荷量增大的過程中，電路中的磁場能轉(zhuǎn)化為電場能 D.電荷量減少的過程中，電路中的磁場能轉(zhuǎn)化為電場能 解析：在LC振蕩電路中，電荷量最大時，是充電結(jié)束瞬間，所以線圈中電流為零，而電荷量為零時，是放電結(jié)束瞬間，所以線圈中振蕩電流最大，故A錯B對.電荷量增大的過程，是磁場能轉(zhuǎn)化為電場能的過程，故C對D錯. 答案：BC 6．在LC電路發(fā)生電磁振蕩的過程中，當(dāng)電感線圈兩端的電壓達(dá)到最大時（ ） A.電路中的電

19、流達(dá)到最大 B.電容器內(nèi)電場能為零 C.電感線圈內(nèi)磁場能為零 D.電容器所帶的電荷量為零 解析：當(dāng)線圈的兩端電壓最大時，即電容器兩端電壓最大，這是充電結(jié)束時的狀態(tài)，兩極板電荷量最多，板間場強(qiáng)最強(qiáng)，回路中電流已為零，由能量守恒定律，知磁場能已全部轉(zhuǎn)化為電場能.故選C. 答案：C 【例題4】圖3-1-6中畫出一個LC振蕩電路中的電流變化圖線，根據(jù)圖線可判斷（ ） 圖3-1-6 A.t1時刻電感線圈兩端電壓最大 B.t2時刻電容器兩極間電壓為零 C.t1時刻電路中只有電場能

20、 D.t1時刻電容器帶電荷量為零 解析：本題考查認(rèn)識it圖象和利用圖線分析問題的能力. 由圖象知，計時開始時，電容器兩極板帶電荷量最大，電流為零，電容器放電開始，根據(jù)電流隨時間的變化規(guī)律可以在圖中畫出qt圖象（在圖3-1-7中用虛線表示）.圖象分析可知：t1時刻，電容器上電荷量為零，電勢差為零，電場能為零，故D對，A、C皆錯.t2時刻電容器電荷q最大，兩板間電勢差最大，B錯. 圖3-1-7 答案：D 綠色通道 分析it圖象時，畫出對應(yīng)的qt圖象，并注意到i與B、Eb變化規(guī)律一致，q與E、E電、U變化規(guī)律一致，可起到事半功倍的效果. 變式訓(xùn)練 7．如圖3-1-

21、8所示為LC振蕩電路中電容器兩極板上的電荷量q隨時間t變化的圖線，由圖可知…（ ） 圖3-1-8 A.在t1時刻，電路中的磁場能最小 B.從t1到t2電路中的電流值不斷變小 C.從t2到t3電容器不斷充電 D.在t4時刻，電容器的電場能最小 解析：q的變化與磁場能的變化相反，與電場能的變化相同，所以t1時刻磁場能最小，t1到t2電路中的電流值在增大，t2到t3，電荷量增大，說明正在給電容器充電，t4時刻電場能最小，故A、C、D選項正確. 答案：ACD 8．在圖3-1-9所示電路中，L是電阻不計的線圈，C為

22、電容器，R為電阻，開關(guān)S先是閉合的.將開關(guān)S斷開，并從這一時刻開始計時，設(shè)電容器A極板帶正電時電荷為正，則電容器A極板上的電荷量q隨時間t變化的圖象是圖3-1-10中的哪一個（ ） 圖3-1-9 圖3-1-10 解析：開關(guān)S閉合時，由于線圈中電阻為零，線圈中有自左到右的電流，但線圈兩端電壓為零，與線圈并聯(lián)的電容器極板上不帶電，故本題中LC回路的初始條件是線圈中電流最大，電場能為零. 斷開S，線圈中產(chǎn)生與電流方向相同的自感電動勢，阻礙線圈中電流的減小，使線圈中電流繼續(xù)自左向右流動，從而給電容器充電，B板帶正電，A板帶負(fù)電，電荷量逐漸增加，經(jīng)電荷量達(dá)最大值，此時LC回路中電流

23、為零.在~時間內(nèi)，電容器放電，A板上負(fù)電荷逐漸減少到零，此后電容器被反向充電，A板帶正電，后又放電，如題圖中B項所示. 答案：B 體驗探究 【問題】演示電磁振蕩現(xiàn)象時應(yīng)注意什么問題？ 導(dǎo)思：由振蕩電流的產(chǎn)生電路分析. 探究：電磁振蕩是指這些電荷、電場、電流、磁場都隨時間做周期性的正弦變化的現(xiàn)象，它產(chǎn)生的振蕩電流是一種頻率很高的交流電，這種交流電很難由交流發(fā)電機(jī)產(chǎn)生，一般由LC回路產(chǎn)生.在無線電技術(shù)中振蕩電流的頻率約1兆赫茲或幾十兆赫茲，由于交流發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的交流電的頻率是50 Hz，所以為便于觀察到電磁振蕩現(xiàn)象，可依據(jù)T=2π去選擇L大的線圈和C大的電容來做演示實驗. 教材鏈接 【實驗與探究】（課本47頁） 實驗中靈敏電流計的指針左右擺動是由于電路中產(chǎn)生了大小和方向都做周期性變化的電流，而指針擺幅的逐漸減小，是由于電路中電阻的存在而引起的能量損耗，所以這種振蕩又稱為阻尼振蕩；若電路中沒有能量損失，產(chǎn)生的振蕩電流又稱無阻尼振蕩電流.