高二物理課件 14.1 《電磁波的發(fā)現(xiàn)》 14.2 電磁振蕩 （人教選修3-4）

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歡迎進(jìn)入物理課堂 一 對(duì)麥克斯韋電磁場(chǎng)理論的理解 1 電磁場(chǎng)的產(chǎn)生 如果在空間某處有周期性變化的電場(chǎng) 那么這個(gè)變化的電場(chǎng)就在它周圍空間產(chǎn)生周期性變化的磁場(chǎng) 這個(gè)變化的磁場(chǎng)又在它周圍空間產(chǎn)生變化的電場(chǎng) 變化的電場(chǎng)和變化的磁場(chǎng)是相互聯(lián)系著的 形成不可分割的統(tǒng)一體 這就是電磁場(chǎng) 2 麥克斯韋電磁場(chǎng)理論的要點(diǎn) 1 恒定的磁場(chǎng)不會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng) 同樣 恒定的電場(chǎng)也不會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng) 2 均勻變化的電場(chǎng)在周圍空間產(chǎn)生恒定的磁場(chǎng) 同樣 均勻變化的磁場(chǎng)在周圍空間產(chǎn)生恒定的電場(chǎng) 3 振蕩變化的磁場(chǎng)在周圍空間產(chǎn)生同頻率振蕩的電場(chǎng) 同樣 振蕩變化的電場(chǎng)在周圍空間產(chǎn)生同頻率振蕩的磁場(chǎng) 電磁場(chǎng)是動(dòng)態(tài)的 并且電場(chǎng)和磁場(chǎng)不可分割 磁感線 電場(chǎng)線都是閉合的曲線 靜電場(chǎng) 靜磁場(chǎng)是單獨(dú)存在的 且電場(chǎng)線是非閉合曲線 靜止的電場(chǎng)和磁場(chǎng)不是電磁場(chǎng) 典例1 2010 天津高考 下列關(guān)于電磁波的說(shuō)法正確的是 A 均勻變化的磁場(chǎng)能夠在空間產(chǎn)生電場(chǎng)B 電磁波在真空和介質(zhì)中傳播速度相同C 只要有電場(chǎng)和磁場(chǎng) 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 解題指導(dǎo) 理解麥克斯韋電磁場(chǎng)理論 1 恒定電場(chǎng) 磁場(chǎng) 不產(chǎn)生磁場(chǎng) 電場(chǎng) 2 均勻變化電場(chǎng) 磁場(chǎng) 恒定磁場(chǎng) 電場(chǎng) 3 非均勻變化電場(chǎng) 磁場(chǎng) 變化磁場(chǎng) 電場(chǎng) 4 周期性變化電場(chǎng) 磁場(chǎng) 同頻率磁場(chǎng) 電場(chǎng) 標(biāo)準(zhǔn)解答 選A 不管磁場(chǎng)怎樣變化 只要是變化的磁場(chǎng)就可以在空間產(chǎn)生電場(chǎng) 所以均勻變化的磁場(chǎng)也能夠在空間產(chǎn)生電場(chǎng) 故A正確 電磁波的傳播速度與介質(zhì)和頻率有關(guān) 相同頻率的電磁波在不同的介質(zhì)中傳播速度不同 故B錯(cuò)誤 恒定的電場(chǎng) 磁場(chǎng) 周圍不會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng) 電場(chǎng) 只有變化的電場(chǎng) 磁場(chǎng) 才能產(chǎn)生電磁波 故C錯(cuò)誤 電磁波只有在同種均勻介質(zhì)中才能沿直線傳播 若同一種介質(zhì)是不均勻的 電磁波在其中的折射率是不一樣的 在這樣的介質(zhì)中是沿曲線傳播的 故D錯(cuò)誤 變式訓(xùn)練 如圖所示 一正離子在垂直于勻強(qiáng)磁場(chǎng)的固定光滑軌道內(nèi)做勻速圓周運(yùn)動(dòng) 當(dāng)磁場(chǎng)均勻增大時(shí) 離子動(dòng)能將 周期將 解析 當(dāng)磁場(chǎng)均勻增加時(shí) 在光滑軌道處產(chǎn)生逆時(shí)針方向的感應(yīng)電場(chǎng) 正離子在電場(chǎng)力作用下做加速運(yùn)動(dòng) 動(dòng)能增加 速度增加 T 周期減小 答案 增加變小 二 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 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 干涉 衍射等 但它們具有本質(zhì)的不同 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) 典例2 2011 東營(yíng)高二檢測(cè) 關(guān)于電磁波與聲波的說(shuō)法 下列正確的是 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 解題指導(dǎo) 解答本題應(yīng)把握以下兩點(diǎn) 1 電磁波本身是一種物質(zhì) 機(jī)械波只是一種振動(dòng)形式在介質(zhì)中的傳播 2 電磁波在真空中的傳播速度最大 機(jī)械波在固體 液體 氣體中的傳播速度逐漸減小 但傳播過(guò)程中它們的頻率都不變 標(biāo)準(zhǔn)解答 選A C 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)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) 變式訓(xùn)練 關(guān)于電磁波與機(jī)械波 下列說(shuō)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 電磁波與機(jī)械波都能發(fā)生衍射 解析 選A D 電磁波的波速與介質(zhì)和頻率都有關(guān) 而機(jī)械波的傳播速率只與介質(zhì)有關(guān) 故A對(duì) B錯(cuò) 電磁波和機(jī)械波都具有波的一些獨(dú)有特征 包括干涉和衍射 故C錯(cuò) D對(duì) 三 振蕩過(guò)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(shí)電容器極板上電荷q及與q相關(guān)的電場(chǎng) E U E電 通電線圈的電流i及與i相關(guān)聯(lián)的磁場(chǎng) 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(jiǎn)單的振蕩電路是LC振蕩電路 3 LC回路中各量間的變化規(guī)律及對(duì)應(yīng)關(guān)系 1 同步同變關(guān)系在LC振蕩回路發(fā)生電磁振蕩的過(guò)程中 電容器上的物理量 電量q 板間電壓U 電場(chǎng)強(qiáng)度E 電場(chǎng)能EE是同步同向變化的 即 q U E EE 或q U E EE 振蕩線圈上的物理量 振蕩電流i 磁感應(yīng)強(qiáng)度B 磁場(chǎng)能EB也是同步同向變化的 即 i B EB 或i B EB 2 同步異變關(guān)系在LC振蕩過(guò)程中 電容器上的三個(gè)物理量q E EE與線圈中的三個(gè)物理量i B EB是同步異向變化的 即q E EE同時(shí)減小時(shí) i B EB同時(shí)增大 且它們的變化是同步的 即 q E EE i B EB 3 物理量的等式關(guān)系線圈上的振蕩電流i 自感電動(dòng)勢(shì)E L 振蕩周期T 4 極值 圖象的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖所示 i 0時(shí) q最大 E最大 EE最大 E自 E自為自感電動(dòng)勢(shì) 最大 q 0時(shí) i最大 B最大 EB最大 EE 0 對(duì)于電場(chǎng)E與磁場(chǎng)B以及電場(chǎng)能EE與磁場(chǎng)能EB隨時(shí)間的變化圖象有這樣的對(duì)應(yīng)關(guān)系 圖象能直觀地反映同步異變關(guān)系和極值對(duì)應(yīng)關(guān)系 5 自感電動(dòng)勢(shì)E與i t圖象的關(guān)系由E L 知 E 是i t圖象上某處曲線切線的斜率k的絕對(duì)值 所以 利用圖象可分析自感電動(dòng)勢(shì)隨時(shí)間的變化和極值 振蕩電流i 由極板上電荷量的變化率決定 與電荷量的多少無(wú)關(guān) 兩極板間的電壓U 由極板上的電荷量決定 與電荷量的變化率無(wú)關(guān) 線圈中的自感電動(dòng)勢(shì)E 由電路中電流的變化率決定 與電流的大小無(wú)關(guān) 典例3 2011 閔行區(qū)高二檢測(cè) LC振蕩電路中 某時(shí)刻的磁場(chǎng)方向如圖所示 則 A 若磁場(chǎng)正在減弱 則電容器正在充電 電流由b向aB 若磁場(chǎng)正在減弱 則電場(chǎng)能正在增大 電容器上極板帶負(fù)電C 若磁場(chǎng)正在增強(qiáng) 則電場(chǎng)能正在減少 電容器上極板帶正電D 若磁場(chǎng)正在增強(qiáng) 則電容器正在充電 電流方向由a向b 解題指導(dǎo) 解答本題首先根據(jù)電流的磁場(chǎng)方向和安培定則判斷振蕩電流的方向 然后再根據(jù)磁場(chǎng)的變化判斷電容器的充放電以及極板帶電情況 標(biāo)準(zhǔn)解答 選A B C 若磁場(chǎng)正在減弱 則電流在減小 是充電過(guò)程 根據(jù)安培定則可確定電流由b向a流 電場(chǎng)能增大 上極板帶負(fù)電 故選項(xiàng)A B正確 若磁場(chǎng)正在增強(qiáng) 則電流在增大 是放電過(guò)程 電場(chǎng)能正在減小 根據(jù)安培定則 可判斷電流由b向a 上極板帶正電 故選項(xiàng)C正確 D錯(cuò)誤 規(guī)律方法 LC振蕩電路的分析方法 1 首先明確LC振蕩電路的周期公式及周期的大小 將周期進(jìn)行分解 把整個(gè)振蕩周期分成四個(gè)T 分別研究每一個(gè)T內(nèi)各物理量的變化情況 2 電容器充 放電過(guò)程中電流的變化特征 電容器充電過(guò)程中 電容器帶電量越來(lái)越多 電流越來(lái)越小 充電完畢時(shí) 電流為零 電容器放電過(guò)程中 電容器帶電量越來(lái)越少 電流越來(lái)越大 放電完畢時(shí) 電流最大 一個(gè)周期內(nèi)振蕩電流方向改變兩次 變式訓(xùn)練 如圖甲中通過(guò)P點(diǎn)電流的 向右為正 變化規(guī)律如圖乙所示 則 A 0 5 1s間 電容器C正在充電B 0 5 1s間 電容器C上極板帶正電C 1 1 5s內(nèi) 電勢(shì)Q點(diǎn)比P點(diǎn)高D 1 1 5s磁場(chǎng)能轉(zhuǎn)化為電場(chǎng)能 解析 選A C 從0 5 1s 電流逐漸減小 是充電過(guò)程 電容器上極板帶負(fù)電 故選項(xiàng)A正確 B錯(cuò)誤 1 1 5s內(nèi) 電流逐漸增大 是放電過(guò)程 電場(chǎng)能轉(zhuǎn)化為磁場(chǎng)能 故選項(xiàng)D錯(cuò)誤 且電流沿逆時(shí)針方向流動(dòng) Q點(diǎn)電勢(shì)比P點(diǎn)的高 故選項(xiàng)C正確 變式備選 LC回路中電容器兩端電壓U隨時(shí)間t變化的關(guān)系如圖所示 A 在時(shí)刻t2 電路中的電流最大B 在時(shí)刻t3 電路中的磁場(chǎng)能最大C 從時(shí)刻t2至t3 電路中的電場(chǎng)能不斷增大D 從時(shí)刻t3至t4 電容器所帶的電荷量不斷增大 解析 選A C 根據(jù)電容器兩端電壓與電荷量的關(guān)系q CU可知 t2時(shí)刻 電容器上的電荷量為零 即放電完畢 電流最大 故選項(xiàng)A正確 t3時(shí)刻 電荷量最大 電流最小為零 磁場(chǎng)能最小 故選項(xiàng)B錯(cuò)誤 t2 t3時(shí)間內(nèi) 電荷量增加 即充電過(guò)程 電場(chǎng)能不斷增加 故選項(xiàng)C正確 t3 t4時(shí)間內(nèi) 是放電過(guò)程 電荷量不斷減少 故選項(xiàng)D錯(cuò)誤 典例 如圖所示振蕩電路中 1 當(dāng)電感L 300 H 電容器C的范圍為25 270pF 求振蕩電流的頻率范圍 2 當(dāng)電感L 10mH 要產(chǎn)生周期T 0 02s的振蕩電流 應(yīng)配制多大的電容器 標(biāo)準(zhǔn)解答 振蕩電流的頻率范圍是5 6 105 1 84 106Hz答案 1 5 6 105 1 84 106Hz 2 10 3F 一 選擇題1 根據(jù)麥克斯韋的電磁場(chǎng)理論 以下敘述中正確的是 A 教室中開亮的日光燈周圍空間必有磁場(chǎng)和電場(chǎng)B 工作時(shí)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器周圍必有磁場(chǎng)和電場(chǎng)C 穩(wěn)定的電場(chǎng)產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場(chǎng) 穩(wěn)定的磁場(chǎng)激發(fā)穩(wěn)定的電場(chǎng)D 電磁波在傳播過(guò)程中 電場(chǎng)方向 磁場(chǎng)方向和傳播方向三者互相垂直 解析 選A B D 教室中開亮的日光燈 工作時(shí)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器用的振蕩電流 在其周圍產(chǎn)生振蕩磁場(chǎng)和電場(chǎng) 故選項(xiàng)A B正確 穩(wěn)定的電場(chǎng)不會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng) 故選項(xiàng)C錯(cuò)誤 電磁波是橫波 電場(chǎng)方向 磁場(chǎng)方向和傳播方向相互垂直 故選項(xiàng)D正確 2 2011 余杭高二檢測(cè) 如圖所示 L是不計(jì)電阻的電感器 C是電容器 閉合電鍵K 待電路達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后 再斷開電鍵K LC電路中將產(chǎn)生電磁振蕩 如果規(guī)定電感L中的電流方向從a到b為正 斷開電鍵K的時(shí)刻為t 0 那么下列四個(gè)圖中能夠正確表示電感中的電流隨時(shí)間變化規(guī)律的是 解析 選B 電鍵閉合時(shí) 電流從a流向b為正 當(dāng)斷開電鍵后 電感器與電容器構(gòu)成一振蕩電路 隨后形成振蕩電流 根據(jù)振蕩電流的規(guī)律 可知選項(xiàng)B正確 3 2011 珠海高二檢測(cè) 關(guān)于在LC振蕩電路的一個(gè)周期的時(shí)間內(nèi) 下列說(shuō)法中正確的是 磁場(chǎng)方向改變一次 電容器充 放電各一次 電場(chǎng)方向改變兩次 電場(chǎng)能向磁場(chǎng)能轉(zhuǎn)化完成兩次A B C D 解析 選C 在一個(gè)振蕩周期內(nèi) 電場(chǎng) 磁場(chǎng)方向改變兩次 電場(chǎng)能 磁場(chǎng)能轉(zhuǎn)化兩次 電容器充 放電各兩次 故選項(xiàng)C正確 4 在LC回路產(chǎn)生振蕩電流的過(guò)程中 A 振蕩電流與電場(chǎng)能同時(shí)出現(xiàn)最大值B 振蕩電流與磁場(chǎng)能同時(shí)出現(xiàn)最大值C 電流減弱時(shí) 電容器充電D 電流增強(qiáng)時(shí) 電容器充電 解析 選B C 振蕩電流最大時(shí) 產(chǎn)生的磁場(chǎng)最強(qiáng) 磁場(chǎng)能最大 而電容器上電荷量最少 電場(chǎng)能最小 故選項(xiàng)A錯(cuò)誤 B正確 電容器充電過(guò)程 電流逐漸減弱 電流減小到零時(shí) 充電完畢 故選項(xiàng)C正確 D錯(cuò)誤 方法技巧 LC振蕩電路的分析方法分析LC振蕩電路的工作過(guò)程時(shí) 關(guān)鍵是要搞清電場(chǎng)能和磁場(chǎng)能相互轉(zhuǎn)化的過(guò)程以及所對(duì)應(yīng)的物理狀態(tài)和物理量間的關(guān)系 1 電容器充電 先是要給電容器充上電 這時(shí)電容器中儲(chǔ)存一定的電場(chǎng)能 2 電容器放電 電容器要通過(guò)電感線圈放電 放電過(guò)程中線圈有電流通過(guò) 電流周圍存在磁場(chǎng) 所以這個(gè)過(guò)程是電場(chǎng)能向磁場(chǎng)能轉(zhuǎn)化的過(guò)程 同時(shí)電容器上所帶電荷量 極板上的電壓都要逐漸減小 待放電完畢時(shí) 電場(chǎng)能為零 磁場(chǎng)能達(dá)到最大 與之對(duì)應(yīng)的振蕩電流也達(dá)到最大 3 電容器反向充電 電容器放電完畢時(shí) 由于電感線圈的自感作用 電路中移動(dòng)的電荷不能立即停止運(yùn)動(dòng) 仍要保持原方向流動(dòng) 對(duì)電容器反向充電 同理則有電流減小 磁場(chǎng)能減小 而電場(chǎng)能增大 電容器極板上的電荷量和電壓也隨之增大 直到電流為零 磁場(chǎng)能為零 電場(chǎng)能 電容器極板上的電荷量 電壓都達(dá)到最大 4 電容器反向放電 此后 電容器再進(jìn)行反向放電過(guò)程 同理可知 電場(chǎng)能 電容器極板上的電荷量 極板電壓都減小 直至為零 磁場(chǎng)能 電流增大 直至最大 5 LC振蕩電路中電容器兩板間電壓最大時(shí) 有 A 電感器L中的電流最大B 電感器L中的電流為零C 電容器C兩板上所帶電量最大D 電容器C上所帶電量為零 解析 選B C 電容器兩板間電壓最大時(shí) 電荷量最大 即充電完畢 電流最小為零 故選項(xiàng)B C正確 6 2011 揚(yáng)州高二檢測(cè) 在LC振蕩電路中 電容器放電時(shí)間取決于 A 充電電壓的大小B 電容器儲(chǔ)電量的多少C 自感L和電容C的數(shù)值D 回路中電流的大小 解析 選C 放電時(shí)間等于四分之一個(gè)振蕩周期 即所以放電時(shí)間取決于自感L和電容C 故選項(xiàng)C正確 7 關(guān)于LC振蕩電路在振蕩過(guò)程中 下列說(shuō)法正確的是 A 電流最大的時(shí)刻電壓也最高B 電流增大的過(guò)程是電容器的放電過(guò)程C 電流最小的時(shí)刻電壓卻最高D 自感電動(dòng)勢(shì)最大時(shí)電容器帶電量最大 解析 選B C D 電流最大的時(shí)刻是放電完畢時(shí) 此時(shí)電壓最小為零 故選項(xiàng)A錯(cuò)誤 電流最小的時(shí)刻 是充電完畢時(shí) 極板上電荷量最大 電壓最大 故選項(xiàng)C正確 電流增大的過(guò)程 是放電過(guò)程 故選項(xiàng)B正確 產(chǎn)生的自感電動(dòng)勢(shì)最大時(shí) 電流的變化率最大 也就是電流為零時(shí) 即極板上電荷量最大時(shí) 故選項(xiàng)D正確 二 非選擇題8 2011 內(nèi)江高二檢測(cè) 如圖所示 是通過(guò)電容器電容的變化來(lái)檢測(cè)容器內(nèi)液面高低的儀器原理圖 容器中裝有導(dǎo)電液體 是電容器的一個(gè)電極 中間的導(dǎo)電芯柱是電容器的另一個(gè)電極 芯柱外面套有絕緣管作為電介質(zhì) 電容器的這兩個(gè)電極分別用導(dǎo)線與一個(gè)線圈的兩端相連 組成LC振蕩電路 根據(jù)其振蕩頻率的高低 用與該電路相連的頻率計(jì)顯示 就可知道容器內(nèi)液面位置的高低 如果頻率計(jì)顯示該振蕩電路的振蕩頻率變大了 則液面 了 填 升高 或 降低 容器內(nèi)的導(dǎo)電液體與大地相連 若某一時(shí)刻線圈內(nèi)磁場(chǎng)方向 向右 且正在增強(qiáng) 則此時(shí)導(dǎo)電芯柱的電勢(shì)正在 填 升高 或 降低 解析 根據(jù)頻率公式f 可知 若使振蕩頻率變大 則電容C減小 由C 可知 若使電容減小 則正對(duì)面積S減小 即液面降低 線圈內(nèi)磁場(chǎng)方向向右且增強(qiáng) 則電流沿順時(shí)針方向增大 是放電過(guò)程 絕緣管帶負(fù)電正逐漸減少 絕緣管的電勢(shì)是負(fù)值 兩極板的電勢(shì)差逐漸減小 所以絕緣管的電勢(shì)正在升高 答案 降低升高 9 如圖所示 L為一電阻可忽略的線圈 D為一燈泡 C為電容器 開關(guān)S閉合 燈泡D正常發(fā)光 將S突然斷開 并開始計(jì)時(shí) 請(qǐng)畫出LC回路中電流i及電容器右極板所帶電荷量q隨時(shí)間t變化的圖象 規(guī)定LC回路中電流順時(shí)針方向?yàn)檎较?解析 開關(guān)閉合時(shí) 電容器上所帶電荷量為零 電流沿線圈自左向右 當(dāng)斷開開關(guān)后 線圈和電容器構(gòu)成振蕩電路 沿順時(shí)針方向的電流逐漸減小 根據(jù)LC振蕩電流的變化規(guī)律 可得電流和電荷量隨時(shí)間變化的圖象 如圖所示 10 2011 鐵嶺高二檢測(cè) 振蕩電路中電容器電容為C 振蕩電流i Imsin t 1 求此電路中線圈的自感系數(shù)L 2 設(shè)此電路發(fā)射的電磁波在某介質(zhì)中的波長(zhǎng)為 求此電磁波在此介質(zhì)中的傳播速度v 解析 答案 Thankyou 同學(xué)們 來(lái)學(xué)校和回家的路上要注意安全 同學(xué)們 來(lái)學(xué)校和回家的路上要注意安全