2018-2019版高中物理 第3章 電磁場與電磁波 3.1 麥克斯韋的電磁場理論 3.2 電磁波的發(fā)現(xiàn)學(xué)案 滬科版選修3-4.doc

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3.1　麥克斯韋的電磁場理論 3.2　電磁波的發(fā)現(xiàn) [學(xué)習(xí)目標]1.了解麥克斯韋電磁場理論的兩大基本論點，能從這兩個基本論點出發(fā)分析簡單問題.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.知道赫茲用實驗證實了電磁波的存在.4.了解什么叫電磁振蕩，了解LC回路中電磁振蕩的產(chǎn)生過程及其固有周期(頻率).5.了解有效發(fā)射電磁波的兩個條件，知道電磁波的特點及其與機械波的異同． 1．法拉第創(chuàng)造性地用“力線”和“場”的概念來描述電荷之間、磁體之間以及電與磁之間的相互作用． 2．電磁場理論的兩大支柱：(1)變化的磁場產(chǎn)生電場；(2)變化的電場產(chǎn)生磁場． 3．赫茲用實驗證明了麥克斯韋電磁場理論的正確性． 4．電磁振蕩 (1)振蕩電流：大小和方向都做周期性變化的電流． (2)振蕩電路：能夠產(chǎn)生振蕩電流的電路．圖1就是一種基本的振蕩電路，稱為LC振蕩電路． 圖1 (3)電磁振蕩：在振蕩電路中，電路中的電流、電容器極板上的電荷、電容器中的電場強度和線圈中的磁感應(yīng)強度都要發(fā)生周期性的變化，這種現(xiàn)象叫做電磁振蕩． 5．電磁波的特點 (1)電磁波是橫波； (2)電磁波在真空中的傳播速度等于光在真空中的傳播速度c，約為3.0108m/s； (3)電磁波具有波的一般特征，波長λ、頻率f、周期T和波速v之間的關(guān)系為v＝＝λf； (4)電磁波也具有能量． 一、電磁場理論的兩大支柱 [導(dǎo)學(xué)探究] 1．如圖2所示，當(dāng)磁棒相對一閉合線圈運動時，線圈中的電荷做定向移動，是因為受到什么力的作用？若把閉合線圈換成一個內(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，則磁棒運動過程中會有什么現(xiàn)象？小球受到的是什么力？ 圖2 答案　電荷受到電場力作用做定向移動．當(dāng)磁棒運動時，帶電小球會做定向滾動，小球受到的仍然是電場力． 2．以上現(xiàn)象說明什么問題？ 答案　空間磁場變化，就會產(chǎn)生電場，與有沒有閉合線圈無關(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，電路中有交變電流，導(dǎo)線周圍存在磁場．那么在這個閉合電路的電容器中有電流嗎？電容器兩極板間存在磁場嗎？ 圖3 答案　電容器中無電流，兩極板間存在磁場． [知識深化] 1．電磁場理論的兩大支柱 (1)變化的磁場產(chǎn)生電場； (2)變化的電場產(chǎn)生磁場． 2．對麥克斯韋電磁場理論的理解 恒定的電場不產(chǎn)生磁場 恒定的磁場不產(chǎn)生電場 均勻變化的電場在周圍空間產(chǎn)生恒定的磁場 均勻變化的磁場在周圍空間產(chǎn)生恒定的電場 不均勻變化的電場在周圍空間產(chǎn)生變化的磁場 不均勻變化的磁場在周圍空間產(chǎn)生變化的電場 振蕩電場產(chǎn)生同頻率的振蕩磁場 振蕩磁場產(chǎn)生同頻率的振蕩電場 例1　(多選)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存在磁場 D．恒定電流周圍存在著穩(wěn)定的磁場 答案　BD 解析　電場按其是否隨時間變化分為穩(wěn)定電場(靜電場)和變化電場(如運動電荷形成的電場)，穩(wěn)定電場不產(chǎn)生磁場，只有變化的電場周圍空間才存在對應(yīng)的磁場，故B對，A錯；恒定電流周圍存在穩(wěn)定磁場，磁場的方向可由安培定則判斷，D對，C錯． 二、電磁振蕩 [導(dǎo)學(xué)探究]　把自感線圈、可變電容器、示波器、電源和單刀雙擲開關(guān)按圖4連成電路．先把開關(guān)置于電源一邊，為電容器充電，稍后再把開關(guān)置于線圈一邊，使電容器通過線圈放電． 圖4 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　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． 2．調(diào)節(jié)電容器電容的大小，圖像如何變化？ 答案　電容變小時，圖像周期變小；電容變大時，圖像周期變大． [知識深化] 1．電磁振蕩的過程如圖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間的變化圖像． 圖5 圖6 2．各物理量的變化情況 時刻(時間) 工作過程 q E i B 能量 0 放電瞬間 qm Em 0 0 E電最大E磁最小 0→ 放電過程 qm→0 Em→0 0→im 0→Bm E電→E磁 放電結(jié)束 0 0 im Bm E電最小E磁最大 → 充電過程 0→qm 0→Em im→0 Bm→0 E磁→E電 充電結(jié)束 qm Em 0 0 E電最大E磁最小 → 放電過程 qm→0 Em→0 0→im 0→Bm E電→E磁 放電結(jié)束 0 0 im Bm E電最小E磁最大 →T 充電過程 0→qm 0→Em im→0 Bm→0 E磁→E電 T 充電結(jié)束 qm Em 0 0 E電最大E磁最小 3.電磁振蕩的周期和頻率 周期T＝2π，頻率f＝.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] 為什么放電完畢時，電流反而最大？ 答案　開始放電時，由于線圈的自感作用，放電電流不能瞬間達到最大值，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，電流達到最大值． 例2　如圖7所示為LC振蕩電路中電容器的極板帶電荷量隨時間變化曲線，下列判斷中正確的是(　　) 圖7 ①在b和d時刻，電路中電流最大?、谠赼→b時間內(nèi)，電場能轉(zhuǎn)變?yōu)榇艌瞿堋、踑和c時刻，磁場能為零?、茉贠→a和c→d時間內(nèi)，電容器被充電 A．只有①和③ B．只有②和④ C．只有④ D．只有①②和③ 答案　D 解析　a和c時刻是充電結(jié)束時刻，此時刻電場能最大，磁場能最小為零，③正確；b和d時刻是放電結(jié)束時刻，此時刻電路中電流最大，①正確；a→b是放電過程，電場能轉(zhuǎn)化為磁場能，②正確；O→a是充電過程，而c→d是放電過程，④錯誤． 三、電磁波的發(fā)射 [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　由巨大的開放電路發(fā)射出去的． [知識深化] 1．有效地向外發(fā)射電磁波時，振蕩電路必須具有的兩個特點： (1)利用開放電路發(fā)射電磁波． (2)提高振蕩頻率． 2．實際應(yīng)用的開放電路(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 B．使振蕩電容的正對面積足夠小 C．盡可能使電場和磁場分散開 D．增加回路中的電容和電感 答案　B 解析　理論證明，電磁波發(fā)射本領(lǐng)(功率)與f成正比，電磁場應(yīng)盡可能擴散到周圍空間，形成開放電路．而f＝，C＝，要使f增大，應(yīng)減小L或C，只有B符合題意． 四、電磁波及其與機械波的比較 [導(dǎo)學(xué)探究]　電磁波是電磁現(xiàn)象，機械波是力學(xué)現(xiàn)象，兩者都具有波的特性，但它們具有本質(zhì)的不同，你能舉例說明嗎？ 答案　例如機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)． [知識深化]　電磁波與機械波的比較 電磁波 機械波 研究對象 電磁現(xiàn)象 力學(xué)現(xiàn)象 周期性 電場強度E和磁感應(yīng)強度B隨時間和空間做周期性變化 位移隨時間和空間做周期性變化 傳播情況 傳播無需介質(zhì)，在真空中波速總等于光速c，在介質(zhì)中傳播時，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)，與頻率無關(guān) 產(chǎn)生機理 由電磁振蕩(周期性變化的電流)激發(fā) 由(波源)質(zhì)點的振動產(chǎn)生 是否橫波 是 可以是 是否縱波 否 可以是 干涉現(xiàn)象 滿足干涉條件時均能發(fā)生干涉現(xiàn)象 衍射現(xiàn)象 滿足衍射條件時均能發(fā)生明顯衍射 例4　(多選)以下關(guān)于機械波與電磁波的說法中，正確的是(　　) A．機械波和電磁波，本質(zhì)上是一致的 B．機械波的波速只與介質(zhì)有關(guān)，而電磁波在介質(zhì)中的波速不僅與介質(zhì)有關(guān)，而且與電磁波的頻率有關(guān) C．機械波可能是縱波，而電磁波必定是橫波 D．它們都能發(fā)生反射、折射、干涉和衍射現(xiàn)象 答案　BCD 解析　機械波由振動產(chǎn)生；電磁波由周期性變化的電場(或磁場)產(chǎn)生，機械波是能量波，傳播需要介質(zhì)，速度由介質(zhì)決定，電磁波是物質(zhì)波，波速由介質(zhì)和自身的頻率共同決定；機械波有橫波，也有縱波，而電磁波一定是橫波，它們都能發(fā)生反射、折射、干涉和衍射等現(xiàn)象，故選項B、C、D正確．  1．下列說法中正確的是(　　) A．任何變化的磁場都要在周圍空間產(chǎn)生變化的電場，振蕩磁場在周圍空間產(chǎn)生同頻率的振蕩電場 B．任何電場都要在周圍空間產(chǎn)生磁場，振蕩電場在周圍空間產(chǎn)生同頻率的振蕩磁場 C．任何變化的電場都要在周圍空間產(chǎn)生磁場，振蕩電場在周圍空間產(chǎn)生同頻率的振蕩磁場 D．電場和磁場總是相互聯(lián)系著，形成一個不可分割的統(tǒng)一體，即電磁場 答案　C 解析　根據(jù)麥克斯韋電磁場理論，如果電場(磁場)的變化是均勻的，產(chǎn)生的磁場(電場)是恒定的；如果電場(磁場)的變化是不均勻的，產(chǎn)生的磁場(電場)是變化的；振蕩電場(磁場)在周圍空間產(chǎn)生同頻率的振蕩磁場(電場)；周期性變化的電場和周期性變化的磁場總是相互聯(lián)系著，形成一個不可分割的統(tǒng)一體，即電磁場．故選C. 2．(多選)關(guān)于電磁波的特點，下列說法正確的是(　　) A．電磁波中的電場和磁場互相垂直，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)，是電場和磁場之間的相互感應(yīng) D．電磁波不具有干涉和衍射現(xiàn)象 答案　ABC 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． 3．(多選)如圖9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處于閉合狀態(tài)，燈泡D正常發(fā)光，現(xiàn)突然斷開S，并開始計時，能正確反映電容器a極板上電荷量q及LC回路中電流i(規(guī)定順時針方向為正)隨時間變化的圖像是(圖中q為正值表示a極板帶正電)(　　) 圖9 答案　BC 解析　S斷開前，電容器C短路，線圈中電流從上到下，電容器不帶電；S斷開時，線圈L中產(chǎn)生自感電動勢，阻礙電流減小，給電容器C充電，此時LC回路中電流i沿順時針方向(正向)最大；給電容器充電過程，電容器帶電荷量最大時(a板帶負電)，線圈L中電流減為零．此后，LC回路發(fā)生電磁振蕩形成交變電流．綜上所述，選項B、C正確． 選擇題 1．(多選)下列關(guān)于電磁場理論的敘述正確的是(　　) A．變化的磁場周圍一定存在著電場，與是否有閉合電路無關(guān) B．周期性變化的磁場產(chǎn)生同頻率變化的電場 C．電場和磁場相互關(guān)聯(lián)，形成一個統(tǒng)一的場，即電磁場 D．電場周圍一定存在磁場，磁場周圍一定存在電場 答案　AB 解析　變化的磁場周圍產(chǎn)生電場，當(dāng)電場中有閉合回路時，回路中有電流；若無閉合回路時，電場仍然存在，A對．若要形成電磁場必須有周期性變化的電場和磁場，B對，C、D錯． 2．某電路中電場強度隨時間變化的關(guān)系圖像如圖所示，能發(fā)射電磁波的是(　　) 答案　D 解析　由麥克斯韋電磁場理論知，當(dāng)空間出現(xiàn)恒定的電場時(如A圖)，由于它不激發(fā)磁場，故無電磁波產(chǎn)生；當(dāng)出現(xiàn)均勻變化的電場時(如B圖、C圖)，會激發(fā)出磁場，但磁場恒定，不會在較遠處激發(fā)出電場，故也不會產(chǎn)生電磁波；只有周期性變化的電場(如D圖)，才會激發(fā)出周期性變化的磁場，它又激發(fā)出周期性變化的電場……如此交替的產(chǎn)生磁場和電場，便會形成電磁波，故D正確． 3．關(guān)于電磁波，下列敘述中正確的是(　　) A．電磁波在真空中的傳播速度遠小于真空中的光速 B．電磁波可以發(fā)生衍射現(xiàn)象 C．只要空間中某個區(qū)域有變化的電場或變化的磁場，就能產(chǎn)生電磁波 D．電磁波和機械波一樣依賴于介質(zhì)傳播 答案　B 解析　電磁波在真空中的傳播速度等于真空中的光速，故A錯誤；電磁波屬于波的一種，能夠發(fā)生衍射現(xiàn)象等波特有的現(xiàn)象，故B正確；只有交變的電場和磁場才能產(chǎn)生電磁波，故C錯誤；電磁波能在真空中傳播，而機械波依賴于介質(zhì)傳播，故D錯誤． 4．電磁波在傳播時，不變的物理量是(　　) A．振幅 B．頻率 C．波速 D．波長 答案　B 解析　離波源越遠，振幅越小．電磁波在不同介質(zhì)中的波速不一樣，波長也不一樣． 5．關(guān)于電磁波的傳播速度，以下說法正確的是(　　) A．電磁波的頻率越高，傳播速度越大 B．電磁波的波長越長，傳播速度越大 C．電磁波的能量越大，傳播速度越大 D．所有的電磁波在真空中的傳播速度都相等 答案　D 解析　以光為例，無論是哪種頻率的光在真空中的傳播速度都相等，D正確．當(dāng)光進入介質(zhì)時，傳播速度發(fā)生變化，不同頻率的光其傳播速度不同，故電磁波在介質(zhì)中的傳播速度與介質(zhì)和頻率有關(guān)．A、B、C錯誤． 6．下列關(guān)于電磁波的說法正確的是(　　) A．電磁波必須依賴介質(zhì)傳播 B．電磁波可以發(fā)生衍射現(xiàn)象 C．電磁波不會發(fā)生偏振現(xiàn)象 D．電磁波無法攜帶信息傳播 答案　B 解析　電磁波具有波的共性，可以發(fā)生衍射現(xiàn)象，故B正確；電磁波是橫波，能發(fā)生偏振現(xiàn)象，故C錯；電磁波能攜帶信息傳播，且傳播不依賴介質(zhì)，在真空中也可以傳播，故A、D錯． 7．關(guān)于LC振蕩電路中的振蕩電流，下列說法中正確的是(　　) A．振蕩電流最大時，電容器兩極板間的電場強度最大 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)化為電場能 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 答案　D 解析　振蕩電流最大時為電容器放電結(jié)束瞬間，電場強度為零，A選項錯誤；振蕩電流為零時，其要改變方向，這時電流變化最快，電流變化率最大，線圈中的自感電動勢最大，B選項錯誤；振蕩電流增大時，線圈中的電場能轉(zhuǎn)化為磁場能，C選項錯誤；振蕩電流減小時，線圈中的磁場能轉(zhuǎn)化為電場能，D選項正確． 8．(多選)在LC振蕩電路中，若某個時刻電容器極板上的電荷量正在增加，則(　　) A．電路中的電流正在增大 B．電路中的電場能正在增加 C．電路中的電流正在減小 D．電路中的電場能正在向磁場能轉(zhuǎn)化 答案　BC 解析　電荷量增加，電容器充電，電場能增加，磁場能減少，電流減小． 9．關(guān)于在LC振蕩電路的一個周期的時間內(nèi)，下列說法中正確的是(　　) ①磁場方向改變一次；②電容器充、放電各一次；③電場方向改變兩次；④電場能向磁場能轉(zhuǎn)化完成兩次 A．①② B．②③④ C．③④ D．①③④ 答案　C 解析　在一個振蕩周期內(nèi)，電場、磁場方向改變兩次，電場能、磁場能轉(zhuǎn)化兩次；電容器充、放電各兩次．故選項C正確． 10．(多選)如圖1甲中通過P點電流的(向右為正)變化規(guī)律如圖乙所示，則(　　) 圖1 A．0.5～1s內(nèi)，電容器C正在充電 B．0.5～1s內(nèi)，電容器C上極板帶正電 C．1～1.5s內(nèi)，Q點電勢比P點電勢高 D．1～1.5s內(nèi)磁場能轉(zhuǎn)化為電場能 答案　AC 解析　0.5～1s內(nèi)，電流逐漸減小，是充電過程，電容器上極板帶負電，故選項A正確，B錯誤；1～1.5s內(nèi)，電流逐漸增大，是放電過程，電場能轉(zhuǎn)化為磁場能，故選項D錯誤；且電流沿逆時針方向流動，Q點電勢比P點的電勢高，故選項C正確． 11．為了增大無線電臺向空間輻射無線電波的能力，對LC振蕩電路結(jié)構(gòu)可采取下列的哪些措施(　　) A．增大電容器極板的正對面積 B．增大電容器極板的間距 C．增大自感線圈的匝數(shù) D．提高供電電壓 答案　B 解析　要增大無線電臺向空間輻射電磁波的能力，必須提高其振蕩頻率，由f＝知，可減小L和C以提高f，要減小L可采取減少線圈匝數(shù)，向外抽出鐵芯的辦法，要減小C可采取增大極板間距，減小正對面積，減小介電常數(shù)的辦法，故B正確，A、C、D錯誤． 12．(多選)應(yīng)用麥克斯韋的電磁場理論判斷表示電場產(chǎn)生磁場(或磁場產(chǎn)生電場)的關(guān)系圖像中(每個選項的上圖表示的是變化的場，下圖表示的是由變化的場產(chǎn)生的另外的場)正確的是(　　) 答案　BC 解析　A項中的上圖磁場是穩(wěn)定的，由麥克斯韋的電磁場理論可知周圍空間不會產(chǎn)生電場，A項中的下圖是錯誤的．B項中的上圖是均勻變化的電場，應(yīng)該產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場，下圖的磁場是穩(wěn)定的，所以B項正確．C項中的上圖是振蕩的磁場，它能產(chǎn)生同頻率的振蕩電場，且相位相差，C項是正確的．D項的上圖是振蕩的電場，在其周圍空間產(chǎn)生振蕩的磁場，但是下圖中的圖像與上圖相比較，相位相差π，故D項不正確，所以只有B、C正確． 13．(多選)LC振蕩電路中，某時刻的磁場方向如圖2所示，則(　　) 圖2 A．若磁場正在減弱，則電容器正在充電，電流由b向a B．若磁場正在減弱，則電場能正在增大，電容器上極板帶負電 C．若磁場正在增強，則電場能正在減小，電容器上極板帶正電 D．若磁場正在增強，則電容器正在充電，電流方向由a向b 答案　ABC 解析　若磁場正在減弱，則電流在減小，是充電過程，根據(jù)安培定則可確定電流由b流向a，電場能增大，上極板帶負電，故選項A、B正確；若磁場正在增強，則電流在增大，是放電過程，電場能正在減小，根據(jù)安培定則，可判斷電流由b流向a，上極板帶正電，故選項C正確，D錯誤． 14．為了體現(xiàn)高考的公平、公正，高考時很多地方在考場使用手機信號屏蔽器，該屏蔽器在工作過程中以一定的速度由低端頻率向高端頻率掃描．該掃描速度可以在手機接收報文信號時形成亂碼干擾，手機不能檢測從基站發(fā)出的正常數(shù)據(jù)，使手機不能與基站建立連接，達到屏蔽手機信號的目的，手機表現(xiàn)為搜索網(wǎng)絡(luò)、無信號、無服務(wù)系統(tǒng)等現(xiàn)象．由以上信息可知(　　) A．由于手機信號屏蔽器的作用，考場內(nèi)沒有電磁波了 B．電磁波必須在介質(zhì)中才能傳播 C．手機信號屏蔽器工作時基站發(fā)出的電磁波不能傳播到考場內(nèi) D．手機信號屏蔽器是通過發(fā)射電磁波干擾手機工作來達到目的的 答案　D 解析　電磁波在空間的存在，不會因手機信號屏蔽器而消失，故A錯．電磁波可以在真空中傳播，B錯．由題意知手機信號屏蔽器工作過程中以一定的速度由低端頻率向高端頻率掃描，干擾由基站發(fā)出的電磁波信號，使手機不能正常工作，故C錯誤，D正確．