浙江省版高中物理 第十四章 电磁波 第1课时 电磁波的发现 电磁振荡学案 新人教版选修34.docx

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第1课时　电磁波的发现　电磁振荡

[研究选考·把握考情]

知识内容

电磁波的发现

考试要求

加试a

教学要求

1.知道麦克斯韦预言了电磁波，说出麦克斯韦电磁理论的两个基本假设

2.知道电磁波的传播不需要介质

3.知道电磁波是横波，传播的速度等于光速，光是一种电磁波

4.知道赫兹用实验证实了电磁波的存在

5.了解麦克斯韦、赫兹对电磁学发展所做的巨大贡献

6.认识电磁波的物质性

7.了解电磁波和机械波的区别

8.知道变化的电场与变化的磁场相互激发产生了电磁波

9.体会电磁波研究过程中的科学思想方法

说明

不要求理解“变化的电场相当于一种电流”

知识内容

电磁振荡

考试要求

加试c

教学要求

1.知道LC振荡电路的组成，知道振荡电流是一种交变电流。

2.知道振荡过程中电感线圈和电容器的作用。

3.了解LC振荡电路的振荡周期（频率）与电感、电容的关系。

4.会用传感器观察振荡电流随时间变化的规律。

5.了解振荡过程中的能量转化及损失情况。

6.了解电容器极板上电荷量、电路中电流、电压的变化情况。

7.会用LC振荡电路的周期、频率公式进行简单的计算。

说明

不要求知道等幅振荡的概念及等幅振荡电路补充能量的方法。

知识点一　电磁波的发现

[基础梳理]

1.伟大的预言

（1）麦克斯韦电磁场理论的基本观点：

变化的磁场产生电场，变化的电场产生磁场。

（2）如果在空间某区域中有周期性变化的电场，那么它就在空间引起周期性变化的磁场；这个变化的磁场又引起新的变化的电场……于是，变化的电场和变化的磁场交替产生，由近及远向周围传播，形成了电磁波。

2.电磁波

（1）根据麦克斯韦电磁场理论，电磁波在真空中传播时，它的电场强度与磁感应强度互相垂直，而且二者均与波的传播方向垂直，因此电磁波是横波。

（2）电磁波在真空中传播的速度等于光速c，麦克斯韦指出了光的电磁本质。

3.赫兹的电火花

赫兹做了一系列的实验，观察到了电磁波的反射、折射、干涉、衍射和偏振等现象。

并通过测量证明，电磁波在真空中具有与光相同的速度。

这样，赫兹证实了麦克斯韦关于光的电磁理论，赫兹在人类历史上首先捕捉到了电磁波。

[即学即练]

1.关于电磁场理论，下列说法正确的是（　　）

A.在电场周围一定产生磁场，磁场周围一定产生电场

B.在变化的电场周围一定产生变化的磁场，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.周期性变化的电场周围一定产生周期性变化的磁场

解析　根据麦克斯韦电磁场理论，只有变化的电场能产生磁场，均匀变化的电场产生稳定的磁场，非均匀变化的电场才产生变化的磁场。

答案　D

2.下列关于电磁波的说法，正确的是（　　）

A.电磁波只能在真空中传播

B.电场随时间变化时一定产生电磁波

C.做变速运动的电荷会在空间产生电磁波

D.麦克斯韦第一次用实验证实了电磁波的存在

解析　电磁波是电磁场这种物质在空间的传播，它既可在真空中传播，也可在介质中传播，A错误；当电场随时间均匀变化时产生稳定的磁场，稳定的磁场不能再产生电场，故也就不能形成电磁波，B错误；做变速运动的电荷产生变化的磁场，变化的磁场在其周围空间产生变化的电场……电场、磁场交替产生，向外传播的过程就形成了电磁波，C正确；麦克斯韦从理论上预言了电磁波的存在，赫兹通过实验证实了电磁波的存在，D错误。

答案　C

知识点二　电磁振荡

[基础梳理]

1.电磁振荡的产生

（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。

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减少，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。

2.电磁振荡的周期和频率

（1）电磁振荡的周期T：

电磁振荡完成一次周期性变化需要的时间。

（2）电磁振荡的频率f：

1s内完成的周期性变化的次数。

（3）LC电路的周期T、频率f与自感系数L、电容C的关系是T＝2π

、f＝

。

[要点精讲]

要点1　电磁波与机械波的比较

1.电磁波和机械波的共同点

（1）二者都能产生干涉和衍射。

（2）二者在不同介质中传播时频率不变。

（3）二者都满足波的公式v＝

＝λf。

2.电磁波和机械波的区别

（1）二者本质不同

电磁波是电磁场的传播，机械波是质点机械振动的传播。

（2）传播机理不同

电磁波的传播机理是电磁场交替感应，机械波的传播机理是质点间的机械作用。

（3）电磁波传播不需要介质，而机械波传播需要介质。

（4）电磁波是横波，机械波既有横波又有纵波，甚至有的机械波同时有横波和纵波，例如地震波。

【例1】以下关于机械波与电磁波的说法中，正确的是（　　）

A.机械波和电磁波，本质上是一致的

B.机械波的波速只与介质有关，而电磁波在介质中的波速不仅与介质有关，而且与电磁波的频率有关

C.机械波可能是纵波，而电磁波必定是横波

D.它们都能发生反射、折射、干涉和衍射现象

解析　机械波由振动产生；电磁波由周期性变化的电场（或磁场）产生，机械波是能量波，传播需要介质，速度由介质决定，电磁波是物质波，波速由介质和自身的频率共同决定；机械波有横波，也有纵波，而电磁波一定是横波，它们都能发生反射、折射、干涉和衍射等现象，故选项B、C、D正确。

答案　BCD

要点2　电磁振荡中各物理量的变化情况

如图1所示

图1

【例2】某时刻LC振荡电路的状态如图2所示，则此时刻（　　）

图2

A.振荡电流i在减小

B.振荡电流i在增大

C.电场能正在向磁场能转化

D.磁场能正在向电场能转化

解析　题图中电容器上极板带正电荷，图中给出的振荡电流方向，说明负电荷向下极板聚集，所以电容器正在充电，

电容器充电的过程中，电流减小，磁场能向电场能转化，所以选项A、D正确。

答案　AD

名师点睛　在电磁振荡中各物理量变化是有规律的，我们要熟悉各物理量变化的特点，特别抓住关键的电量和电流的变化。

电量变大、电场强度、电场能变大；电流则变小，磁感应强度、磁场能变小。

判断出充、放电情况是解决问题的关键。

1.下列说法中正确的是（　　）

A.任何变化的磁场都要在周围空间产生变化的电场，振荡磁场在周围空间产生同频率的振荡电场

B.任何电场都要在周围空间产生磁场，振荡电场在周围空间产生同频率的振荡磁场

C.任何变化的电场都要在周围空间产生磁场，振荡电场在周围空间产生同频率的振荡磁场

D.电场和磁场总是相互联系着，形成一个不可分割的统一体，即电磁场

解析　根据麦克斯韦电磁场理论，如果电场（磁场）的变化是均匀的，产生的磁场（电场）是稳定的；如果电场（磁场）的变化是不均匀的，产生的磁场（电场）是变化的；振荡电场（磁场）在周围空间产生同频率的振荡磁场（电场）；周期性变化的电场和周期性变化的磁场总是相互联系着，形成一个不可分割的统一体，即电磁场。

故选项C正确。

答案　C

2.用麦克斯韦的电磁场理论判断，图中表示电场（或磁场）产生磁场（或电场）的正确图象是（　　）

解析　A图中的左图磁场是稳定的，由麦克斯韦的电磁场理论可知，其周围空间不会产生电场，A图错误；B图中的左图是均匀变化的电场，应该产生稳定的磁场，右图的磁场应是稳定的，所以B图错误；C图中的左图是振荡的磁

场，它能产生同频率的振荡电场，且相位相差

，C图正确，D图错误。

答案　C

3.手机A的号码为12345670002，手机B的号码为12345670008，用手机A拨打手机B时，手机B发出响声并且显示屏上显示手机A的号码为12345670002。

若将手机A置于一透明真空罩中，用手机B拨打手机A，则手机A（　　）

A.发出响声，并显示B的号码为12345670008

B.不发出响声，但显示B的号码为12345670008

C.不发出响声，但显示B的号码为12345670002

D.既不发出响声，也不显示号码

解析　电磁波可以在真空中传播，而声波的传播则需要介质，当手机B拨打手机A时（A置于一透明真空罩中），A能显示B的号码，不能发出响声，即选项B正确。

答案　B

4.在LC回路中，电容器两端的电压随时间t变化的关系如图3所示，则（　　）

图3

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，电容器的带电荷量不断增大

解析　电磁振荡中的物理量可分为两组：

①电容器带电量q，极板间电压u，电场强度E及电场能为一组；②自感线圈中的电流i，磁感应强度B及磁场能为一组。

同组量的大小变化规律一致，同增同减同为最大或为零。

异组量的大小变化规律相反，若q、E、u等量按正弦规律变化，则i、B等量必按余弦规律变化。

根据上述分析由题图可以看出，选项A、D正确。

答案AD　

选择题（在每小题给出的四个备选项中至少有一个是符合题目要求的。

）

1.建立了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.麦克斯韦

解析　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。

答案　D

2.按照麦克斯韦的电磁场理论，以下说法正确的是（　　）

A.恒定的电场周围一定产生恒定的磁场，恒定的磁场周围一定产生恒定的电场

B.变化的电场周围一定产生变化的磁场，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产生均匀变化的磁场，均匀变化的磁场周围产生均匀变化的电场

D.正弦规律变化的电场周围产生余弦规律变化的磁场，正弦规律变化的磁场周围产生余弦规律变化的电场

答案　D

3.下列说法中正确的是（　　）

A.电磁波只能在真空中传播

B.麦克斯韦第一次用实验证实了电磁波的存在

C.电磁场由发生区域向远处的传播就是电磁波

D.频率为750kHz的电磁波在真空中传播时，其波长为400m

解析　电磁波不仅可以在真空中传播，还可以在介质中传播，选项A错误；麦克斯韦预言了电磁波的存在，赫兹第一次用实验证实了电磁波的存在，选项B错误；电磁场的传播就是电磁波，选项C正确；频率为750kHz的电磁波的波长为λ＝

＝

m＝400m，选项D正确。

答案　CD

4.当电磁波的频率减小时，它在真空中的波长将（　　）

A.不变B.增大C.减小D.无法确定

解析　电磁波的波长为λ＝

，频率减小，波长增大，选项B正确。

答案　B

5.有关电磁波和声波，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.由空气进入水中传播时，电磁波的传播速度变小，声波的传播速度变大

C.电磁波是横波，声波也是横波

D.由空气进入水中传播时，电磁波的波长变短，声波的波长变长

解析　电磁波本身就是一种物质，它的传播不需要介质，而声波的传播需要介质，故选项A正确；电磁波由空气进入水中时，传播速度变小，但声波在水中的传播速度比其在空气中大，故选项B正确；电磁波的传播方向与E、B的方向都垂直，是横波，而声波是纵波，故选项C错误；电磁波由空气进入水中传播时，波速变小，波长变短，而声波由空气进入水中传播时，波速变大，波长变长，故选项D正确。

答案　ABD

6.关于LC振荡电路中电容器两极板上的电荷量，下列说法正确的是（　　）

A.电荷量最大时，线圈中振荡电流也最大

B.电荷量为零时，线圈中振荡电流最大

C.电荷量增大的过程中，电路中的磁场能转化为电场能

D.电荷量减少的过程中，电路中的磁场能转化为电场能

解析　电容器电荷量最大时，振荡电流为零，A错误；电荷量为零时，放电结束，振荡电流最大，B正确；电荷量增大时，磁场能转化为电场能，C正确；同理可判断D错误。

答案　BC

7.如图1所示的LC振荡电路中，已知某时刻电流i的方向指向A板，且正在增大，则此时（　　）

图1

A.A板带正电

B.线圈L两端电压在增大

C.电容器C正在充电

D.电场能正在转化为磁场能

解析　电路中的电流正在增大，说明电容器正在放电，选项C错误；电容器放电时，电流从带正电的极板流向带负电的极板，则A板带负电，选项A错误；电容器放电，电容器两板间的电压减小，线圈两端的电压减小，选项B错误；电容器放电，电场能减少，电流增大，磁场能增大，电场能正在转化为磁场能，选项D正确。

答案　D

8.在LC回路中发生电磁振荡时，以下说法正确的是（　　）

A.电容器的某一极板，从带最多的正电荷放电到这一极板充满负电荷为止，这一段时间为一个周期

B.当电容器放电完毕瞬间，回路中的电流为零

C.提高充电电压，极板上带更多的电荷时，能使振荡周期变大

D.要提高振荡频率，可减小电容器极板间的正对面积

解析　电容器某一极板从带最多的正电荷到带最多的负电荷这段时间，电容器完成了放电和反向充电过程，时间为半个周期，A错误；电容器放电完毕瞬间，电路中电场能最小，磁场能最大，故电路中的电流最大，B错误；振荡周期仅由电路本身决定，与充电电压等无关，C错误；提高振荡频率，就是减小振荡周期，可通过减小电容器极板正对面积减小电容C，达到增大振荡频率的目的，D正确。

答案　D

9.在LC振荡电路中，用以下的哪种方法可以使振荡频率增大一倍（　　）

A.自感L和电容C都增大一倍

B.自感L增大一倍，电容C减小一半

C.自感L减小一半，电容C增大一倍

D.自感L和电容C都减小一半

解析　据LC振荡电路频率公式f＝

，当L、C都减小一半时，f增大一倍，故选项D正确。

答案　D

10.LC振荡电路中，某时刻的磁场方向如图2所示，则（　　）

图2

A.若磁场正在减弱，则电容器正在充电，电流由b向a

B.若磁场正在减弱，则电场能正在增大，电容器上极板带负电

C.若磁场正在增强，则电场能正在减少，电容器上极板带正电

D.若磁场正在增强，则电容器正在充电，电流方向由a向b

解析　若磁场正在减弱，则电流在减小，是充电过程，根据安培定则可确定电流由b向a，电场能增大，上极板带负电，故选项A、B正确；若磁场正在增强，则电流在增大，是放电过程，电场能正在减小，根据安培定则，可判断电流由b向a，上极板带正电，故选项C正确，D错误。

答案　ABC

11.如图3所示为一个LC振荡电路中电流变化的图线，根据图线可判断（　　）

图3

A.t1时刻电感线圈两端电压最大

B.t2时刻电容器两板间电压为零

C.t1时刻电路中只有电场能

D.t1时刻电容器带电荷量为零

答案　D

12.如图4所示，LC电路的L不变，C可调，要使振荡的频率从700Hz变为1400Hz，则可以采用的办法有（　　）

图4

A.把电容增大到原来的4倍

B.把电容增大到原来的2倍

C.把电容减小到原来的

D.把电容减小到原来的

解析　由题意，频率变为原来的2倍，则周期就变为原来的

，由T＝2π

知，L不变，当C＝

C0时符合要求。

答案　D

13.如图5所示，在内壁光滑、水平放置的玻璃圆管内，有一直径略小于管内径的带正电的小球，正以速度v0沿逆时针方向匀速运动（俯视）。

若在此空间突然加上方向竖直向上、磁感应强度B随时间成正比例增加的变化磁场，设运动过程中小球的带电荷量不变，那么（　　）

图5

A.小球对玻璃管的压力不断增大

B.小球受到的磁场力不断增大

C.小球先沿逆时针方向做减速运动，过一段时间后，沿顺时针方向做加速运动

D.磁场力对小球一直不做功

解析　因为玻璃圆管所在处有均匀变化的磁场，在周围产生稳定的涡旋电场，对带正电的小球做功。

由楞次定律，判断电场方向为顺时针方向（俯视）。

在电场力作用下，小球先沿逆时针方向做减速运动，后沿顺时针方向做加速运动。

小球在水平面内沿轨迹半径方向受两个力作用；管内壁的弹力FN和磁场的洛伦兹力F＝Bqv，而且两个力的矢量和时刻等于小球做圆周运动的向心力。

考虑到小球速度大小的变化和方向的变化以及磁场强弱的变化，弹力FN和洛伦兹力F不一定始终在增大。

磁场力始终与圆周运动的线速度方向垂直，所以磁场力对小球不做功。

答案　CD