2017-2018学年高中物理 第十四章 电磁波 第1-3节 电磁波的发现 电磁振荡 电磁波的发射和接收教学案 新人教版选修3-4

第13节 电磁波的发现 电磁振荡 电磁波的发射和接收1.英国物理学家麦克斯韦建立了经典电磁场理论：变化的磁场产生电场，变化的电场产生磁场。德国物理学家赫兹证实了电磁波的存在。2LC电路的周期(频率)公式：T2，f。3无线电波的发射和接收过程：调制发射接收调谐解调。 一、电磁场和电磁波1麦克斯韦电磁理论的两个基本假设(1)变化的磁场能够在周围空间产生电场。(2)变化的电场能够在周围空间产生磁场。图1411图1411甲变化的磁场在其周围空间产生电场。图乙变化的电场在其周围空间产生磁场。2电磁场变化的电场和变化的磁场交替产生，形成不可分割的统一体，称为电磁场。3电磁波(1)电磁波的产生：变化的电场和磁场交替产生而形成的电磁场是由近及远地传播的，这种变化的电磁场在空间的传播称为电磁波。(2)电磁波的特点：电磁波是横波，电磁波在空间传播不需要介质；电磁波的波长、频率、波速的关系：vf，在真空中，电磁波的速度c3.0108 m/s。(3)电磁波能产生反射、折射、干涉和衍射等现象。二、电磁振荡1振荡电流：大小和方向都随时间做周期性迅速变化的电流。2振荡电路：能够产生振荡电流的电路。最基本的振荡电路为LC振荡电路。3电磁振荡：在LC振荡电路中，电容器极板上的电荷量，电路中的电流，电场和磁场周期性相互转变的过程也就是电场能和磁场能周期性相互转化的过程。4电磁振荡的周期与频率(1)周期：电磁振荡完成一次周期性变化需要的时间。(2)频率：1 s内完成周期性变化的次数。振荡电路里发生无阻尼振荡时的周期和频率分别叫做固有周期、固有频率。(3)周期和频率公式：T2， f。三、电磁波的发射1要有效地发射电磁波，振荡电路必须具有两个特点：(1)要有足够高的振荡频率，频率越高，发射电磁波的本领越大。(2)应采用开放电路，振荡电路的电场和磁场必须分散到足够大的空间。2开放电路：实际的开放电路，线圈的一端用导线与大地相连，这条导线叫做地线，线圈的另一端高高地架在空中，叫做天线。3电磁波的调制：使电磁波随各种信号而改变的技术叫做调制。调制的方法有两种，一是调幅，使高频电磁波的振幅随信号的强弱而改变；另一种叫调频，使高频电磁波的频率随信号的强弱而改变。四、电磁波的接收1接收原理电磁波在传播时遇到导体会使导体中产生感应电流，所以导体可用来接收电磁波，这个导体就是接收天线。2电谐振当接收电路的固有频率跟接收到的电磁波的频率相等时，接收电路里产生的震荡电流最强，这种现象叫做电谐振。3调谐使电路中产生电谐振的过程叫做调谐。4解调使声音或图像信号从接收到的感应电流中还原出来，这个过程是调制的逆过程，叫做解调。5无线电波波长大于1_mm(频率低于300 GHz)的电磁波叫作无线电波。并按波长分成若干个波段，像长波、中波、短波、微波等。每个段所用的设备和技术不同，因此有不同的用途。1自主思考判一判(1)恒定电流周围产生磁场，磁场又产生电场。()(2)电磁波和光在真空中的传播速度都是3.0108 m/s。()(3)电容器放电完毕，电流最大。()(4)L和C越大，电磁振荡的频率越高。()(5)频率越高，振荡电路发射电磁波本领越大。()(6)当接收电路的固有频率和电磁波频率相同时，出现谐振现象。()(7)要使电视机的屏幕上出现图像，必须将电视机接收到的无线电信号解调。()2合作探究议一议(1)怎样才能形成电磁波？提示：变化的电场周围产生变化的磁场，变化的磁场周围产生变化的电场，在空间交替变化并传播出去的电磁场就形成了电磁波。(2)打开收音机的开关，转动选台旋钮，使收音机收不到电台的广播，然后开大音量。在收音机附近，将电池盒的两根引线反复碰撞，你会听到收音机中发出“喀喀”的响声。为什么会产生这种现象呢？打开电扇，将它靠近收音机，看看又会怎样。提示：电磁波是由电磁振荡产生的，在收音机附近，将电池盒两引线反复碰触，变化的电流产生变化的磁场，变化的磁场产生变化的电场，这样会发出电磁波，从而导致收音机中发出“喀喀”声。若将转动的电扇靠近收音机，因为电扇中电动机内通有交流电，电动机的运行同样会引起收音机发出“喀喀”声。(3)1895年，一位年轻的意大利人马可尼(公元18741937年)发明了无线电通信技术。从此，携带了人类信息的电磁波开始在空间自由旅行，人们不必依赖电线，就可以在遥远的地方互通信息。电视台发射电视信号为什么要建高耸入云的发射塔呢？图1412提示：电视信号要有效地发射出去，必须采用高频开放电路，电视信号所用电磁波的波长比较短，以直线传播为主，遇到障碍物会被阻挡，所以发射天线要架得高一些。对麦克斯韦电磁场理论的理解1电磁场的产生如果在空间某处有周期性变化的电场，那么这个变化的电场就在它周围空间产生周期性变化的磁场，这个变化的磁场又在它周围空间产生变化的电场变化的电场和变化的磁场是相互联系着的，形成不可分割的统一体，这就是电磁场。2对麦克斯韦电磁场理论的理解恒定的电场不产生磁场恒定的磁场不产生电场均匀变化的电场在周围空间产生恒定的磁场均匀变化的磁场在周围空间产生恒定的电场不均匀变化的电场在周围空间产生变化的磁场不均匀变化的磁场在周围空间产生变化的电场振荡电场产生同频率的振荡磁场振荡磁场产生同频率的振荡电场3对电磁波的理解(1)电磁波的传播不需要介质，可在真空中传播。在真空中，不同频率的电磁波传播速度是相同的(都等于光速)。(2)不同频率的电磁波，在同一介质中传播，其速度是不同的，频率越高，波速越小。(3)vf中，f是电磁波的频率，即为发射电磁波的LC振荡电路的频率：f，改变L或C即可改变f，从而改变电磁波的波长。 典例(多选)根据麦克斯韦电磁场理论，变化的磁场可以产生电场。当产生的电场的电场线如图1413所示时，可能是()图1413A向上方向的磁场在增强B向上方向的磁场在减弱C向上方向的磁场先增强，然后反向减弱D向上方向的磁场减弱，然后反向增强思路点拨 在电磁感应现象的规律中，当一个闭合回路中由于通过它的磁通量发生变化时，回路中就有感应电流产生，回路中并没有电源，电流的产生是由于磁场的变化。麦克斯韦把以上的观点推广到不存在闭合电路的情况，即变化的磁场产生电场。判断电场与磁场变化的关系仍可利用楞次定律，只不过是用电场线方向代替了电流方向。解析向上方向的磁场增强时，感应电流的磁场阻碍原磁场的增强而方向向下，根据安培定则感应电流方向如图中E的方向所示，选项A正确，B错误。同理，当磁场反向即向下的磁场减弱时，也会得到如图中E的方向，选项C正确，D错误。答案AC1关于电磁场理论，以下说法正确的是()A在电场周围一定会产生磁场B任何变化的电场周围空间一定会产生变化的磁场C均匀变化的电场会产生变化的磁场D周期性变化的电场会产生周期性变化的磁场解析：选D变化的电场周围一定产生磁场，但若电场不发生变化，则不能在周围空间产生磁场，选项A错误；均匀变化的电场只能在周围空间产生稳定的磁场，只有不均匀变化的电场才能在周围空间产生变化的磁场，选项B、C错误；周期性变化的电场(或磁场)在周围空间产生周期性变化的磁场(或电场)，选项D正确。2(多选)应用麦克斯韦的电磁场理论判断下列表示电场产生磁场(或磁场产生电场)的关系图像中，正确的是(每个选项中的上图表示变化的场，下图表示变化的场产生的另外的场)()解析：选BCA图中的上图表示磁场是稳定的，由麦克斯韦的电磁场理论可知周围空间不会产生电场，选项A错误；B图中的上图表示均匀变化的电场，会产生稳定的磁场，选项B正确；C图中的上图表示振荡的磁场，它能产生同频率的振荡电场，且相位相差/2，选项C正确；D图的上图表示振荡的电场，在其周围空间产生振荡的磁场，且相位相差/2，但是下图中的图像与上图相比较，相位相差，故选项D错误。3. (多选)如图1414所示，有一水平放置、内壁光滑、绝缘的真空圆形管，半径为R，有一带正电的粒子静止在管内，整个装置处于竖直向上的磁场中，要使带电粒子由静止开始沿管做圆周运动，所加磁场可能是()图1414A匀强磁场B均匀增加的磁场C均匀减少的磁场D由于洛伦兹力不做功，不管加什么磁场都不能使带电粒子运动解析：选BC磁场对静止的电荷不产生力的作用，但当磁场变化时可产生电场，电场对带电粒子产生电场力的作用，带电粒子在电场力作用下可以产生加速度，选项B、C正确。电磁振荡的变化规律1各物理量变化情况一览表时刻(时间)工作过程qEiB能量0放电过程qm0Em00im0BmE电E磁充电过程0qm0Emim0Bm0E磁E电放电过程qm0Em00im0BmE电E磁T充电过程0qm0Emim0Bm0E磁E电2振荡电流、极板带电荷量随时间的变化图像图1415典例 (多选)在LC振荡电路中，某时刻电路中的电流方向如图1416所示，且电流正在减小，则该时刻()图1416A电容器上极板带正电，下极板带负电B电容器上极板带负电，下极板带正电C电场能正在向磁场能转化D磁场能正在向电场能转化思路点拨(1)由电流减小可知，电容器正在充电。(2)电容器充电过程中，磁场能转化为电场能。解析电流正在减小，说明是充电过程，是磁场能向电场能的转化，D项正确，C项错误；充电过程电容器上极板带负电，下极板带正电，A项错误，B项正确。答案BDLC振荡电路充、放电过程的判断方法(1)根据电流流向判断：当电流流向带正电的极板时，电容器的电荷量增加，磁场能向电场能转化，处于充电过程；反之，当电流流出带正电的极板时，电荷量减少，电场能向磁场能转化，处于放电过程。(2)根据物理量的变化趋势判断：当电容器的带电量q(电压U、场强E)增大或电流i(磁场B)减小时，处于充电过程；反之，处于放电过程。(3)根据能量判断：电场能增加时充电，磁场能增加时放电。 1.如图1417所示，表示LC振荡电路某时刻的情况，以下说法正确的是()图1417A电容器正在充电B电感线圈中的磁场能正在减小C电感线圈中的电流正在减小D此时自感电动势正在阻碍电流的增加解析：选D根据磁感线的方向可以判断电流方向是逆时针，再根据电容器极板上带电的性质可以判断电容器在放电，A项错误；电容器在放电，所以电流在增加，磁场能在增加，自感电动势正在阻碍电流的增加，B、C项错误，D项正确。2如图1418所示是一个LC振荡电路中电流的变化图线，以下说法正确的是()图1418At1时刻电感线圈两端电压最大Bt2时刻电容器两极板间电压为零Ct1时刻电路中只有电场能Dt1时刻电容器所带电荷量为零解析：选D振荡过程中由于电感和电容的存在，电路不是纯电阻电路，故不满足欧姆定律的适用条件。由it图像可知t1时刻电流i最大，t2时刻电流i为零，误认为i与u满足欧姆定律I，从而错选A、B项。电流i最大时，说明磁场最强，磁场能最大，电场能为零，电压、电荷量均为零。3(多选)为了测量储罐中不导电液体的高度，将与储罐外壳绝缘的两块平行金属板构成的电容器C置于储罐中，电容器可通过开关S与线圈L或电源相连，如图1419所示。当开关从a拨到b时，由L与C构成的回路中产生的周期T2的振荡电流。当罐中液面上升时()图1419A电容器的电容减小B电容器的电容增大CLC回路的振荡频率减小DLC回路的振荡频率增大解析：选BC当罐中的液面上升时，电容器极板间的介电常数变大，由平行板电容器的电容公式知，电容增大，则选项A错误，B正确；由LC回路周期公式知，振荡周期增大，振荡频率减小，则选项C正确，D错误。无线电波的发射和接收1无线电波的发射和接收过程2“调幅”和“调频”是调制的两个不同的方式(1)高频电磁波的振幅随信号的强弱而变的调制方式叫调幅，一般电台的中波、中短波、短波广播以及电视中的图像信号采用调幅波。(2)高频电磁波的频率随信号的强弱而变的调制方式叫调频，电台的立体声广播和电视中的伴音信号，采用调频波。3解调是调制的逆过程声音、图像等信号频率相对较低，不能转化为电信号直接发射出去，而要将这些低频信号加载到高频电磁波信号上去。将声音、图像信号加载到高频电磁波上的过程就是调制。而将声音、图像信号从高频信号中还原出来的过程就是解调。4正确理解调谐的作用图14110世界上有许许多多的无线电台、电视台及各种无线电信号，如果不加选择全部接收下来，那必然是一片混乱，分辨不清。因此接收信号时，首先要从各种电磁波中把我们需要的选出来，通常叫选台。在无线电技术中是利用电谐振达到该目的的。典例(多选)关于电磁波的发射和接收，下列说法中正确的是()A为了使振荡电路有效地向空间辐射能量，电路必须是闭合的B音频电流的频率比较低，不能直接用来发射电磁波C当接收电路的固有频率与收到的电磁波的频率相同时，接收电路产生的振荡电流最强D要使电视机的屏幕上有图像，必须要有检波过程思路点拨求解本题应把握以下两点：(1)知道电磁波的发射和接收原理。(2)知道电谐振的原理。解析有效发射电磁波，必须采用开放电路和高频发射；一般的音频电流的频率较低，不能直接用来发射电磁波；电磁波接收原理是一种叫电谐振的现象，与机械振动中的共振有些相似；电视机显示图像时，必须通过检波过程，把有效的信号从高频调制信号中取出来，否则就不能显示，故A错误，B、C、D正确。答案BCD相近概念的辨析技巧(1)调频和调幅：这是调制的两种方式，使电磁波的频率随信号改变的调制方式叫调频；使电磁波的振幅随信号改变的调制方式叫调幅。(2)调制和解调：把低频电信号加载到高频等幅振荡电流上叫作调制；把低频电信号从高频载波中检出来叫解调，是调制的逆过程。 1(多选)要提高LC振荡电路发射电磁波的本领，应该采取的措施是()A增加辐射波的波长B使振荡电容的正对面积足够小C尽可能使电场和磁场分散开D增加回路中的电容和电感解析：选BC理论证明，电磁波发射本领(功率)与f成正比，电磁场应尽可能扩散到周围空间，形成开放电路。f，C，要使f增大，应减小L或C，B、C符合题意。2有一个LC接收电路，原来接收较低频率的电磁波，现在要想接收较高频率的电磁波，下列调节正确的是()A增加电源电压B使用调频的调制方式C把可动电容器的动片适当旋出一些D在线圈中插入铁芯解析：选C增大LC接收电路的频率，由公式f可知应减小电容或电感，A、B项错；把可动电容器的动片适当旋出一些，减小了电容，符合题目要求，C项正确；在线圈中插入铁芯，增大了电感，不合题意，D项错。3世界各地有许多无线电台同时广播，用收音机一次只能收听到某一电台的播音，而不是同时收听到许多电台的播音，其原因是()A因为收听到的电台离收音机最近B因为收听到的电台频率最高C因为接收到的电台电磁波能量最强D因为接收到的电台电磁波与收音机调谐电路的固有频率相同，产生了电谐振解析：选D选台就是调谐过程，使f固f电磁波，在接收电路中产生电谐振，激起的感应电流最强，D正确。1(多选)关于麦克斯韦的电磁理论及其成就，下列说法正确的是()A变化的电场可以产生磁场B变化的磁场可以产生电场C证实了电磁波的存在D预见了真空中电磁波的传播速度大于光速解析：选AB选项A和B是电磁理论的两大支柱，所以A和B正确；麦克斯韦预言了电磁波的存在，赫兹最早证实了电磁波的存在，C错误；麦克斯韦预见了真空中电磁波的传播速度等于光速，D错误。2在LC振荡电路中，当电容器充电完毕尚未开始放电时，下列说法正确的是()A电容器中的电场最强B电路里的磁场最强C电场能已有一部分转化成磁场能D磁场能已有一部分转化成电场能解析：选ALC振荡电路电容器充电完毕，电容器中电场最强，磁场最弱，电场能和磁场能之间还没有发生转化，故A正确。3(多选)调谐电路的可变电容器的动片从完全旋入到完全旋出仍接收不到较高频率电台发出的电信号，要收到电信号，应()A增大调谐电路中线圈的匝数B加大电源电压C减小调谐电路中线圈的匝数D将线圈中的铁芯取走解析：选CD该题考查实际问题的处理方法。当调谐电路的固有频率等于电台发出信号的频率时，发生电谐振才能收听到电台信号。由题意知收不到电信号的原因是调谐电路固有频率低，由f可知在C无法再调节前提下，可减小电感L，即可通过C、D的操作提高f。4(多选)电磁波与声波比较()A电磁波的传播不需要介质，声波的传播需要介质B由空气进入水中时，电磁波速度变小，声波速度变大C由空气进入水中时，电磁波波长变小，声波波长变大D电磁波和声波在介质中的传播速度，都是由介质决定，与频率无关解析：选ABC选项A、B均与事实相符，所以A、B正确；根据，电磁波波速变小，频率不变，波长变小；声波速度变大，频率不变，波长变大，所以选项C正确；电磁波在介质中的速度，与介质有关，也与频率有关，在同一种介质中，频率越大，波速越小，所以选项D错误。5. (多选)某时刻LC振荡电路的状态如图1所示，则此时刻()图1A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：选AD由电磁振荡的规律可知，电容器充电过程中，电流逐渐减小，电场能逐渐增大，磁场能逐渐减小，即磁场能正向电场能转化，故A、D正确。6收音机的调谐电路中线圈的自感系数为L，要想接收波长为的电磁波，应把调谐电路中电容器的电容调至(c为光速)()A.B.C. D.解析：选D接收电磁波必须进行调谐，使接收回路产生电谐振，由产生电谐振的条件f固f电磁波得，解得C，故正确答案为D。7(多选)如图2所示是一个调谐接收电路，甲、乙、丙为电路中的电流随时间变化的图像，则()图2Ai1是L1中的电流图像Bi1是L2中的电流图像Ci2是L2中的电流图像Di3是流过耳机的电流图像解析：选ACDL1中由于电磁感应，产生的感应电动势的图像是同甲图相似的，但是由于L2和D串联，所以当L2的电压与D反向时，电路不通，因此这时L2没有电流，所以L2中的电流图像应如丙图所示，丙图中的i2高频部分通过C2，通过耳机的电流如同丁图中的i3，只有低频的音频电流，故选项A、C、D正确。8LC振荡电路电容器的电容为3105 F，线圈的自感系数为3 mH，它与开放电路耦合后，(1)发射出去的电磁波的频率是多大？(2)发射出去的电磁波的波长是多大？解析：LC振荡电路与开放电路耦合后，振荡电路中产生的高频振荡电流通过两个电路线圈间的互感作用，使开放电路中也产生同频率的振荡电流，振荡电流在开放电路中激发出无线电波，向四周发射，所以发射出电磁波的频率就等于LC振荡电路中电磁振荡的频率。(1)发射出去的电磁波的频率f Hz530 kHz。(2)发射出去的电磁波的波长 m566 m。答案：(1)530 kHz(2)566 m9.实验室里有一水平放置的平行板电容器，知道其电容C1 F。在两板带有一定电荷时，发现一粉尘恰好静止在两板间。手头上还有一个自感系数L0.1 mH的电感器，现连成如图3所示电路，试分析以下两个问题：图3(1)从S闭合时开始计时，经过105s时，电容器内粉尘的加速度大小是多少？(2)当粉尘的加速度为多大时，线圈中电流最大？解析：(1)电键断开时，电容器内带电粉尘恰好静止，说明电场力方向向上，且F电mg，闭合S后，L、C构成LC振荡电路，T22105s，经105s时，电容器间的场强反向，电场力的大小不变，方向竖直向下，由牛顿第二定律得：a2g。(2)线圈中电流最大时，电容器两极间的场强为零，由牛顿第二定律可得：ag，方向竖直向下。答案：(1)2g(2)g14