(精品)2　电磁振荡

,第三章,1,电磁振荡,2,电磁场和,电磁波,学习,目标,1,.,了解振荡电流、,LC,回路中振荡电流的产生过程，会求,LC,回路的周期与频率,.,2,.,了解阻尼振荡和无阻尼振荡,.,3,.,了解麦克斯韦电磁理论的基础内容以及在物理发展史上的物理意义,.,4,.,了解电磁波的基本特点及其发展过程，通过电磁波体会电磁场的物理性质,.,内容索引,知识探究,题型探究,达标检测,知识探究,一、电磁振荡,如图,1,所示，将开关,S,掷向,1,，先给电容器充电，再将开关掷向,2,，从此时起，电容器通过线圈放电，放电过程中，电容器的电场能转化为什么形式的能？线圈中的电流发生变化时，线圈中是否会产生自感电动势？自感电动势产生什么效果？当线圈中的电流减小时，是否会对电容器充电？此时线圈中的磁场能转化为什么形式的能,？,导学探究,图,1,答案,答案,电容器的放电过程中电场能转化为磁场能,.,线圈,中的电流发生变化时，线圈中会产生自感电动势，阻碍线圈中电流的变化,；线圈,中电流减小时，对电容器,充电，线圈,中的磁场能转化为电容器的电场能,.,1.,振荡电流和振荡电路,(1),振荡电流,：,和,都,随时间做周期性迅速变化的电流,.,(2),振荡电路：能够,产生,的,电路,.,(3),LC,振荡电路：,由,和,组成,的电路，是最简单的振荡电路,.,知识梳理,大小,方向,振荡电流,线圈,L,电容器,C,2.,电磁振荡过程分析,振荡电,流图像,电路,状态,时刻,t,0,T,电量,q,最多,0,最多,0,最多,电场能,最大,0,最大,0,最大,电流,i,0,正向最大,0,反向最大,0,磁场能,0,最大,0,最大,0,3.,无阻尼振荡和阻尼振荡,(1),无阻尼振荡：如图,2,所示，如果没有,_,损失，振荡电流的,永远保持不变的电磁振荡,.,能量,振幅,图,2,图,3,(2),阻尼振荡：如图,3,所示，,逐渐损耗，振荡电流的,逐渐减小，直到停止振荡的电磁振荡,.,能量,振幅,即学即用,判断下列说法的正误,.,(1),LC,振荡电路的电容器放电完毕时，回路中磁场能最小,.,( ),(2),LC,振荡电路的电容器极板上电荷量最多时，电场能最大,.,( ),(3),LC,振荡电路中电流增大时，电容器上的电荷一定减少,.,( ),(4),LC,振荡电路的电流为零时，线圈中的自感电动势最大,.,( ),二、电磁振荡的周期和频率,如图,4,所示的电路，,(1),如果仅更换自感系数,L,更大的线圈，将开关,S,掷向,1,，先给电容器充电，再将开关掷向,2,，电容器通过线圈放电，线圈因自感现象产生的自感电动势是否更大？,“,阻碍,”,作用是否也更大？由于延缓了振荡电流的变化，振荡周期,T,会怎样,变化？,导学探究,答案,自感电动势更大，阻碍作用更大，周期变长,.,答案,图,4,(2),如果仅更换电容,C,更大的电容器，将开关,S,掷向,1,，先给电容器充电，电容器的带电荷量是否增大？再将开关掷向,2,，电容器通过线圈放电，放电时间是否相应地变长？振荡周期,T,是否变长,？,答案,带电荷量增大，放电时间变长，周期变长,.,答案,1.,周期：电磁振荡完成一,次,需要,的时间,.,频率：,1 s,内完成的周期性变化,的,.,2.,固有周期和频率,振荡电路里,发生,振荡,时的周期和频率叫做振荡电路的固有周期、固有频率，简称振荡电路的周期和频率,.,3.,LC,振荡电路的周期,T,和频率,f,跟电感线圈的电感,L,和电容器的电容,C,的,关系是,知识梳理,周期性变化,次数,无阻尼,即,学即用,判断下列说法的正误,.,(1),LC,振荡电路中，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,.,( ),(2),要提高,LC,振荡电路的振荡频率，可以减小电容器极板的正对面积,.,(,),(3),LC,振荡电路线圈的自感系数增大为原来的,4,倍，振荡周期增大为原来的,2,倍,.,( ),(4),提高充电电压，极板上带更多的电荷时，能使振荡周期变大,.,( ),(1),如图,5,甲所示，磁铁相对闭合线圈上下运动时，闭合线圈中的电荷做定向移动，是因为受到什么力的作用？这能否说明变化的磁场产生了电场？如果没有导体，会产生电场吗？,三、麦克斯韦电磁理论,导学探究,答案,电荷受到电场力作用做定向移动,.,电场力是由电场施加的，这说明变化的磁场产生了电场,.,如果没有导体，仍会产生电场，与有没有闭合线圈无关,.,图,5,答案,(2),如图乙所示，用手摇发电机给电容器充电或电容器放电时，电容器周围的小磁针发生摆动，小磁针受到什么力的作用？这能否说明变化的电场产生了磁场？如果没有小磁针，磁场是否也存在？,答案,小,磁针,受到磁场力作用而摆动，磁场力是由磁场产生的，这说明变化的电场产生了磁场,.,没有小磁针，磁场仍然存在,.,答案,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,.,如图,6,所示，在变化的磁场中放一个闭合电路，电路里就会,产生,.,(,2),变化的电场能够在周围空间,产生,，,如图,7,所示,.,知识梳理,电场,感应电流,磁场,图,6,图,7,2.,均匀变化的磁场,产生,的电场，,振荡变化的磁场产生变化的电场；均匀变化的电场,产生,的,磁场，振荡变化的电场产生变化的磁场,.,3.,周期性变化的磁场,产生,的,电场，周期性变化的电场又会,产生,的,磁场，因此变化的磁场和变化的电场会交替产生，形成不可分离的统一体，即电磁场,.,恒定,恒定,周期性变化,周期性变化,即学即用,判断下列说法的正误,.,(1),在电场周围，一定存在着和它联系着的磁场,. (,),(2),在变化的电场周围，一定存在着和它联系着的磁场,.,( ),(3),在磁场周围一定存在着和它联系着的电场,. (,),(4),在变化的磁场周围一定会产生变化的电场,.,( ),(5),在变化的磁场周围可能会产生恒定的电场,. (,),如图,8,所示是赫兹证明电磁波存在的实验装置，当接在高压感应圈上的两金属球间有电火花时，导线环上两小球间也会产生电火花，这是为什么？这个实验证实了什么问题？,四、电磁波,导学探究,答案,当,A,、,B,两金属球间产生电火花时就会产生变化的电磁场，这种变化的电磁场传播到导线环时，它在导线环中激发出感应电动势，使导线环上两小球间也会产生电火花,.,这个实验证实了电磁波的存在,.,图,8,答案,1.,电磁波的产生：,由,的,电场和磁场交替产生而形成的电磁场是由近及远传播的，这种变化的电磁场在空间的传播称为电磁波,.,2,.,在,1865,年从理论上预见了电磁波的存在，,1888,年,物理学家,_,第一次,用实验证实了电磁波的存在,.,还,运用自己精湛的实验技术测定了电磁波的波长和频率，得到了电磁波的传播速度，证实了这个速度,等于,.,3.,电磁波的波长,、波速,v,和周期,T,、频率,f,的关系：,v,T,_,.,4.,电磁波在真空中的传播速度,v,.,知识梳理,变化,麦克斯韦,赫兹,赫兹,光速,c,3,10,8,m/s,即学即用,判断下列说法的正误,.,(1),电磁波的传播速度等于声速,. (,),(2),电磁波不能在真空中传播,.,( ),(3),电磁波的电场强度和磁场强度相互垂直，且二者与波的传播方向垂直,.,(,),(4),电磁波是横波,. (,),题型探究,一、电磁振荡中各物理量的变化情况,如图,9,所示,图,9,例,1,(,多选,),LC,振荡电路中，某时刻的磁场方向如图,10,所示，则,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，则电场能正在减小，,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,答案,图,10,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,.,针对训练,(,多选,),在如图,11(a),所示的,LC,振荡电路中，通过,P,点的电流随时间变化的图线如图,(b),所示，若把通过,P,点向右的电流规定为,i,的正方向，,则,A.0,至,0.5 ms,内，电容器,C,正在充电,B.0.5 ms,至,1 ms,内，电容器上极板带正电,C.1 ms,至,1.5 ms,内，,Q,点比,P,点电势高,D.1.5 ms,至,2 ms,内，磁场能在减少,解析,答案,图,11,解析,由题图,(b),知,0,至,0.5 ms,内,i,在增大，应为放电过程，,A,错误,.,0.5,ms,至,1 ms,内，电流在减小，应为充电过程，电流方向不变，电容器上极板带负电，,B,错误,.,在,1 ms,至,1.5 ms,内，为放电过程，电流方向改变，,Q,点比,P,点电势高，,C,正确,.,1.5,ms,至,2 ms,内为充电过程，磁场能在减少，,D,正确,.,二、电磁振荡的周期和频率,1.,由,公式,可知,T,、,f,取决于,L,、,C,，与极板所带电荷量、两板间电压无关,.,2.,L,、,C,的决定因素,L,一般由线圈的长度、横截面积、单位长度上的匝数及有无铁芯决定，,电,容,C,由公式,C,可知,，与电介质的介电常数,r,、极板正对面积,S,及板间距离,d,有关,.,例,2,为了增大,LC,振荡电路的固有频率，下列办法中可采取的,是,A.,增大电容器两极板的正对面积并在线圈中放入铁芯,B.,减小电容器两极板的距离并增加线圈的匝数,C.,减小电容器两极板的距离并在线圈中放入铁芯,D.,减小电容器两极板的正对面积并减小线圈的匝数,解析,本题考查,LC,振荡电路的频率,公式,f,.,由此式可知增大固有,频,率,f,的办法是减小,L,或减小,C,或同时减小,L,和,C,.,增大电容器两极板的正对面积或减小电容器两极板的距离，则,C,增大，减小正对面积或增大电容器两极板的距离，则,C,减小,.,在线圈中放入铁芯或增加线圈的匝数则,L,增大，减小线圈的匝数则,L,减小，故选项,D,正确,.,解析,答案,三、麦克斯韦电磁理论,1.,恒定的磁场不会产生电场；同样，恒定的电场也不会产生磁场,.,2.,均匀变化的电场在周围空间产生恒定的磁场；同样，均匀变化的磁场在周围空间产生恒定的电场,.,3.,振荡变化的磁场在周围空间产生同频率振荡的电场；同样，振荡变化的电场在周围空间产生同频率振荡变化的磁场,.,例,3,(,多选,),应用麦克斯韦的电磁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,(,每个选项中的上图是表示变化的场，下图是表示变化的场产生的另外的场,),，正确的,是,解析,答案,解析,A,图中的上图磁场是稳定的，由麦克斯韦的电磁理论可知周围空间不会产生电场，,A,图中的下图是错误的,.,B,图中的上图是均匀变化的电场，应该产生恒定的磁场，下图的磁场是恒定的，所以,B,图正确,.,C,图中的上图是振荡的磁场，它能产生同频率的振荡电场，且相位,相差,，,C,图是正确的,.,D,图的上图是振荡的电场，在其周围空间产生振荡的磁场，但是下图中的图像与上图相比较，相位相差,，故不正确，所以只有,B,、,C,两图正确,.,四、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,f,.,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,.,解析,答案,例,4,(,多选,),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,.,总结,提升,机械波的传播速度完全由介质决定，而电磁波的传播速度是由介质和频率共同决定,.,达标,检测,1. (,多选,),在,LC,回路中，电容器两端的电压,u,随时间,t,变化的关系如图,12,所示，则,A.,在时刻,t,1,，电路中的电流最大,B.,在时刻,t,2,，电路中的磁场能最大,C.,从时刻,t,2,至,t,3,，电路的电场能不断增大,D.,从时刻,t,3,至,t,4,，电容器的带电荷量不断增大,解析,答案,1,2,3,4,图,12,解析,电磁振荡中的物理量可分为两组：,电容器带电荷量,q,、极板间电压,u,、电场强度,E,及电场能为一组,.,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，本题正确选项为,A,、,D.,1,2,3,4,2.,在,LC,振荡电路中，用以下的哪种办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,答案,1,2,3,4,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,是正确的,.,解析,3.,某电路中电场随时间变化的图像如下列各图所示，能发射电磁波的电场,是,解析,图,A,中电场不随时间变化，不会产生磁场；图,B,和图,C,中电场都随时间做均匀的变化，只能在周围产生稳定的磁场，也不会产生和发射电磁波；图,D,中电场随时间做不均匀的变化，能在周围空间产生变化的磁场，而该磁场的变化也是不均匀的，又能产生变化的电场，从而交织成一个不可分割的统一体，即形成电磁场，能发射电磁波,.,1,2,3,4,答案,解析,4.(,多选,),下列关于电磁波的说法中，正确的是,A.,电磁波是电磁场由发生区域向远处的传播,B.,电磁波在任何介质中的传播速度均为,3,10,8,m/s,C.,电磁波由真空进入介质传播时，波长将变短,D.,电磁波不能产生干涉、衍射现象,1,2,3,4,解析,电磁波在真空中的传播速度为光速,c,3,10,8,m/s,，且,c,f,，从一种介质进入另一种介质，频率不变，但速度、波长会变,.,电磁波仍具有波的特征，电磁波,只有,在真空中的速度才为,3,10,8,m,/s,，在其他介质中的传播速度小于,3,10,8,m/,s.,答案,解析,