物理 第3章 电磁场与电磁波 3.1 麦克斯韦的电磁场理论 3.2 电磁波的发现同步备课 沪科版选修3-4

第3章3.1 麦克斯韦的电磁场理论3.2 电磁波的发现学习目标1.了解麦克斯韦电磁场理论的两大基本论点，能从这两个基本论点出发分析简单问题.2.知道麦克斯韦预言了电磁波的存在及其在物理学发展史上的意义.3.知道赫兹用实验证实了电磁波的存在.4.了解什么叫电磁振荡，了解LC回路中电磁振荡的产生过程及其固有周期(频率).5.了解有效发射电磁波的两个条件，知道电磁波的特点及其与机械波的异同.内容索引自主预习梳理 重点知识探究 当堂达标检测自主预习梳理1.法拉第创造性地用“ ”和“ ”的概念来描述电荷之间、磁体之间以及电与磁之间的相互作用.2.电磁场理论的两大支柱：(1) ；(2)_.3.赫兹用实验证明了麦克斯韦 的正确性.力线场变化的磁场产生电场变化的电场产生磁场电磁场理论4.电磁振荡(1)振荡电流：大小和 都做周期性变化的电流.(2)振荡电路：能够产生 的电路.图1就是一种基本的振荡电路，称为LC振荡电路.(3)电磁振荡：在振荡电路中，电路中的 、电容器极板上的 、电容器中的 和线圈中的 都要发生 的变化，这种现象叫做电磁振荡.方向振荡电流电流电荷电场强度图1磁感应强度周期性5.电磁波的特点(1)电磁波是 ；(2)电磁波在真空中的传播速度等于 ，约为_ m/s；(3)电磁波具有波的一般特征，波长、频率f、周期T和波速v之间的关系为v ；(4)电磁波也具有 .横波光在真空中的传播速度c能量3.0108f重点知识探究一、电磁场理论的两大支柱导学探究导学探究1.如图2所示，当磁棒相对一闭合线圈运动时，线圈中的电荷做定向移动，是因为受到什么力的作用？若把闭合线圈换成一个内壁光滑的绝缘环形管，管内有直径略小于环内径的带正电的小球，则磁棒运动过程中会有什么现象？小球受到的是什么力？答案图2答案答案电荷受到电场力作用做定向移动.当磁棒运动时，带电小球会做定向滚动，小球受到的仍然是电场力.2.以上现象说明什么问题？答案答案答案空间磁场变化，就会产生电场，与有没有闭合线圈无关.3.在如图3所示的含有电容器的交流电路中，电路闭合时，电路中有交变电流，导线周围存在磁场.那么在这个闭合电路的电容器中有电流吗？电容器两极板间存在磁场吗？答案答案答案电容器中无电流，两极板间存在磁场.图3知识深化知识深化1.电磁场理论的两大支柱电磁场理论的两大支柱(1)变化的磁场产生电场；(2)变化的电场产生磁场.2.对麦克斯韦电磁场理论的理解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例例1 (多选)根据麦克斯韦电磁场理论，下列说法正确的是A.在电场的周围空间，一定存在着和它联系着的磁场B.在变化的电场周围空间，一定存在着和它联系着的磁场C.恒定电流在其周围不存在磁场D.恒定电流周围存在着稳定的磁场解析答案解析解析电场按其是否随时间变化分为稳定电场(静电场)和变化电场(如运动电荷形成的电场)，稳定电场不产生磁场，只有变化的电场周围空间才存在对应的磁场，故B对，A错；恒定电流周围存在稳定磁场，磁场的方向可由安培定则判断，D对，C错.二、电磁振荡导学探究导学探究把自感线圈、可变电容器、示波器、电源和单刀双掷开关按图4连成电路.先把开关置于电源一边，为电容器充电，稍后再把开关置于线圈一边，使电容器通过线圈放电.1.在示波器显示屏上看到的是电流的图像还是线圈两端电压的图像？是什么形状的图像？答案答案答案示波器呈现的是线圈两端电压的图像.图像呈周期性变化，类似家庭电路所用的交流电.图42.调节电容器电容的大小，图像如何变化？答案答案答案电容变小时，图像周期变小；电容变大时，图像周期变大.知识深化知识深化1.电磁振荡的过程如图5所示，图6是电路中的振荡电流、电容器极板带电荷量随时间的变化图像.图5图62.各物理量的变化情况时刻(时间) 工作过程qEiB能量0放电瞬间qmEm00E电最大E磁最小0放电过程qm0Em00im0BmE电E磁放电结束00imBmE电最小E磁最大充电过程0qm0Emim0Bm0E磁E电充电结束qmEm00E电最大E磁最小放电过程qm0Em00im0BmE电E磁放电结束00imBmE电最小E磁最大T充电过程0qm0Emim0Bm0E磁E电T充电结束qmEm00E电最大E磁最小3.电磁振荡的周期和频率周期 .其中周期T、频率f、自感系数L、电容C的单位分别是秒(s)、赫兹(Hz)、亨(H)、法(F).延伸思考延伸思考为什么放电完毕时，电流反而最大？答案答案答案开始放电时，由于线圈的自感作用，放电电流不能瞬间达到最大值，而是逐渐增大，随着线圈的阻碍作用减弱，放电电流增加变快，当放电完毕时，电流达到最大值.例例2 如图7所示为LC振荡电路中电容器的极板带电荷量随时间变化曲线，下列判断中正确的是在b和d时刻，电路中电流最大在ab时间内，电场能转变为磁场能a和c时刻，磁场能为零在Oa和cd时间内，电容器被充电A.只有和 B.只有和C.只有 D.只有和解析答案图7解析解析a和c时刻是充电结束时刻，此时刻电场能最大，磁场能最小为零，正确；b和d时刻是放电结束时刻，此时刻电路中电流最大，正确；ab是放电过程，电场能转化为磁场能，正确；Oa是充电过程，而cd是放电过程，错误.三、电磁波的发射导学探究导学探究如今在我们周围空间充满了各种频率不同、传递信息各异的电磁波，你知道这些电磁波是如何发射出去的吗？答案答案答案由巨大的开放电路发射出去的.知识深化知识深化1.有效地向外发射电磁波时，振荡电路必须具有的两个特点：(1)利用开放电路发射电磁波.(2)提高振荡频率.2.实际应用的开放电路(如图8)，线圈的一端用导线与大地相连，这条导线叫地线；线圈的另一端与高高地架在空中的天线相连.图8例例3 要提高LC振荡电路辐射电磁波的本领，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答案解析解析理论证明，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.而 要使f增大，应减小L或C，只有B符合题意.电磁波是电磁现象，机械波是力学现象，两者都具有波的特性，但它们具有本质的不同，你能举例说明吗？四、电磁波及其与机械波的比较导学探究导学探究答案答案答案例如机械波的传播依赖于介质的存在，但电磁波的传播则不需要介质.知识深化知识深化电磁波与机械波的比较电磁波与机械波的比较电磁波机械波研究对象电磁现象力学现象周期性电场强度E和磁感应强度B随时间和空间做周期性变化位移随时间和空间做周期性变化传播情况传播无需介质，在真空中波速总等于光速c，在介质中传播时，波速与介质及频率都有关传播需要介质，波速与介质有关，与频率无关产生机理由电磁振荡(周期性变化的电流)激发由(波源)质点的振动产生是否横波是可以是是否纵波否可以是干涉现象满足干涉条件时均能发生干涉现象衍射现象满足衍射条件时均能发生明显衍射例例4 (多选)关于电磁波与声波，下列说法正确的是A.电磁波是电磁场由发生的区域向远处传播，声波是声源的振动向远处 传播B.电磁波的传播不需要介质，声波的传播有时也不需要介质C.由空气进入水中传播时，电磁波的传播速度变小，声波传播速度变大D.由空气进入水中传播时，电磁波的波长不变，声波的波长变小解析答案解析解析由电磁波和声波的概念可知A正确.因为电磁波可以在真空中传播，而声波属于机械波，它的传播需要介质，在真空中不能传播，故B错.电磁波在空气中的传播速度大于在水中的传播速度，在真空中的传播速度最大；声波在气体、液体、固体中的传播速度依次增大，故C正确.无论是电磁波还是声波，从一种介质进入另一种介质时频率都不变，所以由波长 及它们在不同介质中的速度可知，由空气进入水中时，电磁波的波长变短，声波的波长变长，故D错.课堂要点小结课堂要点小结当堂达标检测1.(多选)下列说法正确的是A.电荷的周围一定有电场，也一定有磁场B.均匀变化的电场在其周围空间一定产生磁场C.任何变化的电场在其周围空间一定产生变化的磁场D.正弦交变的电场在其周围空间一定产生同频率交变的磁场12解析答案3解析解析静止的电荷周围有恒定的电场，不产生磁场，运动的电荷周围的电场是变化的，所以产生磁场，A错误；由麦克斯韦电磁场理论判断B、D正确，C错误.1232.(多选)关于电磁波的特点，下列说法正确的是A.电磁波中的电场和磁场互相垂直，电磁波沿与二者垂直的方向传播B.电磁波是横波C.电磁波的传播不需要介质，是电场和磁场之间的相互感应D.电磁波不具有干涉和衍射现象解析答案123解析解析电磁波是横波，其E、B、v三者互相垂直.电磁波也是一种波，它具有波的特性，因此A、B、C正确，D错.1233.如图9所示的电路中，L是电阻不计的电感线圈，C是电容器，开关S接1，待电路稳定后，将开关S改接2，则A.电容器开始放电，放电过程中电感线圈的磁场能减小B.电容器开始放电，放电过程中电感线圈阻碍电流增大C.若增大电容器极板间距，电容器充放电时间变长D.若去掉线圈中的铁芯，电容器充放电频率会减小解析答案图9123解析解析开关S接1时，电容器充电，稳定后，则充电完毕，所以当开关改接2时，电容器即开始放电，电场能转化为磁场能，所以A错误；电感线圈由于自感作用，要阻碍电流的增大，B正确；增大电容器极板间距，则电容减小，由T2 可知周期变短，C错误；去掉铁芯，线圈自感系数减小，周期减小，频率增大，D错误.123