高中物理第十四章电磁波第12节电磁波的发现电磁振荡学案新人教版选修34Word文件下载.docx
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麦克斯韦对该问题的见解:
电路里有感应电流产生,一定是变化的磁场产生了电场,自由电荷在电场的作用下发生了定向移动。
该现象的实质:
变化的磁场产生了电场。
2.变化的电场产生磁场
麦克斯韦大胆地假设,既然变化的磁场能产生电场,变化的电场也会在空间产生磁场。
[辨是非](对的划“√”,错的划“×
”)
1.变化的磁场会产生变化的电场。
(×
)
2.变化的电场会产生磁场。
(√)
3.电场周围一定存在磁场,磁场周围一定存在电场。
[释疑难·
对点练]
1.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
2.对电磁场的理解
(1)电磁场的产生:
如果在空间某区域有周期性变化的电场,那么这个变化的电场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新的周期性变化的电场……变化的电场和变化的磁场交替产生,形成了不可分割的统一体,这就是电磁场。
(2)电磁场与静电场、静磁场的比较:
三者可以在某空间混合存在,但由静电场和静磁场混合的空间不属于电磁场。
电磁场是电场、磁场相互激发,相互耦联形成的统一体。
[试身手]
1.(多选)某电路的电场随时间变化的图象如图所示,能产生磁场的电场是( )
解析:
选BCD 题图A中电场不随时间变化,不产生磁场;
题图B和题图C中电场都随时间做均匀变化,能产生稳定的磁场;
题图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。
电磁波
1.电磁波的产生
如果空间某区域存在不均匀变化的电场,那么它就会在空间引起不均匀变化的磁场,这一不均匀变化的磁场又引起不均匀变化的电场——于是变化的电场和变化的磁场交错产生,由近及远向周围传播,形成电磁波。
2.电磁波是横波
根据麦克斯韦的电磁场理论,电磁波中的电场强度和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。
3.电磁波的速度
麦克斯韦指出了光的电磁本性,他预言电磁波的速度等于光速。
4.电磁波的验证
1886年,赫兹用实验证明了麦克斯韦预言的正确性,第一次捕捉到了电磁波。
(1)赫兹的实验装置,如图所示
(2)实验现象:
当感应圈两个金属球间有火花跳过时,导线环两个小球间也跳过火花。
(3)现象分析:
当感应圈使得与它相连的两个金属球间产生电火花时,空间出现了迅速变化的电磁场。
这种电磁场以电磁波的形式在空间传播。
当电磁波到达导线环时,它在导线环中激发出感应电动势,使得导线环的空隙中也产生了火花。
1.麦克斯韦预言了电磁波的存在。
2.赫兹用实验证实了电磁波的存在。
3.电磁波的传播需要介质,不能在真空中传播。
)
电磁波与机械波的比较
电磁波是电磁现象,机械波是力学现象,两种波因产生机理不同,除具有波的共性外,还有不同之处。
机械波
研究对象
力学现象
电磁现象
周期性
位移随时间和空间做周期性变化
电场强度E和磁感应强度B随时间和空间做周期性变化
传播情况
传播需要介质,波速与介质有关,与频率无关
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
产生机理
由(波源)质点的振动产生
由电磁振荡(周期性变化的电流)激发
是否横波
可以是
是
是否纵波
否
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
2.(多选)关于电磁波与机械波,下列说法正确的是( )
A.电磁波传播不需要介质,机械波传播需要介质
B.电磁波在任何介质中传播速率都相同,机械波在同一种介质中传播速率都相同
C.电磁波和机械波都不能发生干涉
D.电磁波和机械波都能发生衍射
选AD 电磁波的波速与介质和频率都有关,传播时无需介质,而机械波的传播速度只与介质有关,传播时需要介质,故A对,B错;
电磁波和机械波都具有波的一些特征,包括干涉和衍射,故C错,D对。
电磁振荡
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变少,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。
3.电磁振荡的实质
在电磁振荡过程中,电容器极板上的电荷量,电路中的电流及与振荡电流相联系的电场和磁场都在周期性的变化,电场能和磁场能周期性的转化。
4.电磁振荡的周期和频率
(1)周期:
电磁振荡完成一次周期性变化需要的时间。
(2)频率:
1s内完成的周期性变化的次数。
如果振荡电路没有能量损失,也不受其他外界影响,这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:
T=2π,f=。
1.当振荡电路中流过电感线圈的电流最大时,其两端电压最大。
2.LC振荡电路是产生振荡电流最简单的振荡电路。
3.大小和方向做周期性变化的电流叫振荡电流。
振荡过程中各物理量的变化情况
给LC回路提供能量后,利用电容器的充放电作用和线圈产生自感的作用,使LC回路中产生振荡电流,同时电容器极板上电荷q及与q相关联的电场(E,U,E电),通电线圈的电流i及与i相关联的磁场(B,E磁)都发生周期性变化的现象,称电磁振荡。
其中,产生的大小和方向都周期性变化的电流称振荡电流。
产生振荡电流的电路称振荡电路。
最简单的振荡电路是LC振荡电路。
(1)各物理量变化情况一览表:
带电荷量q
电场强度E
电势差U
电场能
电流i
磁感应强度B
磁场能
0→电容器放电
减小
增大
t=时刻
最大
→反向充电
→反向放电
→T电容器充电
(2)振荡电流、极板带电荷量随时间的变化图象:
3.(多选)在LC回路产生电磁振荡的过程中,下列说法正确的是( )
A.电容器放电完毕时刻,回路中磁场能最小
B.回路中电流值最大时刻,回路中磁场能最大
C.电容器极板上电荷最多时,电场能最大
D.回路中电流值最小时刻,电场能最小
选BC 电容器放电完毕时,q=0,但此时i最大,所以磁场能最大,则A错;
电流最小i=0时,q最多,极板间电场最强,电场能最大,则D错;
同理分析,选项B、C对。
麦克斯韦电磁场理论
[典例1] 根据麦克斯韦电磁场理论,下列说法正确的是( )
A.有电场的空间一定存在磁场,有磁场的空间也一定能产生电场
B.在变化的电场周围一定产生变化的磁场,在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.周期性变化的磁场周围空间一定产生周期性变化的电场
[解析]选D 根据麦克斯韦电磁场理论,只有变化的电场才能产生磁场,均匀变化的电场产生恒定的磁场,非均匀变化的电场产生变化的磁场,只有D正确。
[典例2] (多选)电磁波和声波比较,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.由空气进入水中时,电磁波的速度变小,声波的速度变大
C.由空气进入水中时,电磁波的波长变小,声波的波长变大
D.由空气进入水中时,电磁波的频率变小,声波的频率变大
[解析]选ABC 选项A、B与事实相符,电磁波本身是物质的,传播不需要介质,而机械波的传播必须借助介质,机械波的波速由介质决定,电磁波进入介质后的传播遵守折射原理,A、B正确;
不论是电磁波还是机械波,传播过程中频率是不变的,选项D错误;
由公式λ=可知C正确。
电磁波和机械波都遵守波长、波速、频率的关系公式λ=,电磁波进入介质遵守公式n=。
电磁振荡过程的分析
[典例3] LC振荡中,某时刻磁场方向如图所示,则下列说法错误的是( )
A.若磁场正在减弱,则电容器上极板带正电
B.若电容器正在放电,则电容器上极板带负电
C.若电容器上极板带正电,则线圈中电流正在增大
D.若电容器正在放电,则自感电动势正在阻碍电流增大
[解析]选C 该题图中标明了电流的磁场方向,由安培定则可判断出振荡电流在线圈中逆时针(俯视)流动。
若该时刻电容器上极板带正电,则可知电容器处于充电阶段,电流正在减小,知A选项正确;
若该时刻电容器上极板带负电,则可知电容器正在放电,电流正在增大,知B选项正确;
由楞次定律知D选项正确。
错误选项只有C。
[典例4] 如图所示是一个LC振荡电路中电流的变化图线,以下说法正确的是( )
A.t1时刻电感线圈两端电压最大
B.t2时刻电容器两极板间电压为零
C.t1时刻电路中只有电场能
D.t1时刻电容器所带电荷量为零
[解析]选D 由题图可知t1时刻电流i最大,说明放电结束,磁场能最大,电场能为零,电压、电荷量均为零。
t2时刻电流i最小,说明还没放电,则磁场能为零,电场能最大,电压、电荷量均最大。
综上所述,只有D正确。
[课堂对点巩固]
1.下列关于电磁波的说法正确的是( )
A.均匀变化的磁场能够在空间产生电场
B.电磁波在真空和介质中传播速度相同
C.只要有电场和磁场,就能产生电磁波
D.电磁波在同种介质中只能沿直线传播
选A 由麦克斯韦电磁场理论知A正确;
电磁波在真空中传播速度最大,为c=3×
108m/s,在介质中传播速度v=,n为介质折射率,选项B错误;
均匀变化的电场或磁场,不能产生电磁波,选项C错误;
电磁波只有在同种均匀介质中才沿直线传播,选项D错误。
2.某同学对机械波和电磁波进行类比,总结出下列内容,其中不正确的是( )
A.机械波的频率、波长和波速三者满足的关系,对电磁波也适用
B.机械波和电磁波都能产生干涉和衍射现象
C.机械波的传播