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34.docx
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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34
第1、2节电磁波的发现__电磁振荡
[目标早知道]
浙江选考·学习要求
知识内容
考试要求
1.电磁波的发现
加试a
2.电磁振荡
加试c
3.电磁波的发射和接收
加试b
4.电磁波与信息化社会
加试a
5.电磁波谱
加试a
伟大的预言
[探新知·基础练]
1．变化的磁场产生电场
实验基础：
如图所示，在变化的磁场中放一个闭合电路，电路里就会产生感应电流。
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
[探新知·基础练]
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。
[辨是非]（对的划“√”，错的划“×”）
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。
（×）
[释疑难·对点练]
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
电磁波
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
可以是
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
[试身手]
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
解析：
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
[探新知·基础练]
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＝。
[辨是非]（对的划“√”，错的划“×”）
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。
（×）
[释疑难·对点练]
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
减小
减小
减小
增大
增大
增大
t＝时刻
0
0
0
0
最大
最大
最大
→反向充电
增大
增大
增大
增大
减小
减小
减小
t＝时刻
最大
最大
最大
最大
0
0
0
→反向放电
减小
减小
减小
减小
增大
增大
增大
t＝时刻
0
0
0
0
最大
最大
最大
→T电容器充电
增大
增大
增大
增大
减小
减小
减小
（2）振荡电流、极板带电荷量随时间的变化图象：
[试身手]
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
解析：
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。
电磁波与机械波的比较
[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
解析：
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
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