学年高中物理 第三章 电磁振荡 电磁波 第12讲 电磁振荡 电磁场和电磁波学案.docx

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学年高中物理第三章电磁振荡电磁波第12讲电磁振荡电磁场和电磁波学案

第1讲　电磁振荡

第2讲　电磁场和电磁波

[目标定位]　1.了解振荡电流、振荡电路及LC振荡电路的振荡过程，会求LC振荡电路的周期与频率.2.了解阻尼振荡和无阻尼振荡.3.了解麦克斯韦电磁场理论的基本观点以及在物理学发展史上的意义.4.了解电磁波的特点及其发展过程，通过电磁波体会电磁场的物理性质．

一、电磁振荡

1．振荡电流的产生　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．由线圈L和电容器C组成的电路是最简单的振荡电路，称为LC振荡电路．

（2）电磁振荡的过程

放电过程：

由于电感线圈对交变电流的阻碍作用，放电电流由零逐渐增大，线圈产生的磁场逐渐增强，电容器里的电场逐渐减弱，电场能逐渐转化为磁场能．放电完毕后，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继续流动，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．充电完毕，电流减小为零，磁场能全部转化为电场能.此后电容器再放电，再充电．

（3）电磁振荡

电容器不断地充电和放电，电路中就出现了周期性变化的振荡电流，这种现象叫做电磁振荡．

2．无阻尼振荡和阻尼振荡

（1）在电磁振荡中，如果没有能量损失，振荡将永远持续下去，振荡电流的振幅应该永远保持不变，这种振荡叫做无阻尼振荡，如图1甲．

（2）由于电路中有电阻，电路中的能量有一部分要转化成内能，还有一部分能量以电磁波的形式辐射到周围空间去了．这样，振荡电路中的能量逐渐损耗，振荡电流的振幅逐渐减小，直到停止振荡．这种振荡叫做阻尼振荡．如图乙．

图1

3．电磁振荡的周期和频率

（1）电磁振荡完成一次周期性变化需要的时间叫做周期.1s内完成周期性变化的次数叫频率．

（2）振荡电路里发生无阻尼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T＝2π

、f＝

.

二、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．

2．电磁场

如果在空间某区域有不均匀变化的电场，那么这个变化的电场就在它周围空间引起变化的磁场，这个变化的磁场又在它周围空间引起变化的电场……于是，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）产生：

由变化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）麦克斯韦在1865年从理论上预见了电磁波的存在，1888年物理学家赫兹第一次用实验证实了电磁波的存在．赫兹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光速．

（3）电磁波的波长λ、波速v和周期T、频率f的关系：

λ＝vT＝

.

（4）电磁波在真空中的传播速度v＝c≈3×108m/s.

一、电磁振荡中各物理量的变化情况

如图2所示

图2

【例1】　（多选）某时刻LC振荡电路的状态如图3所示，则此时刻（　　）

图3

A．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　图中电容器上极板带正电荷，根据振荡电流方向可知负电荷向下极板聚集，所以电容器正在充电，电容器充电的过程中，电流减小，磁场能向电场能转化，所以A、D选项正确．

答案　AD

二、对麦克斯韦电磁场理论的理解

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的磁场．

【例2】　关于电磁场理论，下列说法正确的是（　　）

A．在电场周围一定产生磁场，磁场周围一定产生电场

B．在变化的电场周围一定产生变化的磁场，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．周期性变化的电场周围一定产生周期性变化的磁场

解析　根据麦克斯韦电磁场理论，只有变化的电场能产生磁场，均匀变化的电场产生稳定的磁场，非均匀变化的电场才产生变化的磁场．

答案　D

针对训练　某电路中电场随时间变化的图像如图所示，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，进而能产生变化的电场，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．

答案　D

三、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＝

＝λf.

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．

【例3】　（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．

答案　BCD

借题发挥　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.

电磁振荡

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4所示，则（　　）

图4

A．在时刻t1，电路中的电流最大

B．在时刻t2，电路中的磁场能最大

C．从时刻t2至t3，电路的电场能不断增大

D．从时刻t3至t4，电容器的带电荷量不断增大

解析　电磁振荡中的物理量可分为两组：

①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．②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值；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.

答案　AD

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

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．

答案　D

麦克斯韦电磁场理论

3．用麦克斯韦的电磁场理论判断，图中表示电场（或磁场）产生磁场（或电场）的正确图像是（　　）

解析　A图中的左图磁场是稳定的，由麦克斯韦的电磁场理论可知，其周围空间不会产生电场，A图中的右图是错误的；B图中的左图是均匀变化的电场，应该产生稳定的磁场，右图的磁场应是稳定的，所以B图错误；C图中的左图是振荡的磁场，它能产生同频率的振荡电场，且相位相差

，C图是正确的；D图中的左图是振荡的电场，在其周围空间产生振荡的磁场，但是右图中的图像与左图相比较，相位相差π，故D图错误．

答案　C

电磁波的特点

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3×108m/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

解析　电磁波在真空中的传播速度为光速c＝3×108m/s，且c＝λf，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3×108m/s，在其他介质中的传播速度小于3×108m/s.

答案　AC

题组一　麦克斯韦电磁场理论

1．建立完整的电磁场理论并首先预言电磁波存在的科学家是（　　）

A．法拉第B．奥斯特

C．赫兹D．麦克斯韦

解析　麦克斯韦建立了电磁场理论并且预言了电磁波的存在，选项D正确．

答案　D

2．（多选）下列说法正确的是（　　）

A．变化的磁场周围一定存在着电场，与是否有闭合电路无关

B．恒定电流能够在周围空间产生稳定的磁场

C．稳定电场能够在周围空间产生稳定的磁场

D．均匀变化的电场能够在周围空间产生稳定的磁场

解析　变化的磁场周围产生电场，当电场中有闭合回路时，回路中有电流．若无闭合回路电场仍然存在，A正确；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磁场，故C错，D对；恒定电流周围存在稳定磁场，B对．

答案　ABD

3．下列关于电磁波的说法正确的是（　　）

A．电磁波只能在真空中传播

B．电场随时间变化时一定产生电磁波

C．做变速运动的电荷会在空间产生电磁波

D．麦克斯韦第一次用实验证实了电磁波的存在

解析　电磁波既可以在真空中传播，也可在其他介质中传播，选项A错误；只有变化的电场才能产生磁场，也只有变化的磁场才能产生电场，选项B错误；做变速运动的电荷对应变化的电场，激发磁场，相当于变化的电流，产生变化的磁场，产生电磁波，选项C正确；电磁波的存在首先由赫兹实验证实，选项D错误．

答案　C

4．（多选）某空间出现了如图1所示的一组闭合电场线，这可能是（　　）

图1

A．沿AB方向磁场在迅速减弱B．沿AB方向磁场在迅速增强

C．沿BA方向磁场在迅速增强D．沿BA方向磁场在迅速减弱

解析　根据电磁感应，闭合回路中的磁通量发生变化时，使闭合回路中产生感应电流，该电流可用楞次定律判断．根据麦克斯韦电磁场理论，闭合回路中产生感应电流，是因为闭合回路中的自由电荷受到了电场力作用，而变化的磁场产生电场，与是否存在闭合回路没有关系，故空间内磁场变化产生的电场方向，仍然可用楞次定律判断，四指环绕方向即为感应电场的方向，由此可知，选项A、C正确．

答案　AC

题组二　电磁波的特点

5．所有电磁波在真空中传播时，具有的相同物理量是（　　）

A．频率B．波长

C．能量D．波速

解析　不同电磁波在真空中传播时，只有速度相同，即为光速．

答案　D

6．当电磁波的频率减小时，它在真空中的波长将（　　）

A．不变B．增大

C．减小D．无法确定

解析　电磁波的波长为：

λ＝

，频率减小，波长增大，选项B正确．

答案　B

7．（多选）以下关于电磁波的说法中正确的是（　　）

A．只要电场或磁场发生变化，就能产生电磁波

B．电磁波传播需要介质

C．电磁振荡一旦停止，电磁波仍能独立存在

D．电磁波具有能量，电磁波的传播是伴随有能量向外传递的

解析　如果电场（或磁场）是均匀变化的，产生的磁场（或电场）是稳定的，就不能再产生新的电场（或磁场），也就不能产生电磁波；电磁波不同于机械波，它的传播不需要介质；电磁振荡停止后，电磁波仍独立存在；电磁波具有能量，它的传播是伴随有能量传递的．故选C、D.

答案　CD

8．有关电磁波和声波，下列说法错误的是（　　）

A．电磁波的传播不需要介质，声波的传播需要介质

B．由空气进入水中传播时，电磁波的传播速度变小，声波的传播速度变大

C．电磁波是横波，声波也是横波

D．由空气进入水中传播时，电磁波的波长变短，声波的波长变长

解析　电磁波本身就是一种物质，它的传播不需要介质，而声波的传播需要介质，故选项A正确；电磁波由空气进入水中时，传播速度变小，但声波在水中的传播速度比其在空气中大，故选项B正确；电磁波的传播方向与E、B两个振动矢量的方向都垂直，是横波，而声波是纵波，故选项C错误；电磁波由空气进入水中传播时，波速变小，波长变短，而声波由空气进入水中传播时，波速变大，波长变长，故选项D正确．

答案　C

题组三　电磁振荡

9．（多选）关于LC振荡电路中电容器两极板上的电荷量，下列说法正确的是（　　）

A．电荷量最大时，线圈中振荡电流也最大

B．电荷量为零时，线圈中振荡电流最大

C．电荷量增大的过程中，电路中的磁场能转化为电场能

D．电荷量减小的过程中，电路中的磁场能转化为电场能

解析　电容器电荷量最大时，振荡电流为零，A错；电荷量为零时，放电结束，振荡电流最大，B对；电荷量增大时，磁场能转化为电场能，C对；同理可判断D错．

答案　BC

10．LC振荡电路中，平行板电容器两极板间电场强度随时间变化关系如图2所示，则与该图中A点相对应的是（　　）

图2

A．电路中的振荡电流最大

B．电路中的磁场能最大

C．电路中的振荡电流为零

D．电容器两极板所带电荷量最少

解析　图像中的A点表示电场强度负向最大，此时电路中的振荡电流为零、磁场能最小、电容器所带电荷量最大，选项C正确．

答案　C

11．在LC回路中发生电磁振荡时，以下说法正确的是（　　）

A．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

B．当电容器放电完毕瞬间，回路中的电流为零

C．提高充电电压，极板上带更多的电荷时，能使振荡周期变大

D．要提高振荡频率，可减小电容器极板间的正对面积

解析　电容器某一极板从带最多的正电荷到带最多的负电荷这段时间，电容器完成了放电和反向充电过程，时间为半个周期，A错误；电容器放电完毕瞬间，电路中电场能最小，磁场能最大，故电路中的电流最大，B错误；振荡周期仅由电路本身决定，与充电电压等无关，C错误；提高振荡频率，就是减小振荡周期，可通过减小电容器极板正对面积来减小C，达到增大振荡频率的目的，D正确．

答案　D

12．（多选）一台电子钟，是利用LC振荡电路来制成的，在家使用一段时间后，发现每昼夜总是快1min，造成这种现象的可能原因是（　　）

A．L不变C变大了B．L不变C变小了

C．L变小了C不变D．L、C均减小了

解析　由题意可知，LC振荡电路的周期T变小了，根据周期公式T＝2π

，选项B、C、D正确．

答案　BCD

13．（多选）LC振荡电路中，某时刻的磁场方向如图3所示，则（　　）

图3

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，则电场能正在减少，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　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．

答案　ABC