课堂新坐标教师用书高中物理 第3章 电磁波教案 鲁科版选修34.docx

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课堂新坐标教师用书高中物理第3章电磁波教案鲁科版选修34

波教案鲁科版选修3-4

第1节

电磁波的产生

（教师用书独具）

●课标要求

知识与技能

1.了解电磁振荡的概念，知道什么是振荡电流和LC振荡电路.

2.理解LC回路中振荡电流的产生过程．理解产生电磁振荡的过程中，LC振荡电路中的能量转化情况.

3.知道什么是电磁振荡的周期和频率，掌握LC回路的周期和频率公式.

4.理解麦克斯韦电磁场理论的两个要点，了解电磁场与电磁波的联系与区别，通过电磁波体会电磁场的物质性.

5.理解赫兹实验的原理及意义．

过程与方法

通过对麦克斯韦电磁场理论以及赫兹实验的学习，体会物理学的研究方法，认识物理实验，物理模型和数学工具在物理学发展过程中的作用.

情感态度与价值观

通过了解麦克斯韦电磁场理论的基本思想及其在物理学发展史上的意义，体会理论对实践的指导作用.

●课标解读

1．知道什么是LC振荡电路和振荡电流，能分析LC电路中振荡电流的产生过程、变化规律及能量转换．

2．知道LC电路的周期与频率公式，并能进行简单的计算．

3．了解麦克斯韦电磁场理论的基本思想及其在物理学发展史上的意义．

4．知道电磁波的形成及传播．

5．知道赫兹实验及其重大意义．

●教学地位

本节内容是本章的重点内容，是对电场、磁场以及电磁感应的综合的应用，是对前面核心知识的复习，而且在此基础上还会为电磁波的产生，传播的学习打下基础．

（教师用书独具）

●新课导入建议

图片、视频展示电磁波与现代的科技以及人类的生活密切关系，无线电广播、电视、人造卫星、导弹、宇宙飞船等，然后演示手机的拨打来说明电磁波对我们来说越来越重要．那么电磁波到底是什么？

为什么它具有那么大的威力？

它具有哪些性质？

它又是怎么产生的呢？

●教学流程设计

⇒

⇒

⇒步骤3：

师生互动完成“探究1”（除例1外可再变换命题角度，补充一个例题以拓展学生思路）

⇓

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⇐

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⇒步骤9：

先由学生自己总结本节的主要知识，教师点评，安排学生课下完成【课后知能检测】

课　标　解　读

重　点　难　点

1.了解电磁振荡的概念，知道什么是振荡电流和LC振荡电路，理解振荡电流产生的过程和能量转化情况.

2.知道什么是电磁振荡的周期和频率，知道LC电路的周期和频率公式.

3.理解麦克斯韦电磁场理论的两个要点，了解电磁场与电磁波的联系和区别以及电磁波的特点.

4.了解赫兹实验的原理及意义．

1.LC回路产生电磁振荡的过程．（重点）

2.理解电磁场理论的要点．（重点）

3.记住电磁振荡的周期和频率公式，并会利用公式进行简单计算．（重点）

4.电磁振荡的产生过程和能量的转化．（难点）

电磁振荡

1.基本知识

（1）振荡电流

大小和方向都周期性变化的电流．

（2）振荡电路

产生振荡电流的电路．基本的振荡电路为LC振荡电路．

（3）电磁振荡的周期和频率

①一次全振荡：

发生电磁振荡时，通过电路中某一点的电流，由某方向的最大值再恢复到同方向的最大值，就完成了一次全振荡．

②电磁振荡的周期T：

完成一次全振荡的时间．

③电磁振荡的频率f：

在1s内完成全振荡的次数．

④LC电路的周期（频率）

T＝2π

，f＝

，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）、亨利（H）、法拉（F）．

2．思考判断

（1）放电时，由于线圈的自感作用，放电电流由零逐渐增大．（√）

（2）放电时，电容器两极板间的电场能逐渐转化为线圈的磁场能．（√）

（3）振荡电流最大时，放电完毕．（√）

3．探究交流

在电磁振荡的过程中，电场能与磁场能相互转化，它们变化的周期还是T＝2π

吗？

【提示】　不是．电场能和磁场能都是标量，没有方向．从振动过程来看，每完成一次全振动，磁场能和电场能都完成两次周期性变化，所以其变化周期是振荡周期的一半，即周期为π

.

麦克斯韦的预言与赫兹的实验

1.基本知识

（1）麦克斯韦电磁场理论

①变化的磁场周围会产生电场

麦克斯韦提出，在变化的磁场周围会激发出一种电场——涡旋电场，不管有无闭合电路，变化的磁场激发的涡旋电场总是存在的，如图3－1－1所示．

变化的磁场周围产生涡旋电场

图3－1－1

②变化的电场周围会产生磁场

麦克斯韦从场的观点得出，即使没有电流存在，只要空间某处的电场发生变化，就会在其周围产生涡旋磁场．

③电磁波

变化的电场和变化的磁场相互联系在一起，就会在空间形成一个统一的、不可分割的电磁场．这种在空间交替变化并传播出去的电磁场就形成了电磁波．

（2）麦克斯韦的预言

自然界存在许多不同频率的电磁波，并且它们都以光速在空间传播，光只不过是人眼可以看得见的，频率范围很小的电磁波．

（3）赫兹的实验

①赫兹实验原理图（如图3－1－2）所示：

图3－1－2

②赫兹证实了电磁波的存在．

③赫兹实验证明了麦克斯韦的预言，为麦克斯韦的电磁场理论奠定了坚实的实验基础．

2．思考判断

（1）在电场周围一定产生磁场，在磁场周围一定产生电场．（×）

（2）均匀变化的电场周围一定产生均匀变化的磁场．（×）

（3）周期性变化的电场周围一定产生周期性变化的磁场．（√）

3．探究交流

麦克斯韦电磁场理论的建立经历了怎样的发展过程？

【提示】　麦克斯韦电磁场理论的建立和实验验证，是19世纪物理学领域最重要的事件之一．电磁场理论的建立，经历了“实践——理论——实践”这一科学发展的过程，是物理学发展史上的典型案例．

电磁振荡中各物理量的对应变化

【问题导思】　

1．如何用图象分析i、q的变化？

2．在充放电过程中，q、E、i、B是如何变化的？

1．用图象对应分析i、q如图3－1－3所示

图3－1－3

2．振荡过程中相关物理量的对应关系

时刻（时间）

工作过程

q

E

i

B

能　量

0

放电开始

qm

Em

0

0

E电最大E磁最小

0→

放电过程

qm→0

Em→0

0→im

0→Bm

E电→E磁

放电结束

0

0

im

Bm

E电最小E磁最大

→

充电过程

0→qm

0→Em

im→0

Bm→0

E磁→E电

充电结束

qm

Em

0

0

E电最大E磁最小

→

放电过程

qm→0

Em→0

0→im

0→Bm

E电→E磁

放电结束

0

0

im

Bm

E电最小E磁最大

→T

充电过程

0→qm

0→Em

im→0

Bm→0

E磁→E电

T

充电结束

qm

Em

0

0

E电最大E磁最小

3.几个关系

（1）同步同变关系

在LC振荡回路发生电磁振荡的过程中，电容器上的物理量：

电荷量q、板间电压U、电场强度E、电场能EE是同时同向变化的，即：

q↓→U↓→E↓→EE↓（或q↑→U↑→E↑→EE↑）

振荡线圈上的物理量：

振荡电流i、磁感应强度B、磁场能EB也是同步同向变化的，即：

i↓→B↓→EB↓（或i↑→B↑→EB↑）．

（2）同步异变关系

在LC振荡过程中，电容器上的三个物理量q、E、EE与线圈中的三个物量量i、B、EB是同步异向变化的，即q、E、EE同时减小时，i、B、EB同时增大，且它们的变化是同步的，即：

q、E、EE↑

i、B、EB↓.

振荡电流i＝

，由极板上电荷量的变化率决定，与电荷量的多少无关，如放电结束的瞬间，电荷量为零，而电流最大．

　（多选）在LC振荡电路中，某时刻线圈中磁场方向如图3－1－4所示，则下列说法正确的是（　　）

图3－1－4

A．若磁场正在加强，则电容器正在放电，电流方向为a→b

B．若磁场正在减弱，则电场能正在减小，电容器下极板带负电荷

C．若磁场正在减弱，则电场能正在增大，电容器下极板带负电荷

D．若磁场正在加强，则电容器正在充电，电流方向为b→a

【审题指导】　根据线圈内磁场方向，判断此时电流情况，结合选项进行分析．

【解析】　在电磁振荡的一个周期内，磁场加强的过程，必定是电容器放电过程，振荡电流增大而电场能减小，根据线圈磁感线方向，用安培定则可确定线圈上振荡电流的方向，从而得知回路中电流方向是a→b，注意到这是放电电流，故电容器下极板带正电荷；磁场正在减弱的过程，必定是电容器充电过程，振荡电流减小而电场能增大，用安培定则判断此时电流方向仍是a→b，但这是充电电流，故负电荷不断聚到下极板，上极板则出现等量正电荷，电容器两极板的电荷不断增加．由以上分析可知，本题正确选项应为A、C.

【答案】　AC

有关LC电路过程分析问题，要注意以下两点：

1．根据线圈中磁场方向、电容器极板的正负或电容器两极板间电压变化，确定电容器是充电还是放电．

2．熟练掌握电磁振荡时，电流、电荷量、电压、磁感应强度、电场强度、电场能、磁场能等物理量的周期性变化特点．

1．（2013·咸阳检测）图3－1－5中画出一个LC振荡电路中的电流变化图线，根据图线可判断（　　）

图3－1－5

A．t1时刻电感线圈两端电压最大

B．t2时刻电容器两板板间电压为零

C．t1时刻电路中只有电场能

D．t1时刻电容器带电荷量为零

【解析】　本题考查认识i－t图象和利用图线分析问题的能力．由图象知．计时开始时．电容器两极板带电荷量最大，电流为零，电容器放电开始，根据电流随时间的变化规律，画出q－t图象如图所示．由图象分析可知：

t1时刻，电容器上电荷量为零，电势差为零，电场能为零，故D对，A、C皆错；t2时刻电容器电荷量q最大，两极板间电势差最大，B错．

【答案】　D

麦克斯韦电磁场理论

【问题导思】　

1．什么样的磁场可以产生电场？

什么样的电场可以产生磁场？

2．电磁波是如何产生的？

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

变化的磁场在周围空间将产生涡旋电场，变化的电场在周围空间将产生涡旋磁场．当变化的电场增强时，磁感线沿某一方向旋转，当变化的电场减弱时，磁感线将沿相反方向旋转，如果电场不改变就不产生磁场．同理，减弱或增强的电场周围也将产生不同旋转方向的磁场．因此，变化的电场在其周围产生磁场，变化的磁场在其周围产生电场，一种场的突然减弱或增强，导致另一种场的产生．这样，周期性变化的电场、磁场相互激发，形成的电磁场链一环套一环，如图3－1－6所示.需要注意的是，这里的电场和磁场必须是变化的，形成的电磁场链环不可能是静止的，这种电磁场是无源场（既不是由电荷激发的电场，也不是由运动电荷——电流激发的磁场），并非简单地将电场、磁场相加，而是相互联系、不可分割的统一整体．在电磁场示意图中，电场E矢量和磁场B矢量，在空间相互激发时，相互垂直，以光速c在空间传播．

图3－1－6

电磁场是动态的，并且电场和磁场不可分割，磁感线、电场线都是闭合的曲线；静电场、静磁场是单独存在的，且电场线是非闭合曲线，静止的电场和磁场不是电磁场．

　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

【审题指导】　理解麦克斯韦电磁场理论：

（1）恒定电场（磁场）→不产生磁场（电场）．

（2）均匀变化电场（磁场）→恒定磁场（电场）．

（3）非均匀变化电场（磁场）→变化磁场（电场）．

（4）周期性变化电场（磁场）→同频率磁场（电场）．

【解析】　根据麦克斯韦的电磁场理论，只有变化的电场才产生磁场，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，周期性变化的电场产生同频率的磁场．

【答案】　D

在理解麦克斯韦电磁场理论时，要注意静电场不产生磁场．静磁场不产生电场．还要注意根据电场（或磁场）的变化情况来确定所产生的是什么样的磁场（或电场）．

2．（多选）（2013·宁德高二检测）应用麦克斯韦的电磁场理论判断下列表示电场产生磁场（或磁场产生电场）的关系图象中（每个选项中的上图是表示的一个场，下图是表示这个场产生的另外的场），正确的是（　　）

【解析】　A图中的上图磁场是稳定的，由麦克斯韦的电磁场理论可知恒定的磁场周围空间不会产生电场，A图中的下图是错误的，故A错；B图中的上图是均匀变化的电场，应该产生稳定的磁场，下图的磁场是稳定的，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，应按余弦规律变化，C图是正确的；D图的上图是振荡的电场，在其周围空间产生同频率的振荡的磁场，且按余弦规律变化，故D不正确．

【答案】　BC

综合解题方略——电磁波与机械波的比较

　（多选）电磁波与声波比较，下列说法中正确的是（　　）

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，电磁波速度变小，声波速度变大

C．由空气进入水中时，电磁波波长变短，声波波长变长

D．电磁波和声波在介质中的传播速度都是由介质决定的，与频率无关

【审题指导】　

（1）电磁波是电磁现象，声波是机械波，是力学现象．

（2）两者都具有波的特性：

干涉、衍射等，但它们具有本质的不同．

【规范解答】　声波属于机械波，传播离不开介质，故A对；电磁波在空气中的速度接近光在真空中的速度，进入水中速度变小，而声波进入水中速度变大，故B对；由v＝λf可知电磁波或声波由一种介质进入另一种介质时，频率不变，可见波速v与波长λ成正比，故C对；电磁波的速度不仅与介质有关，还与频率有关，这点与声波不同，D错．

【答案】　ABC

电磁波与机械波的区别与联系

机械波

电磁波

对象

研究力学现象

研究电磁现象

周期性变化的物理量

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

传播需要介质，波速与介质有关，与频率无关；有横波、纵波之分

传播无需介质，在真空中波速总是c；在介质中传播时，波速与介质及频率都有关系，是横波

产生

由质点（波源）的振动产生

由周期性变化的电流（电磁振荡）激发

联系

都具有波的一切特性，如干涉、衍射、反射、折射等性质，它们的波速、波长与频率的关系都是v＝λf，都能传递能量

【备课资源】（教师用书独具）

用发光二极管演示电磁振荡实验

在电磁振荡演示实验中，一般教参书中给了两种方法：

一是把电流计串联在LC振荡电路中，通过电流计指针的摆动来演示LC回路中振荡电流的存在；二是将示波器的输入端并接在L或C两端，通过显示电路中电压变化情况来演示LC回路中振荡电流的存在．

用示波器观察振荡电流时，由于示波管中电子惯性极小，可以显示较高频率的振荡电流，且可详细观察到振荡电压变化的具体情况．若采用通过电流计指针的摆动来观察，则需增大LC回路的电感量和电容量，以便增大周期T（便于观察）．但演示振荡成功的关键是LC回路中的电阻是否合适．电阻大，能量损耗太多，可能导致激发不起振荡，故演示时，一方面要考虑减小LC回中电阻（如可采用粗导线绕线圈，采用内阻小的电流计等）；另一方面要考虑增加线圈的自感系数（如把线圈绕在铁芯上，增大电容值等），故在演示时需使LC回路中的电阻R、电感L、电容C搭配适当，以便实现电磁振荡演示的成功．

图教3－1－1

通过电流计指针的摆动来演示实验结果，往往导致学生认为电流计指针左右摆动的原因是惯性所致，而不是电路中产生了振荡电流．因为在实验过程中有能量损耗，振荡持续时间短，往往实验中电流计指针摆动不了几次。

为此，此实验可做如下改动：

把电流计换成两只高亮度的发光颜色不同的发光二极管，例如一只用发红光的，另一只用发绿光的，把它们接在电路中，如图教3－1－1所示．电路中电容用200μF的金属纸介电容器，L用大电感量（在500H以上）的线圈，则此回路的振荡周期在2s左右，并且这也是容易满足的条件．

实验前应把二极管的特性——单向导电性——向学生介绍一下．给电容器充电后，S0指向2位置，闭合开关S后，通过红、绿两只二极管依次交替发光的现象来说明振荡电路中振荡电流的存在．这样做更易令学生信服，实验现象明显，能收到较好的实验效果．

1．关于电磁波，下列说法中不正确的是（　　）

A．电磁波是电磁场由发生区向远处传播的

B．电磁波必须依靠介质来传播

C．在真空中不同频率的电磁波传播速度相同

D．电磁波具有能量

【解析】　波由波源向外传播，A描述正确；电磁波的传播不需要介质，可以在真空中传播，也可以在介质中传播，B描述错误；在真空中所有电磁波的传播速度都为3.0×108m/s，C描述正确，电磁波和其他波一样，可以传递信息和能量，D描述正确．

【答案】　B

2．在LC振荡电路中，电容器放电时间的长短决定于（　　）

A．充电电压的大小

B．电容器带电荷量的多少

C．放电电流的大小

D．电容C和电感L的数值

【解析】　根据T＝2π

，电容器的放电时间决定于L和C.

【答案】　D

3．（多选）根据麦克斯韦的电磁场理论，以下叙述中正确的是（　　）

A．教室中开亮的日光灯周围空间必有磁场和电场

B．工作时打点计时器周围必有磁场和电场

C．稳定的电场产生稳定的磁场，稳定的磁场产生稳定的电场

D．电磁波在传播过程中，电场方向、磁场方向和传播方向三者相互垂直

【解析】　教室中开亮的日光灯、工作的打点计时器，在其周围产生振荡磁场和电场，故选项A、B正确；稳定的电场不会产生磁场，故选项C错误；电磁波是横波，传播过程中电场方向、磁场方向和传播方向相互垂直，故选项D正确．

【答案】　ABD

4．（多选）（2013·海口一中检测）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．电容器极板上电荷量最多时，电场能最大

D．回路中电流值最小时刻，电场能最小

【解析】　电荷量、电场强度、电场能、电压是同步量；而电流、磁场、磁场能是同步量．

【答案】　BC

5．垂直穿过某一固定面磁场的磁感应强度B随时间的变化关系如图3－1－7所示，则在它周围空间产生的电场的场强E应是（　　）

图3－1－7

A．逐渐增强　　　　　B．逐渐减弱

C．先减弱后增强D．不变

【解析】　根据法拉第电磁感应定律E∝

，而ΔΦ＝ΔBS，故E∝

.

【答案】　D

1．（多选）（2010·新课标全国高考）在电磁学发展过程中，许多科学家做出了贡献．下列说法正确的是（　　）

A．奥斯特发现了电流磁效应；法拉第发现了电磁感应现象

B．麦克斯韦预言了电磁波；楞次用实验证实了电磁波的存在

C．库仑发现了点电荷的相互作用规律；密立根通过油滴实验测定了元电荷的数值

D．安培发现了磁场对运动电荷的作用规律；洛仑兹发现了磁场对电流的作用规律

【解析】　由物理学史知识可知，电流的磁效应是奥斯特发现的，电磁感应现象是法拉第发现的，赫兹证实了电磁波的存在，安培发现了磁场对电流的作用，洛伦兹发现了磁场对运动电荷的作用．

【答案】　AC

2．（多选）下列关于电磁波的叙述中，正确的是（　　）

A．电磁波是电磁场由发生区域向远处传播的

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，波长变短

D．电磁波不能产生干涉、衍射的现象

【解析】　电磁波是交替产生周期性变化的电磁场由发生区域向远处传播的．在真空中的传播速度为3×108m/s.电磁波在传播过程中频率f不变，根据波速公式v＝λf，由于电磁波在介质中传播速度变小，所以波长变短．电磁波具有波动性，能产生干涉、衍射现象．

【答案】　AC

3．（2010·天津高考）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】　根据麦克斯韦电磁场理论，变化的磁场产生电场，变化的电场产生磁场，变化的电场和磁场相互联系，形成一个不可分离的统一体，由发生的区域向远处传播，形成电磁波，电磁波的传播速度由频率和介质决定，在不同介质中传播速度不同．在同种均匀介质中沿直线传播，所以正确选项只有A.

【答案】　A

4．（多选）要想提高电磁振荡的频率，下列办法中可行的是（　　）

A．线圈中插入铁芯

B．提高充电电压

C．增加电容器两板间距离

D．减小电容器两板间的正对面积

【解析】　由公式f＝

得知f和L、C有关．因此要增大f，就要减小L、C的乘积，其中C＝

.减小L的方法有：

从线圈中抽出铁芯；减小线圈长度；减小线圈横截面积；减少单位长度的线圈匝数．减小C的方法有：

增加电容器两板间的距离；减小电容器两板间的正对面积；在电容器两板间换上介电常数较小的电介质．故选项C、D正确．

【答案】　CD

5．在LC振荡电路中某时刻电容器两极板间的电场线方向和穿过线圈的磁感线方向如图3－1－8所示，这时有（　　）

图3－1－8

A．电容器正在放电

B．电路中电流正在减小

C．电场能正在转化为磁场能

D．线圈中产生的自感电动势正在减小

【解析】　根据电场方向可知上极板带正电荷，又由磁场方向，根据安培定则可判断，电流方向为顺时针（大回路），所以正在给电容器充电．因此，电流逐渐减小，磁场能转化为电场能，由于电流按正弦规律变化，变化率在增大，据法拉第电磁感应定律，知自感电动势正在增大．

【答案】　B

图3－1－9

6．如图3－1－9所示，当把开关S由1扳到2，下列说法正确的是（　　）

A．电流立刻达到最大值，然后才开始减小

B．电流不能立刻达到最大值，直到放电完毕时，电流才达到最大值

C．电场强度逐渐减弱到零，这时电流也为零

D．电场强度立刻减小到零，电流立刻达到最大值

【解析】　电容器开始放电，由于线圈的自感作用，电流不能立刻达到最大值，直到放电完毕时，电流才达到最大值．故B正确．

【答案】　B

图3－1－10

7．（多选）（2013·西安高二检测）LC回路电容器两端的电压U随时间t变化的关系如图3－1－10所示，则（　　）

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，电容器带的电荷量不断增大

【解析】　本题考查对LC振荡电路中各物理量振荡规律的理解．由前面所述可知，t1时刻电容器两端电压最高时，电路中振荡电流为零，t2时刻电容器两端电压为零，电路中振荡电流最强、磁场能最多，故选项A错误，B正确．在t2至t3的过程中，从图可知，电容器两极板间电压增大，必有电场能增加，选项C正确．而在t3至t4的过程中，电容器两极板间电压减小，所带的电荷量同时减少，选项D错误．

【答案】　BC

图3－1－11

8．（多选）某空间出现了如图3－1－11所示的一组闭合的电场线，这可能是（　　）

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