高中物理 第3章 电磁波 第1节 电磁波的产生教师用书 鲁科版选修34.docx

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高中物理第3章电磁波第1节电磁波的产生教师用书鲁科版选修34

第1节　电磁波的产生

电磁振荡

[先填空]

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．

（4）LC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）．

[再判断]

1．放电时，由于线圈的自感作用，放电电流由零逐渐增大．（√）

2．振荡电流的大小变化，方向不变．（×）

3．改变LC电路中的自感系数或电容就能改变振荡电路的周期．（√）

[后思考]

LC振荡电路在充电过程中极板上的电荷量逐渐增加，充电电流如何变化？

【提示】　随电容器上充电电荷的增多，充电电流逐渐减小．

[核心点击]

1．各物理量变化情况一览表

时刻

（时间）

工作

过程

q

E

i

B

能量

0―→

放电

过程

qm―→0

Em―→0

0―→im

0―→Bm

E电―→E磁

―→

充电

过程

0―→qm

0―→Em

im―→0

Bm―→0

E磁―→E电

―→

放电

过程

qm―→0

Em―→0

0―→im

0―→Bm

E电―→E磁

―→T

充电

过程

0―→qm

0―→Em

im―→0

Bm―→0

E磁―→E电

2.振荡电流、极板带电荷量随时间的变化图象

（a）以逆时针方向电流为正

（b）图中q为上极板的电荷量

图311

1.LC振荡电路中，某时刻的磁场方向如图312所示，则（　　）

图312

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，则电场能正在减小，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

E．若电容器放电，则磁场能转化为电场能

【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；若电容器放电，则电场能转化为磁场能，E错误．

【答案】　ABC

2．在如图313所示振荡电流的图象中，表示电容器充电过程的有______；线圈中有最大电流的点是_______；电场能转化为磁场能的过程有_______.

【导学号：

78510031】

图313

【解析】　根据it图象，充电过程有a―→b、c―→d、e―→f，线圈中有最大电流的点是a、c、e，电场能转化为磁场能的过程有b―→c、d―→e.

【答案】　a―→b、c―→d、e―→f　a、c、e　b―→c、d―→e

LC振荡电路充、放电过程的判断方法

1．根据电流流向判断，当电流流向带正电的极板时，处于充电过程；反之，处于放电过程．

2．根据物理量的变化趋势判断：

当电容器的带电量q（U、E）增大时，处于充电过程；反之，处于放电过程．

3．根据能量判断：

电场能增加时，充电；磁场能增加时，放电．

麦克斯韦的预言与赫兹的实验

[先填空]

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314所示．

变化的磁场周围产生涡旋电场

图314

（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．

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315）所示：

图315

（2）赫兹证实了电磁波的存在．

[再判断]

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．（√）

[后思考]

变化的磁场一定产生变化的电场吗？

【提示】　不一定．均匀变化的磁场一定产生恒定的电场．

[核心点击]

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：

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，周期性变化的电场、磁场相互激发，形成的电磁场一环套一环，如图316所示．

图316

（2）电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．

3．根据麦克斯韦的电磁场理论，以下叙述中正确的是（　　）

【导学号：

78510032】

A．教室中亮着的日光灯周围空间必有磁场和电场

B．工作时的电磁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相互垂直

E．均匀变化的电场周围一定产生均匀变化的磁场

【解析】　教室中亮着的日光灯、工作时的电磁打点计时器用的振荡电流，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，电场方向、磁场方向和传播方向相互垂直，故选项D正确．均匀变化的电场周围会产生恒定不变的磁场，E错误．

【答案】　ABD

4．如图317所示，在变化的磁场中放置一个闭合线圈．

图317

（1）你能观察到什么现象？

（2）这种现象说明了什么？

【解析】　

（1）灵敏电流计的指针发生偏转，有电流产生．

（2）变化的磁场产生了电场，使闭合线圈的自由电荷发生了定向运动而形成了电流．

【答案】　见解析

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）．

学业分层测评（八）

（建议用时：

45分钟）

[学业达标]

1．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

E．赫兹用实验证明了麦克斯韦预言的正确性

【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，赫兹用实验证明了麦克斯韦预言的正确性，A、C、E正确．

【答案】　ACE

2.

图318

如图318所示为LC振荡电路中电容器极板上的电量q随时间t变化的图象，由图可知（　　）

A．t1时刻，电路中的磁场能最小

B．从t1到t2电路中的电流值不断减小

C．从t2到t3电容器不断充电

D．在t4时刻，电容器的电场能最小

E．从t3到t4电路中的磁场能转化为电场能

【解析】　由图可知，t1时刻电容器极板上的电量q最大，此时刚刚充电完毕，故电路中的磁场能最小，选项A正确；从t1到t2，电容器放电，电路中的电流从0增加到最大值，故选项B错误；从t2到t3，电容器的电荷量不断增加，故电容器在不断充电，选项C正确；t4时刻放电刚刚结束，电容器的电场能最小，故选项D正确．从t3到t4电路中电场能转化为磁场能，E错误．

【答案】　ACD

3．按照麦克斯韦的电磁场理论，以下说法中正确的是（　　）

A．恒定的电场周围产生恒定的磁场，恒定的磁场周围产生恒定的电场

B．变化的电场周围产生磁场，变化的磁场周围产生电场

C．均匀变化的电场周围产生均匀变化的磁场，均匀变化的磁场周围产生均匀变化的电场

D．均匀变化的电场周围产生稳定的磁场，均匀变化的磁场周围产生稳定的电场

E．周期性变化的电场周围产生周期性变化的磁场，周期性变化的磁场周围产生周期性变化的电场

【解析】　麦克斯韦电磁场理论的核心内容是：

变化的电场产生磁场；变化的磁场产生电场．对此理论全面正确理解为：

不变化的电场周围不产生磁场；变化的电场可以产生变化的磁场，也可产生不变化的磁场；均匀变化的电场产生稳定的磁场；周期性变化的电场产生同频率的周期性变化的磁场．由变化的磁场产生电场的规律与上相似．由此可知，选项B、D、E正确．

【答案】　BDE

4．某时刻LC振荡电路的状态如图319所示，则此时刻（　　）

【导学号：

78510033】

图319

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

E．电容器极板上的电荷在增加

【解析】　解决问题的关键是根据电容器的两极板的带电情况和电流方向，判定出电容器正处于充电过程．由电磁振荡的规律可知：

电容器充电过程中，电流逐渐减小，电场能逐渐增大，磁场能逐渐减小，即磁场能正向电场能转化，故应选择A、D、E.

【答案】　ADE

5．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．电容器充电完毕时刻回路中磁场能最小

C．回路中电流值最大时刻，回路中磁场能最大

D．电容器极板上电荷量最多时，电场能最大

E．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】　BCD

6．如图3110甲所示，在LC振荡电路中，通过P点的电流变化规律如图3110乙所示，且把通过P点向右的方向规定为电流i的正方向，则（　　）

甲　　　　　　　　乙

图3110

A．0.5s到1s时间内，电容器C在放电

B．0.5s至1s时间内，电容器C的上极板带正电

C．1s至1.5s时间内，Q点的电势比P的电势高

D．1s至1.5s时间内，电场能正在转变成磁场能

E．t＝1s时电路中电场能最大而磁场能最小

【解析】　0.5s至1s时间内，振荡电流是充电电流，充电电流是由负极板流向正极板；1s至1.5s时间内，振荡电流是放电电流，放电电流是由正极板流向负极板，由于电流为负值，所以由Q流向P，t＝1s时电流为零，电路中电场能最大，磁场能最小，C、D、E正确．

【答案】　CDE

7．在LC振荡电路中，电容器上的带电量从最大值变化到零所需的最短时间是________．

【解析】　LC振荡电路的周期T＝2π

，其电容器上的带电量从最大值变化到零的最短时间t＝

，所以t＝

.

【答案】　

8．如图3111所示为LC振荡电路中振荡电流随时间变化的图象，由图可知，在OA时间内________能转化为________能，在AB时间内电容器处于________（选填“充电”或“放电”）过程，在时刻C，电容器带电荷量________（选填“为零”或“最大”）．

图3111

【解析】　由题图可知，振荡电流随时间按正弦规律变化．在OA时间内电流增大，电容器正在放电，电场能逐渐转化为磁场能．在AB时间内电流减小，电容器正在充电．在时刻C电流最大，为电容器放电完毕的瞬间，带电荷量为零．

【答案】　电场　磁场　充电　为零

[能力提升]

9．如图3112所示为理想LC振荡回路，此时刻电容器极板间的场强方向和线圈中的磁场方向如图．下列说法正确的是（　　）

图3112

【导学号：

78510034】

A．如图所示的时刻电容器正在放电

B．如图所示的时刻电流正在减小

C．电路中的磁场能在减少

D．电容器两端的电压在增加

E．电容器两端的电压在减少

【解析】　由电场方向可知电容器上极板带正电，由线圈中的电流方向可知电路中电流方向为逆时针．结合以上两点可知电容器在充电，电路中的电流正在减小磁场能在减少，电容器两端的电压在增加，故B、C、D正确，A、E错误．

【答案】　BCD

10．某空间出现了如图3113所示的一组闭合的电场线，这可能是沿AB方向磁场在迅速________，或沿BA方向磁场在迅速________．

图3113

【解析】　根据电磁感应理论，闭合电路中磁通量变化时，使闭合电路中产生感应电流，该电流可用楞次定律判断，其中感应电流的方向和电场线方向一致．根据麦克斯韦电磁场理论．闭合电路中产生感应电流，是因为闭合电路中电荷受到了电场力作用，而变化的磁场产生电场，与是否存在闭合电路无关，故空间内磁场变化产生的电场方向，仍可用楞次定律判断．

【答案】　减弱　增强

11.如图3114所示的振荡电路中，自感系数L＝300μH，电容C的范围为25～270pF，求：

图3114

（1）振荡电流的频率范围；

（2）若自感系数L＝10mH，要产生周期T＝0.02s的振荡电流，应配置多大的电容？

【解析】　

（1）由f＝

得：

fmax＝

Hz＝1.8×106Hz

fmin＝

Hz＝0.56×106Hz

所以频率范围为

0．56×106～1.8×106Hz.

（2）由T＝2π

得：

C＝

＝

F＝10－3F.

【答案】　

（1）0.56×106～1.8×106Hz

（2）10－3F

12.实验室里有一水平放置的平行板电容器，知道其电容C＝1μF，在两板带有一定电荷时，发现一粉尘恰好静止在两板间，手上还有一个自感系数L＝0.1mH的电感器，现连成如图3115所示电路，试分析以下两个问题：

图3115

（1）从S闭合时开始计时，经过π×10－5s时，电容器内粉尘的加速度大小是多少？

（2）当粉尘的加速度为多大时，线圈中电流最大？

【解析】　

（1）电容器内带电粉尘恰好静止，说明电场力方向向上，且F电＝mg，闭合S后，L、C构成LC振荡电路，T＝2π

＝2π×10－5s，经

＝π×10－5s时，电容器间的场强反向，电场力的大小不变，方向竖直向下，由牛顿第二定律得：

a＝

＝2g.

（2）线圈中电流最大时，电容器两极间的场强为零，由牛顿第二定律可得：

a＝

＝g，方向竖直向下．

【答案】　

（1）2g　

（2）g