高中物理第3章电磁场与电磁波31麦克斯韦的电磁场理论32电磁波的发现学案沪科版选修34.docx
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高中物理第3章电磁场与电磁波31麦克斯韦的电磁场理论32电磁波的发现学案沪科版选修34
3.1 麦克斯韦的电磁场理论
3.2 电磁波的发现
[学习目标]1.了解麦克斯韦电磁场理论的两大基本论点，能从这两个基本论点出发分析简单问题.2.知道麦克斯韦预言了电磁波的存在及其在物理学发展史上的意义.3.知道赫兹用实验证实了电磁波的存在.4.了解什么叫电磁振荡，了解LC回路中电磁振荡的产生过程及其固有周期（频率）.5.了解有效发射电磁波的两个条件，知道电磁波的特点及其与机械波的异同．
1．法拉第创造性地用“力线”和“场”的概念来描述电荷之间、磁体之间以及电与磁之间的相互作用．
2．电磁场理论的两大支柱：
（1）变化的磁场产生电场；
（2）变化的电场产生磁场．
3．赫兹用实验证明了麦克斯韦电磁场理论的正确性．
4．电磁振荡
图1
（1）振荡电流：
大小和方向都做周期性变化的电流．
（2）振荡电路：
能够产生振荡电流的电路．图1就是一种基本的振荡电路，称为LC振荡电路．
（3）电磁振荡：
在振荡电路中，电路中的电流、电容器极板上的电荷、电容器中的电场强度和线圈中的磁感应强度都要发生周期性的变化，这种现象叫做电磁振荡．
5．电磁波的特点
（1）电磁波是横波；
（2）电磁波在真空中的传播速度等于光在真空中的传播速度c，约为3.0×108m/s；
（3）电磁波具有波的一般特征，波长λ、频率f、周期T和波速v之间的关系为v＝＝λf；
（4）电磁波也具有能量．
一、电磁场理论的两大支柱
[导学探究]
1．如图2所示，当磁棒相对一闭合线圈运动时，线圈中的电荷做定向移动，是因为受到什么力的作用？
若把闭合线圈换成一个内壁光滑的绝缘环形管，管内有直径略小于环内径的带正电的小球，则磁棒运动过程中会有什么现象？
小球受到的是什么力？
图2
答案 电荷受到电场力作用做定向移动．当磁棒运动时，带电小球会做定向滚动，小球受到的仍然是电场力．
2．以上现象说明什么问题？
答案 空间磁场变化，就会产生电场，与有没有闭合线圈无关．
3．在如图3所示的含有电容器的交流电路中，电路闭合时，电路中有交变电流，导线周围存在磁场．那么在这个闭合电路的电容器中有电流吗？
电容器两极板间存在磁场吗？
图3
答案 电容器中无电流，两极板间存在磁场．
[知识深化]
1．电磁场理论的两大支柱
（1）变化的磁场产生电场；
（2）变化的电场产生磁场．
2．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
例1 （多选）根据麦克斯韦电磁场理论，下列说法正确的是（ ）
A．在电场的周围空间，一定存在着和它联系着的磁场
B．在变化的电场周围空间，一定存在着和它联系着的磁场
C．恒定电流在其周围不存在磁场
D．恒定电流周围存在着稳定的磁场
答案 BD
解析 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的磁场，故B对，A错；恒定电流周围存在稳定磁场，磁场的方向可由安培定则判断，D对，C错．
二、电磁振荡
[导学探究] 把自感线圈、可变电容器、示波器、电源和单刀双掷开关按图4连成电路．先把开关置于电源一边，为电容器充电，稍后再把开关置于线圈一边，使电容器通过线圈放电．
图4
1．在示波器显示屏上看到的是电流的图像还是线圈两端电压的图像？
是什么形状的图像？
答案 示波器呈现的是线圈两端电压的图像．图像呈周期性变化，类似家庭电路所用的交流电．
2．调节电容器电容的大小，图像如何变化？
答案 电容变小时，图像周期变小；电容变大时，图像周期变大．
[知识深化]
1．电磁振荡的过程如图5所示，图6是电路中的振荡电流、电容器极板带电荷量随时间的变化图像．
图5
图6
2．各物理量的变化情况
时刻（时间）
工作过程
q
E
i
B
能量
0
放电瞬间
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.电磁振荡的周期和频率
周期T＝2π，频率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（H）、法（F）．
[延伸思考]
为什么放电完毕时，电流反而最大？
答案 开始放电时，由于线圈的自感作用，放电电流不能瞬间达到最大值，而是逐渐增大，随着线圈的阻碍作用减弱，放电电流增加变快，当放电完毕时，电流达到最大值．
例2 如图7所示为LC振荡电路中电容器的极板带电荷量随时间变化曲线，下列判断中正确的是（ ）
图7
①在b和d时刻，电路中电流最大 ②在a→b时间内，电场能转变为磁场能 ③a和c时刻，磁场能为零 ④在O→a和c→d时间内，电容器被充电
A．只有①和③B．只有②和④
C．只有④D．只有①②和③
答案 D
解析 a和c时刻是充电结束时刻，此时刻电场能最大，磁场能最小为零，③正确；b和d时刻是放电结束时刻，此时刻电路中电流最大，①正确；a→b是放电过程，电场能转化为磁场能，②正确；O→a是充电过程，而c→d是放电过程，④错误．
三、电磁波的发射
[导学探究] 如今在我们周围空间充满了各种频率不同、传递信息各异的电磁波，你知道这些电磁波是如何发射出去的吗？
答案 由巨大的开放电路发射出去的．
[知识深化]
1．有效地向外发射电磁波时，振荡电路必须具有的两个特点：
（1）利用开放电路发射电磁波．
（2）提高振荡频率．
2．实际应用的开放电路（如图8），线圈的一端用导线与大地相连，这条导线叫地线；线圈的另一端与高高地架在空中的天线相连．
图8
例3 要提高LC振荡电路辐射电磁波的本领，应该采取的措施是（ ）
A．增加辐射波的波长
B．使振荡电容的正对面积足够小
C．尽可能使电场和磁场分散开
D．增加回路中的电容和电感
答案 B
解析 理论证明，电磁波发射本领（功率）与f成正比，电磁场应尽可能扩散到周围空间，形成开放电路．而f＝，C＝，要使f增大，应减小L或C，只有B符合题意．
四、电磁波及其与机械波的比较
[导学探究] 电磁波是电磁现象，机械波是力学现象，两者都具有波的特性，但它们具有本质的不同，你能举例说明吗？
答案 例如机械波的传播依赖于介质的存在，但电磁波的传播则不需要介质．
[知识深化] 电磁波与机械波的比较
电磁波
机械波
研究对象
电磁现象
力学现象
周期性
电场强度E和磁感应强度B随时间和空间做周期性变化
位移随时间和空间做周期性变化
传播情况
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
传播需要介质，波速与介质有关，与频率无关
产生机理
由电磁振荡（周期性变化的电流）激发
由（波源）质点的振动产生
是否横波
是
可以是
是否纵波
否
可以是
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
例4 （多选）关于电磁波与声波，下列说法正确的是（ ）
A．电磁波是电磁场由发生的区域向远处传播，声波是声源的振动向远处传播
B．电磁波的传播不需要介质，声波的传播有时也不需要介质
C．由空气进入水中传播时，电磁波的传播速度变小，声波传播速度变大
D．由空气进入水中传播时，电磁波的波长不变，声波的波长变小
答案 AC
解析 由电磁波和声波的概念可知A正确．因为电磁波可以在真空中传播，而声波属于机械波，它的传播需要介质，在真空中不能传播，故B错．电磁波在空气中的传播速度大于在水中的传播速度，在真空中的传播速度最大；声波在气体、液体、固体中的传播速度依次增大，故C正确．无论是电磁波还是声波，从一种介质进入另一种介质时频率都不变，所以由波长λ＝及它们在不同介质中的速度可知，由空气进入水中时，电磁波的波长变短，声波的波长变长，故D错．
1．（多选）下列说法正确的是（ ）
A．电荷的周围一定有电场，也一定有磁场
B．均匀变化的电场在其周围空间一定产生磁场
C．任何变化的电场在其周围空间一定产生变化的磁场
D．正弦交变的电场在其周围空间一定产生同频率交变的磁场
答案 BD
解析 静止的电荷周围有恒定的电场，不产生磁场，运动的电荷周围的电场是变化的，所以产生磁场，A错误；由麦克斯韦电磁场理论判断B、D正确，C错误．
2．（多选）关于电磁波的特点，下列说法正确的是（ ）
A．电磁波中的电场和磁场互相垂直，电磁波沿与二者垂直的方向传播
B．电磁波是横波
C．电磁波的传播不需要介质，是电场和磁场之间的相互感应
D．电磁波不具有干涉和衍射现象
答案 ABC
解析 电磁波是横波，其E、B、v三者互相垂直．电磁波也是一种波，它具有波的特性，因此A、B、C正确，D错．
3.如图9所示的电路中，L是电阻不计的电感线圈，C是电容器，开关S接1，待电路稳定后，将开关S改接2，则（ ）
图9
A．电容器开始放电，放电过程中电感线圈的磁场能减小
B．电容器开始放电，放电过程中电感线圈阻碍电流增大
C．若增大电容器极板间距，电容器充放电时间变长
D．若去掉线圈中的铁芯，电容器充放电频率会减小
答案 B
解析 开关S接1时，电容器充电，稳定后，则充电完毕，所以当开关改接2时，电容器即开始放电，电场能转化为磁场能，所以A错误；电感线圈由于自感作用，要阻碍电流的增大，B正确；增大电容器极板间距，则电容减小，由T＝2π可知周期变短，C错误；去掉铁芯，线圈自感系数减小，周期减小，频率增大，D错误．
课时作业
选择题
1．（多选）下列关于电磁场理论的叙述正确的是（ ）
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．周期性变化的磁场产生同频率变化的电场
C．电场和磁场相互关联，形成一个统一的场，即电磁场
D．电场周围一定存在磁场，磁场周围一定存在电场
答案 AB
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；若无闭合回路时，电场仍然存在，A对．若要形成电磁场必须有周期性变化的电场和磁场，B对，C、D错．
2．某电路中电场强度随时间变化的关系图像如图所示，能发射电磁波的是（ ）
答案 D
解析 由麦克斯韦电磁场理论知，当空间出现恒定的电场时（如A图），由于它不激发磁场，故无电磁波产生；当出现均匀变化的电场时（如B图、C图），会激发出磁场，但磁场恒定，不会在较远处激发出电场，故也不会产生电磁波；只有周期性变化的电场（如D图），才会激发出周期性变化的磁场，它又激发出周期性变化的电场……如此交替的产生磁场和电场，便会形成电磁波，故D正确．
3．关于电磁波，下列叙述中正确的是（ ）
A．电磁波在真空中的传播速度远小于真空中的光速
B．电磁波可以发生衍射现象
C
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