学年高中物理第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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学年高中物理第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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学年高中物理第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

能量

放电瞬间

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

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

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

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

充电结束

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．只要空间中某个区域有变化的电场或变化的磁场，就能产生电磁波

D．电磁波和机械波一样依赖于介质传播

答案　B

解析　电磁波在真空中的传播速度等于真空中的光速，故A错误；电磁波属于波的一种，能够发生衍射现象等波特有的现象，故B正确；只有交变的电场和磁场才能产生电磁波，故C错误；电磁波能在真空中传播，而机械波依赖于介质传播，故D错误．

4．电磁波在传播时，不变的物理量是（　　）

A．振幅B．频率

C．波速D．波长

答案　B

解析　离波源越远，振幅越小．电磁波在不同介质中的波速不一样，波长也不一样．

5．关于电磁波的传播速度，以下说法正确的是（　　）

A．电磁波的频率越高，传播速度越大

B．电磁波的波长越长，传播速度越大

C．电磁波的能量越大，传播速度越大

D．所有的电磁波在真空中的传播速度都相等

答案　D

解析　以光为例，无论是哪种频率的光在真空中的传播速度都相等，D正确．当光进入介质时，传播速度发生变化，不同频率的光其传播速度不同，故电磁波在介质中的传播速度与介质和频率有关．A、B、C错误．

6．下列关于电磁波的说法正确的是（　　）

A．电磁波必须依赖介质传播

B．电磁波可以发生衍射现象

C．电磁波不会发生偏振现象

D．电磁波无法携带信息传播

答案　B

解析　电磁波具有波的共性，可以发生衍射现象，故B正确；电磁波是横波，能发生偏振现象，故C错；电磁波能携带信息传播，且传播不依赖介质，在真空中也可以传播，故A、D错．

7．关于LC振荡电路中的振荡电流，下列说法中正确的是（　　）

A．振荡电流最大时，电容器两极板间的电场强度最大

B．振荡电流为零时，线圈中自感电动势为零

C．振荡电流增大的过程中，线圈中的磁场能转化为电场能

D．振荡电流减小的过程中，线圈中的磁场能转化为电场能

答案　D

解析　振荡电流最大时为电容器放电结束瞬间，电场强度为零，A选项错误；振荡电流为零时，其要改变方向，这时电流变化最快，电流变化率最大，线圈中的自感电动势最大，B选项错误；振荡电流增大时，线圈中的电场能转化为磁场能，C选项错误；振荡电流减小时，线圈中的磁场能转化为电场能，D选项正确．

8．在LC振荡电路中，电容器放电时间取决于（　　）

A．充电电压的大小

B．电容器储电量的多少

C．自感L和电容C的数值

D．回路中电流的大小

答案　C

解析　放电时间等于四分之一个振荡周期，即t＝

＝

，所以放电时间取决于自感L和电容C.故选项C正确．

9．关于在LC振荡电路的一个周期的时间内，下列说法中正确的是（　　）

①磁场方向改变一次；②电容器充、放电各一次；③电场方向改变两次；④电场能向磁场能转化完成两次

A．①②B．②③④C．③④D．①③④

答案　C

解析　在一个振荡周期内，电场、磁场方向改变两次，电场能、磁场能转化两次；电容器充、放电各两次．故选项C正确．

10．（多选）如图1甲中通过P点电流的（向右为正）变化规律如图乙所示，则（　　）

图1

A．0.5～1s内，电容器C正在充电

B．0.5～1s内，电容器C上极板带正电

C．1～1.5s内，Q点电势比P点电势高

D．1～1.5s内磁场能转化为电场能

答案　AC

解析　0.5～1s内，电流逐渐减小，是充电过程，电容器上极板带负电，故选项A正确，B错误；1～1.5s内，电流逐渐增大，是放电过程，电场能转化为磁场能，故选项D错误；且电流沿逆时针方向流动，Q点电势比P点的电势高，故选项C正确．

11．为了增大无线电台向空间辐射无线电波的能力，对LC振荡电路结构可采取下列的哪些措施（　　）

A．增大电容器极板的正对面积

B．增大电容器极板的间距

C．增大自感线圈的匝数

D．提高供电电压

答案　B

解析　要增大无线电台向空间辐射电磁波的能力，必须提高其振荡频率，由f＝

知，可减小L和C以提高f，要减小L可采取减少线圈匝数，向外抽出铁芯的办法，要减小C可采取增大极板间距，减小正对面积，减小介电常数的办法，故B正确，A、C、D错误．

12．（多选）应用麦克斯韦的电磁场理论判断表示电场产生磁场（或磁场产生电场）的关系图像中（每个选项的上图表示的是变化的场，下图表示的是由变化的场产生的另外的场）正确的是（　　）

答案　BC

解析　A项中的上图磁场是稳定的，由麦克斯韦的电磁场理论可知周围空间不会产生电场，A项中的下图是错误的．B项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项正确．C项中的上图是振荡的磁场，它能产生同频率的振荡电场，且相位相差

，C项是正确的．D项的上图是振荡的电场，在其周围空间产生振荡的磁场，但是下图中的图像与上图相比较，相位相差π，故D项不正确，所以只有B、C正确．

13．（多选）LC振荡电路中，某时刻的磁场方向如图2所示，则（　　）

图2

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

答案　ABC

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流向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流向a，上极板带正电，故选项C正确，D错误．

14．为了体现高考的公平、公正，高考时很多地方在考场使用手机信号屏蔽器，该屏蔽器在工作过程中以一定的速度由低端频率向高端频率扫描．该扫描速度可以在手机接收报文信号时形成乱码干扰，手机不能检测从基站发出的正常数据，使手机不能与基站建立连接，达到屏蔽手机信号的目的，手机表现为搜索网络、无信号、无服务系统等现象．由以上信息可知（　　）

A．由于手机信号屏蔽器的作用，考场内没有电磁波了

B．电磁波必须在介质中才能传播

C．手机信号屏蔽器工作时基站发出的电磁波不能传播到考场内

D．手机信号屏蔽器是通过发射电磁波干扰手机工作来达到目的的

答案　D

解析　电磁波在空间的存在，不会因手机信号屏蔽器而消失，故A错．电磁波可以在真空中传播，B错．由题意知手机信号屏蔽器工作过程中以一定的速度由低端频率向高端频率扫描，干扰由基站发出的电磁波信号，使手机不能正常工作，故C错误，D正确．

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