第四章第1讲.docx

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第四章第1讲

第1讲　电磁波的发现　电磁振荡

[目标定位]　1.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.2.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.3.了解振荡电流、振荡电路及LC电路的振荡过程，会求LC电路的周期与频率．

一、电磁波的发现

1．伟大的预言

（1）麦克斯韦电磁场理论的基本观点：

变化的磁场产生电场，变化的电场产生磁场．

（2）如果在空间某区域中有周期性变化的电场，那么它就在空间引起周期性变化的磁场；这个变化的磁场又引起新的变化的电场……于是，变化的电场和变化的磁场交替产生，由近及远向周围传播，形成了电磁波．

2．电磁波

（1）根据麦克斯韦电磁场理论，电磁波在真空中传播时，它的电场强度与磁感应强度互相垂直，而且二者均与波的传播方向垂直，因此电磁波是横波．

（2）电磁波在真空中传播的速度等于光速c，麦克斯韦指出了光的电磁本质．

3．赫兹的电火花

赫兹做了一系列的实验，观察到了电磁波的反射、折射、干涉、衍射和偏振等现象．并通过测量证明，电磁波在真空中具有与光相同的速度．这样，赫兹证实了麦克斯韦关于光的电磁理论，赫兹在人类历史上首先捕捉到了电磁波．

想一想　空间存在如图1所示的电场，那么在空间能不能产生磁场？

在空间能不能形成电磁波？

图1

答案　如图所示的电场是均匀变化的，根据麦克斯韦电磁场理论可知会在空间激发出磁场，但磁场恒定，不会激发出新的电场，故不会产生电磁波．

二、电磁振荡

1．电磁振荡的产生

（1）振荡电流和振荡电路

①振荡电流：

大小和方向都做周期性迅速变化的电流．

②振荡电路：

产生振荡电流的电路．最简单的振荡电路为LC振荡电路．

（2）电磁振荡的过程

放电过程：

由于线圈的自感作用，放电电流由零逐渐增大，电容器极板上的电荷逐渐减少，电容器里的电场逐渐减弱，线圈的磁场逐渐增强，电场能逐渐转化为磁场能，振荡电流逐渐增大，放电完毕，电流达到最大，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逐渐减小，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，振荡电流逐渐减小，充电完毕，电流减小为零，磁场能全部转化为电场能.

此后，这样充电和放电的过程反复进行下去．

2．电磁振荡的周期和频率

（1）电磁振荡的周期T：

电磁振荡完成一次周期性变化需要的时间．

（2）电磁振荡的频率f：

1s内完成的周期性变化的次数．

（3）LC电路的周期T、频率f与自感系数L、电容C的关系是T＝2π

、f＝

.

一、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．周期性变化的磁场在周围空间产生同频率周期性变化的电场，同样，周期性变化的电场在周围空间产生同频率周期性变化的磁场．

例1

　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象如下列各图所示，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，而这磁场的变化也是不均匀的，又能产生变化的电场，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

二、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2

　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．

三、电磁振荡中各物理量的变化情况

　如图2所示

图2

例3

　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　题图中电容器上极板带正电荷，图中给出的振荡电流方向，说明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

借题发挥　在电磁振荡中各物理量变化是有规律的，我们要熟悉各物理量变化的特点，特别抓住关键的电量和电流的变化．电量变大、电场强度、电场能变大；电流则变小，磁感应强度、磁场能变小．判断出充、放电情况是解决问题的关键．

麦克斯韦电磁场理论

1．下列说法中正确的是（　　）

A．任何变化的磁场都要在周围空间产生变化的电场，振荡磁场在周围空间产生同频率的振荡电场

B．任何电场都要在周围空间产生磁场，振荡电场在周围空间产生同频率的振荡磁场

C．任何变化的电场都要在周围空间产生磁场，振荡电场在周围空间产生同频率的振荡磁场

D．电场和磁场总是相互联系着，形成一个不可分割的统一体，即电磁场

解析　根据麦克斯韦电磁场理论，如果电场（磁场）的变化是均匀的，产生的磁场（电场）是稳定的；如果电场（磁场）的变化是不均匀的，产生的磁场（电场）是变化的；振荡电场（磁场）在周围空间产生同频率的振荡磁场（电场）；周期性变化的电场和周期性变化的磁场总是相互联系着，形成一个不可分割的统一体，即电磁场．故选C.

答案　C

2．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）的正确图象是（　　）

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图错误；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图正确，D图错误．

答案　C

电磁波的特点

3．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3.0×108m/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＝3.0×108m/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3.0×108m/s，在其他介质中的传播速度小于3.0×108m/s.

答案　AC

电磁振荡

4.在LC回路中，电容器两端的电压随时间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．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

（时间：

60分钟）

题组一　麦克斯韦电磁场理论

1．建立了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．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.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

4．下列说法中正确的是（　　）

A．电磁波只能在真空中传播

B．麦克斯韦第一次用实验证实了电磁波的存在

C．电磁场由发生区域向远处的传播就是电磁波

D．频率为750kHz的电磁波在真空中传播时，其波长为400m

解析　电磁波不仅可以在真空中传播，还可以在介质中传播，选项A错误；麦克斯韦预言了电磁波的存在，赫兹第一次用实验证实了电磁波的存在，选项B错误；电磁场的传播就是电磁波，选项C正确；频率为750kHz的电磁波的波长为：

λ＝

＝

m＝400m，选项D正确．

答案　CD

5．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

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．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

8．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．电荷量减少的过程中，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

9．如图2所示的LC振荡电路中，已知某时刻电流i的方向指向A板，且正在增大，则此时（　　）

图2

A．A板带正电

B．线圈L两端电压在增大

C．电容器C正在充电

D．电场能正在转化为磁场能

解析　电路中的电流正在增大，说明电容器正在放电，选项C错误；电容器放电时，电流从带正电的极板流向带负电的极板，则A板带负电，选项A错误；电容器放电，电容器两板间的电压减小，线圈两端的电压减小，选项B错误；电容器放电，电场能减少，电流增大，磁场能增大，电场能正在转化为磁场能，选项D正确．

答案　D

10．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电容C，达到增大振荡频率的目的，D正确．

答案　D

11．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

12.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