高中物理选修34第三章学案1习题 课后作业有详细解答.docx

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高中物理选修34第三章学案1习题课后作业有详细解答

学案1　电磁振荡　电磁场和电磁波

[学习目标定位]　1.了解振荡电流、LC回路中振荡电流的产生过程，会求LC回路的周期与频率.2.了解阻尼振荡和无阻尼振荡.3.了解麦克斯韦电磁理论的基础内容以及在物理发展史上的物理意义.4.了解电磁波的基本特点及其发展过程，通过电磁波体会电磁场的物理性质．

1．电磁感应现象中产生感应电流的条件：

穿过闭合电路的磁通量发生变化．

2．电感对交流电有阻碍作用，交流电能通过电容器，电容器对交流电也有阻碍作用．

一、电磁振荡的产生

1．振荡电流和振荡电路

（1）振荡电流：

大小和方向都随时间做周期性迅速变化的电流．

（2）振荡电路：

能够产生振荡电流的电路．由线圈L和电容器C组成的电路是最简单的振荡电路，称为LC振荡电路．

2．电磁振荡过程

如图1所示，将开关S掷向1，先给电容器充电，再将开关掷向2，从此时起，电容器通过线圈放电．

图1

放电过程：

由于线圈的自感作用，放电电流不能立刻达到最大值，而是由零逐渐增大，同时电容器极板上的电荷逐渐减少．放电完毕时，极板上的电荷量为零，放电电流达到最大值．通过该过程，电容器储存的电场能全部转化为线圈的磁场能．

充电过程：

电容器放电完毕时，由于线圈的自感作用，电流并不会立刻减小为零，而要保持原来的方向继续流动，并逐渐减小，电容器开始反向充电，极板上的电荷逐渐增多，当电流减小到零时，充电结束，极板上的电荷量达到最大值．通过该过程，线圈中的磁场能又全部转化为电容器的电场能．

3．LC电路的周期T、频率f与电感L、电容C的关系是T＝2π

，f＝

.

二、麦克斯韦电磁理论

麦克斯韦经典电磁场理论的两大支柱：

变化的磁场产生电场；变化的电场能够在周围空间产生磁场．

三、电磁波产生

1．电磁波的产生：

如果在空间某区域中有周期性变化的电场，那么它就会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，形成的电磁场由近及远地传播就形成了电磁波．

2．麦克斯韦在1865年从理论上预见了电磁波的存在，1888年物理学家赫兹第一次用实验证实了电磁波的存在．赫兹还运用自己精湛的实验技术测定了电磁波的波长和频率，得到了电磁波的传播速度，证实了这个速度等于光速．

一、电磁振荡

[问题设计]

把线圈、电容器、电流表、电源和单刀双掷开关按图2连成电路．

图2

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．观察到电流表指针有何变化？

这说明了什么问题呢？

答案　指针左右摆动．说明了电路中产生了变化的电流．

[要点提炼]

1．电磁振荡中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

放结束电

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

说明：

在

～T的时间内，q、E、i、B等变化情况与0～

内相同，只是q的正负，E、i、B的方向与0～

内相反.

2.无阻尼振荡和阻尼振荡

（1）无阻尼振荡：

如图3所示，如果没有能量损失，振荡电流的振幅永远保持不变的电磁振荡．

图3

（2）阻尼振荡：

如图4所示，能量逐渐损耗，振荡电流的振幅逐渐减小，直到停止振荡的电磁振荡．

图4

3．电磁振荡的周期与频率

周期T＝2π

，频率f＝

.其中周期T、频率f、电感L、电容C的单位分别是秒（s）、赫兹（Hz）、亨利（H）、法拉（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，与此同时，电容器里的电场逐渐减弱，电场能逐渐转化为磁场能．当放电完毕时，电场能全部转化为磁场能，此时电流达到最大．

二、电磁场和电磁波

[问题设计]　如图5所示，当磁铁相对闭合线圈运动时，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，则磁铁运动过程中会有什么现象？

小球受到的是什么力？

以上现象说明什么问题？

图5

答案　电荷受到电场力作用做定向移动．磁铁运动过程中，带电小球会做定向滚动，小球受到的仍然是电场力．空间磁场变化，就会产生电场，与有没有闭合线圈无关．

[要点提炼]

1．麦克斯韦电磁场理论的两个基本观点

（1）变化的磁场产生电场

实验基础：

如图6所示，在变化的磁场中放一个闭合电路，电路里就会产生感应电流．

图6　　　　　　　　图7

（2）变化的电场产生磁场，如图7所示．

麦克斯韦大胆地假设：

既然变化的磁场能够产生电场，那么变化的电场也会在空间产生磁场．

2．电磁波

（1）电磁波的产生：

变化的电场和变化的磁场交替产生，由近及远地向周围传播，形成电磁波．

（2）电磁波是横波．

（3）电磁波在真空中的速度等于光速．

3．电磁波和机械波的比较

（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．

（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．

一、电磁振荡

例1

　在LC振荡电路中，可以使振荡频率增大一倍的方法是（　　）

A．自感系数L和电容C都增大一倍

B．自感系数L增大一倍，电容C减小一半

C．自感系数L减小一半，电容C增大一倍

D．自感系数L和电容C都减小一半

解析　根据LC振荡电路频率公式f＝

得，当L、C都减小一半时，f增大一倍，故选项D正确．

答案　D

二、电磁场理论

例2

　关于电磁场理论，下列说法中正确的是（　　）

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稳定的磁场，非均匀变化的电场产生变化的磁场．

答案　D

例3

　根据麦克斯韦电磁场理论，变化的磁场可以产生电场．当产生的电场的电场线如图8所示时，可能是（　　）

图8

A．向上方向的磁场在增强

B．向上方向的磁场在减弱

C．向上方向的磁场先增强，然后反向减弱

D．向上方向的磁场先减弱，然后反向增强

解析　在电磁感应现象的规律中，当通过一个闭合回路的磁通量发生变化时，回路中就有感应电流产生，回路中并没有电源，电流的产生是由于磁场的变化造成的．麦克斯韦把以上的观点推广到不存在闭合回路的情况，即变化的磁场产生电场．判断电场与磁场变化的关系仍可利用楞次定律，只不过是用电场线方向代替了电流方向．向上方向的磁场增强时，感应电流的磁场阻碍原磁场的增强而方向向下，根据安培定则知感应电流方向如题图中E的方向所示，选项A正确，B错误．同理，当磁场反向即向下的磁场减弱时，也会得到如题图中E的方向，选项C正确，D错误，故选A、C.

答案　AC

三、电磁波和机械波

例4

　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的传播

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，波长将变短

D．电磁波不能产生干涉、衍射现象

解析　该题考查电磁波的产生及特点．电磁波在真空中的传播速度为光速c＝3×108m/s，且c＝λf，从一种介质进入另一种介质时，频率不发生变化，波长、波速发生变化．电磁波只有在真空中的传播速度才为3×108m/s，在其他介质中传播速度均小于3×108m/s.电磁波与其他波一样具有干涉、衍射等波的特性．当电磁波由真空进入介质传播时，频率不变，因为c＞v，所以λ＞λ′，波长变短，波速变小，故选A、C.

答案　AC

针对训练　关于电磁波与机械波，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的传播，机械波是振源的振动向远处的传播

B．电磁波传播不需要介质，机械波传播需要介质

C．电磁波在任何介质中传播速率都相同，机械波在同一种介质中传播速率才相同

D．机械波能发生干涉和衍射现象，电磁波则不能

答案　AB

1．（电磁场理论）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可知B、D正确，C错误．

2．（对电磁波理解）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．电磁波和机械波一样依赖于介质传播

D．只要空间内某个区域有振荡的电场或磁场，就能产生电磁波

答案　ABD

3．（电磁振荡的产生）某时刻LC振荡电路的状态如图9所示，则此时刻（　　）

图9

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

答案　AD

解析　本题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，即磁场能正在向电场能转化，故A、D正确．

4．（电磁振荡的周期与频率）要想增大LC振荡电路中产生的振荡电流的频率，可采用的方法是（　　）

A．增大电容器两极板的间距

B．升高电容器的充电电压

C．增加线圈的匝数

D．在线圈中插入铁芯

答案　A

解析　该题考查决定振荡电流的频率的因素．振荡电流的频率由LC振荡电路本身的特性决定，即f＝

.增大电容器两极板的间距，电容减小，振荡电流的频率升高，A对；升高电容器的充电电压不能改变振荡电流的频率，B错；增加线圈匝数或在线圈中插入铁芯，电感L增大，振荡电流的频率降低，C、D错.

题组一　电磁场理论

1．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，与是否有闭合回路无关

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；若无闭合回路电场仍然存在，A正确．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．建立完整的电磁场理论，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

答案　D

解析　麦克斯韦首先预言了电磁波的存在，赫兹证实了麦克斯韦预言的正确性．

3．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．

题组二　电磁波

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，但频率不变．

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

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错误．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错误．

题组三　电磁振荡的产生

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，线圈中的自感电动势为零

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，场强为零，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．自感系数L和电容C的数值

D．回路中电流的大小

答案　C

解析　放电时间等于二分之一个振荡周期，即t＝

＝π

，所以放电时间取决于自感系数L和电容C.故选项C正确．

题组四　电磁振荡的周期和频率

9．如图1所示，LC电路的L不变，C可调，要使振荡的频率从700Hz变为1400Hz，则可以采用的办法有（　　）

图1

A．把电容增大到原来的4倍

B．把电容增大到原来的2倍

C．把电容减小到原来的

D．把电容减小到原来的

答案　D

解析　由题意，频率变为原来的2倍，则周期就变为原来的

，由T＝2π

，L不变，当C＝

C0时符合要求．

10.为了测量储罐中不导电液体的高度，将与储罐外壳绝缘的两块平行金属板构成的电容器C置于储罐中，电容器可通过开关S与线圈L或电源相连，如图2所示．当开关从a拨到b时，由L与C构成的电路中产生周期T＝2π

的振荡电流．当罐中的液面上升时（　　）

图2

A．电容器的电容减小

B．电容器的电容增大

C．LC电路的振荡频率减小

D．LC电路的振荡频率增大

答案　BC

解析　当罐中液面上升时，电容器极板间的介电常数变大，则电容器的电容C增大，根据T＝2π

，可知LC电路的振荡周期T变大，又f＝

，所以振荡频率变小，故选项B、C正确，选项A、D错误．