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.