1 第1节 电磁波的产生.docx

1、1 第1节 电磁波的产生第1节电磁波的产生1.了解电磁振荡的概念，知道什么是振荡电流和LC振荡电路，理解振荡电流产生的过程和能量转化情况(重点难点)2知道什么是电磁振荡的周期和频率，知道LC电路的周期和频率公式(重点)3.理解麦克斯韦电磁场理论的两个要点，了解电磁场与电磁波的联系和区别以及电磁波的特点(重点)4.了解赫兹实验的原理及意义一、电磁振荡1振荡电流：大小和方向都周期性变化的电流2振荡电路：产生振荡电流的电路由电感线圈L和电容器C所组成的电路就是一种基本的振荡电路，叫做LC振荡电路3电磁振荡的过程分析(1)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，

2、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(2)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4电磁振荡在LC振荡电路中，电容器极板上的电荷量，电路中的电流，与振荡电流相联系的电场和磁场也周期性交替变化，电场能和磁场能相互转化5电磁振荡的周期和频率(1)一次全振荡：发生电磁振荡时，通过电路中

3、某一点的电流，由某方向的最大值再恢复到同一个方向的最大值，就完成了一次全振荡(2)电磁振荡的周期T：完成一次全振荡的时间(3)电磁振荡的频率f：在1 s内完成全振荡的次数6LC电路的周期和频率(1)公式：T 2，f(2)单位：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、亨利H、法拉F.1(1)在LC振荡电路中，回路中电流值最大时刻，回路中磁场能最大()(2)在LC振荡电路中，电容器放电完毕时刻，回路中磁场能最小()(3)振荡电流的大小和方向均不断变化()(4)电磁振荡的固有周期与电流的变化有关()提示：(1)(2)(3)(4)二、麦克斯韦的预言与赫兹的实验1麦克斯韦电磁场理论

4、(1)变化的磁场周围产生电场麦克斯韦提出，在变化的磁场周围会激发出一种电场涡旋电场，不管有无闭合电路，变化的磁场激发的涡旋电场总是存在的，如图所示(2)变化的电场周围产生磁场麦克斯韦从场的观点得出，即使没有电流存在，只要空间某处的电场发生变化，就会在其周围产生涡旋磁场如图所示(3)变化的电场和磁场是相互联系的，形成一个不可分离的统一场，这就是电磁场2电磁波(1)电磁波的产生变化的电场周围产生变化的磁场，变化的磁场周围产生变化的电场，变化的电场和变化的磁场相互联系在一起，就会在空间形成一个统一的、不可分割的电磁场这种在空间交替变化并传播出去的电磁场就形成了电磁波(2)电磁波的特点电磁波是横波，电

5、磁波在空间传播不需要介质电磁波的波长、频率、波速的关系：vf，在真空中，电磁波的速度c3.0108 m/s.(3)电磁波能产生反射、折射、干涉和衍射等现象3赫兹实验(1)赫兹实验装置(如图所示)(2)实验现象：当感应圈两个金属球间有火花跳过时，导线环两个小球间也跳过火花(3)现象分析：当感应圈使得与它相连的两个金属球间产生电火花时，空间出现了迅速变化的电磁场这种电磁场以电磁波的形式在空间传播当电磁波到达导线环时，它在导线环中激发出感应电动势，使得导线环的空隙中也产生了火花4实验结论：赫兹证实了电磁波的存在2(1)电磁波是横波()(2)麦克斯韦预言了电磁波的存在，赫兹用实验证实了电磁波的存在()

6、(3)变化的电场产生变化的磁场，变化的磁场产生变化的电场()提示：(1)(2)(3)电磁振荡中各物理量的对应变化1用图象对应分析i、q如图2振荡过程中相关物理量的对应关系时刻(时间)工作过程qEiB能量0放电瞬间qmEm00E电最大E磁最小0放电过程qm0Em00im0BmE电E磁放电结束00imBmE电最小E磁最大充电过程0qm0Emim0Bm0E磁E电充电结束qmEm00E电最大E磁最小放电过程qm0Em00im0BmE电E磁放电结束00imBmE电最小E磁最大T充电过程0qm0Emim0Bm0E磁E电T充电结束qmEm00E电最大E磁最小3.几个关系(1)同步同变关系在LC振荡回路发生电

7、磁振荡的过程中，电容器上的物理量：电荷量q、板间电压U、电场强度E、电场能E电是同时同向变化的，即：qUEE电(或qUEE电)振荡线圈上的物理量：振荡电流i、磁感应强度B、磁场能E磁也是同步同向变化的，即：iBE磁(或iBE磁)(2)同步异变关系在LC振荡过程中，电容器上的三个物理量q、E、E电与线圈中的三个物理量i、B、E磁是同步异向变化的，即q、E、E电同时减小时，i、B、E磁同时增大，且它们的变化是同步的，即：q、E、E电i、B、E磁.在振荡电路中，电容器极板上的电荷量与电压、电路中的电流，都是按正弦(或余弦)规律变化的，它们相对时间的变化是不均匀的在最大值处变化率最小，在零值处变化率最

8、大(多选)如图表示LC振荡电路某时刻的情况，以下说法正确的是()A电容器正在充电B电容器两极板间的电压正在增大C电感线圈中的电流正在增大D此时刻自感电动势正在阻碍电流减增大解析由电流的磁场方向可判断线圈中电流从上往下看是逆时针方向，又电容器上极板带正电，可知电容器在放电，两极板间电压减小，电路中的电流在增大，此时刻自感电动势阻碍电流增大，故A、B错误，C、D正确答案CD1.如图是一个LC振荡电路中的电流变化图线，根据图线可判断()At1时刻电感线圈两端电压最大Bt2时刻电容器两极板间电压为零Ct1时刻电路中只有电场能Dt1时刻电容器带电荷量为零解析：选D.由图象知，计时开始时，电容器两极板间带

9、电荷量最大，电流为零，电容器开始放电，根据电流随时间的变化规律可以在图中画出qt图象(在解析图中用虚线表示)根据图象分析可知：t1时刻，电容器上电荷量为零，电势差为零，电场能为零，故D对，A、C皆错t2时刻电容器上电荷量q最大，两板间电势差最大，B错故选D.LC振荡电路的周期1影响电磁振荡的周期和频率的因素由电磁振荡的周期公式T2知，要改变电磁振荡的周期和频率，必须改变线圈的自感系数L或者电容器的电容C.影响线圈自感系数L的是：线圈的匝数、有无铁芯及线圈截面积和长度线圈的匝数越多，自感系数L越大，有铁芯的自感系数比无铁芯的大影响电容器电容的是：两极板正对面积S、两极板间介质的介电常数以及两极板

10、间距d，由C(平行板电容器的电容)，不难判断、S、d变化时，电容C的变化情况一般来讲，由于电容器两极板间的正对面积的改变较为方便，只需将可变电容器的动片旋出或旋入，便可改变电容C的大小，所以通常用改变电容器正对面积的方法来改变LC振荡电路的周期和频率2LC回路中各物理量的周期(1)电感线圈L和电容器C在LC振荡电路中既是能量的转换器，又决定着这种转换的快慢，L或C越大，能量转换时间也越长，故周期也越长(2)回路中的电流i、线圈中的磁感应强度B、电容器极板间的电场强度E的变化周期就是LC振荡电路的振荡周期T2.在一个周期内，上述各量方向改变两次；电容器极板上所带的电荷量，其变化周期也是振荡周期T

11、2，极板上电荷的电性在一个周期内改变两次；电场能、磁场能也在做周期性变化，但是它们的变化周期是振荡周期的一半，即T.如图所示的振荡电路中，自感系数L300 H，电容C的范围为25270 pF，求：(1)振荡电流的频率范围；(2)若自感系数L10 mH，要产生周期T0.02 s的振荡电流，应配置多大的电容？思路点拨求解本题时应注意，电容最小时对应的振荡电流的频率最大，电容最大时振荡电流的频率最小解析(1)由f 得：fmax Hz1.8106 Hzfmin Hz0.56106 Hz所以频率范围为0.561061.8106 Hz.(2)由T2 得：C F103 F.答案(1)0.561061.810

12、6 Hz(2)103 F2.如图所示电容器的电容都是C4106 F，电感都是L9104 H，图甲中开关S先接a，充电结束后将S扳到b；图乙中开关S先闭合，稳定后断开两图中LC回路在电磁振荡t3.14104 s时刻，C1的上极板正在_电(选填“充”或“放”)，带_电(选填“正”或“负”)；L2中的电流方向向_(选填“左”或“右”)，磁场能正在_(选填“增大”或“减小”)解析：先由周期公式求出T21.2104 s，t3.14104 s时刻是开始振荡后的T，再看图甲电路对应的qt图象(以上极板带正电为正)和图乙电路对应的it图象(以LC电路中电流逆时针方向为正)，图象都为余弦函数图象，如图所示在T时

13、刻，从图甲电路对应的qt图象看出，上极板正在充电；从图乙电路对应的it图象看出，L2中的电流向左，正在增大，所以磁场能正在增大答案：充正左增大对麦克斯韦电磁场理论的理解1变化的磁场产生电场如图所示，当穿过螺线管的磁场随时间变化时，上面线圈中串联的灯泡发光，说明线圈中产生了感应电流麦克斯韦认为，线圈中产生感应电流的原因是变化的磁场在线圈中产生了电场线圈中的自由电荷在电场力作用下做定向移动从而形成电流在变化的磁场周围产生电场，是一种普遍存在的现象，而场本身是一种看不见摸不着的物质，跟闭合电路(导体环)是否存在无关，导体环的作用是显示电流的存在2变化的电场产生磁场在给电容器充电的时候，不仅导体中的电

14、流产生磁场，而且，在电容器极板间变化的电场周围也要产生磁场静止的电荷产生静电场，那么运动的电荷周围的电场应该是变化的电流是电荷定向移动形成的，说明导体中存在变化的电场，电流周围的磁场一定是这个变化的电场产生的，即变化的电场产生磁场3麦克斯韦理论的概括关于电磁场的理论，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思路点拨深刻理解麦克斯韦电磁场理论中“变化”的含义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，故

15、A选项错误，均匀变化的电场产生恒定的磁场，非均匀变化的电场产生变化的磁场故B、C错，D正确故选D.答案D麦克斯韦电磁场理论依据是电磁感应理解时要注意静电场(或静磁场)不产生磁场(或电场)，其核心在“变化”，要根据电场(或磁场)的变化情况来确定所产生的磁场(或电场). 3.关于电磁场和电磁波，下列说法正确的是()A电磁波有横波，也有纵波B电磁波不可能在墙体内传播C发射电路的电磁振荡停止，则传播出去的电磁波立即消失D电磁波中电场和磁场的方向处处垂直解析：选D.电磁波中，电场强度与磁感应强度均与传播方向相互垂直，电磁波是横波，没有纵波，A错误，D正确；电磁波在真空和介质中均能传播，B错误；发射电路的

16、电磁振荡停止时，虽不再发射电磁波，但已发射出去的电磁波还要继续传播，C错误典型问题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(3)二者都满足波的公式vf.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，例如地震波类比是一种有效的学习方法，通过归类和比较，有助于掌握新知识，提高学习

17、效率在类比过程中，既要找出共同之处，又要抓住不同之处某同学对机械波和电磁波进行类比，总结出下列内容，其中不正确的是()A机械波的频率、波长和波速三者满足的关系，对电磁波也适用B机械波和电磁波都能产生干涉和衍射现象C机械波的传播依赖于介质，而电磁波可以在真空中传播D机械波既有横波又有纵波，而电磁波只有纵波解析机械波和电磁波有相同之处，也有本质区别，如vf都适用，A说法正确；机械波和电磁波都具有干涉和衍射现象，B说法正确；机械波的传播依赖于介质，电磁波可以在真空中传播，C说法正确；机械波有横波和纵波，而电磁波是横波，D说法错误答案D(多选)关于电磁波与声波的比较，下列说法中正确的是()A电磁波的传

18、播不需要介质，声波的传播需要介质B由空气进入水中时，电磁波速度变小，声波速度变大C由空气进入水中时，电磁波波长变短，声波波长变长D电磁波和声波在介质中的传播速度，都是由介质决定，与频率无关解析：选ABC.因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A正确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B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，所以由波长及它们在不同介质中的传播速度可知，由空气进入水中时，电磁波的波长变短，声波的波长变长，故C正确电磁波在介质中的速度，

19、与介质有关，也与频率有关，在同一种介质中，频率越大，波速越小，所以选项D错误 随堂检测1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，电容器两极板间的场强最大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成电场能D振荡电流减小的过程中，线圈中的磁场能转化为电场能解析：选D.振荡电流最大时为电容器放电结束瞬间，场强为零，A错；振荡电流为零时，LC回路振荡电流改变方向，这时的电流变化最快，电流强度变化率最大，线圈中自感电动势最大，B错；振荡电流增大时，线圈中电场能转化为磁场能，C错；振荡电流减小时，线圈中磁场能转化为电场能，D对2关于电磁场

20、和电磁波，下列说法中正确的是()A变化的磁场一定会产生变化的电场B电磁波在真空中和介质中传播速度相同C电磁波能产生干涉和衍射现象D电磁波在同种介质中只能沿直线传播解析：选C.均匀变化的磁场产生稳定的电场，故A项错；电磁波在介质中传播速度比真空中的小，故B项错；电磁波能产生干涉和衍射现象，故C项对，D项错3.如图所示，某瞬间回路中电流方向如箭头所示，且此时电容器的极板A带正电荷，则该瞬间()A电流i正在增大，线圈L中的磁场也正在增大B电容器两极板间的电压正在增大C电容器带电荷量正在减小D线圈中电流产生的磁感应强度正在增强解析：选B.根据电流方向可知电容器正处于充电状态，电容器充电过程中，回路中电

21、流减小，磁场能减小，电场能增大，电容器带电荷量正在增大，电压正在增大，线圈中电流产生的磁场的磁感应强度正在减弱，故只有B正确4.用如图所示的LC电路，可以产生电磁振荡设其中所用电容器的电容为C、线圈的自感系数为L，则该电路辐射电磁波的频率为_若将所用电容器的电容变为4C，线圈的自感系数不变，则电容器的带电量由最多逐渐减少到零所经历的时间t_解析：电磁波的频率为f .电容变为4C时，振荡电流的周期为T24.电容器的带电量由最多到零的时间为个周期，则tT.答案：课时作业一、单项选择题1按照麦克斯韦电磁场理论，以下说法中正确的是()A振荡电场周围产生振荡磁场，振荡磁场周围产生振荡电场B稳定电场周围产

22、生稳定磁场，稳定磁场周围产生稳定电场C变化电场周围产生变化磁场，变化磁场周围产生变化电场D均匀变化电场周围产生均匀变化磁场，均匀变化磁场周围产生均匀变化电场解析：选A.由麦克斯韦电磁场理论，稳定的电场或磁场不会在周围产生磁场或电场；均匀变化的电场或磁场在周围产生稳定的磁场或电场；振荡的电场或磁场在周围产生的振荡磁场或电场，故B、C、D均错，A对2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3108 m/sC电磁波由真空进入介质传播时，波长变长D电磁波不能产生干涉、衍射的现象解析：选A.电磁波是交替产生周期性变化的电磁场由发生区域向

23、远处的传播在真空中的传播速度为3108 m/s.电磁波在传播过程中频率f不变，根据波速公式vf，由于电磁波在介质中传播速度变小，所以波长变短电磁波具有波动性，能产生干涉、衍射现象故只有A对3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在线圈中插入铁芯解析：选A.振荡电流的频率由LC回路本身的特性决定，f .增大电容器两极板的间距，电容减小，振荡频率增大，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；增加线圈匝数和插入铁芯，电感L都增大，频率降低，C、D错4某时刻LC振荡电路的状态如图所示，图中的箭头方向

24、表示此时电流的方向，则下列说法中正确的是()A电容器正处于放电过程中B振荡电流在增大C电容器上电荷量正在减少D磁场能正在向电场能转化解析：选D.由题图可知，电容器正在充电，电容器上的电荷量、电场能增加；回路中电流正在减小，磁场能正在减小，磁场能正向电场能转化，故A、B、C项都错，D项对5某电路中电场强度随时间变化的图象如图所示，能发射电磁波的电场是()解析：选D.由麦克斯韦电磁场理论，当空间出现恒定的电场时(如A项)，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(如B、C项时)，会激发出磁场，但磁场恒定，不会再在较远处激发起电场，故也不会产生电磁波；周期性变化的电场(如D项)，会激发

25、出周期性变化的磁场，它又激发出周期性变化的电场如此不断激发，便会形成电磁波，故D正确6.如图所示电路中，L是电阻不计的电感器，C是电容器，闭合开关S，待电路达到稳定状态后，再打开开关S，LC电路中将产生电磁振荡如果规定电感器L中的电流方向从a到b为正，打开开关的时刻为t0时刻，那么图中能正确表示电感器的电流i随时间t变化规律的是()解析：选C.本题属含电容电路、自感现象和振荡电路的综合性问题，应从下面几个方面考虑：(1)S断开前，ab段短路，电容器不带电；(2)S断开时，ab中产生自感电动势，阻碍电流减小，同时，电容器C充电，此时电流正向最大(3)给电容器C充电的过程中，电容器的充电量最大时，

26、ab中电流减为零，此后LC发生电磁振荡形成交变电流二、多项选择题7.如图所示，有一水平放置、内壁光滑、绝缘的真空圆形管，半径为R，有一带正电的粒子静止在管内，整个装置处于竖直向上的磁场中，要使带电粒子由静止开始沿管做圆周运动，所加磁场可能是()A匀强磁场B均匀增加的磁场C均匀减少的磁场D由于洛伦兹力不做功，不管加什么磁场都不能使带电粒子绕管运动解析：选BC.本题考查应用麦克斯韦电磁场理论和牛顿运动定律的能力，磁场对静止的电荷不产生力的作用，但当磁场变化时可产生电场，电场对带电粒子产生电场力的作用，带电粒子在电场力作用下可以产生加速度，选B、C.8LC振荡电路中，某时刻磁场方向如图所示，则下列说

27、法正确的是()A若磁场正在减弱，则电容器上极板带正电B若电容器正在充电，则电容器下极板带正电C若电容器上极板带正电，则线圈中电流正在增大D若电容器正在放电，则自感电动势正在阻碍电流增大解析：选BCD.由电流的磁场方向和安培定则可判断振荡电流方向，由于题目中未标明电容器两极板带电情况，可分两种情况讨论：(1)若该时刻电容器上极板带正电，则可知电容器处于放电状态，电流正在增大，则C正确，A错误(2)若该时刻电容器下极板带正电，可知电容器处于充电状态，电流正在减小，则B正确由楞次定律可判定D正确9如图所示为LC振荡电路中电容器两极板上的电荷量q随时间t变化的图线，由图可知()A在t1时刻，电路中的磁

28、场能最小Bt1到t2电路中的电流值不断变小C从t2到t3电容器不断充电D在t4时刻，电容器的电场能最小解析：选ACD.作出it图线(图中虚线)，注意到it图线按余弦规律变化，注意到电流大，磁场能大；电容器C上带电荷量大与电场能大为对应关系，不难判断出A、C、D正确10LC振荡电路中，通过P点的电流变化规律如图乙所示(图中周期为2 s)现规定沿顺时针方向的电流方向为正，则()A0.5 s至1 s时间内，电容器充电B0.5 s至1 s时间内，电容器上极板带的是正电C1 s至1.5 s时间内，磁场能正在转化为电场能D1 s至1.5 s时间内，下极板的电势高解析：选AD.由振荡电流的图象可知，在0.51 s的时间内，电流为正方向，且电流值正在减小，由题意可知，顺时针方向为电流的正方向，则在0.51 s的时间内，LC回路中的电流是沿顺时针方向的，而且电容器C正在充电由于充电电流是由电容器C的负极板流出，流向正极板，可知在0.51 s的时间内电容器C的上极板带负电，下极板带正电，选项A正确，B错误；再由振荡电流的图象知，在11.5 s的时间内，电流的方向为负，且电流值正在增大，由题意可知，此时间内LC回路中的电流是沿逆时针方向的，所以下极板的电势高，而且由于电流值正在增大，所以电场能正转化为磁场能，选项C错误，D正确三、非选择题11在LC振荡电路中，