高中物理 第14章 第2节电磁振荡课件 新人教版选修3-4 45页

第二节　电磁振荡 课前自主学案 核心要点突破 课堂互动讲练 课标定位 知能优化训练 第 二 节 　 电 磁 振 荡 课标定位 学习目标：1.了解电磁波发现的过程，理解麦克 斯韦电磁场理论的基本思想． 2．知道电磁波的形成及电磁波的基本特点． 3．理解振荡电流、振荡电路及LC电路的概念， 了解LC回路中振荡电流的产生过程． 4．知道LC振荡电路中的能量转化情况，了解电 磁振荡的周期与频率，会求LC电路的周期与频 率． 重点难点：1.麦克斯韦电磁场理论． 2．电磁振荡的概念及振荡过程中各物理量的变 化规律及其周期性． 课前自主学案 一、伟大的预言 1．麦克斯韦电磁场理论 英国物理学家麦克斯韦在总结前人研究电磁现 象成果的基础上，建立了完整的电磁场理 论．可定性表述为：_______的磁场产生电场， ________的电场产生磁场． 变化 变化 2．麦克斯韦对电磁波的预言(电磁波的产生) 如果在空间某区域中有________变化的电场， 那么它就在空间引起________变化的磁场； 这个变化的磁场又引起新的______的电场…… 于是，变化的______和变化的______交替产 生 ， 由 近 及 远 地 向 周 围 传 播 ， 形 成 了 _________． 周期性 周期性 变化 电场 磁场 电磁波 二、电磁波 1．电磁波中的电场强度与磁感应强度互相 _______，而且二者均与波的传播方向 _______，因此电磁波是______． 2．电磁波的速度等于_______，光的本质是 __________． 三、赫兹的电火花 1．赫兹利用如图14－1－1的实验装置，证 实了__________的存在． 垂直 垂直 横波 光速 电磁波 电磁波 图14－1－1 2．赫兹的其他实验成果：赫兹通过一系列的 实验，观察到了电磁波的反射、折射、干涉、 衍射和偏振现象，并通过测量证明，电磁波在 真空中具有与光相同的________，证实了麦 克斯韦关于光的电磁理论． 四、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________都做周期性迅 速变化的电流． (2)振荡电路：产生__________的电路．最简 单的振荡电路为LC振荡电路． 速度 方向 振荡电流 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 __________，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 __________，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． 逐渐减少 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______________逐渐减小， 电容器将进行__________，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． 原来的方向 反向充电 3．电磁振荡的实质 在电磁振荡过程中，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 场都在______________，电场能和磁场能周期 性的________． 五、电磁振荡的周期和频率 1．周期T：电磁振荡完成一次______________ 需要的时间． 2 ． 频 率 f ： 1 s 内 完 成 的 周 期 性 变 化 的 _______． 周期性的变化 转化 周期性变化 次数 核心要点突破 一、对麦克斯韦电磁场理论的理解 在19世纪60年代，英国物理学家麦克斯韦在系 统总结前人研究电磁规律成果的基础上，建立 了完整的电磁场理论，预言了电磁波的存在． 1．电磁场理论的核心之一：变化的磁场产生电 场 实验基础：实验装置如图14－1－2所示．当穿 过螺线管的磁场随时间变化时，上面的线圈中产 生了感应电流，使灯泡发光． 麦克斯韦认为变化的磁场在线圈中产生了电场， 正是这种电场在线圈中引起了感应电流． 如图14－1－3甲图所示，麦克斯韦认为在变化 的磁场周围产生电场是一种普遍存在的现象，跟 闭合电路(导体环)是否存在无关，导体环的作用 只是用来显示电流的存在． 图14－1－2 2．电磁场理论的核心之二：变化的电场产生磁 场 麦克斯韦认为：由电现象和磁现象的相似性和变 化的磁场能产生电场的观点，认为变化的电场就 像导线中的电流一样，会在空间产生磁场． 根据麦克斯韦理论，在给电容器充电的时候，不 仅导体中的电流要产生磁场，而且在电容器两极 板间变化着的电场周围也要产生磁场．如图14－ 1－3乙所示． 图14－1－3 3．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 4.对电磁场的理解 (1)电磁场的产生 如果在空间某区域有周期性变化的电场，那么 这个变化的电场在它周围空间产生周期性变化 的磁场；这个变化的磁场又在它周围空间产生 新的周期性变化的电场……变化的电场和磁场 相互联系，形成了不可分割的统一体，这就是 电磁场． (2)电磁场与静电场、静磁场的比较 三者可以在某空间混合存在，但由静电场和静磁 场混合的空间不属于电磁场．电磁场是电场、磁 场相互激发，相互耦连形成的统一体．电磁场由 近及远传播，形成电磁波，如图14－1－4所示． 图14－1－4 特别提醒：(1)变化的磁场周围产生电场，是 一种普遍存在的现象，跟闭合电路是否存在 无关． (2)在变化的磁场中所产生的电场的电场线是 闭合的，而静电场中的电场线是不闭合的． 即时应用(即时突破，小试牛刀) 1．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产生磁场 D．恒定电流周围存在着稳定的磁场 解析：选BD.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、电磁振荡中电流i、极板间的电压u、极板 上的电量q、电场能和磁场能之间的对应关系 图14－1－5 1．如图14－1－5所示，同步同变关系 在LC振荡回路发生电磁振荡的过程中，电容器 上的物理量：电量q、电场强度E、电场能EE 是同步变化的，即： q↓→E↓→EE↓(或q↑→E↑→EE↑) 振荡线圈上的物理量：振荡电流i、磁感应强度 B、磁场能EB也是同步变化的，即： i↓→B↓→EB↓(或i↑→B↑→EB↑) 即时应用(即时突破，小试牛刀) 2．在LC振荡电路中，下列哪个说法是错误的 (　　) A．电容器开始放电时，电路中电流最大 B．电路中电流最大时，电路中的电场能最小 C．电容器放电结束时，电路中的电流最大 D．电容器反向充电开始时，电路中的磁场能 最大 解析：选A.在电容器放电过程中，电流由零逐渐增 大，线圈中产生的自感电动势虽然和电流方向相反， 要阻碍电流的增大，但不能阻止电流的增大．因此 尽管随着放电过程的进行，加在线圈两端的电压不 断减小，但是线圈中的电流却不断增大，直至放电 结束，线圈两端电压减小为零，电流增为最大．从 能量转化的角度更容易理解其大小变化的关系：在 电容器放电过程中，电容器电荷量逐渐减小，磁场 能逐渐增大，磁场逐渐增强，这只有电流逐渐增大 才能实现．直至放电结束，电容器电荷量为零，电 场能全部转化为磁场能，电流达到最大．由上述分 析可知，答案为A. 课堂互动讲练 对麦克斯韦电磁场理论的理解 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 【精讲精析】　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 产生恒定的磁场，非均匀变化的电场产生变化 的磁场． 【答案】　D 【方法总结】　麦克斯韦的电磁场理论关键是 理解掌握四个关键词：“恒定的”、“均匀变 化的”、“非均匀变化的”、“周期性变化 的”，这些都是对时间来说的，是时间的函 数． 变式训练1　如图14－1－6所示的四种电场中， 哪一种能产生电磁波(　　) 图14－1－6 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(如B图、 C图时)，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 此不断激发，便会形成电磁波，故D正确． 一个带正电的粒子在垂直于匀强磁场的平 面内做匀速圆周运动，如图14－1－7所示．当 磁感应强度均匀增大时，此粒子的(　　) A．动能不变　　　　 B．动能增大 C．动能减小 D．以上情况都可能 感应电场方向的判定 图14－1－7 【自主解答】　当磁场均匀增加时，根据麦克 斯韦电磁场理论，将产生一恒定的电场，带电 粒子将受一电场力作用，该力对带电粒子做正 功，所以粒子的动能将增大，选项B正确． 【答案】　B 【方法总结】　(1)变化的磁场产生的电场叫感 应电场，它的电场线是闭合的，其方向可用楞 次定律判定． (2)虽然磁场对运动电荷的洛伦兹力永不做功， 但感应电场对电荷有电场力的作用，要对电荷 做功． 变式训练2　某空间出现了如图14－1－8所示 的一组闭合的电场线，这可能是(　　) 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：选AC.根据电磁感应 理论，闭合回路中磁通量变 化时，使闭合电路产生感应 电流，该电流可用楞次定律 判断，其中感应电流的方向 和电场线方向一致． 图14－1－8 (2011年北京海淀区高二检测)关于电磁场和 电磁波，下列叙述中正确的是(　　) A．恒定的电场能够产生电磁波 B．电磁波的传播需要介质 C．电磁波从一种介质进入另一种介质，频率 不变 D．电磁波在传播过程中也传递了能量 对电磁波特性的认识 【精讲精析】　由麦克斯韦电磁场理论可知， 只有非均匀变化的电场、磁场能产生电磁波，A 错；电磁波的传播不需要介质，B错；电磁波与 机械波一样，在传播过程中频率不变，C正确； 电磁波传播电磁振荡的运动形式和能量，D对． 【答案】　CD 变式训练3　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 解析：选B.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． 在LC振荡电路中，线圈的自感系数L＝2.5 mH， 电容C＝4 μF. (1)该回路的周期多大？ (2)设t＝0时，电容器上电压最大，在t＝9.0×10－3 s时，通过线圈的电流是增大还是减小，这时电容器 是处在充电过程还是放电过程？ 电磁振荡过程的分析与计算 图14－1－9 【答案】　(1)6.28×10－4 s　(2)减小　充电 【方法总结】　电容器充、放电过程中电流的变 化特征：电容器充电过程中，电容器带电量越来 越多，电流越来越小，充电完毕时，电流为零； 电容器放电过程中，电容器带电量越来越少，电 流越来越大，放电完毕时，电流最大． 变式训练4　如图14－1－10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．电感线圈中的磁场能正在增加 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增大 图14－1－10 解析：选BCD.由题图中磁感应强度的方向和安 培定则可知，此时电流向着电容器带负电极板 流动，也就是电容器处于放电过程中，这时两 极板电荷量和电压、电场能处于减少过程，而 电流和线圈中磁场能处于增加过程，由楞次定 律可知，线圈中感应电动势阻碍电流的增加．