高中物理 第3章 电磁波 第1节 电磁波的产生知识导航素材 鲁科版选修3-4（通用）

高中物理 第3章 电磁波 第1节 电磁波的产生知识导航素材 鲁科版选修3-4（通用）

第1节 电磁波的产生 ‎ 思维激活 ‎1.2020年10月12日，“神舟六号”航天器顺利升空，进入轨道.航天员聂海胜、费俊龙与地面控制中心用无线电取得了联系，并与家属通了话.当你目睹这激动人心的场面时，你可曾想到是无线电技术的高度发展才使人们相隔千里、万里，仍能如在眼前一样对话？‎ 提示：由于电磁波的存在，使宇宙“变小”了，才会出现这种激动人心的场面.‎ ‎2.高压线向远方输送着大量电能，把能量源源不断地送到城乡各地.如果居民的房屋在高压线下边不远处，对人会有影响吗？‎ 提示：高压线输送的是交变电流，因而在其周围会产生交变电磁场，如果人们长期处在强电磁场中，电磁场一定会对人体产生影响.‎ 自主整理 一、电磁振荡 ‎__________和__________都做__________变化的电流叫做振荡电流；产生振荡电流的电路叫做__________.LC振荡电路是一种基本的振荡电路，它是由__________L和__________C所组成的.‎ LC振荡电路是一种电磁振荡的理想模型，在产生振荡电流的过程中，____________能和____________能也在相互转化，因此又叫电磁振荡.‎ 发生电磁振荡时，通过电路中某一点的电流，由____________的最大值再恢复到____________的最大值，这就是一次____________.完成一次____________的时间叫做电磁振荡的____________，在____________时间内完成____________的次数叫做电磁振荡的____________.‎ LC振荡电路的固有周期T=____________，固有频率f=____________.‎ 二、麦克斯韦的预言 ‎____________的电场周围产生变化的磁场，____________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，形成____________‎ ‎，电磁场相互激发，由近及远向外传播，形成____________.‎ 麦克斯韦从他的电磁场方程得到电场和磁场的方向____________，并都____________传播的方向，从而认为光是一种按照电磁定律在场内传播的____________.‎ 三、赫兹实验 ‎____________物理学家赫兹首先在实验中发现了__________，用事实证明了__________理论的正确性.‎ 高手笔记 ‎1.麦克斯韦电磁场理论 ‎（1）恒定的电场不产生磁场.‎ ‎（2）恒定的磁场不产生电场.‎ ‎（3）均匀变化的磁场在周围空间产生恒定的电场.‎ ‎（4）均匀变化的电场在周围空间产生恒定的磁场.‎ ‎（5）振荡电场产生同频率的振荡磁场.‎ ‎（6）振荡磁场产生同频率的振荡电场.‎ 在变化的磁场的周围空间将产生涡漩电场，在变化的电场的周围空间将产生涡漩磁场.当变化的电场增强时，磁感线沿某一方向旋转，在磁场减弱时，磁感线将沿相反方向旋转，如果电场不改变就不产生磁场.同理，减弱或增强的电场周围也将产生不同旋转方向的磁场.因此，变化的电场在其周围产生磁场，变化的磁场在其周围产生电场，一种场的突然减弱，导致另一种场的产生.这样，周期性变化的电场、磁场相互激发，形成的电磁场链一环套一环，如图‎3-1-1‎所示.需要注意的是，这里的电场和磁场必须是变化的，形成的电磁场链环不可能是静止的，这种电磁场是无源场（即不是由电荷激发的电场，也不是由运动电荷——电流激发的磁场），并非简单地将电场、磁场相加，而是相互联系、不可分割的统一整体.在电磁场示意图中，电场E矢量和磁场B矢量，在空间相互激发时，相互垂直，以光速c在空间传播.‎ 图‎3-1-1‎ 电磁场示意图 ‎2.电磁波与机械波的相同点和不同点 ‎（1）电磁波是横波，机械波有横波和纵波两类.‎ ‎（2）电磁波的速度（在真空中等于光速）远大于机械波（例如，声速只有‎340米/秒）.‎ ‎（3）电磁波的传播不一定需要介质（在真空中也能传播），机械波的传播必须有介质.‎ 不同频率的电磁波在真空中的传播速度相同，但不同频率的电磁波在同一种介质中的传播速度不同.‎ ‎（4）电磁波向外传播的是电磁能，机械波传播的是机械能.‎ 名师解惑 ‎1.LC回路中振荡电流的变化情况如何？‎ 剖析：在分析LC回路中振荡电流的产生过程时，要明确电容C和电感L在电路中的作用.电容器在电路中有充电和放电的作用.电感线圈在电路中有阻碍电流变化的作用.电感线圈中的自感电动势大小和电流的变化率成正比，方向总是阻碍电流的变化.‎ ‎（1）电容器在放电过程中，电路中电流增大，由于线圈自感作用阻碍电流的增大，电流不能立刻达到最大值.‎ ‎（2）电容器开始放电时，电流的变化率最大，电感线圈的自感作用对电流的阻碍作用最大，但阻碍却无法阻止，因此，随自感电动势的减小，放电电流逐渐增大，电容器放电完毕，电流达到最大值.‎ ‎（3）电容器放电完成后，电流将保持原来的方向减小，由于线圈的自感作用阻碍电流的减小，因此电流逐渐减小，这个电流使电容器在反方向逐渐充电.‎ ‎（4）电容器反向充电，使电容器极板上带上相反的电荷，并且电荷逐渐增多，极板上的电荷对向极板上累积的电荷产生阻碍作用，反向充电电流逐渐减小，到反向充电完毕时，电流减小到零.此后电容再次放电，再次充电，这样不断地充电和放电，电路中就出现了振荡电流.‎ 这个过程中，电容器极板上的电荷q，电路中的电流i，电容器内的电场强度E，线圈的磁场B，都发生周期性变化.‎ ‎2.LC回路中电场能和磁场能是如何转化的？‎ 剖析：（1）电磁振荡的过程，实质上是电场能和磁场能相互转化的过程.LC回路中的电场能和磁场能做周期性变化，但是它们的变化周期是电磁振荡周期的一半.这是因为电场能和磁场能是标量，只有大小在做周期性变化，而回路中的电流、电压、电场强度、磁感应强度的方向和电容器极板上电荷的电性在电磁振荡的一个周期内改变两次.‎ ‎（2）若LC回路中没有能量损失，那么在电磁振荡过程中，电容器中的电场能E和自感线圈中的磁场能Ei相互转化，能量守恒，即E+Ei=恒量.‎ ‎（3）在电磁振荡过程中，电容器上电荷量q、电压U、两板间的场强及电场能Ei对应，它们变化的趋势一致，同增同减，同为最大或零值，即电荷量最大时，一定是板间电压、场强及电场能最大时.而线圈中的电流i，磁感应强度B及磁场能Ei对应，它们的变化趋势一致，同增同减，同为最大或零值，即当电流最大时，线圈中磁感应强度及磁场能最大.电容器极板上的电荷量的变化与电路中电流的变化趋势相反：此增彼减.‎ ‎3.如何判断LC回路是处于放电过程还是充电过程？‎ 剖析：当电流流向带正电的极板，电荷量增加，磁场能向电场能转化，电场能增加，电流减小，磁场能减少，处于充电过程；当电流流出带正电的极板，电荷量减少，电场能向磁场能转化，电场能减少，电流增大，磁场能增加，处于放电过程.‎ 讲练互动 ‎【例题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：根据麦克斯韦的电磁场理论，只有变化的电场才产生磁场，故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.‎ 答案：D 绿色通道 在理解麦克斯韦的电磁场理论时，要注意静电场不产生磁场，静磁场也不产生电场.还要注意根据电场（或磁场）的变化情况来确定所产生的是什么样的磁场（或电场）.‎ 变式训练 ‎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：根据麦克斯韦电磁场理论，只有变化的电场周围才产生磁场，恒定电流是均匀变化的电场，所以周围存在稳定的磁场，故BD选项正确.‎ 答案：BD ‎2.将图‎3-1-2‎所示的带电的平行板电容器C的两个极板用绝缘工具缓缓拉大板间距离的过程中，在电容器周围空间（ ）‎ 图‎3-1-2‎ A.会产生变化的磁场 B.会产生稳定的磁场 C.不产生磁场 D.会产生周期性变化的磁场 解析：根据麦克斯韦电磁场理论，电场周围是否会产生磁场，产生怎样的磁场，都取决于电场是否变化及变化情况.若电场不变化，周围不产生磁场；若均匀变化，则产生稳定的磁场；若非均匀变化，则产生变化的磁场；如果电场周期性变化，则产生的磁场也周期性变化.本题中由于电容器始终跟电源相连，两极板间电压不变，根据E=可知在d缓慢增大的时候，E是非均匀变化的，因此在它们周围产生变化的磁场，选项A正确.‎ 答案：A ‎【例题2】某空间出现了如图‎3-1-3‎所示的一组闭合的电场线，这可能是（ ）‎ 图‎3-1-3‎ 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：根据电磁感应理论，闭合回路中磁通量变化时，使闭合电路中产生感应电流，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.‎ 答案：AC 绿色通道 根据麦克斯韦电磁场理论，闭合电路中产生感应电流，是因为闭合电路中电荷受到了电场力作用，而变化的磁场产生电场，与是否存在闭合电路无关，故空间内磁场变化产生的电场方向，仍可用楞次定律判断.‎ 变式训练 ‎3．一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‎3-1-4‎所示.当磁感应强度均匀增大时，此粒子的（ ）‎ 图‎3-1-4‎ A.动能不变 B.动能增大 C.动能减小 D.以上情况都可能 解析：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，电场是一方向为逆时针的涡旋电场，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 ‎4．如图‎3-1-5‎所示，在内壁光滑、水平放置的玻璃圆环内，有一直径略小于环口径的带正电的小球，正以速率v0沿逆时针方向匀速转动.若在此空间突然加上方向竖直向上、磁感应强度B随时间成正比例增加的变化磁场，设运动过程中小球的带电荷量不变，那么（ ）‎ 图‎3-1-5‎ A.小球对玻璃杯的压力不断增大 B.小球受到的磁场力不断增大 C.小球先沿逆时针方向做减速运动，过一段时间后，沿顺时针方向做加速运动 D.磁场力对小球一直不做功 解析：因为玻璃圆环所在处有均匀变化的磁场，在周围产生稳定的涡旋电流，对带正电的小球做功.由楞次定律，判断电场方向为顺时针方向.在电场力作用下，小球先沿逆时针方向做减速运动，后沿顺时针方向做加速运动.故C选项正确.‎ 小球在水平面内沿轨迹半径方向受两个力作用：环的弹力FN和磁场的洛伦兹力f=B·q·v，而且两个力的矢量和时刻等于小球做圆周运动的向心力.考虑到小球速度大小的变化和方向的变化以及磁场强弱的变化，弹力FN和洛伦兹力f不一定始终在增大，故A、B选项错.‎ 磁场力始终与圆周运动的线速度方向垂直，所以磁场力对小球不做功，故D选项正确.‎ 答案：CD ‎【例题3】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：振荡电流最大时，处于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.‎ 答案：D 绿色通道 磁场能与电流i对应，电场能与电荷量q对应，在等幅振荡中，磁场能与电场能的总量保持不变.‎ 变式训练 ‎5．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：在LC振荡电路中，电荷量最大时，是充电结束瞬间，所以线圈中电流为零，而电荷量为零时，是放电结束瞬间，所以线圈中振荡电流最大，故A错B对.电荷量增大的过程，是磁场能转化为电场能的过程，故C对D错.‎ 答案：BC ‎6．在LC电路发生电磁振荡的过程中，当电感线圈两端的电压达到最大时（ ）‎ A.电路中的电流达到最大 B.电容器内电场能为零 C.电感线圈内磁场能为零 D.电容器所带的电荷量为零 解析：当线圈的两端电压最大时，即电容器两端电压最大，这是充电结束时的状态，两极板电荷量最多，板间场强最强，回路中电流已为零，由能量守恒定律，知磁场能已全部转化为电场能.故选C.‎ 答案：C ‎【例题4】图‎3-1-6‎中画出一个LC振荡电路中的电流变化图线，根据图线可判断（ ）‎ 图‎3-1-6‎ A.t1时刻电感线圈两端电压最大 B.t2时刻电容器两极间电压为零 C.t1时刻电路中只有电场能 D.t1时刻电容器带电荷量为零 解析：本题考查认识it图象和利用图线分析问题的能力.‎ 由图象知，计时开始时，电容器两极板带电荷量最大，电流为零，电容器放电开始，根据电流随时间的变化规律可以在图中画出qt图象（在图‎3-1-7‎中用虚线表示）.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时刻电容器电荷q最大，两板间电势差最大，B错.‎ 图‎3-1-7‎ 答案：D 绿色通道 分析it图象时，画出对应的qt图象，并注意到i与B、Eb变化规律一致，q与E、E电、U变化规律一致，可起到事半功倍的效果.‎ 变式训练 ‎7．如图‎3-1-8‎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…（ ）‎ 图‎3-1-8‎ A.在t1时刻，电路中的磁场能最小 B.从t1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：q的变化与磁场能的变化相反，与电场能的变化相同，所以t1时刻磁场能最小，t1到t2电路中的电流值在增大，t2到t3，电荷量增大，说明正在给电容器充电，t4时刻电场能最小，故A、C、D选项正确.‎ 答案：ACD ‎8．在图‎3-1-9‎所示电路中，L是电阻不计的线圈，C为电容器，R为电阻，开关S先是闭合的.将开关S断开，并从这一时刻开始计时，设电容器A极板带正电时电荷为正，则电容器A极板上的电荷量q随时间t变化的图象是图3-1-10中的哪一个（ ）‎ 图‎3-1-9‎ 图‎3-1-10‎ 解析：开关S闭合时，由于线圈中电阻为零，线圈中有自左到右的电流，但线圈两端电压为零，与线圈并联的电容器极板上不带电，故本题中LC回路的初始条件是线圈中电流最大，电场能为零.‎ 断开S，线圈中产生与电流方向相同的自感电动势，阻碍线圈中电流的减小，使线圈中电流继续自左向右流动，从而给电容器充电，B板带正电，A板带负电，电荷量逐渐增加，经电荷量达最大值，此时LC回路中电流为零.在~时间内，电容器放电，A板上负电荷逐渐减少到零，此后电容器被反向充电，A板带正电，后又放电，如题图中B项所示.‎ 答案：B 体验探究 ‎【问题】演示电磁振荡现象时应注意什么问题？‎ 导思：由振荡电流的产生电路分析.‎ 探究：电磁振荡是指这些电荷、电场、电流、磁场都随时间做周期性的正弦变化的现象，它产生的振荡电流是一种频率很高的交流电，这种交流电很难由交流发电机产生，一般由LC回路产生.在无线电技术中振荡电流的频率约1兆赫兹或几十兆赫兹，由于交流发电机产生的交流电的频率是50 Hz，所以为便于观察到电磁振荡现象，可依据T=2π去选择L大的线圈和C大的电容来做演示实验.‎ 教材链接 ‎【实验与探究】（课本47页）‎ 实验中灵敏电流计的指针左右摆动是由于电路中产生了大小和方向都做周期性变化的电流，而指针摆幅的逐渐减小，是由于电路中电阻的存在而引起的能量损耗，所以这种振荡又称为阻尼振荡；若电路中没有能量损失，产生的振荡电流又称无阻尼振荡电流.‎