高中物理必备知识点：电磁振荡及总结

高中物理必备知识点：电磁振荡及总结

课题 第三章 电磁振荡电磁波 §3、1电磁振荡 总课时：1 教 学 目 标 知识与技能： 1．知道什么是 LC 振荡电路和振荡电流，理解 LC 回路中产生振荡电流的过程．了解电容 器的充电、放电作用及电感阻碍电流变化的作用． 2．会分析振荡电流变化过程中，电场能和磁场能的相互转化的规律，并会分析振荡电流 在一个周期变化过程中，电容器上电荷的变化情况及电感线圈中电流的大小和方向的变化 情况． 3．知道阻尼振荡和无阻尼振荡的区别，以及振幅减小的原因． 过程和方法： 通过观察演示实验，概括出电磁振荡等概念，提高学生通过实验获得实验信息能力，以及 理解和概括能力． 情感态度与价值观： 通过实验探究，培养学生的科学态度和科学作风。 教学 重点 LC 回路的工作过程及相关物理量的变化规律。 教学 难点 振荡电流产生的物理原因和物理实质。 设计思路：通过举例引入新课→复习电容器充电、放电和线圈的电感作用→演示 LC 回路产生电磁振荡的现象，分析电流变化的特点→引出振荡电流和振荡电路的概念 →概括与电场能和磁场能有关的因素→分析振荡电流的产生过程→归纳电磁振荡 的特点、规律、分析方法和分析依据→将 LC 回路与简谐运动进行类比→介绍无阻 尼振荡和阻尼振荡的概念→练习以巩固所学知识→总结本节课所学内容的重难点 →布置作业。 设计意图[来源:学科网 ZXXK] [来源:学科网] 教学流程图： 板书设计： 一．振荡电流与振荡电路： (1)振荡电流： 大小和方向都做周期性变化的电流叫做振荡电流。 (2)振荡电路： 能够产生振荡电流的电路叫做振荡电路。 (3)理想的 LC 振荡电路 二．电磁振荡的产生过程 放电过程： 充电过程： 分 析 振 荡 电 流 的 产 生 过 程 实 验 演 示 引 出 振 荡 电 流 和 振 荡 电 路 的 概念 归纳电磁 振荡的特 点、规律、 分析方法 和分析依 据 介绍无 阻尼振 荡和阻 尼振荡 的概念 由生活实际 引入，激发 学生兴趣 实验演示激 发 学 生 兴 趣、激发学 生思考 [来源:学科网 ZXXK] 培养学生分 析总结的能 力 三．电磁振荡的变化规律： 四、电磁振荡的周期和频率 教 学 过 程 [教师]： 在信息技术高速发展的今天，电磁波对我们来说越来越重要。例如，广播、电视要 利用电磁波，无线电通信要利用电磁波，航空、航天中的自动控制和通信联系等都 要利用电磁波……（屏幕展示电磁波与人们工作和生活相联系的画面，要求学生尽 可能再列举一些用到电磁波的场合，创设学习知识内容的情境） 电磁波到底是什么？为什么它具有那么大的威力？它又是怎样产生的呢？它 有哪些性质？是否具有波的共同特性？怎样利用它来传递各种信号？……(展示学 生急于了解的问题，激发学生的求知欲)这就是我们这一章要学习的内容。 机械波是由机械振动产生的，与此类似，电磁波是由电磁振荡产生的。(引导 学生运用类比的方法学习)学习电磁波先要从学习电磁振荡开始。 新课教学 1．振荡电流与振荡电路： （复习电容器充电、放电和电感的作用。用实物展示仪将实验情况投影到大屏幕上， 增加实验的可见度。观察演示实验，分析实验现象。再用 Flash 动画模拟电磁振荡 现象，建立理想化振荡电路模型。） 实验(1)：按右图连接成实验电路。接着把开关扳到电池组 一边，给电容器充电，稍后再把开关扳到线圈一侧，让电容 器放电。（提醒学生注意观察电流表指针的变化） 现象：电流表指针左右摆动几次后停止。 表明：电路中产生了周期性变化的电流，由于存在能量损失，电路中电流表逐渐减 小。 实验(2)：将晶体管振荡器接入 LC 电路，将振荡电流信号接入示波器观察波形。 现象：波形按正弦规律变化。 表明：振荡电流实质就是高频的交变电流。 (1)振荡电流： 大小和方向都做周期性变化的电流叫做振荡电流。 (2)振荡电路： 能够产生振荡电流的电路叫做振荡电路。 (3)理想的 LC 振荡电路： ①LC 回路：由线圈 L和电容器 C组成的最简单的振荡电路。 ②理想的 LC 振荡电路：只考虑电感、电容的作用，而忽略各种能量损耗。 2．电磁振荡的产生过程 (先用动画模拟与电场能、磁场能有关的因素，后对变化关系作定性总结，为学习 电磁振荡的产生过程、变化规律等作铺垫) (1)与电场能和磁场能有关的因素： ①与电场能有关的因素： 电场能↑→电场线密度↑→电场强度 E↑→ 电容器极 ＋＋＋＋ ―――― q↓→u↓→i↓ CR L C E S G A B b a 培养学生分 析能力 [来源:Zxxk.Com] 培养学生理 解能力和语 言表达能力 [来源:学|科|网] 板间电压 u↑→ 电容器带电量 q↑ ②与磁场能有关的因素: 磁场能↑→磁感线密度↑→磁感强度 B↑→线圈中电流 i↑ (2)电磁振荡的产生过程 (动画模拟分析充电后的电容器通过电阻放电的过程，便于与通过电容放电作比较， 探索产生振荡电流的本质原因) 充电后的电容器，两极板带电量最多，电压最大，储存的电场能最大。通过电阻放 电时，电荷逐渐中和，两板间电压逐渐减小，放电电流随之逐渐减小，电路中只存 在短暂的放电电流。 (先用课件模拟电磁振荡的产生过程，再从 LC 回路的元件特征出发，抓住矛盾的对 立统一，分析振荡电路中电容、电感在电路中的作用及相关各量的变化情况。着重 分析前半个周期，后半个周期引导学生分析。边分析边用屏幕展示下图中的一个周 期性变化情况。) 放电过程：在放电过程中，q↓、u↓、E 电场能↓→i↑、B↑、E 磁场能↑，电容器的电 场能逐渐转变成线圈的磁场能。由于线圈的自感作用，电流 i是按正弦规律逐渐增 大的，电流不会立刻达到最大值。放电结束时，q=0， E 电场能=0，i 最大，E 磁场能最大， 电场能完全转化成磁场能。 充电过程：放电结束时，由于 L的自感作用，电路中移动的电荷不会立即停止运动， 仍保持原方向流动。在充电过程中，q↑、u↑、E 电场能↑→I↓、B↓、E 磁场能↓，线 圈的磁场能向电容器的电场能转化。充电结束时，q、E 电场能增为最大，i、E 磁场能均 减小到零，磁场能向电场能转化结束。 q=Qm i=0 CL + + + + ―― ―－ CL q=0 i=Im + + + + ―― ―－ q=Qm i=0 CL 充 电 q↑ i↓ 放 电 q↓ i↑ 充 电 q↑ i↓ 一 个 周 期 性 变 化 放 电 q↓ i↑ CL q=0 i=Im 培养学生归 纳总结能力 反向放电过程: q↓、u↓、E 电场能↓→i↑、B↑、E 磁场能↑，电容器的电场能转 化为线圈的磁场能。放电结束时，q=0， E 电场能=0，i 最大，E 磁场能最大，电场能向磁 场能转化结束。 反向充电过程: q↑、u↑、E 电场能↑→i↓、B↓、E 磁场能↓，线圈的磁场能向电 容器的电场能转化。充电结束时，q、E 电场能增为最大，i、E 磁场能均减小到零，磁场 能向电场能转化结束。 在理想情况下将如此循环下去，一个周期性变化的示意图如上图所示。 (根据一个周期性变化的示意图及前面演示实验中的电路图，要求学生填写下 表，进一步明确各量的周期性变化情况。屏幕显示表格，让学生回答后，用鼠标点 击相应位置显示出正确答案。) 时间 t t=0 t=T/4 t=T/2 t=3T/4 t=T 电容器带电量 q 最大 (A＋、B －) 零 最大 (A－、B ＋) 零 最大 (A＋、B －) 电路中电流 i 零 最大(a→ b) 零 最大(b→ a) 零 电场能 最大 零 最大 零 最大 磁场能 零 最大 零 最大 零 3．电磁振荡的变化规律： (由前面的实验和分析，归纳出电磁振荡的规律，是一次思维的飞跃。引导学 生归纳，并用屏幕显示。) (1)电磁振荡的特点： LC 回路工作过程具有对称性和周期性，可归结为： ①两个物理过程： 放电过程；电场能转化为磁场能，q↓→ i↑ 充电过程：磁场能转化为电场能，q↑ → i↓ ②两个特殊状态： 放电完毕状态：电场能向磁场能转化完毕，磁场能最大，电场能最小。 充电完毕状态：磁场能向电场能转化完毕，电场能最大，磁场能最小。 (2)电磁振荡的变化规律： ①总能量守恒＝ 电场能 ＋ 磁场能 ＝ 恒量 ②电场能与磁场能交替转化 电场能 磁场能 电容器电压ｕ 电容器带电量ｑ 电路中电流ｉ ③变化规律的图象描述 (用示波器观察等幅振荡的电压波形，建立电磁振荡过程中相关各量随时间变 化的数学模型。用课件动态显示电磁振荡的图像，直观地描绘出在电磁振荡产生的 过程中各量的变化情况。最后用屏幕显示电磁振荡过程中相关各量随时间变化的图 步 调 相 反 同 步 变 化 同 步 变 化 放电 充电 象。在画 q－t图像时要说明是绘制电容器哪个极板、绘制 i －t图像时要先规定 电流的正方向。) (3)电磁振荡： (引导学生归纳、总结得出电磁振荡的概念。要求学生用自己的语言表述，避 免死记硬背) 在振荡电路产生振荡电流的过程中，电容器极板上的电荷、通过线圈的电流， 以及跟电荷和电流相联系的电场和磁场都发生周期性的变化，这种现象叫电磁振 荡。 4．无阻尼振荡和阻尼振荡 (利用阻尼振荡和无阻尼振荡示教板定性演示，用实物展示 仪将实验现象投影到大屏幕上，由实验引出概念) (1)无阻尼振荡：振荡电路中，若没有能量损耗，则振荡电流的 振幅将不变，叫做无阻尼振荡（或等幅振荡），如图所示。 在任何电路中都存在电阻，电路中的能量有一部分要转化为内 能。另外，还会有一部分能量以电磁波的形式辐射到周围空间 中去。这样，振荡电路中的能量要逐渐损耗，振荡电流的振幅 要逐渐减小，直到最后停止振荡。 (2)阻尼振荡：任何振荡电路中，总存在能量损耗，使振荡电流 的振幅逐渐减少，叫做阻尼振荡（或减幅振荡），如图所示。 (利用示波器演示 LC 回路产生的阻尼振荡的波形和无阻尼振荡的波形，并从能量的 角度予以解释。演示无阻尼振荡时因为加了晶体管振荡器，周期性的给电路补充能 量，相当于受迫振荡。使学生明白无阻尼振荡是一种理想化情况，演示出的是补充 能量的结果。) 4.电磁振荡的周期和频率 严格的理论推导，得出 LC 回路的周期公式： LC 回路的周期和频率 （1）公式 T=2π LC f= LC2 1 (2)特点：LC 回路的周期和频率只与电容和自感系数有关. 请学生填出公式中各量对应的单位. T（S) f(Hz) L(H) C(F) 教学后记： o t 电场能 o t 磁场能 o t q(u) o t i i to i to ④电磁振荡与简谐运动的类比 (引导学生按课本提示的那样，将机械振动与电磁振荡进行比较，找出它们的 共性和个性，从两种运动的相似、相异中加深对电磁振荡的认识。振荡过程中电 场能和磁场能的转化。可通过与机械振动中动能和势能的转化对比来加深理解。 突出从能量分析问题的主线。再利类比思维，启发学生思考电磁振荡是否也具有 固有的振荡周期，为下一节教埋下伏笔。) 电磁振荡 简谐运动 过 程 特 点 充电：加在电容器两端的电压 产生充电电流；线圈的 电感阻碍充电电流的 突变。 放电：线圈的电感维持放电电 流不变；电容器两端电 压阻碍放电电流。 加速：回复力使振子运动状态变 化；惯性维持振子运动状 态不变。 减速：惯性维持振子运动状态不 变；回复力使振子运动状 态改变。 对 应 物 理 量 电容 C 电感 L（相当于惯性） 电荷 q 电流 i 电场能 E 电场能 磁场能 E 磁场能 弹簧劲度系数 k（或单摆摆长 L） 振子质量 m（惯性） 位移 x 速度 V 势能 Ep 动能 Ek 规 律 电容器两极间电势差随时 间作正统规律变化 振子振动的位移随时间作正统 规律变化 能 量 转 化 电场能与磁场能相互转化， 总能量守恒 动能与势能相互转化，总能量 守恒 本 质 区 别 电磁振荡是振荡电路中自 由电子的电磁运动 简谐运动是振子的机械运动 5、描述机械波的物理量 (1)波长定义：沿着波的传播方向，两个相邻的在振动过程中对平衡位置的位移 总是相等的质点间的距离。单位：米，符号：λ。 演示，（观察演示仪器）： ①在横波中波长等于相邻两个波峰或波谷之间的距离；在纵波中波长等于相邻两 个密部或疏部的中央之间的距离。 ②质点振动一个周期，振动形式在介质中传播的距离恰好等于一个波长，即：振 动在一个周期里在介质中传播的距离等于一个波长。 (2)波速定义：波的传播快慢，其大小由介质的性质决定的，在不同的介质中速 度并不相同。 单位：米／秒 符号：v 表达式：v＝λ／T=λf (3)周期和频率：质点振动的周期又叫做波的周期(T)；质点振动的频率又叫做波 的频率(f)。 波的振动周期和频率只与振源有关，与媒质无关。（媒质质点 的振动都是受迫振动，所以周期同振源的周期）。