高中物理第十四章电磁波第1节电磁波的发现第2节电磁振荡学案选修3-4解析

14.2 电磁振荡

电磁场和电磁波

[先填空]

1．麦克斯韦电磁理论的两个基本假设

(1)变化的磁场能够在周围空间产生电场(如图14­1­1所示)．

(2)变化的电场能够在周围空间产生磁场(如图14­1­2所示)．

图14­1­1变化的磁场在其周围空间产生电场

图14­1­2变化的电场在其周围空间产生磁场

2．电磁场：变化的电场和变化的磁场交替产生，形成不可分割的统一体，称为电磁场．

3．电磁波

(1)电磁波的产生：变化的电场和磁场交替产生而形成的电磁场是由近及远地传播的，这种变化的电磁场在空间的传播称为电磁波．

(2)电磁波的特点：

①电磁波是横波，电磁波在空间传播不需要介质；②电磁波的波长、频率、波速的关系：v＝λf，在真空中，电磁波的速度c＝3.0×108m/s.

(3)电磁波能产生反射、折射、干涉和衍射等现象．

4．赫兹的电火花

(1)赫兹实验的分析

和高压感应线圈相连的抛光金属球间产生电火花时，空间出现了迅速变化的电磁场，这种变化的电磁场以电磁波的形式传到了导线环，导线环中激发出感应电动势，使与导线环相连的金属球间也产生了电火花．这个导线环实际上是电磁波的检测器．结论：赫兹实验证实了电磁波的存在，检验了麦克斯韦电磁场理论的正确性．(2)赫兹的其他成果

赫兹观察到了电磁波的反射、折射、干涉、偏振和衍射等现象．测量证明了电磁波在真空中具有与光相同的速度c，证实了麦克斯韦关于光的电磁场理论．

[再判断]

1．变化的电场一定产生变化的磁场．(×)

2．恒定电流周围产生磁场，磁场又产生电场．(×)

3．电磁波和光在真空中的传播速度都是3.0×108 m/s.(√)

4．麦克斯韦预言并验证了电磁波的存在．(×)

[后思考]

1．变化的磁场一定产生变化的电场吗？

【提示】不一定．均匀变化的磁场在周围空间产生恒定的电场，不均匀变化的磁场在周围空间产生变化的电场．

2．电磁场与静电场、静磁场相同吗？

【提示】不同．电磁场是动态的，并且电场和磁场不可分割；静电场、静磁场单独存在．

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1．电磁场的产生

如果在空间某处有周期性变化的电场，那么这个变化的电场就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变化的电场——变化的电场和变化的磁场是相互联系着的，形成不可分割的统一体，这就是电磁场．

2．对麦克斯韦电磁场理论的理解

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，与是否有闭合电路无关

B．周期性变化的磁场产生同频率变化的电场

C．变化的电场和变化的磁场相互关联，形成一个统一的场，即电磁场D．电场周围一定存在磁场

E．磁场周围一定存在电场

【答案】ABC

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3×108 m/s

C．电磁波由真空进入介质传播时，波长变短

D．电磁波不能产生干涉、衍射现象E．电磁波具有波的一切特征

【答案】ACE

3．麦克斯韦建立了完整的电磁场理论，______用实验证明了麦克斯韦预言的正确性，第一次发现了________，测定了电磁波的________和________，得到了电磁波的

________，证实在真空中它等于________．

【答案】赫兹电磁波波长频率波速光速

电磁波的特点

1．电磁波有波的一切特点：能发生反射、折射现象；能产生干涉、衍射等现象．2．电磁波是横波．在电磁波中，每处的电场强度和磁感应强度方向总是互相垂直的，并且都跟那里的电磁波的传播方向垂直．

3．电磁波可以在真空中传播，向外传播的是电磁能．

电磁振荡

[先填空]

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．最基本的振荡电路为LC振荡电路．3．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，电场和磁场周期性相互转变的过程也就是电场能和磁场能周期性相互转化的过程．

4．电磁振荡的周期与频率

(1)周期：电磁振荡完成一次周期性变化需要的时间．

(2)频率：1 s内完成周期性变化的次数．

振荡电路里发生无阻尼振蒎时的周期和频率分别叫做固有周期、固有频率．

(3)周期和频率公式：T＝2πLC，f＝1

2πLC

.

[再判断]

1．在振荡电路中，电容器充电完毕磁场能全部转化为电场能．(√) 2．电容器放电完毕，电流最大．(√)

3．L和C越大，电磁振荡的频率越高．(×)[后思考]

1．在LC振荡电路一次全振动的过程中，电容器充电几次？它们的充电电流方向相同吗？

【提示】充电两次，充电电流方向不相同．

2．在电磁振荡的过程中，电场能与磁场能相互转化，什么时候磁场能最大？

【提示】放电刚结束时，电场能全部转化成了磁场能．

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1．各物理量变化情况一览表

图14­1­3

3．板间电压u、电场能EE、磁场能EB随时间变化的图象(如图14­1­4所示)

图14­1­4

u、EE规律与q­t图象相对应；EB规律与i­t图象相对应．

4．分类分析

(1)同步关系

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↑)

(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、EE与线圈中的三个物理量i、B、EB是同步异向变化的，即q、E、EE同时减小时，i、B、EB同时增大，且它们的变化是同步的，也即：q、E、EE↑同步异向变化,i、B、EB↓.

注意：自感电动势E的变化规律与q­t图象相对应．

4.LC振荡电路中，某时刻磁场方向如图14­1­5所示，则下列说法正确的是( )

图14­1­5

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

E．若电容器正在充电，则自感电动势正在阻碍电流增大

【答案】BCD

7 5.如图14­1­6所示，LC 电路的L 不变，C 可调，要使振荡的频率从700 Hz 变为1 400 Hz ，则把电容________到原来的

________.

图14­1­6

【答案】 减小 14

6.如图14­1­7所示，L 为一电阻可忽略的线圈，D 为一灯泡，C 为电容器，开关S 处于闭合状态，灯D 正常发光，现突然断开S ，并开始计时，画出反映电容器a 极板上电荷量q 随时间变化的图象(q 为正值表示a 极板带正电)．

图14­1­7

【答案】

解决电磁振荡问题的基本思路

分析电磁振荡的过程时，可以结合图象，这样会使问题更直观．首先依据题意找出振荡图象的初状态，然后画出其电流或电荷量随时间变化的图象，根据时间关系，可以大体找出该时刻在图象上对应的位置，从而确定处于充电还是放电状态，最后再依据充、放电过程中各物理量的变化规律求解具体问题．