高中物理第3章电磁波第1节电磁波的产生教学案鲁科版选修34Word文档格式.docx
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解疑难]
1.如何用图像对应分析i、q的变化?
图312
图313
2.振荡过程中电荷量q、电场强度E、电流i、磁感应强度B及能量的对应关系
时刻(时间)
工作过程
q
E
i
B
能量
放电瞬间
qm
Em
E电最大
E磁最小
0→
放电过程
qm→0
Em→0
0→im
0→Bm
E电→E磁
放电结束
im
Bm
E电最小
E磁最大
→
充电过程
0→qm
0→Em
im→0
Bm→0
E磁→E电
充电结束
→T
T
[特别提醒] 振荡电流i=
,由极板上电荷量的变化率决定,与电荷量的多少无关,如放电结束的瞬间,电荷量为零,而电流最大。
[学后自检]┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄(小试身手)
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为电场能
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,处于电容器放电结束瞬间,电场强度为零,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,电容器中的电场能转化为磁场能,C错;
振荡电流减小时,线圈中的磁场能转化为电场能,D对。
麦克斯韦的预言
1.麦克斯韦电磁场理论
(1)变化的磁场周围会产生电场。
(2)变化的电场周围会产生磁场。
2.电磁波
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。
[跟随名师·
1.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
2.电磁波的特点
(1)电磁波是横波,在传播方向上的任一点,E和B都随时间做正弦规律变化,E与B彼此垂直且与传播方向垂直,如图314所示。
图314
(2)电磁波的传播不需要介质,传播速度跟光速相同,在真空中为c=3.0×
108m/s,在介质中的传播速度都要小于c,具体大小与介质有关。
(3)电磁波具有波的共性,能产生干涉、衍射等现象。
电磁波与物质相互作用时,能发生反射、吸收、折射等现象。
3.电磁波的波速、波长与频率的关系
c=λf,λ=
,同一种电磁波在不同介质中传播时,频率不变(频率由波源决定),波速、波长发生改变。
[特别提醒] 电磁场是动态的,并且电场和磁场不可分割,磁感线、电场线都是闭合的曲线;
静电场、静磁场是单独存在的,且电场线是非闭合曲线,静止的电场和磁场不是电磁场。
[学后自检]┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄(小试身手)
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
选D 根据麦克斯韦的电磁场理论,只有变化的电场才能产生磁场,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。
赫兹实验
1.赫兹实验原理图(如图315)
图315
2.实验现象
当感应线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
火花在A、B间来回跳动时,在周围空间建立了一个迅速变化的电磁场,这种电磁场以电磁波的形式在空间传播。
当电磁波经过接收线圈时,导致接收线圈产生感应电动势,使接收线圈两球间隙处产生电压,当电压足够高时,两球之间产生火花放电现象。
4.实验结论
赫兹证实了电磁波的存在。
5.实验意义
证明了麦克斯韦的预言,为麦克斯韦的电磁场理论奠定了坚实的实验基础。
电磁场理论预言的电磁波是谁验证的( )
A.法拉第 B.赫兹
C.麦克斯韦D.安培
选B 麦克斯韦预言了电磁波的存在,赫兹用实验验证了电磁波。
LC振荡电路的分析与计算
[典题例析]
1.图316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316
A.t1时刻电感线圈两端电压最大
B.t2时刻电容器两极板间电压为零
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
本题考查认识it图像和利用图线分析问题的能力。
由图像知,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,可以在题图中画出qt图像(在图中用虚线表示)。
由图像分析可知:
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时刻电容器电荷量q最大,两极板间电势差最大,B错。
答案:
D
[探规寻律]
LC振荡电路中的两个同步变化
(1)同步同变关系。
在LC振荡电路发生电磁振荡的过程中,电容器上的物理量:
电量q、板间电压U、电场强度E、电场能EE是同步同向变化的,即:
q↓→U↓→E↓→EE↓(或q↑→U↑→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也是同步同向变化的,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,即:
q、E、EE↑
i、B、EB↓。
[跟踪演练]
LC回路中电容器两极板间的电压U随时间t变化的关系如图317所示,则( )
图317
A.在t1时刻,电路中的电流最大
B.在t2时刻,电路中的磁场能最小
C.在t2~t3时间内,电路中的电场能不断增大
D.在t3~t4时间内,电容器上的电荷量不断增加
选C 由电磁振荡过程中的规律可知,电容器上的电荷量q、两极板间的电压U、两极板间的电场强度E及电场能E电相互对应,它们的变化趋势一致,同增同减;
线圈中的电流i、磁感应强度B及磁场能E磁相互对应,它们的变化趋势一致,同增同减,故C选项正确。
对麦克斯韦理论的考查
2.按照麦克斯韦的电磁场理论,以下说法正确的是( )
A.恒定的电场周围产生恒定的磁场,恒定的磁场周围产生恒定的电场
B.任何变化的电场周围空间一定产生变化的磁场
C.均匀变化的电场周围产生均匀变化的磁场,均匀变化的磁场周围产生均匀变化的电场
D.均匀变化的电场周围产生稳定的磁场,均匀变化的磁场周围产生稳定的电场
[思路点拨] 电磁场理论中的“变化”分为均匀变化,不均匀变化。
由麦克斯韦电磁场理论可知,不变的电场周围不产生磁场,均匀变化的电场周围产生稳定的磁场,振荡电场周围产生振荡磁场。
故D选项正确。
麦克斯韦电磁场理论的两大支柱
变化的磁场产生电场,变化的电场产生磁场。
需要着重对以下两点加以理解:
(1)均匀变化的磁场周围产生稳定的电场,均匀变化的电场周围产生稳定的磁场;
(2)不均匀变化的磁场产生变化的电场,不均匀变化的电场产生变化的磁场。
某电路中电场随时间变化的图像如图318所示,能发射电磁波的电场是( )
图318
选D 由麦克斯韦电磁场理论知,当空间出现恒定的电场时(如A图),由于其不激发磁场,无电磁波产生;
当出现均匀变化的电场时(如B图、C图),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,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,其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。
[课堂双基落实]
1.为了增大LC振荡电路的固有频率,下列办法中可采取的是( )
A.增大电容器两极板的正对面积并在线圈中放入铁芯
B.减小电容器两极板的距离并增加线圈的匝数
C.减小电容器两极板的距离并在线圈中放入铁芯
D.减小电容器两极板的正对面积并减少线圈的匝数
选D 由f=
可知增大固有频率f的办法是减小L或减小C或同时减小L和C。
另外电容器两极板的正对面积增大,则C增大,正对面积减小,则C减小。
在线圈中放入铁芯或增加线圈的匝数,则L增大,减少线圈的匝数,则L减小。
综上可知只有选项D是正确的。
2.在LC振荡电路中,当电容器放电完毕瞬间,以下说法错误的是( )
A.电容器极板间的电压等于零,磁场能开始向电场能转化
B.电流达到最大值,线圈产生的磁场达到最大值
C.如果没有能量辐射损耗,这时线圈的磁场能等于电容器开始放电时电容器的电场能
D.线圈中产生的自感电动势最大
选D 电容器放电完毕的瞬间,还有以下几种说法:
电场能向磁场能转化完毕;
磁场能开始向电场能转化;
电容器开始反方向充电。
电容器放电完毕的瞬间有如下特点:
电容器电荷量Q=0,板间电压U=0,板间场强E=0,线圈电流i最大,磁感应强度B最大,电路磁场能最大,电场能为零。
线圈自感电动势E自=ΔΦ/Δt,电容器放电完毕瞬间,虽然Φ最大,但ΔΦ/Δt为零,所以E自等于零。
如果没有考虑能量的辐射,能量守恒,在这一瞬间电场能E电=0,磁场能E磁最大,而电容器开始放电时,电场能E电′最大,磁场能E磁′=0,则E磁=E电′,所以选项A、B、C正确,D错误。
3.如图319所示,LC振荡电路导线及电感线圈的电阻忽略不计。
某瞬间回路中电流方向如箭头所示,且电流正在增大,则下列说法错误的是( )
图319
A.这时电容器A板带负电荷,B板带正电荷
B.因电流正在增大,M、N间的电势差也随之增大
C.当M、N间电势差随电流的变化达到最大值时磁场能刚好向电场能转化完毕
D.题中所述时刻线圈中产生的感应电动势正在变小
选B 电流在增大,则电场能正向磁场能转换,电容器在放电。
由放电电流的方向可判断出,B极板带正电荷。
两极间即M、N电势差达最大值时,即电容器带电荷量最多时,恰是磁场能刚好向电场能转化完毕。
因为线圈感应电动势与电流的变化率成正比,所以随着振荡电流的增大,电流的变化率在减小,线圈中产生的感应电动势在减小。
4.某LC振荡电路中,振荡电流变化规律为i=0.14sin(1000t)A,已知电路中线圈的自感系数L=50mH,则电容器的电容C=________,该振荡电流的有效值为________。
由ω=
,得T=
=
s=2π×
10-3s
又因T=2π
,得C=
F=2.0×
10-5F
因振荡电流最大值Im=0.14A,所以有效值为I=
A=0.10A。
2.0×
10-5F 0.10A
[课下综合检测]
(时间:
30分钟 满分:
50分)
一、选择题(共6小题,每小题5分,共30分,每小题只有一个选项正确。
)
1.(四川高考)下列关于电磁波的说法,正确的是( )
A.电磁波只能在真空中传播
B.电场随时间变化时一定产生电磁波
C.做变速运动的电荷会在空间产生电磁波
D.麦克斯韦第一次用实验证实了电磁波的存在
选C 本题考查有关电磁波的相关知识,意在考查考生的识记、理解分析综合能力。
虽然电磁波在传播过程中不需要介质,但并不是只能在真空中传播,故A选项错误;
产生电磁波需要一定的条件,当电场随时间做周期性变化时才可能产生电磁波,故B选项错误;
做变速运动的电荷周围会产生变化的磁场,其周围空间可能会产生电磁波,故C选项正确;
麦克斯韦只是预言了电磁波的存在,是赫兹第一次用实验证实了电磁波的存在,故D选项错误。
2.振荡电路中线圈的自感系数为L,电容器的电容为C,则电容器两极板间的电压从最大值变为零,所用的最少时间为( )
A.2π
B.π
C.
D.
选D 电容器两极板间的电压从最大值到零所用的最少时间为
T,而T=2π
,故D正确。
3.有关电磁场理论的下列说法中,正确的是( )
A.任何变化的磁场都要在空间产生变化的电场,振荡磁场在周围空间产生同频率的振荡电场
B.任何电场都要在周围空间产生磁场,振荡电场在周围空间产生同频率的振荡磁场
C.任何变化的电场要在周围空间产生磁场,振荡电场在周围空间产生同频率的振荡磁场
D.电场和磁场总是相互联系着,形成一个不可分离的统一体,即电磁场
选C 根据麦克斯韦电磁场理论,均匀变化的磁场在周围空间产生的电场是稳定的,说法A前半句错;
同理,并不是任何电场都会在周围空间产生磁场,说法B前半句错;
电场和磁场并不是总是相互联系着的,例如,静止电荷周围只有静电场,静止磁体周围只有稳定的磁场。
只有变化的电场和变化的磁场才能形成一个不可分离的统一体,即电磁场,D说法错。
4.根据麦克斯韦的电磁场理论,以下叙述中错误的是( )
A.教室中开亮的日光灯周围空间必有磁场和电场
B.工作时打点计时器周围必有磁场和电场
C.稳定的电场产生稳定的磁场,稳定的磁场产生稳定的电场
D.电磁波在传播过程中,电场方向、磁场方向和传播方向三者相互垂直
选C 教室中开亮的日光灯、工作的打点计时器,在其周围产生振荡磁场和电场,故选项A、B正确;
稳定的电场不会产生磁场,故选项C错误;
电磁波是横波,传播过程中电场方向、磁场方向和传播方向相互垂直,故选项D正确。
5.LC振荡电路中,某时刻磁场方向如图1所示,则下列说法中错误的是( )
图1
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
选A 由电流产生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,故可分两种情况讨论。
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,电流增大,则C正确,A错误;
若该时刻电容器下极板带正电,可知电容器处于充电状态,电流在减小,则B正确;
由楞次定律可判定D正确。
6.在LC振荡电路中,电容器C的带电荷量q随时间t变化的图像如图2所示。
在1×
10-6~2×
10-6s内,关于电容器的充(放)电过程及由此产生的电磁波的波长,下列说法正确的是( )
图2
A.充电过程,波长为1200m
B.充电过程,波长为1500m
C.放电过程,波长为1200m
D.放电过程,波长为1500m
选A 由题图可知,在1×
10-6s内,电容器C的带电荷量由0增加到最多,因此是充电过程。
电磁振荡周期等于所发射的电磁波的周期,那么电磁波的波长为λ=cT=3×
108×
4×
10-6m=1200m。
故选项A正确。
二、非选择题(共2小题,共20分)
7.(10分)在LC振荡电路中,线圈的自感系数L=2.5mH,电容C=4μF。
(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×
10-3s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?
(1)T=2π
=2×
3.14×
s=6.28×
10-4s。
(2)因为t=9.0×
10-3s相当于14.33个周期,故
<0.33T<
,所以当t=9.0×
10-3s时,LC回路中的电磁振荡正处在第二个
的变化过程中。
t=0时,电容器上电压最大,极板上电荷量最多,电路中电流值为零,回路中电流随时间的变化规律如图所示:
第一个
T内,电容器放电,电流由零增至最大;
第二个
T内,电容器被反向充电,电流由最大减小到零。
显然,在t=9.0×
10-3s时,即在第二个
T内,线圈中的电流在减小,电容器正处在反向充电过程中。
见解析
8.(10分)如图3所示的振荡电路中,自感系数L=300μH,电容C的范围为25~270pF,求:
图3
(1)振荡电流的频率范围;
(2)若自感系数L=10mH,要产生周期T=0.02s的振荡电流,应配置多大的电容?
(1)由f=
得:
fmax=
Hz=1.8×
106Hz
fmin=
Hz
=0.56×
所以频率范围为
0.56×
106~1.8×
106Hz。
(2)由T=2π
C=
F=10-3F。
(1)0.56×
106Hz
(2)10-3F
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- 高中物理 电磁波 节电 产生 教学 案鲁科版 选修 34
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