第十四章電磁波 1電磁波的發(fā)現(xiàn) 2電磁振蕩,一、偉大的預言 1.變化的磁場產(chǎn)生電場: (1)實驗基礎(chǔ):如圖所示,在變化的磁場中放一個閉合 電路,電路里就會產(chǎn)生_。,感應電流,(2)麥克斯韋的見解:電路里有感應電流產(chǎn)生,一定是變 化的_產(chǎn)生了電場,自由電荷在電場的作用下發(fā)生 了定向移動。 (3)實質(zhì):變化的_產(chǎn)生了電場。 2.變化的電場產(chǎn)生磁場:麥克斯韋假設(shè),既然變化的磁 場能產(chǎn)生電場,那么變化的電場也會在空間產(chǎn)生_。,磁場,磁場,磁場,二、電磁波 1.電磁波的產(chǎn)生:變化的電場和變化的磁場交替產(chǎn)生, 由近及遠向周圍傳播,形成_。 2.電磁波是橫波:根據(jù)麥克斯韋的電磁場理論,電磁波 在真空中傳播時,它的電場強度和磁感應強度互相_ _,而且二者均與波的傳播方向_,因此電磁波是 橫波。,電磁波,垂,直,垂直,3.電磁波的速度:麥克斯韋指出了光的電磁本性,他 預言電磁波的速度等于_。,光速,三、電磁振蕩的產(chǎn)生 1.振蕩電流:大小和方向都做_迅速變化的電 流。 2.振蕩電路:能產(chǎn)生_的電路。,周期性,振蕩電流,3.振蕩過程:如圖所示,將開關(guān)S擲向1,先給電容器充電,再將開關(guān)S擲向2,從此時起,電容器要對線圈放電。,(1)放電過程:由于線圈的自感作用,放電電流不能立刻 達到最大值,而是由零逐漸增大,同時電容器極板上的 電荷逐漸減少。放電完畢時,極板上的電荷為零,放電 電流達到_。該過程電容器儲存的_能轉(zhuǎn)化 為線圈的_能。,最大值,電場,磁場,(2)充電過程:電容器放電完畢,由于線圈的自感作用, 電流并不會立刻消失,而要保持原來的方向繼續(xù)流動, 并逐漸減小,電容器開始充電,極板上的電荷逐漸增 加。當電流減小到零時,充電結(jié)束,極板上的電荷量達 到_。該過程中,線圈中的_能又轉(zhuǎn)化為電容 器的_能。此后電容器再放電、再充電,周而復始, 于是電路中就有了周期性變化的振蕩電流。,最大值,磁場,電場,(3)實際的LC振蕩是阻尼振蕩。電路中有電阻,振蕩電 流通過時會有熱量產(chǎn)生,另外還會有一部分能量以_ _的形式輻射出去。如果要實現(xiàn)等幅振蕩,必須有 能量補充到電路中。,電,磁波,四、電磁振蕩的周期和頻率 1.周期:電磁振蕩完成一次_需要的時間。 2.頻率:1s內(nèi)完成的_的次數(shù)。 如果振蕩電路沒有能量損失,也不受其他外界影響,這 時的周期和頻率分別叫作_周期和_頻率。 3.周期和頻率公式:T=_,f=_。,周期性變化,周期性變化,固有,固有,【預習診斷】 1.請判斷下列說法的正誤。 (1)變化的電場一定產(chǎn)生變化的磁場。() (2)同一種電磁波在不同介質(zhì)中傳播時,頻率、波速、波長都相同。() (3)通過減小電容器的電容可以使電磁振蕩的頻率減小。(),提示:(1)。均勻變化的電場產(chǎn)生的是恒定磁場。 (2)。同一種電磁波在不同介質(zhì)中傳播時頻率相同,波速、波長不同。 (3)。由頻率公式可知,電容器的電容減小時電磁振蕩的頻率變大。,2.關(guān)于電磁波傳播速度表達式v=f,下列說法中正確的是() A.波長越長,傳播速度越快 B.頻率越高,傳播速度越快 C.發(fā)射能量越大,傳播速度越快 D.電磁波的傳播速度與傳播介質(zhì)有關(guān),【解析】選D。在真空中傳播時,各類電磁波的傳播速度相同。在介質(zhì)中傳播時,傳播速度與介質(zhì)有關(guān)。,3.關(guān)于LC振蕩電路中的振蕩電流,下列說法中正確的 是() A.振蕩電流最大時,電容器兩極板間的電場強度最大 B.振蕩電流為零時,線圈中自感電動勢為零 C.振蕩電流增大的過程中,線圈中的磁場能轉(zhuǎn)化成電場能 D.振蕩電流減小的過程中,線圈中的磁場能轉(zhuǎn)化為電場能,【解析】選D。振蕩電流最大時處于電容器放電結(jié)束瞬間,電場強度為零,故選項A錯誤;振蕩電流為零時,振蕩電流改變方向,這時的電流變化最快,電流變化率最大,線圈中的自感電動勢最大,故選項B錯誤;振蕩電流增大時,電場能轉(zhuǎn)化為磁場能,故選項C錯誤;振蕩電流減小時,線圈中的磁場能轉(zhuǎn)化為電場能,故選項D正確。,知識點一 對麥克斯韋電磁場理論的理解和驗證 探究導入: 如圖所示是赫茲實驗的裝置示意圖,請問赫茲通過此實驗裝置證實了什么問題?,提示:赫茲通過此實驗裝置證實了麥克斯韋電磁場理論的正確性。,【歸納總結(jié)】 1.電磁場的產(chǎn)生:如果在空間某處有周期性變化的電場,那么這個變化的電場就在它周圍空間產(chǎn)生周期性變化的磁場,這個變化的磁場又在它周圍空間產(chǎn)生變化的電場變化的電場和變化的磁場是相互聯(lián)系著的,形成不可分割的統(tǒng)一體,這就是電磁場。,2.麥克斯韋電磁場理論的要點: (1)恒定的磁場不會產(chǎn)生電場,同樣,恒定的電場也不會產(chǎn)生磁場。 (2)均勻變化的電場在周圍空間產(chǎn)生恒定的磁場,同樣,均勻變化的磁場在周圍空間產(chǎn)生恒定的電場。 (3)振蕩變化的磁場在周圍空間產(chǎn)生同頻率振蕩的電場,同樣,振蕩變化的電場在周圍空間產(chǎn)生同頻率振蕩的磁場。,3.電磁波的實驗證明:1886年,赫茲用實驗證明了麥克斯韋預言的正確性,第一次發(fā)現(xiàn)了電磁波。 (1)實驗現(xiàn)象:當感應圈兩個金屬球間有火花跳過時,導線環(huán)兩個小球間也跳過火花。,(2)現(xiàn)象分析:當感應圈使得與它相連的兩個金屬球間產(chǎn)生電火花時,空間出現(xiàn)了迅速變化的電磁場。這種電磁場以電磁波的形式在空間傳播。當電磁波到達導線環(huán)時,它在導線環(huán)中激發(fā)出感應電動勢,使得導線環(huán)的空隙中也產(chǎn)生了火花。,【典題過關(guān)】 【典例】(2018洛陽高二檢測)根據(jù)麥克斯韋電磁場理論,下列說法中正確的是() A.在電場周圍一定存在磁場,在磁場周圍一定存在電場 B.在變化的電場周圍一定產(chǎn)生變化的磁場,在變化的磁場周圍一定產(chǎn)生變化的電場 C.在均勻變化的電場周圍一定產(chǎn)生均勻變化的磁場 D.振蕩的電場周圍一定產(chǎn)生同頻率振蕩的磁場,【正確解答】選D。根據(jù)麥克斯韋電磁場理論可知,只有變化的電場才能產(chǎn)生磁場,只有變化的磁場才能產(chǎn)生電場,選項A錯;均勻變化的電場周圍產(chǎn)生恒定的磁場,均勻變化的磁場周圍產(chǎn)生恒定的電場,選項B、C錯誤;振蕩的電場周圍產(chǎn)生同頻率振蕩的磁場,選項D正確。,【過關(guān)訓練】 1.(多選)應用麥克斯韋的電磁場理論判斷:如圖所示的表示電場產(chǎn)生磁場(或磁場產(chǎn)生電場)的關(guān)系圖象中(每個選項中的上圖是表示變化的場,下圖是表示變化的場產(chǎn)生的另外的場),正確的是(),【解析】選B、C。A圖中的上圖磁場是穩(wěn)定的,由麥克 斯韋的電磁場理論可知,其周圍空間不會產(chǎn)生電場,A圖 中的下圖是錯誤的;B圖中的上圖是均勻變化的電場,應 該產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場,下圖的磁場是穩(wěn)定的,所以B圖正 確;C圖中的上圖是振蕩的磁場,它能產(chǎn)生同頻率的振蕩 電場,且相位相差 ,C圖是正確的;D圖的上圖是振蕩 的電場,在其周圍空間產(chǎn)生振蕩的磁場,但是下圖中的 圖象與上圖相比較,相位相差,故錯誤。所以只有B、 C兩圖正確。,2.(多選)下列關(guān)于電磁場的說法中正確的是() A.任何變化的電場都會在周圍空間產(chǎn)生變化的磁場 B.任何變化的磁場都會在周圍空間產(chǎn)生變化的電場 C.只有非均勻變化的磁場,才能產(chǎn)生變化的電場 D.只有非均勻變化的電場,才能產(chǎn)生變化的磁場,【解析】選C、D。由麥克斯韋電磁場理論可知,均勻變化的電場周圍產(chǎn)生恒定的磁場,均勻變化的磁場周圍產(chǎn)生恒定的電場,非均勻變化的磁場(電場)產(chǎn)生變化的電場(磁場),故選項A、B錯誤,選項C、D正確。,【補償訓練】 1.(多選)關(guān)于電磁場的產(chǎn)生,下列敘述正確的是() A.靜止的電荷周圍一定有磁場 B.運動的電荷周圍一定有磁場 C.電容器充、放電時,電路中的電流能產(chǎn)生磁場 D.電荷在導體中振動會產(chǎn)生電場和磁場,【解析】選B、C。靜止的電荷周圍產(chǎn)生靜電場,不產(chǎn)生磁場,選項A錯;運動的電荷產(chǎn)生變化的電場,從而產(chǎn)生磁場,選項B正確;電容器充、放電時,產(chǎn)生變化的電流,從而產(chǎn)生磁場,選項C正確;導體內(nèi)場強處處為0,選項D錯誤。,2.某電路中電場強度隨時間變化的關(guān)系圖象如圖所示,能發(fā)射電磁波的是(),【解析】選D。由麥克斯韋電磁場理論,當空間出現(xiàn)恒定的電場時(如A圖),由于它不激發(fā)磁場,故無電磁波產(chǎn)生;當出現(xiàn)均勻變化的電場(如B、C圖),會激發(fā)出磁場,但磁場恒定,不會在較遠處激發(fā)出電場,故也不會產(chǎn)生電磁波;只有周期性變化的電場(如D圖),才會激發(fā)出周期性變化的磁場,它又激發(fā)出周期性變化的電場如此不斷激發(fā),便會形成電磁波,故選項D正確。,知識點二電磁波與機械波的比較 探究導入: 如圖所示,某同學正在回答“神舟十號”航天員王亞平的問題,請問她們的通話是通過機械波進行的還是通過電磁波進行的?為什么?,提示:她們的通話是通過電磁波進行的,因為機械波在真空中無法傳播。,【歸納總結(jié)】,【典題過關(guān)】 【典例】下列說法正確的是() A.電磁波在真空中以光速c傳播 B.在空氣中傳播的聲波是橫波 C.聲波只能在空氣中傳播 D.光需要介質(zhì)才能傳播,【正確解答】選A。電磁波在真空中的傳播速度等于光速c,A正確;在空氣中傳播的聲波是縱波,B錯誤;聲波的傳播需要介質(zhì),可以在空氣、液體和固體中傳播,C錯誤;光屬于電磁波,其傳播不需要介質(zhì),可以在真空中傳播,D錯誤。,【過關(guān)訓練】 1.(多選)(2018漯河高二檢測)關(guān)于電磁波和機械波,下列說法正確的是() A.電磁波和機械波的傳播都需要借助于介質(zhì) B.電磁波在任何介質(zhì)中傳播的速度都相同,而機械波的波速大小與介質(zhì)密切相關(guān) C.電磁波和機械波都能產(chǎn)生干涉和衍射現(xiàn)象 D.根據(jù)麥克斯韋的電磁場理論,變化的電場產(chǎn)生磁場,【解析】選C、D。機械波的傳播需要借助于介質(zhì),但電磁波的傳播不需要借助介質(zhì),選項A錯誤;電磁波和機械波的傳播速度都與介質(zhì)有關(guān),選項B錯誤;電磁波和機械波都能產(chǎn)生干涉和衍射現(xiàn)象,選項C正確;變化的電場產(chǎn)生磁場,選項D正確。,2.電磁波與機械波具有的共同性質(zhì)是() A.都是橫波 B.都能傳輸能量 C.都能在真空中傳播 D.都具有恒定的波速,【解析】選B。電磁波是橫波,但機械波有橫波也有縱波,A錯誤;機械波的傳播需要介質(zhì),兩者在不同介質(zhì)中波速不同,C、D錯誤;電磁波與機械波具有的共同性質(zhì)是都能傳輸能量,B正確。,【補償訓練】 (多選)以下關(guān)于機械波與電磁波的說法中,正確的是 () A.機械波與電磁波,本質(zhì)上是一致的 B.機械波的波速只與介質(zhì)有關(guān),而電磁波在介質(zhì)中的波速,不僅與介質(zhì)有關(guān),而且與電磁波的頻率有關(guān) C.機械波可能是縱波,而電磁波必定是橫波 D.它們都可發(fā)生干涉、衍射現(xiàn)象,【解析】選B、C、D。機械波是機械振動在介質(zhì)中的傳播產(chǎn)生的,而電磁波是電磁振蕩產(chǎn)生的,產(chǎn)生的本質(zhì)不同,A錯;不同頻率的機械波在同一介質(zhì)中傳播速度是相同的,在不同介質(zhì)中傳播速度不同,不同頻率的電磁波在同一介質(zhì)中傳播速度不同,B正確;機械波有橫波和縱波之分,而電磁波只有橫波這一種形式,C正確;機械波和電磁波雖然本質(zhì)不同,但有相同的特征,都能發(fā)生干涉、衍射現(xiàn)象,D正確。,【誤區(qū)警示】理解電磁波與機械波的三點不同 (1)電磁波是電磁現(xiàn)象,由電磁振蕩產(chǎn)生;機械波是力學現(xiàn)象,由機械振動產(chǎn)生。 (2)機械波的傳播依賴于介質(zhì)的存在,但電磁波的傳播不需要介質(zhì)。 (3)不同頻率的機械波在同一介質(zhì)中傳播速度相同,在不同介質(zhì)中傳播速度不同;不同頻率的電磁波在同一介質(zhì)中傳播速度不同。,知識點三振蕩過程中各物理量的變化 探究導入: 如圖所示電路叫作電磁振蕩電路,又叫 作LC回路。給該電路提供能量后,利用 電容器的充放電和線圈產(chǎn)生的自感作用,可以實現(xiàn)哪兩種能量之間的相互轉(zhuǎn)化?,提示:可以實現(xiàn)電場能與磁場能之間的相互轉(zhuǎn)化。,【歸納總結(jié)】 1.各物理量變化情況一覽表:,2.振蕩電流、極板帶電荷量隨時間的變化圖象:,3.LC回路中各量間的變化規(guī)律及對應關(guān)系: (1)同步同變關(guān)系。 在LC振蕩回路發(fā)生電磁振蕩的過程中,電容器上的物理量:電量q、板間電壓U、電場強度E、電場能E電是同步同向變化的,即:qUEE電(或q UEE電)。,振蕩線圈上的物理量:振蕩電流i、磁感應強度B、磁場能E磁也是同步同向變化的,即iBE磁(或iBE磁)。 (2)同步異變關(guān)系:在LC振蕩過程中,電容器上的三個物理量q、E、E電與線圈中的三個物理量i、B、E磁是同步異向變化的,即q、E、E電同時減小時,i、B、E磁同時增大,且它們的變化是同步的,即q、E、E電 i、B、E磁。,(3)物理量的等式關(guān)系:線圈上的振蕩電流i= ,自感 電動勢E=L ,振蕩周期T=2 。,【典題過關(guān)】 【典例】(多選)(2018杭州高二檢測)如圖所示,L為一電阻可忽略的線圈,D為一燈泡,C為電容器,開關(guān)S處于閉合狀態(tài),燈泡D正常發(fā)光,現(xiàn)突然斷開S,并開始計時,能正確反映電容器a極板上電荷量q及LC回路中電流i(規(guī)定順時針方向為正)隨時間變化的圖象是(圖中q為正值表示a極板帶正電)(),【正確解答】選B、C。S斷開前,線圈L短路,線圈中電流從上到下,電容器不帶電;S斷開時,線圈L中產(chǎn)生自感電動勢,阻礙電流減小,給電容器C充電,此時LC回路中電流i沿順時針方向(正向)最大;給電容器充電過程,電容器充電量最大時(a板帶負電),線圈L中電流減為零。此后,LC回路發(fā)生電磁振蕩形成交變電流。綜上所述,選項B、C正確。,【規(guī)律方法】LC振蕩電路充、放電過程的判斷方法 (1)根據(jù)電流流向判斷,當電流流向帶正電的極板時,處于充電過程;反之,處于放電過程。 (2)根據(jù)物理量的變化趨勢判斷:當電容器的帶電量q(U、E)增大時,處于充電過程;反之,處于放電過程。 (3)根據(jù)能量判斷:電場能增加時,充電;磁場能增加時,放電。,【過關(guān)訓練】 1.(多選)(2018蘇州高二檢測)關(guān)于LC振蕩電流,下列說法中正確的是() A.振蕩電流最大的瞬間,自感電動勢為零 B.振蕩電流為零時,自感電動勢最大 C.振蕩電流減小的過程中,自感電動勢方向與電流同方向 D.振蕩電流增大的過程中,磁場能轉(zhuǎn)化為電場能,【解析】選A、B、C。振蕩電流最大的瞬間,電流的變化率為零,因此自感電動勢為零,A項正確;振蕩電流為零時,電流的變化率最大,線圈對電流變化的阻礙作用最大,因此電動勢最大,B項正確;振蕩電流減小的過程中,自感電動勢的作用就是阻礙電流的減小,應與其同向,C項正確;振蕩電流增大的過程中,是磁場能增加的過程,是電場能轉(zhuǎn)化為磁場能,D項錯誤。,2.(2018銀川高二檢測)如圖所示,LC電路的L不變,C可調(diào),要使振蕩的頻率從700Hz變?yōu)? 400 Hz,則可以采用的辦法有(),A.把電容增大到原來的4倍 B.把電容增大到原來的2倍 C.把電容減小到原來的 D.把電容減小到原來的 【解析】選D。由題意,頻率變?yōu)樵瓉淼?倍,則周期就變?yōu)樵瓉淼?,由T=2 ,L不變,當C= C時符合要求。,3.(多選)(2018東營高二檢測)如圖所示的電路中,L是自感系數(shù)很大的、用銅導線繞成的線圈,其電阻可以忽略不計,開關(guān)S原來是閉合的。當開關(guān)S斷開瞬間,則 (),A.L中的電流方向不變 B.燈泡D要過一會兒才熄滅 C.LC電路將產(chǎn)生電磁振蕩,剛斷開瞬間,磁場能最大 D.電容器將放電,電場能將變?yōu)榇艌瞿?【解析】選A、C。S斷開瞬間,燈泡立即熄滅,電容器所帶電荷量為零,對電容器充電,電流由最大值減小;斷開瞬間,i最大,磁場能最大。,【補償訓練】 1.(多選)LC振蕩電路中,某時刻的磁場方向如圖所示,則(),A.若磁場正在減弱,則電容器正在充電,電流由b向a B.若磁場正在減弱,則電場能正在增大,電容器上極板帶負電 C.若磁場正在增強,則電場能正在減小,電容器上極板帶正電 D.若磁場正在增強,則電容器正在充電,電流方向由a向b,【解析】選A、B、C。若磁場正在減弱,則電流在減小,是充電過程,根據(jù)安培定則可確定電流由b向a,電場能增大,上極板帶負電,故選項A、B正確;若磁場正在增強,則電流在增大,是放電過程,電場能正在減小,根據(jù)安培定則,可判斷電流由b向a,上極板帶正電,故選項C正確,D錯誤。,2.如圖所示為某時刻LC振蕩電路所處的狀態(tài),則該時 刻(),A.振蕩電流i在增大 B.電容器正在放電 C.磁場能正在向電場能轉(zhuǎn)化 D.電場能正在向磁場能轉(zhuǎn)化 【解析】選C。由電流方向可知,電容器上極板上的電荷量正在增加,即電容器正在充電,故選項B錯;充電過程中振蕩電流逐漸減小,選項A錯;充電過程中磁場能向電場能轉(zhuǎn)化,選項C對,D錯。,3.在如圖所示振蕩電流的圖象中,表示電容器充電過程的有_;線圈中有最大電流的點是_;電場能轉(zhuǎn)化為磁場能的過程有_。,【解析】根據(jù)i-t圖象,充電過程有ab、cd、ef,線圈中有最大電流的點是a、c、e,電場能轉(zhuǎn)化為磁場能的過程有bc、de。 答案:ab、cd、efa、c、ebc、de,【拓展例題】考查內(nèi)容:LC振蕩電路充電和放電過程的判斷 【典例】如圖所示是LC振蕩電路某時刻的情況,以下說法正確的是(),A.電容器正在放電 B.電容器正在充電 C.電感線圈中的電流正在增大 D.電容器兩極板間的電場能正在減小 【正確解答】選B。由題圖中螺線管中的磁感線方向可以判定出此時LC電路正在逆時針充電,故選項A錯誤;電流正在減小,電感線圈中的磁場能正在減弱,兩極板間的電場能正在增大,故選項B正確。,