4.1 振荡电路(导学案)(教师版) 高二物理同步高效课堂(人教版2019选择性必修第二册)

第1节电磁振荡
导学案
【学习目标】
1.通过实验，了解电磁振荡。

知道LC振荡电路中电荷、电场、电流、磁场的动态变化情况及电场能与磁场能的转化情况。

知道电磁振荡的周期与频率。

会用其分析、解释有关的简单问题。

2.经历从机械振动到电磁振荡的类比过程，体会类比推理的方法。

经历分析电磁振荡周期
与L、C关系的过程，体会定性分析推理的方法。

3.经历实验观察电磁振荡中各物理量的变化过程，体会实验在物理观念形成过程中的作用。

【学习重难点】
1.教学重点：电磁振荡过程中电场能与磁场能的相互转化规律。

2.教学难点：LC回路振荡过程中电场强度和磁感应强度的相互转化规律。

【自主预习】
一、电磁振荡的产生　电磁振荡中的能量变化
1．振荡电流：大小和方向都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。

3．LC振荡电路：由电感线圈L和电容器C组成的电路，是最简单的振荡电路，称为
LC振荡电路。

如图所示。

4．电磁振荡：在LC振荡电路中，电容器极板上的电荷量q，电路中的电流i，电容
器里面的电场强度E、线圈里的磁感应强度B，都在周期性地变化着。

这种现象就是
电磁振荡。

5．电磁振荡中的能量变化
(1)能量转化：电容器放电过程中，电场能向磁场能转化。

电容器充电过程中，磁场能向电场能转化。

(2)无能量损失时，振荡电路做等幅振荡。

(3)实际振荡电路中有能量损失，通过适时补充能量给振荡电路，可使振荡电路做等幅振荡。

二、电磁振荡的周期和频率
1．周期：电磁振荡完成一次周期性变化需要的时间。

2．频率：周期的倒数，数值等于单位时间内完成的周期性变化的次数。

如果振荡电路没有能量损失，也不受其他外界影响，这时的周期和频率叫作振荡电路的固有周期和固有频率。

3．LC电路的周期和频率公式：T＝f 1
T、频率f、电感L、电容C的单位
分别是秒(s)、赫兹(Hz)、亨利(H)、法拉(F)。

4．实际电路中的晶体振荡器：其工作原理与LC振荡电路的原理基本相同。

【课堂探究】
【新课引入】
在信息技术高速发展的今天，电磁波对我们越来越重要。

如果有一天电磁波突然没有了，我们生活的世界没有了电磁波会怎么样？
提示：学生展开丰富想象力猜想没有电磁的世界。

其实我们已经离不开电磁波了。

水波是由机械振动形成的。

一颗石子投入水面会激起一阵涟漪，但是要形成持续的水波，则需要不断地击打水面。

要产生持续的电磁波，需要持续变化的电流。

怎样才能产生这样的电流呢？
提示：学生回答电磁波如何产生。

【新课教学】
任务一、振荡电路的产生
一、观察振荡电路中电压的波形
（一）观察振荡电路中电压的波形
把线圈、电容器、电源和单刀双掷开关按照图连成电路。

把电压传感器（或示波器）的两端连在电容器的两个极板上。

先把开关置于电源一侧，为电容器充电;稍后再把开关置于线圈一侧，使电容器通过线圈放电。

观察电脑显器显示的电压波形。

实验结果：
为什么会出现这样的变化波形图？
（二）电磁振荡的产生
【分析】
请同学们阅读课文，并回答振动电路的概念。

1.振荡电流：大小和方向都做周期性迅速变化的电流概念。

①振荡电流：大小和方向都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。

③LC振荡电路：当开关置于线圈一侧时，由电感线圈L和电容C组成的电路，就是最简单的振荡电路。

2.振荡电路的工作原理
注意观察电荷量变化和电流大小及方向的变化情况
①电容器充电结束，两极板上的电荷最多。

②回路中电流从0开始逐渐增到最大。

两极板电荷量从最大减为0。

③自感线圈给电容器正向充电结束，回路中电流从最大减为0，两极板电荷量从0变回最大。

④电容开始反向放电。

⑤
自感线圈给电容器反向充电，于是整个电路回到最开始状态。

任务二、电磁振荡中的能量变化（一）电磁振荡中的能量变化
（二）在电磁振荡中，能量是如何转化的?
电磁振荡的过程中，电场能和磁场能发生周期性的转化
Q、B、i、E变化周期
所以，在电磁振荡的过程中，电场能和磁场能会发生周期性的转化。

（二）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：
①放电过程:电场能转化为磁场能，q↓→i↑
②充电过程:磁场能转化为电场能，q↑→i↓
(2)两个特殊状态：
①充电完毕:磁场能向电场能转化完毕,电场能最大,磁场能最小.
②放电完毕:电场能向磁场能转化完毕,磁场能最大,电场能最小.（三）两个对应关系
在电磁振荡变化快慢与哪些因素有关？
任务三、电磁振荡的周期和频率
（一）周期和频率
1.周期和频率：
（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 内完成的周期性变化的次数。

（3）振荡电路里在不受其他外界条件影响下发生无阻尼振荡时的周期和频率叫振荡电路的固有周期和固有频率，简称振荡电路的周期和频率。

思考：电容较大时，电容器充电、放电的时间会长些还是短些?线圈的自感系数较大时，电容器充电、放电的时间会长些还是短些？根据讨论结果，定性分析LC 电路的周期（频率）与电容 C 、电感L 的关系。

（二）实验探究
学生观察实验并记录实验结果
（三）电磁振动的周期和频率规律
理论分析表明，LC 电路的周期T 与电感L 、电容C 的关系是
LC
2T π=LC
21f π=①式中各物理量T 、L 、C 、f 的单位分别是s 、H 、F 、Hz 。

②改变周期的方法：
L ：线圈的大小、形状、匝数、铁芯。

d
k 4S C πε=意：①在一个周期内，振荡电流的方向改变两次；
②
电场能（或磁场能）完成两次周期性变化。

【自我测评】
1．在LC振荡电路中，电容器放电完毕的瞬间( )
A．电场能正向磁场能转化
B．磁场能正向电场能转化
C．电场能刚好向磁场能转化完毕
D．磁场能刚好向电场能转化完毕
【答案】C　
【详解】在LC振荡电路中，电容器放电的过程是电场能转化为磁场能的过程，电容器放电完毕，则电场能向磁场能转化完毕，故选项C正确。

2．[多选]LC振荡电路的固有频率为f，则( )
A．电容器内电场变化的频率为f
B．电容器内电场变化的频率为2f
C．电场能和磁场能转化的频率为f
D．电场能和磁场能转化的频率为2f
【答案】AD　
【详解】电场能和磁场能是标量，只有大小在做周期性变化，所以电场能和磁场能转化的周期是电磁振荡周期的一半，转化的频率为电磁振荡频率的两倍；电容器内电场变化的频率等于电磁振荡的频率。

选项A、D正确。

3．[多选]如图所示是一台电子钟，其原理类似于摆钟，摆钟是利用单摆的周期性运动计时的，电子钟是利用LC振荡电路来计时的，有一台电子钟在家使用一段时间后，发现每昼夜总是快1 min。

造成这种现象的可能原因是( )
A．L不变，C变大了 B．L不变，C变小了
C．L变小了，C不变D．L、C均减小了
刻( )
A．电容器上极板带正电，下极板带负电
B．电容器上极板带负电，下极板带正电
C．磁场能正在向电场能转化
D．线圈和电容器两边的电压可能不等
【答案】A　
【详解】通过图示电流方向，且电流正在增大，知电容器在放电，则电容器上极板带正电，下极板带负电，振荡电流增大，电容器上的电荷量正在减小，电场能正在向磁场能转化，故B、C错误，A正确；由图可知，此时线圈和电容器两边的电压相等，故D错误。

5．在LC振荡电路中，某时刻线圈中的磁场和电容器中的电场如图所示，则此时刻( )
A．电容器正在放电
B．振荡电流正在减小
C．线圈中的磁场最强
D．磁场能正在向电场能转化
【答案】A　
【详解】由线圈中的磁场方向，结合安培定则可知，电流从上向下流过线圈。

分析电容器中场强方向可知，电容器上极板带正电，则电容器正在放电，故A正确；根据电磁振荡规律可知，电容器放电时，振荡电流增大，电场能向磁场能转化，磁场逐渐增强，故B、C、D错误。

【学后反思】本节课学习中，你有哪些收获，还有哪些问题？。