2021_2021学年高中物理第3章电磁波第1讲电磁波的产生学案鲁科版选修3_4

第1讲电磁波的产生
[目标定位] 1.了解振荡电流、振荡电路及LC电路的振荡过程，会求LC电路的周期与频率.2.了解麦克斯韦电磁场理论的根本观点及其在物理学开展史上的意义.3.知道电磁波的产生.4.知道赫兹用实验证实了电磁波的存在及意义．
一、电磁振荡
1．振荡电流和振荡电路
(1)振荡电流：大小和方向都做周期性变化的电流．
(2)振荡电路：产生振荡电流的电路．由电感线圈L和电容器C所组成的电路是一种根本的振荡电路，叫做LC振荡电路．
2．电磁振荡的过程
(1)放电过程：线圈自感作用阻碍电流的变化，使电路中的电流由零逐渐增大，电场能逐渐转化为磁场能．当放电完毕，即Q＝0时，电路中的电流到达最大值，电场消失，磁场最强，电场能全部转化为磁场能．
(2)充电过程：由于电感线圈的自感作用，电路中的电流逐渐减小，电感线圈中的磁场逐渐减弱，电容器两极板所带的电荷逐渐增多，两极板间的电场也逐渐增强．电路中的磁场能逐渐转化成电场能．
(3)电磁振荡：上述过程周而复始地进展，就产生了方向和大小周期性变化的振荡电流，与振荡电流相联系的电场和磁场也周期性交替变化，电场能和磁场能交替相互转化，这个过程叫做电磁振荡．
3．电磁振荡的周期和频率
(1)全振荡：发生电磁振荡时，通过电路中某一点的电流，由某方向的最大值再恢复到同一个方向的最大值，我们就说完成了一次全振荡．
(2)周期：完成一次全振荡的时间．
(3)频率：在1s内完成全振荡的次数．
(4)LC振荡电路的固有周期(或频率)与自感系数L、电容C的关系：T＝2πLC或f＝1
2πLC 二、麦克斯韦的预言
1．麦克斯韦电磁场理论的主要论点
(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．电磁场：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．
3．电磁波：在空间交替变化并传播出去的电磁场就形成了电磁波．
三、赫兹实验
1888年，物理学家赫兹第一次用实验证实了电磁波的存在，证明了麦克斯韦的预言．
图1
想一想空间存在如图1所示的电场，那么在空间能不能产生磁场？在空间能不能形成电磁波？
答案如下图的电场是均匀变化的，根据麦克斯韦电磁场理论可知会在空间激发出磁场，但磁场恒定，不会再在较远处激发起电场，故不会产生电磁波.
一、电磁振荡中各物理量的变化情况
如图2所示
图2
由甲、乙两图象可以看出：在电磁振荡过程中，(1)线圈中的电流i、磁感应强度B及磁场能E B的变化规律一致．(2)电容器的带电量q，两极板间的场强E及电场能E E的变化规律一致，并且与i、B、E B的变化总是反向的．
例1
图3
某时刻LC振荡电路的状态如图3所示，那么此时刻( )
A．振荡电流i在减小
B．振荡电流i在增大
C．电场能正在向磁场能转化
D．磁场能正在向电场能转化
解析题图中电容器上极板带正电荷，图中给出的振荡电流方向，说明负电荷向下极板聚集，所以电容器正在充电，电容器充电的过程中，电流减小，磁场能向电场能转化，所以A、D 选项正确．
答案AD
借题发挥在电磁振荡中各物理量变化是有规律的，我们要熟悉各物理量变化的特点，特别抓住关键的电量和电流，电量变大、电场强度、电场能变大；电流变小，磁感应强度、磁场能变小．判断出充、放电情况是解决问题的关键．
二、对麦克斯韦电磁场理论的理解
1．恒定的磁场不会产生电场，同样，恒定的电场也不会产生磁场；
2．均匀变化的电场在周围空间产生恒定的磁场，同样，均匀变化的磁场在周围空间产生恒定的电场；
3．振荡变化的磁场在周围空间产生同频率振荡的电场，同样，振荡变化的电场在周围空间产生同频率振荡的磁场．
例2关于电磁场理论，以下说法正确的选项是( )
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变化的磁场
D．周期性变化的电场周围一定产生周期性变化的磁场
解析根据麦克斯韦电磁场理论，只有变化的电场能产生磁场，均匀变化的电场产生稳定的磁场，非均匀变化的电场才产生变化的磁场，故D对，A、B、C错．
答案 D
针对训练某电路中电场随时间变化的图象如以下各图所示，能发射电磁波的电场是( )
解析图A中电场不随时间变化，不会产生磁场；图B和图C电场都随时间做均匀变化，只能在周围产生稳定的磁场，不会产生和发射电磁波；图D中电场随时间做不均匀的变化，能在周围空间产生变化的磁场，而这磁场的变化也是不均匀的，又能产生变化的电场，从而交织成一个不可分割的统一体，即形成电磁场，能发射电磁波．
答案 D
三、电磁波与机械波的比拟
1．电磁波和机械波的共同点
(1)二者都能产生干预和衍射．
(2)二者在不同介质中传播时频率不变．
(3)二者都满足波的公式v＝λ
T
＝λf.
2．电磁波和机械波的区别
(1)二者本质不同
电磁波是电磁场的传播，机械波是质点机械振动的传播．
(2)传播机理不同
电磁波的传播机理是电磁场交替感应，机械波的传播机理是质点间的机械作用．
(3)电磁波传播可以不需要介质，而机械波传播需要介质．
(4)电磁波是横波，机械波既有横波又有纵波，甚至有的机械波同时有横波和纵波，例如地震波．
例3以下关于机械波与电磁波的说法中，正确的选项是( )
A．机械波和电磁波，本质上是一致的
B．机械波的波速只与介质有关，而电磁波在介质中的波速不仅与介质有关，而且与电磁波的频率有关
C．机械波可能是纵波，而电磁波必定是横波
D．它们都能发生反射、折射、干预和衍射现象
解析机械波由振动产生；电磁波由周期性变化的电场(或磁场)产生，机械波是能量波，传播需要介质，速度由介质决定，电磁波是物质波，波速由介质和自身的频率共同决定；机械波有横波，也有纵波，而电磁波一定是横波，它们都能发生反射、折射、干预和衍射等现象，应选项B、C、D正确．
答案BCD
借题发挥机械波的传播速度完全由介质决定，而电磁波的传播速度是由介质和频率共同决定.
电磁振荡
1.
图4
在LC回路中，电容器两端的电压随时间t变化的关系如图4所示，那么( )
A．在t1时刻，电路中的电流最大
B．在t2时刻，电路中的磁场能最大
C．从t2时刻至t3时刻，电路的电场能不断增大
D．从t3时刻至t4时刻，电容的带电荷量不断增大
解析电磁振荡中的物理量可分为两组：①电容器带电q，极板间电压u，电场强度E及电场能为一组．②自感线圈中的电流i，磁感应强度B及磁场能为一组．同组量的大小变化规律一致，同增同减同为最大或为零值．异组量的大小变化规律相反．假设q、E、u等量按正弦规律变化，那么i、B等量必按余弦规律变化．
根据上述分析由题图可以看出，此题正确选项为A、D.
答案AD
2.
图5
如图5所示为振荡电路在某时刻的电容器的带电情况和电感线圈中磁感线方向情况，由图可知电容器在________电，电感线圈中的电流在________(填“增大〞“减小〞或“不变〞)，如果振荡电流的周期为π×10－4s，电容为C＝250μF，那么自感系数L＝________H.
解析根据题图中的磁感线方向，用安培定那么可判断出电路中的电流方向为顺时针方向，故正在对电容器充电，磁场能正在转化为电场能，电流正在减小，又由T＝2πLC可得L＝T2
，所以L＝10－5H.
4π2C
答案充减小10－5
麦克斯韦电磁场理论
3．用麦克斯韦的电磁场理论判断，图中表示电场(或磁场)产生磁场(或电场)的正确图象是( )
解析 A 图中的左图磁场是稳定的，由麦克斯韦的电磁场理论可知，其周围空间不会产生电场，A 图中的右图是错误的；B 图中的左图是均匀变化的电场，应该产生稳定的磁场，右图的磁场应是稳定的，所以B 图错误；C 图中的左图是振荡的磁场，它能产生同频率的振荡电场，
且相位相差π2
，C 图是正确的；D 图中的左图是振荡的电场，在其周围空间产生振荡的磁场，但是右图中的图象与左图相比拟，相位相差2π，故D 图错误．
答案 C
电磁波的特点
4．以下关于电磁波的说法中，正确的选项是( )
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3.0×108
m/s
C ．电磁波由真空进入介质传播时，波长将变短
D ．电磁波不能产生干预、衍射现象
解析 电磁波在真空中的传播速度为光速c ＝3.0×108m/s ，且c ＝λf ，从一种介质进入另一种介质，频率不变，但速度、波长会变．电磁波仍具有波的特征，电磁波只有在真空中的速度才为3.0×108 m/s ，在其他介质中的传播速度小于3.0×108m/s.
答案 AC
(时间：60分钟)
题组一 麦克斯韦电磁场理论
1．建立完整的电磁场理论并首先预言电磁波存在的科学家是( )
A ．法拉第
B ．奥斯特
C ．赫兹
D ．麦克斯韦
解析 麦克斯韦建立了电磁场理论并且预言了电磁波的存在，选项D 正确．
答案 D
2．以下说法正确的选项是( )
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．恒定电流能够在周围空间产生稳定的磁场
C．稳定电场能够在周围空间产生稳定的磁场
D．均匀变化的电场能够在周围空间产生稳定的磁场
解析变化的磁场周围产生电场，当电场中有闭合回路时，回路中有电流．假设无闭合回路电场仍然存在，A正确；电场按其是否随时间变化分为稳定电场(静电场)和变化电场(如运动电荷形成的电场)，稳定电场不产生磁场，只有变化的电场周围空间才存在对应磁场，故C 错，D对；恒定电流周围存在稳定磁场，B对．
答案ABD
3.
图1
某空间出现了如图1所示的一组闭合电场线，这可能是( )
A．沿AB方向磁场在迅速减弱
B．沿AB方向磁场在迅速增强
C．沿BA方向磁场在迅速增强
D．沿BA方向磁场在迅速减弱
解析根据电磁感应，闭合回路中的磁通量发生变化时，使闭合回路中产生感应电流，该电流可用楞次定律判断．根据麦克斯韦电磁场理论，闭合回路中产生感应电流，是因为闭合回路中受到了电场力作用，而变化的磁场产生电场，与是否存在闭合回路没有关系，故空间内磁场变化产生的电场方向，仍然可用楞次定律判断，四指环绕方向即为感应电场的方向，由此可知，选项A、C正确．
答案AC
题组二电磁波的特点
4．以下关于电磁波的说法正确的选项是( )
A．均匀变化的磁场能够在空间产生电场
B．电磁波在真空和介质中传播速度一样
C．只要有电场和磁场，就能产生电磁波
D．电磁波在同种介质中只能沿直线传播
解析变化的磁场就能产生电场，A正确；假设只有电场和磁场而电场和磁场都稳定或电场、磁场仅均匀变化都不能产生电磁波，C错；光也是电磁波，在真空和介质中传播的速度不同，B错；假设介质密度不均匀会发生折射，故D错．
答案 A
5．以下说法中正确的选项是( )
A ．电磁波只能在真空中传播
B ．麦克斯韦第一次用实验证实了电磁波的存在
C ．电磁场由发生区域向远处的传播就是电磁波
D ．频率为750kHz 的电磁波在真空中传播时，其波长为400m
解析 电磁波不仅可以在真空中传播，还可以在介质中传播，选项A 错误；麦克斯韦预言了电磁波的存在，赫兹第一次用实验证实了电磁波的存在，选项B 错误；电磁场的传播就是电
磁波，选项C 正确；频率为750kHz 的电磁波的波长为：λ＝c f ＝3×108
750×103
m ＝400m ，选项D 正确．
答案 CD
6．以下关于电磁波的说法中正确的选项是( )
A ．只要电场或磁场发生变化，就能产生电磁波
B ．电磁波传播需要介质
C ．电磁振荡一旦停顿，电磁波仍能独立存在
D ．电磁波具有能量，电磁波的传播是伴随有能量向外传递的
解析 如果电场(或磁场)是均匀变化的，产生的磁场(或电场)是稳定的，就不能再产生新的电场(或磁场)，也就不能产生电磁波；电磁波不同于机械波，它的传播不需要介质；电磁振荡停顿后，电磁波仍能独立存在；电磁波具有能量，它的传播是伴随有能量传递的． 答案 CD
7．所有电磁波在真空中传播时，具有的一样物理量是( )
A ．频率
B ．波长
C ．能量
D ．波速
解析 不同电磁波在真空中传播时，只有速度一样，即为光速，故D 对．
答案 D
8．当电磁波的频率减小时，它在真空中的波长将( )
A ．不变
B ．增大
C ．减小
D ．无法确定
解析 电磁波的波长为：λ＝c f
，频率减小，波长增大，选项B 正确．
答案 B
9．有关电磁波和声波，以下说法错误的选项是( )
A ．电磁波的传播不需要介质，声波的传播需要介质
B ．由空气进入水中传播时，电磁波的传播速度变小，声波的传播速度变大
C ．电磁波是横波，声波也是横波
D ．由空气进入水中传播时，电磁波的波长变短，声波的波长变长
解析 电磁波本身就是一种物质，它的传播不需要介质，而声波的传播需要介质，应选项A
正确；电磁波由空气进入水中时，传播速度变小，但声波在水中的传播速度比其在空气中大，应选项B正确；电磁波的传播方向与E、B两个振动矢量的方向都垂直，是横波，而声波是纵波，应选项C错误；电磁波由空气进入水中传播时，波速变小，波长变短，而声波由空气进入水中传播时，波速变大，波长变长，应选项D正确．
答案 C
题组三电磁振荡
10．关于LC振荡电路中电容器两极板上的电荷量，以下说法正确的选项是( )
A．电荷量最大时，线圈中振荡电流也最大
B．电荷量为零时，线圈中振荡电流最大
C．电荷量增大的过程中，电路中的磁场能转化为电场能
D．电荷量减少的过程中，电路中的磁场能转化为电场能
解析电容器电荷量最大时，振荡电流为零，A错；电荷量为零时，放电完毕，振荡电流最大，B对；电荷量增大时，磁场能转化为电场能，C对；同理可判断D错．
答案BC
图2
11．如图2所示的LC振荡电路中，某时刻电流i的方向指向A板，且正在增大，那么此时( ) A．A板带正电
B．线圈L两端电压在增大
C．电容器C正在充电
D．电场能正在转化为磁场能
解析电路中的电流正在增大，说明电容器正在放电，选项C错误；电容器放电时，电流从带正电的极板流向带负电的极板，那么A板带负电，选项A错误；电容器放电，电容器两板间的电压减小，线圈两端的电压减小，选项B错误；电容器放电，电场能减少，电流增大，磁场能增大，电场能正在转化为磁场能，选项D正确．
答案 D
12．在LC回路中发生电磁振荡时，以下说法正确的选项是( )
A．电容器的某一极板，从带最多的正电荷放电到这一极板充满负电荷为止，这一段时间为一个周期
B．当电容器放电完毕瞬间，回路中的电流为零
C．提高充电电压，极板上带更多的电荷时，能使振荡周期变大
D．要提高振荡频率，可减小电容器极板间的正对面积
解析电容器某一极板从带最多的正电荷到带最多的负电荷这段时间，电容器完成了放电和反向充电过程，时间为半个周期，A错误；电容器放电完毕瞬间，电路中电场能最小，磁场能最大，故电路中的电流最大，B错误；振荡周期仅由电路本身决定，与充电电压等无关，C 错误；提高振荡频率，就是减小振荡周期，可通过减小电容器极板正对面积来减小电容C，到达增大振荡频率的目的，D正确．
答案 D
13．在LC振荡电路中，用以下的哪种方法可以使振荡频率增大一倍( )
A．自感L和电容C都增大一倍
B．自感L增大一倍，电容C减小一半
C．自感L减小一半，电容C增大一倍
D．自感L和电容C都减小一半
解析据LC振荡电路频率公式f＝1
2πLC
，当L、C都减小一半时，f增大一倍，应选项D 是正确的．
答案 D
14.
图3
LC振荡电路中，某时刻的磁场方向如图3所示，那么( )
A．假设磁场正在减弱，那么电容器正在充电，电流由b向a
B．假设磁场正在减弱，那么电场能正在增大，电容器上极板带负电
C．假设磁场正在增强，那么电场能正在减少，电容器上极板带正电
D．假设磁场正在增强，那么电容器正在充电，电流方向由a向b
解析假设磁场正在减弱，那么电流在减小，是充电过程，根据安培定那么可确定电流方向为由b向a，电场能增大，上极板带负电，应选项A、B正确；假设磁场正在增强，那么电流在增大，是放电过程，电场能正在减小，根据安培定那么，可判断电流方向为由b向a，上极板带正电，应选项C正确，D错误．
答案ABC。