高中物理选修3-4学案5：14.1-14.2 电磁波的发现 电磁振荡

14.1-14.2 电磁波的发现电磁振荡
学习目标知识脉络
1.了解麦克斯韦电磁场理论的基本内容以及
在物理学发展史上的意义．
2．了解电磁波的基本特点及其发现过程，通
过电磁波体会电磁场的物质性．(重点)
3．理解振荡电流、振荡电路及LC电路的概
念，了解LC回路中振荡电流的产生过程．(难
点)
4．了解电磁振荡的周期与频率，会求LC电
路的周期与频率.
[自主预习]
一、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(如图所示)．
(2)变化的电场能够在周围空间产生(如图所示)．
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，这种变化的在空间的传播称为电磁波．
(2)电磁波的特点：
①电磁波是，电磁波在空间传播不需要；
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＝m/s.
(3)电磁波能产生反射、、干涉和等现象．
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，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，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、、、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．
二、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．()
三、思考
1．变化的磁场一定产生变化的电场吗？
2．电磁场与静电场、静磁场相同吗？
[归纳总结]
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
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
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________．
[素养提升]
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．
知识点二电磁振荡
[自主预习]
一、填空
1．振荡电流：大小和都随时间做周期性迅速变化的电流．
2．振荡电路：能够产生的电路．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．
(2)频率：1 s内完成周期性变化的．
振荡电路里发生无阻尼振蒎时的周期和频率分别叫做周期、频率．
(3)周期和频率公式：T＝2πLC，f＝
1
2πLC
.
二、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．()
三、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？
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？
[归纳总结]
1．各物理量变化情况一览表
图14-1-3
3．板间电压u、电场能E E、磁场能E B随时间变化的图象(如图14-1-4所示)
图14-1-4
u、E E规律与q-t图象相对应；E B规律与i-t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E E是同步变化的，即：
q↓→E↓→E E↓(或q↑→E↑→E E↑)
振荡线圈上的物理量：振荡电流i、磁感应强度B、磁场能E B也是同步变化的，即：i↓→B↓→E B↓(或i↑→B↑→E B↑)
(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、E E与线圈中的三个物理量i、B、E B 是同步异向变化的，即q、E、E E同时减小时，i、B、E B同时增大，且它们的变化是同步的，也即：q、E、E E↑同步异向变化,i、B、E B↓.
注意：自感电动势E的变化规律与q-t图象相对应．
[课堂达标]
4.LC振荡电路中，某时刻磁场方向如图14-1-5所示，则下列说法正确的是()
图14-1-5
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
5.如图14-1-6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14-1-6
6.如图14-1-7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14-1-7
[素养提升]
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．
——★ 参考答案★——
知识点一
[自主预习]
一、填空
1.电场磁场
3.电磁场横波介质 3.0×108 折射衍射
4. 电磁场感应电动势电磁波折射干涉
二、判断
1.×
2.×
3.√
4.×
三、思考
1.[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.[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．
[课堂达标]
1.[答案]ABC
[解析]
2.[答案]ACE
[解析]电磁波是交替产生呈周期性变化的电磁场由发生区域向远处传播而产生，故A 项正确；电磁波只有在真空中传播时，其速度为3×108 m/s，故B项不正确；电磁波在传播过程中其频率f不变，由波速公式v＝λf知，由于电磁波在介质中的传播速度比在真空中的传播速度小，所以可得此时波长变短，故C正确；电磁波是一种波，具有波的一切特性，能产生干涉、衍射等现象，故E项正确，D项不正确．
3.[答案]赫兹电磁波波长频率波速光速
[解析]赫兹用实验验证了麦克斯韦电磁场理论的正确性，研究出电磁波的特点及其性质，揭示了光的本质是电磁波．
高中物理选修3-4
11 知识点二
[自主预习]
一、填空
1. 方向振荡电流周期性
2. 时间次数固有固有
二、判断
1.√
2.√
3.×
三、思考
1.[提示] 充电两次，充电电流方向不相同．
2.[提示] 放电刚结束时，电场能全部转化成了磁场能．
[课堂达标]
4.[答案] BCD
[解析] 本题考查各物理量发生变化的判断方法．由电流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的带电情况，可分两种情况讨论：(1)若该时刻电容器上极板带正电，则可知电容器处于放电阶段，电流增大，则C 对，A 错；(2)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 对，由楞次定律可判定D 对E 错．故正确[答案]为BCD.
5.[答案] 减小 14
[解析] 由题意，频率变为原来的2倍，则周期就变为原来的12
，由T ＝2πLC ，L 不变，当C ＝14
C 0时符合要求． 6.[答案]
[解析] 开关S 处于闭合状态时，电流稳定，又因L 电阻可忽略，因此电容器C 两极板间电压为0，所带电荷量为0，S 断开的瞬间，D 灯立即熄灭，L 、C 组成的振荡电路开始振
荡，由于线圈的自感作用，此后的T 4
时间内，线圈给电容器充电，电流方向与线圈中原电流方向相同，电流从最大逐渐减为0，而电容器极板上电荷量则由0增为最大，根据电流流向，此T 4时间里，电容器下极板b 带正电，所以此T 4
时间内，a 极板带负电，由0增为最大．。