高中物理沪科版课件 选修3-4 第三章 电磁场与电磁波 3.1 麦克斯韦的电磁场理论+3.2 电磁波的发现

电 磁 波 的 发 射 和 电 磁 波 的 特 点
[先填空] 1.发射条件 有效地发射电磁波，振荡电路必须具有两个特点：第一，要有足够高 的振 荡频率，频率越高，发射电磁波的本领越大；第二，应采用开放电路 ，振荡电 路的电场和磁场必须分散到足够大的空间.
2.电磁波的特点 (1)电磁波中的电场 E 与磁场 B 相互垂直，而且二者均与波的传播方向 垂直. 因此电磁波是横波. (2)电磁波在真空中的传播速度等于光速 c，光的本质是电磁波. (3)电磁波具有波的一般特征，波长(λ)、周期(T)或频率(f)与波速(v)间关系为 λ λf v＝T＝ . (4)电磁波和其他波一样也具有能量 ，电磁波的发射过程就是辐射能量 的过 程.
1 【答案】 减小 4
6.如图 316 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 随时间变化的图像(q 为正值表示 a 极板带正电).
图 316
【解析】
开关源自文库S 处于闭合状态时，电流稳定，又因 L 电阻可忽略，因此
知 识 脉 络
麦 克 斯 韦 电 磁 场 理 论
[先填空] 1.英国物理学家麦克斯韦创立了电磁场理论，并预言了 电磁波的存在. 2.变化的磁场产生电场 不均匀变化的磁场产生变化的电场；均匀变化的磁场产生 稳定的电场. 3.变化的电场产生磁场 不均匀变化的电场产生变化的磁场；均匀变化的电场产生 稳定的磁场.
知 识 点 一
知 识 点 三
3.1
知 识 点 二
麦克斯韦的电磁场理论 3.2 电磁波的发现
学 业 分 层 测 评
学 习 目 标 1.理解麦克斯韦电磁理论的两个要点，了 解电磁场与电磁波的联系与区别，以及电 磁波的特点.(重点) 2.了解麦克斯韦理论在物理发展史上的意 义. 3.了解 LC 振荡电路中电磁振荡的产生过 程.(难点) 4.了解电磁振荡的周期和频率， 会求 LC 电 路的周期和频率.(重点)
4.电磁场理论——伟大的丰碑 (1)不均匀变化的磁场和电场相互耦连，形成不可分离的统一的电磁场. (2)变化的电场与变化的磁场相互激发，由近及远地向周围空间传播，就形 成了电磁波.麦克斯韦在理论上预言了电磁波的存在. (3)在电磁波的传播过程中，电场和磁场方向相互垂直并都垂直 于传播的方 向，即电磁波是横波. (4)电磁波在真空中的传播速度等于光速 .
(2)实验结论 赫兹实验证实了 电磁波的存在，检验了麦克斯韦电磁场理论的正确性.
2.电磁振荡 (1)振荡电流：大小和方向 都随时间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.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周期性 相互转化的过 程.
放电过程 qm→0 Em→0 0→im 0→Bm E 电→E 磁 充电过程 0→qm 0→Em im→0 Bm→0 E 磁→E 电 放电过程 qm→0 Em→0 0→im 0→Bm E 电→E 磁 充电过程 0→qm 0→Em im→0 Bm→0 E 磁→E 电
2.振荡电流、极板带电荷量随时间的变化图像 (如图 312 所示)
【解析】
【答案】 ABC
2.根据麦克斯韦的电磁场理论，以下叙述中正确的是( A.教室中亮着的日光灯周围空间必有磁场和电场 B.工作时的电磁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相互垂直 E.均匀变化的电场周围一定产生均匀变化的磁场
【答案】
LC 振荡电路充、放电过程的判断方法 1.根据电流流向判断：当电流流向带正电的极板时，电容器的电荷量增加， 磁场能向电场能转化，处于充电过程；反之，当电流流出带正电的极板时，电 荷量减少，电场能向磁场能转化，处于放电过程. 2.根据物理量的变化趋势判断：当电容器的带电量 q(电压 U、场强 E)增大 或电流 i(磁场 B)减小时，处于充电过程；反之，处于放电过程. 3.根据能量判断：电场能增加时充电，磁场能增加时放电.
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， T 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 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 T 电容器极板上电荷量则由 0 增为最大，根据电流流向，此4 时间里，电容器下极 T 板 b 带正电，所以此4 时间内，a 极板带负电，由 0 增为最大.
(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 时间. ②频率：1 s 内完成周期性变化的次数. 振荡电路里发生无阻尼振荡时的周期和频率分别叫做固有周期、固有频率. 1 ③周期和频率公式：T＝2π LC，f＝ . 2π LC
[再判断] 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.( × )
赫 兹 实 验 与 电 磁 振 荡
[先填空] 1.赫兹实验 (1)实验分析 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 电磁场 ，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 出感应电动势 ，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.
4.LC 振荡电路中，某时刻磁场方向如图 314 所示，则下列说法正确的是 ( )
图 314
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
(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，也即：q、E、EE↑同步异向变化,i、B、EB↓. 注意：自感电动势 E 的变化规律与 qt 图像相对应.
【解析】 教室中亮着的日光灯、工作时的电磁打点计时器用的振荡电流， 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，电场方向、磁场方向和传播方向相互垂直，故 选项 D 正确.均匀变化的电场周围会产生恒定不变的磁场，E 错误.
【答案】 ABD
图 312
3.板间电压 u、电场能 EE、磁场能 EB 随时间变化的图像(如图 313 所示)
图 313 u、EE 规律与 qt 图像相对应；EB 规律与 it 图像相对应.
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 EE 是同步变化的，即： q↓→E↓→EE↓(或 q↑→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 也是同步变化 的，即： i↓→B↓→EB↓(或 i↑→B↑→EB↑)
【答案】 BCD
5.如图 315 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 315
1 【解析】 由题意，频率变为原来的 2 倍，则周期就变为原来的2，由 T＝ 1 2π LC，L 不变，当 C＝4C0 时符合要求.
3.对电磁波的理解 (1)电磁波的传播不需要介质，可在真空中传播，在真空中，不同频率的电 磁波传播速度是相同的(都等于光速). (2)不同频率的电磁波，在同一种介质中传播，其速度是不同的，频率越高， 波速越小.
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
[后思考] 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？
【提示】 充电两次，充电电流方向不相同. 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？ 【提示】 放电刚结束时，电场能全部转化成了磁场能.
[核心点击] 1.各物理量变化情况一览表 时刻(时间) 工作过程 T 0→4 T T 4→2 T 3T 2→ 4 3T 4 →T q E i B 能量
2.电磁场与静电场、静磁场相同吗？
【提示】 磁场单独存在.
不同.电磁场是动态的，并且电场和磁场不可分割；静电场、静
[核心点击] 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 均匀变化的磁场在周围空间产生恒 磁场 定的电场
不均匀变化的电场在周围空间产生变化 不均匀变化的磁场在周围空间产生 的磁场 振荡电场产生同频率的振荡磁场 变化的电场 振荡磁场产生同频率的振荡电场
2.对电磁场的理解 (1)电磁场的产生 如果在空间某区域有周期性变化的电场，那么这个变化的电场在它周围空 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新的周期性变 化的电场„变化的电场和磁场相互联系，形成了不可分割的统一体，这就是电 磁场. (2)电磁场与静电场、静磁场的比较 静电场、静磁场也可以在某空间混合存在，但由静电场和静磁场混合的空 间不属于电磁场.电磁场是电场、磁场相互激发，相互耦连形成的统一体.
[再判断] 1.振荡频率足够高的开放电路才能发射电磁波.( √ ) 2.电磁波的传播速度等于光速 c.( ×) 3.电磁波的传播不需要介质，可以在真空中传播.( √ )
[后思考] 1.怎样才能形成开放电路 【提示】 在振荡电路中，使电容器变成两条长的直导线，一条深入高空
成为天线，另一条接入地下成为地线，形成开放电路. 2.雷雨天气，从调至中波段的收音机中，会不断地传出很响的“咔嚓”声， 这是为什么？ 【提示】 雷雨天形成闪电时会发出很强的电磁波，收音机接收到后会感
应出电流，引起扬声器发出声响，形成很响的“咔嚓”声.
[核心点击] 1.机械波与电磁波的共性 机械波与电磁波是本质上不同的两种波，但它们有共同的性质：①都具有 λ 波的特性，能发生反射、折射、干涉和衍射等物理现象；②都满足 v＝T＝λf； ③波从一种介质传播到另一种介质，频率都不变.
【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 B、C、D.
[再判断] 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.麦克斯韦预言并验证了电磁波的存在.( × )
[后思考] 1.变化的磁场一定产生变化的电场吗？ 【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.
3.如图 311 所示，在变化的磁场中放置一个闭合线圈.
图 311 (1)你能观察到什么现象？ (2)这种现象说明了什么？
【解析】 (1)灵敏电流计的指针发生偏转，有电流产生. (2)变化的磁场产生了电场，使闭合线圈的自由电荷发生了定向运动而形成 了电流.
【答案】 见解析
判断是否产生电场或磁场的技巧 1.变化的电场或磁场能够产生磁场或电场. 2.均匀变化的场产生稳定的场. 3.非均匀变化的场产生变化的场. 4.周期性变化的场产生同频率的周期性变化的场. 5.稳定不变的场不能产生新的场.