人教版高二物理选修3-4学案设计-第十四章电磁波的发现电磁振荡

第十四章电磁波

1电磁波的发现

2电磁振荡

一、麦克斯韦的电磁场理论及对电磁波的预言

1．麦克斯韦电磁场理论

英国物理学家麦克斯韦在总结前人研究电磁现象成果的基础上，建立了完整的电磁场理论．可定性表述为：变化的磁场产生电场，变化的电场产生磁场．

2．麦克斯韦对电磁波的预言

如果在空间某区域内有周期性变化的电场，那么这个变化的电场就在空间引起周期性变化的磁场；这个变化的磁场又引起新的变化的电场……于是，变化的电场和变化的磁场交替产生，由近及远向周围传播，形成了电磁波．

3．电磁波的特点

(1)电磁波中的电场强度与磁感应强度互相垂直，而且二者均与波的传播方向垂直，因此电磁波是横波．

(2)电磁波在真空中传播的速度等于光速c，光的本质是电磁波．

4．赫兹的实验

(1)赫兹利用如图的实验装置，证实了电磁波的存在．

(2)赫兹的其他实验成果：赫兹通过一系列的实验，观察到了电磁波的反射、折射、干涉、衍射和偏振现象，并通过测量证明，电磁波在真空中具有与光相同的速度，证实了麦克斯韦关于光的电磁理论．

北京时间2011年11月3日凌晨，“神舟”八号飞船与“天宫”一号目标飞行器实现刚性连接，形成组成体，中国载人航天首次空间交会对接试验获得成功．“神舟”八号与“天宫”一号交会对接的成功意味着我国成为继美国、俄罗斯后，第三个独立掌握航天交会对接技术的国家．因此，“天宫”一号与“神八”这次太空中的亲密接触，不仅奠定了中国载人航天技术在世界上的一席之地，也使中国未来空间站的组装和建造成为可能．“神八”与“天宫”一号的对接过程是在地面控制中心的科学家们的指挥下完成的，地面控制中心与“神舟”八号和“天宫”一号相距如此之远，他们是如何完成控制指令的传输的？

提示：借助于电磁波．

二、电磁振荡的产生

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迅速变化的电流．

(2)振荡电路：产生振荡电流的电路，最简单的振荡电路为LC振荡电路．

2．电磁振荡的过程

放电过程：由于线圈的自感作用，放电电流由零逐渐增大，电容器极板上的电荷逐渐减少，电容器里的电场逐渐减弱，线圈的磁场逐渐增强，电场能逐渐转化为磁场能，振荡电流逐渐增大，放电完毕，电流达到最大，电场能全部转化为磁场能．

充电过程：电容器放电完毕后，由于线圈的自感作用，电流保持原来的方向逐渐减小，电容器将进行反向充电，线圈的磁场逐渐减弱，电容器里的电场逐渐增强，磁场能逐渐转化为电场能，振荡电流逐渐减小，充电完毕，电流减小为零，磁场能全部转化为电场能．此后，这样充电和放电的过程反复进行下去．

3．电磁振荡的实质

在电磁振荡过程中，电容器极板上的电荷量，电路中的电流，与振荡电流相联系的电场和磁场都在周期性地变化，电场能和磁场能周期性地转化．

打开收音机的开关，转动选台旋钮，使收音机收不到电台的广播，然后开大音量．在收音机附近，将电池盒的两根引线反复碰撞(如图)，你会听到收音机中发出“喀喀”的响声．为什么会产生这种现象呢？打开电扇，将它靠近收音机，看看又会怎样．

提示：电磁波是由电磁振荡产生的，在收音机附近，将电池盒的两引线反复碰触，变化的电流产生变化的磁场，变化的磁场产生变化的电场，这样会形成电磁波，从而导致收音机中发出“喀喀”声，若将转动的电扇靠近收音机，因为电扇中电动机内通有交流电，发动机的运行同样会引起收音机发出“喀喀”声．

三、电磁振荡的周期和频率

1．电磁振荡的周期T：电磁振荡完成一次周期性变化需要的时间．

2．电磁振荡的频率f：1 s内完成周期性变化的次数．

3．LC电路的周期(频率)公式

周期、频率公式：T＝2πLC，f＝1/(2πLC)，其中：周期T、频率f、自感系数L、电容C的单位分别是秒(s)、赫兹(Hz)、亨利(H)、法拉(F)．

某LC振荡电路，线圈的自感系数可从0.1 mH变到4 mH，电容器的电容可从4 pF变到90 pF.该电路振荡的最高频率是多少？最低频率是多少？

答案：8.0×106 Hz 2.7×105 Hz

解析：由f＝1

2πLC 知，当L1＝0.1 mH，C1＝4 pF时，频率最高，即f max＝

1

2πL1C1

＝

1

2π0.1×10－3×4×10－12

＝8.0×106 Hz

当L2＝4 mH，C2＝90 pF时，频率最低，即f min＝

1

2πL2C2

＝

1

2π4×10－3×90×10－12

＝

2.7×105 Hz.

考点一麦克斯韦电磁场理论

1．麦克斯韦电磁场理论

(1)变化的磁场产生电场

如下图所示，麦克斯韦认为在变化的磁场周围产生电场，是一种普遍存在的现象，跟闭合电路(导体环)是否存在无关．导体环的作用只是用来显示电场的存在．

【方法指导】变化的磁场产生的电场，称为感应电场，也叫涡旋场，跟前面学过的静电场一样，处于电场中的电荷受力的作用，且F＝qE.但它们也有显著的区别，表现为：(1)静电场的电场线是非闭合曲线，而感应电场的电场线是闭合曲线；(2)静电场中有电势的概念，而感应电场中无电势的概念；(3)在同一静电场中，电荷运动一周(曲线闭合)，电场力做功一定为零，而在感应电场中，电荷沿闭合曲线运动一周，电场力做功不一定为零；(4)静电场的“源”起于电荷，而感应电场的“源”起于变化的磁场．

(2)变化的电场产生磁场

根据麦克斯韦理论，在给电容器充电的时候，不但导体中的电流要产生磁场，而且在电容器两极板间变化的电场周围也要产生磁场，如右图所示．

2．对电磁场理论的理解

变化的电场产生磁场变化的磁场产生电场

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磁场均匀变化的磁场在周围空间产生恒定的电场

不均匀变化的电场在周围空间产生变化的磁场不均匀变化的磁场在周围空间产生变化的电场

振荡电场产生同频率的振荡磁场振荡磁场产生同频率的振荡电场

麦克斯韦集电磁学研究成果之大成，不仅预言了电磁波的存在，而且揭示了电、磁、光现象在本质上的统一性，建立了完整的电磁场理论．麦克斯韦电磁场理论的意义足以与牛顿力学体系相媲美，它是物理学发展中一个划时代的里程碑．

【例1】关于电磁场理论，下列说法中正确的是()

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

【导思】 1.稳定的磁场能产生电场吗？

2．稳定的电场能产生磁场吗？

3．均匀变化的磁场产生什么样的电场？

4．均匀变化的电场产生什么样的磁场？

5．周期性变化的磁场产生什么样的电场？

6．周期性变化的电场产生什么样的磁场？

【解析】根据麦克斯韦电磁场理论，只有变化的电场才产生磁场，均匀变化的电场产生恒定的磁场，非均匀变化的电场产生变化的磁场．