第3講電磁振蕩與電磁波一、電磁振蕩1.振蕩電流:大小和方向都做周期性迅速變化的電流。2.振蕩電路:產(chǎn)生振蕩電流的電路。由電感線圈L和電容器C組成最簡單的振蕩電路,稱為LC振蕩電路。3.電磁振蕩中的能量變化(1)放電過程中電容器儲存的電場能逐漸轉(zhuǎn)化為線圈的磁場能。(2)充電過程中線圈中的磁場能逐漸轉(zhuǎn)化為電容器的電場能。(3)在電磁振蕩過程中,電場能和磁場能會發(fā)生周期性的轉(zhuǎn)化。4.電磁振蕩的周期和頻率(1)周期T=2πLC。(2)頻率f=12π二、電磁場與電磁波1.麥克斯韋電磁場理論2.電磁波(1)電磁場在空間由近及遠(yuǎn)地向周圍傳播,形成電磁波。(2)電磁波的傳播不需要介質(zhì),可在真空中傳播,在真空中不同頻率的電磁波傳播速度相同(都等于光速)。(3)不同頻率的電磁波,在同一介質(zhì)中傳播,其速度是不同的,頻率越高,波速越小。(4)v=λf,f是電磁波的頻率。3.電磁波的發(fā)射(1)發(fā)射條件:開放電路和高頻振蕩信號,所以要對傳輸信號進(jìn)行調(diào)制(調(diào)幅或調(diào)頻)。(2)調(diào)制方式。①調(diào)幅:使高頻電磁波的振幅隨信號的強(qiáng)弱而改變。②調(diào)頻:使高頻電磁波的頻率隨信號的強(qiáng)弱而改變。4.無線電波的接收(1)當(dāng)接收電路的固有頻率跟接收到無線電波的頻率相等時,激起的振蕩電流最強(qiáng),這就是電諧振現(xiàn)象。(2)使接收電路產(chǎn)生電諧振的過程叫作調(diào)諧,能夠調(diào)諧的接收電路叫作調(diào)諧電路。(3)從經(jīng)過調(diào)制的高頻振蕩信號中還原出調(diào)制信號的過程,叫作解調(diào)。解調(diào)是調(diào)制的逆過程。調(diào)幅波的解調(diào)也叫檢波。5.電磁波譜:按照電磁波的波長或頻率大小的順序把它們排列成譜叫作電磁波譜。按波長由長到短排列的電磁波譜為:無線電波、紅外線、可見光、紫外線、X射線、γ射線。[科技情境]在信息技術(shù)高速發(fā)展的今天,電磁波對我們來說越來越重要,廣播、電視要利用電磁波,無線電通信、雷達(dá)定位等要利用電磁波,航空、航天中的自動控制和通信聯(lián)系都要利用電磁波。1.正誤辨析(1)電磁波可在真空中傳播。(√)(2)只要有電場和磁場,就能產(chǎn)生電磁波。(×)(3)LC振蕩電路中,回路中的電流值最大時回路中的磁場能最大。(√)(4)振蕩電路的頻率越高,發(fā)射電磁波的本領(lǐng)越大。(√)(5)雷達(dá)是利用超聲波測定物體位置的。(×)2.(多選)關(guān)于電磁波,下列說法正確的是(ABC)A.電磁波在真空中的傳播速度與電磁波的頻率無關(guān)B.周期性變化的電場和磁場可以相互激發(fā),形成電磁波C.電磁波在真空中自由傳播時,其傳播方向與電場強(qiáng)度、磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向均垂直D.利用電磁波傳遞信號可以實現(xiàn)無線通信,但電磁波不能通過電纜、光纜傳輸解析:電磁波在真空中的傳播速度為3.0×108m/s,與電磁波的頻率無關(guān),A項正確;周期性變化的電場產(chǎn)生周期性變化的磁場,周期性變化的磁場又產(chǎn)生周期性變化的電場,它們相互激發(fā)向周圍傳播,就形成了電磁波,B項正確;電磁波是橫波,因此其電場強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向均與波的傳播方向垂直,C項正確;光是電磁波,利用光纖對光的全反射可以傳播信息,D項錯誤。3.電視機(jī)的室外天線能把電視信號接收下來,是因為(A)A.天線處于變化的電磁場中,天線中產(chǎn)生感應(yīng)電流,相當(dāng)于電源,通過饋線輸送給LC電路B.天線只處于變化的電場中,天線中產(chǎn)生感應(yīng)電流,相當(dāng)于電源,通過饋線輸送給LC電路C.天線只是有選擇地接收某電視臺信號,而其他電視臺信號則不接收D.天線將電磁波傳輸?shù)诫娨暀C(jī)內(nèi)解析:室外天線處于空間變化的電磁場中,天線中產(chǎn)生了感應(yīng)電流,此電流通過饋線輸送給LC電路,此電流中空間各電視臺信號激起的電流均存在,但只有頻率與調(diào)諧電路頻率相等的電信號對應(yīng)電流最強(qiáng),然后再通過解調(diào)處理輸入后面電路,故A正確,B、C、D均錯誤?？键c一電磁振蕩過程分析1.振蕩電流、極板帶電荷量隨時間的變化圖像2.LC振蕩電路充、放電過程的判斷方法根據(jù)電流流向判斷當(dāng)電流流向帶正電的極板時,電容器的電荷量增加,磁場能向電場能轉(zhuǎn)化,處于充電過程;反之,當(dāng)電流流出帶正電的極板時,電荷量減少,電場能向磁場能轉(zhuǎn)化,處于放電過程根據(jù)物理量的變化趨勢判斷當(dāng)電容器的帶電荷量q(電壓U、電場強(qiáng)度E)增大或電流i(磁感應(yīng)強(qiáng)度B)減小時,處于充電過程;反之,處于放電過程根據(jù)能量判斷電場能增加時充電,磁場能增加時放電[例1][對LC振蕩電路的理解](2022·北京海淀區(qū)模擬)LC振蕩電路中,某時刻磁場方向如圖所示,則下列說法不正確的是(C)A.若磁場正在減弱,則電容器上極板帶正電B.若電容器正在放電,則電容器上極板帶負(fù)電C.若電容器上極板帶正電,則自感電動勢正在減小D.若電容器正在充電,則自感電動勢正在阻礙電流減小解析:若磁場正在減弱,則電容器正在充電,由安培定則可得電容器上極板帶正電,故A不符合題意;若電容器正在放電,由安培定則可得電容器上極板帶負(fù)電,故B不符合題意;若電容器上極板帶正電,說明電容器在充電,電流減小越來越快,自感電動勢增大,故C符合題意;若電容器正在充電,由于線圈自感作用,阻礙電流的減小,故D不符合題意。[例2][電磁振蕩的振蕩周期問題](2023·浙江寧波模擬)自動體外除顫儀是一種便攜式的醫(yī)療設(shè)備,可以診斷特定的心律失常,并且給予電擊除顫,是可被非專業(yè)人員使用的用于搶救心臟驟?；颊叩尼t(yī)療設(shè)備。其結(jié)構(gòu)如圖所示,開關(guān)撥到1時,低壓直流經(jīng)高壓直流發(fā)生器后向儲能電容器C充電。除顫治療時,開關(guān)撥到2,將脈沖電流作用于心臟,使患者心臟恢復(fù)正常跳動。其他條件不變時,下列說法正確的是(D)A.脈沖電流作用于不同人體時,電流大小相同B.放電過程中,電流大小不變C.電容C越小,電容器的放電時間越長D.自感系數(shù)L越小,放電脈沖電流的放電時間越短解析:脈沖電流作用于不同人體時,不同人體的導(dǎo)電性能不同,故電流大小不同,A錯誤;電容器放電過程中,開始時電流較大,隨著帶電荷量的減少,放電電流逐漸減小,不是恒定的,B錯誤;振蕩電路的振蕩周期為T=2πLC,電容器在時間t0內(nèi)放電至兩極板間的電壓為0,即t0=T4=π[例3][電磁振蕩的圖像問題](2022·浙江紹興模擬)如圖所示是LC振蕩電路中能量E隨時間t變化的圖像,實線表示電場能隨時間變化的曲線,虛線表示磁場能隨時間變化的曲線,由圖像可知(C)A.該LC振蕩電路的周期大小為t2B.在t1時刻振蕩電路中的電流為0C.在t2到t3的過程中,電容器正在放電D.在t2和t4時刻,電容器極板帶電情況完全相同解析:在一個周期內(nèi)電場能和磁場能都兩次達(dá)到最大,可知該LC振蕩電路的周期大小為2t2,選項A錯誤;在t1時刻磁場能最大,則振蕩電路中的電流最大,選項B錯誤;在t2到t3的過程中,電場能減小,則電容器正在放電,選項C正確;在t2和t4時刻,電場能都是最大,電容器極板帶電荷量相等,但是極板極性相反,選項D錯誤?？键c二電磁場和電磁波電磁波譜1.對麥克斯韋電磁場理論的理解2.電磁波與機(jī)械波的比較項目電磁波機(jī)械波產(chǎn)生由周期性變化的電場、磁場產(chǎn)生由質(zhì)點(波源)的振動產(chǎn)生波的特點橫波縱波或橫波波速由介質(zhì)和電磁波頻率共同決定,在真空中等于光速c=3.0×108m/s由介質(zhì)決定(如聲波波速在空氣中一般為340m/s)是否需要介質(zhì)不需要介質(zhì)(在真空中仍可傳播)必須有介質(zhì)(真空中不能傳播)能量傳播電磁能機(jī)械能3.電磁波譜(1)電磁波譜分析及應(yīng)用。電磁波譜頻率/Hz真空中波長/m特性應(yīng)用遞變規(guī)律無線電波<3×1011>10-3波動性強(qiáng),易發(fā)生衍射無線電技術(shù)衍射能力減弱,直線傳播能力增強(qiáng)紅外線1011～101510-3～10-7熱效應(yīng)紅外遙感可見光101510-7引起視覺照明、攝影紫外線1015～101710-7～10-9化學(xué)效應(yīng)、熒光效應(yīng)、滅菌消毒醫(yī)用消毒、防偽X射線1016～101910-8～10-11貫穿本領(lǐng)強(qiáng)檢查、醫(yī)用透視γ射線>1019<10-11貫穿本領(lǐng)更強(qiáng)工業(yè)探傷、醫(yī)用治療(2)各種電磁波產(chǎn)生機(jī)理。無線電波振蕩電路中電子周期性運(yùn)動產(chǎn)生紅外線、可見光和紫外線原子的外層電子受激發(fā)后產(chǎn)生X射線原子的內(nèi)層電子受激發(fā)后產(chǎn)生γ射線原子核受激發(fā)后產(chǎn)生[例4][對麥克斯韋電磁場理論的理解]關(guān)于電磁場理論,下列說法正確的是(D)A.在電場周圍一定產(chǎn)生磁場,磁場周圍一定產(chǎn)生電場B.在變化的電場周圍一定產(chǎn)生變化的磁場,在變化的磁場周圍一定產(chǎn)生變化的電場C.均勻變化的電場周圍一定產(chǎn)生均勻變化的磁場D.周期性變化的電場周圍一定產(chǎn)生周期性變化的磁場解析:根據(jù)麥克斯韋電磁場理論,只有變化的電場才能產(chǎn)生磁場,均勻變化的電場產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場,非均勻變化的電場才能產(chǎn)生變化的磁場,周期性變化的電場周圍一定產(chǎn)生周期性變化的磁場,故D正確。[例5][電磁波的產(chǎn)生]某電路中電場強(qiáng)度隨時間變化的關(guān)系圖像如圖所示,能發(fā)射電磁波的是(D)解析:由麥克斯韋電磁場理論知,當(dāng)空間出現(xiàn)恒定的電場時(如題圖A),由于它不激發(fā)磁場,故無電磁波產(chǎn)生;當(dāng)出現(xiàn)均勻變化的電場時(如題圖B、C),會激發(fā)出磁場,但磁場恒定,不會在較遠(yuǎn)處激發(fā)出電場,故也不會產(chǎn)生電磁波;只有周期性變化的電場(如題圖D),才會激發(fā)出周期性變化的磁場,它又激發(fā)出周期性變化的電場……如此交替產(chǎn)生磁場和電場,便會形成電磁波,故D正確。[例6][電磁波與機(jī)械波的比較](2022·天津和平區(qū)一模)2022年3月8日,航天員王亞平從空間站送來的“國際婦女節(jié)”節(jié)日祝福通過電磁波傳播到祖國各地。下列關(guān)于電磁波和機(jī)械波的說法正確的是(C)A.可見光不屬于電磁波B.電磁波和機(jī)械波在介質(zhì)中的傳播速度都由介質(zhì)決定,與頻率無關(guān)C.機(jī)械波可能是縱波,而電磁波一定是橫波D.機(jī)械波和電磁波本質(zhì)上是一致的解析:可見光屬于電磁波,故A錯誤;機(jī)械波在介質(zhì)中的傳播速度僅由介質(zhì)決定,但電磁波在介質(zhì)中的傳播速度由介質(zhì)和頻率共同決定,故B錯誤;機(jī)械波有橫波,也有縱波,而電磁波一定是橫波,故C正確;機(jī)械波由機(jī)械振動產(chǎn)生,電磁波由周期性變化的電場(或磁場)產(chǎn)生,兩者本質(zhì)不一樣,故D錯誤。[例7][電磁波譜的分析及應(yīng)用](2022·山東青島一模)2016年在貴州建成了500米口徑的球面射電望遠(yuǎn)鏡——“中國天眼”,這是世界上單口徑最大、靈敏度最高的射電望遠(yuǎn)鏡,它對電磁波的各個波段都具有良好的接收能力。下列關(guān)于電磁波的說法正確的是(C)A.頻率越高的電磁波越容易發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象B.頻率越高的電磁波在真空中的傳播速度越大C.在水中紫外線的傳播速度小于紅外線的傳播速度D.紅外線的顯著作用是熱效應(yīng),溫度較低的物體不能輻射紅外線解析:頻率越高的電磁波,波長越短,越不容易發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象,故A錯誤;電磁波在真空中的傳播速度都一樣,故B錯誤;紫外線的頻率比紅外線的頻率大,在水中折射率較大,根據(jù)v=cn1.(2022·廣東廣州模擬)北京時間2022年5月12日晚9點,事件視界望遠(yuǎn)鏡(EHT)合作組織正式發(fā)布了銀河系中心黑洞人馬座A·(SgrA·)的首張照片,如圖所示。該照片利用了射電望遠(yuǎn)鏡對電磁波的捕捉。下列關(guān)于波的說法正確的是(A)A.周期性變化的電場和磁場可以相互激發(fā),形成電磁波B.電磁波是縱波,不能發(fā)生偏振現(xiàn)象C.電磁波和機(jī)械波都依賴于介質(zhì)才能傳播D.電磁波在任何介質(zhì)中傳播的速度都相等解析:周期性變化的電場和磁場可以相互激發(fā),形成電磁波,故A正確;電磁波是橫波,可以發(fā)生偏振現(xiàn)象,故B錯誤;電磁波的傳播不依賴于介質(zhì),故C錯誤;電磁波在不同介質(zhì)中傳播的速度不相等,故D錯誤。2.(2022·天津南開區(qū)模擬)紅外測溫槍在疫情防控過程中發(fā)揮了重要作用。紅外測溫槍與傳統(tǒng)的熱傳導(dǎo)測溫儀器相比,具有響應(yīng)時間短、測溫效率高、操作方便、防交叉感染(不用接觸被測物體)的特點。下列關(guān)于紅外測溫槍的說法中正確的是(C)A.紅外測溫槍的工作原理是利用電磁波的反射制成的B.紅外測溫槍能接收到的是身體的熱量,通過熱傳導(dǎo)到達(dá)紅外測溫槍進(jìn)而顯示出體溫C.紅外測溫槍利用了物體輻射紅外線強(qiáng)度與溫度有關(guān)的規(guī)律D.紅外線屬于電磁波,其波長小于紫外線的波長解析:一切物體均在輻射紅外線,溫度不同的人體輻射的紅外線強(qiáng)弱不同,紅外測溫槍接收到人體輻射出的紅外線,通過波長、強(qiáng)度與溫度的關(guān)系,就可以得到人體的溫度,這就是紅外測溫槍的工作原理,A、B錯誤,C正確;紅外線屬于電磁波,根據(jù)電磁波譜的排列順序可知,紅外線的波長大于紫外線的波長,D錯誤。3.在LC振蕩電路中,電容器上的帶電荷量從最大值變化到零所需的最短時間是(B)A.π4LC B.π2LC解析:LC振蕩電路的周期T=2πLC,其電容器上的帶電荷量從最大值變化到零的最短時間t=T4,故t=π4.(2022·廣東東莞模擬)(多選)無線話筒是LC振蕩電路的一個典型應(yīng)用。在LC振蕩電路中,某時刻磁場方向如圖所示,且電容器上極板帶正電,下列說法正確的是(BCD)A.電容器正在放電B.振蕩電流正在減小C.電路中電流沿順時針方向D.磁場能正在向電場能轉(zhuǎn)化解析:根據(jù)安培定則,可知回路中電流為順時針方向,電容器上極板帶正電,下極板帶負(fù)電,故電容器正在充電,電流減小,磁場減弱,電場增強(qiáng),磁場能正在向電場能轉(zhuǎn)化。故選B、C、D。5.(2022·山東泰安模擬)關(guān)于電磁波譜,下列說法正確的是(D)A.紅外體溫計的工作原理是人的體溫越高,輻射的紅外線越強(qiáng),有時物體溫度較低,不輻射紅外線,導(dǎo)致無法使用B.紫外線的頻率比可見光低,醫(yī)學(xué)中常用于殺菌消毒,長時間照射人體可能損害健康C.X射線、γ射線頻率較高,波動性較強(qiáng),粒子性較弱,較難發(fā)生光電效應(yīng)D.手機(jī)通信使用的是無線電波,其波長較長,更容易觀察到衍射現(xiàn)象解析:有溫度的物體都會輻射紅外線,A錯誤;紫外線的頻率比可見光高,醫(yī)學(xué)中常用于殺菌消毒,長時間照射人體可能損害健康,B錯誤;X射線、γ射線頻率較高,波動性較弱,粒子性較強(qiáng),較易發(fā)生光電效應(yīng),C錯誤;手機(jī)通信使用的是無線電波,其波長較長,更容易觀察到衍射現(xiàn)象,D正確。6.(2022·廣東廣州模擬)使用藍(lán)牙耳機(jī)接聽手機(jī)來電,信號傳輸示意圖如圖所示。藍(lán)牙通信的電磁波(B)A.是藍(lán)光B.波長比手機(jī)通信的電磁波短C.在真空中的傳播速度大小為340m/sD.在真空中的傳播速度比手機(jī)通信的電磁波速度小解析:藍(lán)牙通信用的電磁波不在可見光頻率范圍內(nèi),A錯誤;藍(lán)牙通信比手機(jī)通信的電磁波頻率高,波長短,B正確;電磁波在真空中的傳播速度約為3×108m/s,C錯誤;藍(lán)牙通信和手機(jī)通信使用的都是電磁波,在真空中傳播速度相同,D錯誤。7.(2022·北京房山區(qū)二模)如圖所示為LC振蕩電路中電容器的極板帶電荷量q隨時間t的變化曲線,則下列判斷正確的是(C)A.在b和d時刻,電路中電流為零B.在O～a時間內(nèi),電場能轉(zhuǎn)變?yōu)榇艌瞿蹸.在a和c時刻,電路里的能量全部儲存在電容器的電場中D.在O～a和c～d時間內(nèi),電容器被充電解析:在b和d時刻,q為0,但q隨t的變化率最大,電流最大,不為零,故A錯誤;在O～a時間內(nèi),q從0逐漸增大至最大值,而電流從最大值減小至0,電容器充電,磁場能轉(zhuǎn)變?yōu)殡妶瞿?故B錯誤;在a和c時刻,電容器均完成充電過程,電路里的能量全部儲存在電容器的電場中,故C正確;在O～a時間內(nèi),電容器充電,在c～d時間內(nèi),電容器放電,故D錯誤。8.某居住地A位于某山脈的一邊,山脈的另一邊P處建有一無線電波發(fā)射站,如圖所示。該發(fā)射站可發(fā)送頻率為400kHz的中波和頻率為400MHz的微波,已知無線電波在空氣中的傳播速度都為3×108m/s。(1)求該中波和微波的波長;(2)發(fā)射站發(fā)出的電磁波是經(jīng)過干涉還是衍射后到達(dá)居住地A處的?哪種波到達(dá)A處的效果好些?為什么?解析:(1)由λ=cf中波波長λ1=cf1=微波波長λ2=cf2=(2)無線電波繞過山脈到達(dá)A處,發(fā)生了衍射現(xiàn)象。頻率為400kHz的中波接收效果更好,因為它的波長較長,衍射現(xiàn)象更明顯。答案:見解析9.(2023·廣東佛山模擬)(多選)關(guān)于如下現(xiàn)象的表述正確的是(AC)A.甲圖中是利用紫外線進(jìn)行防偽B.乙圖中利用β射線照射人體進(jìn)行透視C.丙圖中夜視系統(tǒng)是利用紅外線D.丁圖中蝙蝠和雷達(dá)均利用超聲波定位解析:紫外線具有熒光效應(yīng),則題圖甲中是利用紫外線進(jìn)行防偽,選項A正確;題圖乙中利用穿透力較強(qiáng)的X射線照射人體,不是利用β射線,選項B錯誤;題圖丙中夜視系統(tǒng)是利用不可見光中的紅外線,選項C正確;題圖丁中蝙蝠是利用超聲波定位,雷達(dá)是用電磁波定位,選項D錯誤。10.(多選)在電磁波發(fā)射技術(shù)中,使電磁波隨各種信號而改變的技術(shù)叫調(diào)制,調(diào)制分調(diào)幅和調(diào)頻兩種。如圖甲所示有A、B兩幅圖,在收音機(jī)電路中天線接收下來的電信號既有高頻成分又有低頻成分,經(jīng)放大后送到下一級,需要把高頻成分和低頻成分分開,只讓低頻成分輸入下一級,如果采用如圖乙所示的電路,圖中虛線框a和b內(nèi)只用一個電容器或電感器。下列關(guān)于電磁波的發(fā)射和接收的說法正確的是(AC)A.在電磁波的發(fā)射技術(shù)中,圖甲中A是調(diào)幅波B.在電磁波的發(fā)射技術(shù)中,圖甲中B是調(diào)幅波C.圖乙中a是電容器,用來通高頻,阻低頻,b是電感器,用來阻高頻,通低頻D.圖乙中a是電感器,用來阻交流,通直流,b是電容器,用來通高頻,阻低頻解析:調(diào)幅,即通過改變電磁波的振幅來實現(xiàn)信號加載,故題圖甲中A為調(diào)幅波,B為調(diào)頻波,選項A正確,B錯誤;根據(jù)交流電路中電容器的通高頻阻低頻和電感線圈的通低頻阻高頻作用可知,元件a要讓高頻信號通過,阻止低頻信號通過,故元件a是電容較小的電容器,元件b要讓低頻信號通過,阻止高頻信號通過,故元件b是高頻扼流圈,故C正確,D錯誤。11.(2022·浙江寧波模擬)如圖所示,電源電動勢為3V,單刀雙擲開關(guān)S先置于a端使電路穩(wěn)定。在t=0時刻開關(guān)S置于b端,若經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn),t=0.02s時刻,自感線圈兩端的電勢差第一次為1.5V。如果