第1節(jié)電磁波的產(chǎn)生1.了解電磁振蕩的概念，知道什么是振蕩電流和LC振蕩電路，理解振蕩電流產(chǎn)生的過程和能量轉(zhuǎn)化情況．(重點(diǎn)＋難點(diǎn))2．知道什么是電磁振蕩的周期和頻率，知道LC電路的周期和頻率公式．(重點(diǎn))3.理解麥克斯韋電磁場(chǎng)理論的兩個(gè)要點(diǎn)，了解電磁場(chǎng)與電磁波的聯(lián)系和區(qū)別以及電磁波的特點(diǎn)．(重點(diǎn))4.了解赫茲實(shí)驗(yàn)的原理及意義．一、電磁振蕩1．振蕩電流：大小和方向都周期性變化的電流．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所組成的電路就是一種基本的振蕩電路，叫做LC振蕩電路．3．電磁振蕩的過程分析(1)放電過程：由于線圈的自感作用，放電電流由零逐漸增大，電容器極板上的電荷逐漸減少，電容器里的電場(chǎng)逐漸減弱，線圈的磁場(chǎng)逐漸增強(qiáng)，電場(chǎng)能逐漸轉(zhuǎn)化為磁場(chǎng)能，振蕩電流逐漸增大，放電完畢，電流達(dá)到最大，電場(chǎng)能全部轉(zhuǎn)化為磁場(chǎng)能．(2)充電過程：電容器放電完畢后，由于線圈的自感作用，電流保持原方向逐漸減小，電容器將進(jìn)行反向充電，線圈的磁場(chǎng)逐漸減弱，電容器里的電場(chǎng)逐漸增強(qiáng)，磁場(chǎng)能逐漸轉(zhuǎn)化為電場(chǎng)能，振蕩電流逐漸減小，充電完畢，電流減小為零，磁場(chǎng)能全部轉(zhuǎn)化為電場(chǎng)能．此后，這樣充電和放電的過程反復(fù)進(jìn)行下去．4．電磁振蕩在LC振蕩電路中，電容器極板上的電荷量，電路中的電流，與振蕩電流相聯(lián)系的電場(chǎng)和磁場(chǎng)也周期性交替變化，電場(chǎng)能和磁場(chǎng)能相互轉(zhuǎn)化．5．電磁振蕩的周期和頻率(1)一次全振蕩：發(fā)生電磁振蕩時(shí)，通過電路中某一點(diǎn)的電流，由某方向的最大值再恢復(fù)到同一個(gè)方向的最大值，就完成了一次全振蕩．(2)電磁振蕩的周期T：完成一次全振蕩的時(shí)間．(3)電磁振蕩的頻率f：在1s內(nèi)完成全振蕩的次數(shù)．6．LC電路的周期和頻率(1)公式：T＝2πeq\r(LC)，f＝eq\f(1,2π\(zhòng)r(LC))．(2)單位：周期T、頻率f、自感系數(shù)L、電容C的單位分別是秒s、赫茲Hz、亨利H、法拉F.1．(1)在LC振蕩電路中，回路中電流值最大時(shí)刻，回路中磁場(chǎng)能最大．()(2)在LC振蕩電路中，電容器放電完畢時(shí)刻，回路中磁場(chǎng)能最?。?)(3)振蕩電流的大小和方向均不斷變化．()(4)電磁振蕩的固有周期與電流的變化有關(guān)．()提示：(1)√(2)×(3)√(4)×二、麥克斯韋的預(yù)言與赫茲的實(shí)驗(yàn)1．麥克斯韋電磁場(chǎng)理論(1)變化的磁場(chǎng)周圍產(chǎn)生電場(chǎng)麥克斯韋提出，在變化的磁場(chǎng)周圍會(huì)激發(fā)出一種電場(chǎng)——渦旋電場(chǎng)，不管有無閉合電路，變化的磁場(chǎng)激發(fā)的渦旋電場(chǎng)總是存在的，如圖所示．(2)變化的電場(chǎng)周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)麥克斯韋從場(chǎng)的觀點(diǎn)得出，即使沒有電流存在，只要空間某處的電場(chǎng)發(fā)生變化，就會(huì)在其周圍產(chǎn)生渦旋磁場(chǎng)．如圖所示．(3)變化的電場(chǎng)和磁場(chǎng)是相互聯(lián)系的，形成一個(gè)不可分離的統(tǒng)一場(chǎng)，這就是電磁場(chǎng)．2．電磁波(1)電磁波的產(chǎn)生變化的電場(chǎng)周圍產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，變化的磁場(chǎng)周圍產(chǎn)生變化的電場(chǎng)，變化的電場(chǎng)和變化的磁場(chǎng)相互聯(lián)系在一起，就會(huì)在空間形成一個(gè)統(tǒng)一的、不可分割的電磁場(chǎng)．這種在空間交替變化并傳播出去的電磁場(chǎng)就形成了電磁波．(2)電磁波的特點(diǎn)①電磁波是橫波，電磁波在空間傳播不需要介質(zhì)．②電磁波的波長(zhǎng)、頻率、波速的關(guān)系：v＝λf，在真空中，電磁波的速度c＝3.0×108m/s.(3)電磁波能產(chǎn)生反射、折射、干涉和衍射等現(xiàn)象．3．赫茲實(shí)驗(yàn)(1)赫茲實(shí)驗(yàn)裝置(如圖所示)．(2)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：當(dāng)感應(yīng)圈兩個(gè)金屬球間有火花跳過時(shí)，導(dǎo)線環(huán)兩個(gè)小球間也跳過火花．(3)現(xiàn)象分析：當(dāng)感應(yīng)圈使得與它相連的兩個(gè)金屬球間產(chǎn)生電火花時(shí)，空間出現(xiàn)了迅速變化的電磁場(chǎng)．這種電磁場(chǎng)以電磁波的形式在空間傳播．當(dāng)電磁波到達(dá)導(dǎo)線環(huán)時(shí)，它在導(dǎo)線環(huán)中激發(fā)出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，使得導(dǎo)線環(huán)的空隙中也產(chǎn)生了火花．4．實(shí)驗(yàn)結(jié)論：赫茲證實(shí)了電磁波的存在．2．(1)電磁波是橫波．()(2)麥克斯韋預(yù)言了電磁波的存在，赫茲用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了電磁波的存在．()(3)變化的電場(chǎng)產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生變化的電場(chǎng)．()提示：(1)√(2)√(3)×電磁振蕩中各物理量的對(duì)應(yīng)變化1．用圖象對(duì)應(yīng)分析i、q如圖2．振蕩過程中相關(guān)物理量的對(duì)應(yīng)關(guān)系時(shí)刻(時(shí)間)工作過程qEiB能量0放電瞬間qmEm00E電最大E磁最小0→eq\f(T,4)放電過程qm→0Em→00→im0→BmE電→E磁eq\f(T,4)放電結(jié)束00imBmE電最小E磁最大eq\f(T,4)→eq\f(T,2)充電過程0→qm0→Emim→0Bm→0E磁→E電eq\f(T,2)充電結(jié)束qmEm00E電最大E磁最小eq\f(T,2)→eq\f(3T,4)放電過程qm→0Em→00→im0→BmE電→E磁eq\f(3T,4)放電結(jié)束00imBmE電最小E磁最大eq\f(3T,4)→T充電過程0→qm0→Emim→0Bm→0E磁→E電T充電結(jié)束qmEm00E電最大E磁最小3.幾個(gè)關(guān)系(1)同步同變關(guān)系在LC振蕩回路發(fā)生電磁振蕩的過程中，電容器上的物理量：電荷量q、板間電壓U、電場(chǎng)強(qiáng)度E、電場(chǎng)能E電是同時(shí)同向變化的，即：q↓→U↓→E↓→E電↓(或q↑→U↑→E↑→E電↑)振蕩線圈上的物理量：振蕩電流i、磁感應(yīng)強(qiáng)度B、磁場(chǎng)能E磁也是同步同向變化的，即：i↓→B↓→E磁↓(或i↑→B↑→E磁↑)．(2)同步異變關(guān)系在LC振蕩過程中，電容器上的三個(gè)物理量q、E、E電與線圈中的三個(gè)物理量i、B、E磁是同步異向變化的，即q、E、E電同時(shí)減小時(shí)，i、B、E磁同時(shí)增大，且它們的變化是同步的，即：q、E、E電↑eq\o(→,\s\up7(同步異向變化))i、B、E磁↓.在振蕩電路中，電容器極板上的電荷量與電壓、電路中的電流，都是按正弦(或余弦)規(guī)律變化的，它們相對(duì)時(shí)間的變化是不均勻的——在最大值處變化率最小，在零值處變化率最大．(多選)如圖表示LC振蕩電路某時(shí)刻的情況，以下說法正確的是()A．電容器正在充電B．電容器兩極板間的電壓正在增大C．電感線圈中的電流正在增大D．此時(shí)刻自感電動(dòng)勢(shì)正在阻礙電流減增大eq\a\vs4\al([思路點(diǎn)撥]\x(電流的磁場(chǎng)方向)→電流方向)→eq\x(判斷電容器充、放電)→eq\x(判斷電流增大或減小)[解析]由電流的磁場(chǎng)方向可判斷線圈中電流從上往下看是逆時(shí)針方向，又電容器上極板帶正電，可知電容器在放電，兩極板間電壓減小，電路中的電流在增大，此時(shí)刻自感電動(dòng)勢(shì)阻礙電流增大，故A、B錯(cuò)誤，C、D正確．[答案]CD1.如圖是一個(gè)LC振蕩電路中的電流變化圖線，根據(jù)圖線可判斷()A．t1時(shí)刻電感線圈兩端電壓最大B．t2時(shí)刻電容器兩極板間電壓為零C．t1時(shí)刻電路中只有電場(chǎng)能D．t1時(shí)刻電容器帶電荷量為零解析：選D.由圖象知，計(jì)時(shí)開始時(shí)，電容器兩極板間帶電荷量最大，電流為零，電容器開始放電，根據(jù)電流隨時(shí)間的變化規(guī)律可以在圖中畫出q－t圖象(在解析圖中用虛線表示)．根據(jù)圖象分析可知：t1時(shí)刻，電容器上電荷量為零，電勢(shì)差為零，電場(chǎng)能為零，故D對(duì)，A、C皆錯(cuò)．t2時(shí)刻電容器上電荷量q最大，兩板間電勢(shì)差最大，B錯(cuò)．故選D.LC振蕩電路的周期1．影響電磁振蕩的周期和頻率的因素由電磁振蕩的周期公式T＝2πeq\r(LC)知，要改變電磁振蕩的周期和頻率，必須改變線圈的自感系數(shù)L或者電容器的電容C.影響線圈自感系數(shù)L的是：線圈的匝數(shù)、有無鐵芯及線圈截面積和長(zhǎng)度．線圈的匝數(shù)越多，自感系數(shù)L越大，有鐵芯的自感系數(shù)比無鐵芯的大．影響電容器電容的是：兩極板正對(duì)面積S、兩極板間介質(zhì)的介電常數(shù)ε以及兩極板間距d，由C＝eq\f(εS,4πkd)(平行板電容器的電容)，不難判斷ε、S、d變化時(shí)，電容C的變化情況．一般來講，由于電容器兩極板間的正對(duì)面積的改變較為方便，只需將可變電容器的動(dòng)片旋出或旋入，便可改變電容C的大小，所以通常用改變電容器正對(duì)面積的方法來改變LC振蕩電路的周期和頻率．2．LC回路中各物理量的周期(1)電感線圈L和電容器C在LC振蕩電路中既是能量的轉(zhuǎn)換器，又決定著這種轉(zhuǎn)換的快慢，L或C越大，能量轉(zhuǎn)換時(shí)間也越長(zhǎng)，故周期也越長(zhǎng)．(2)回路中的電流i、線圈中的磁感應(yīng)強(qiáng)度B、電容器極板間的電場(chǎng)強(qiáng)度E的變化周期就是LC振蕩電路的振蕩周期T＝2πeq\r(LC).在一個(gè)周期內(nèi)，上述各量方向改變兩次；電容器極板上所帶的電荷量，其變化周期也是振蕩周期T＝2πeq\r(LC)，極板上電荷的電性在一個(gè)周期內(nèi)改變兩次；電場(chǎng)能、磁場(chǎng)能也在做周期性變化，但是它們的變化周期是振蕩周期的一半，即T′＝eq\f(T,2)＝πeq\r(LC).如圖所示的振蕩電路中，自感系數(shù)L＝300μH，電容C的范圍為25～270pF，求：(1)振蕩電流的頻率范圍；(2)若自感系數(shù)L＝10mH，要產(chǎn)生周期T＝0.02s的振蕩電流，應(yīng)配置多大的電容？[思路點(diǎn)撥]求解本題時(shí)應(yīng)注意，電容最小時(shí)對(duì)應(yīng)的振蕩電流的頻率最大，電容最大時(shí)振蕩電流的頻率最?。甗解析](1)由f＝eq\f(1,2π\(zhòng)r(LC))得：fmax＝eq\f(1,2π×\r(300×10－6×25×10－12))Hz＝1.8×106Hzfmin＝eq\f(1,2π×\r(300×10－6×270×10－12))Hz＝0.56×106Hz所以頻率范圍為0.56×106～1.8×106Hz.(2)由T＝2πeq\r(LC)得：C＝eq\f(T2,4π2L)＝eq\f(0.022,4π2×10×10－3)F＝10－3F.[答案](1)0.56×106～1.8×106Hz(2)10－3F2.如圖所示電容器的電容都是C＝4×10－6F，電感都是L＝9×10－4H，圖甲中開關(guān)S先接a，充電結(jié)束后將S扳到b；圖乙中開關(guān)S先閉合，穩(wěn)定后斷開．兩圖中LC回路在電磁振蕩t＝3.14×10－4s時(shí)刻，C1的上極板正在________電(選填“充”或“放”)，帶________電(選填“正”或“負(fù)”)；L2中的電流方向向________(選填“左”或“右”)，磁場(chǎng)能正在________(選填“增大”或“減小”)．解析：先由周期公式求出T＝2πeq\r(LC)＝1.2π×10－4s，t＝3.14×10－4s時(shí)刻是開始振蕩后的eq\f(5,6)T，再看圖甲電路對(duì)應(yīng)的q－t圖象(以上極板帶正電為正)和圖乙電路對(duì)應(yīng)的i－t圖象(以LC電路中電流逆時(shí)針方向?yàn)檎?，圖象都為余弦函數(shù)圖象，如圖所示．在eq\f(5,6)T時(shí)刻，從圖甲電路對(duì)應(yīng)的q－t圖象看出，上極板正在充電；從圖乙電路對(duì)應(yīng)的i－t圖象看出，L2中的電流向左，正在增大，所以磁場(chǎng)能正在增大．答案：充正左增大對(duì)麥克斯韋電磁場(chǎng)理論的理解1．變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)如圖所示，當(dāng)穿過螺線管的磁場(chǎng)隨時(shí)間變化時(shí)，上面線圈中串聯(lián)的燈泡發(fā)光，說明線圈中產(chǎn)生了感應(yīng)電流．麥克斯韋認(rèn)為，線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流的原因是變化的磁場(chǎng)在線圈中產(chǎn)生了電場(chǎng)．線圈中的自由電荷在電場(chǎng)力作用下做定向移動(dòng)從而形成電流．在變化的磁場(chǎng)周圍產(chǎn)生電場(chǎng)，是一種普遍存在的現(xiàn)象，而場(chǎng)本身是一種看不見摸不著的物質(zhì)，跟閉合電路(導(dǎo)體環(huán))是否存在無關(guān)，導(dǎo)體環(huán)的作用是顯示電流的存在．2．變化的電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)在給電容器充電的時(shí)候，不僅導(dǎo)體中的電流產(chǎn)生磁場(chǎng)，而且，在電容器極板間變化的電場(chǎng)周圍也要產(chǎn)生磁場(chǎng)．靜止的電荷產(chǎn)生靜電場(chǎng)，那么運(yùn)動(dòng)的電荷周圍的電場(chǎng)應(yīng)該是變化的．電流是電荷定向移動(dòng)形成的，說明導(dǎo)體中存在變化的電場(chǎng)，電流周圍的磁場(chǎng)一定是這個(gè)變化的電場(chǎng)產(chǎn)生的，即變化的電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)．3．麥克斯韋理論的概括eq\a\vs4\al(變化的磁場(chǎng),產(chǎn)生電場(chǎng))eq\b\lc\{(\a\vs4\al\co1(（1）恒定的磁場(chǎng)不產(chǎn)生電場(chǎng)；,（2）均勻變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生恒定的電場(chǎng)；,（3）振蕩的磁場(chǎng)產(chǎn)生同周期振蕩的電場(chǎng).))eq\a\vs4\al(變化的電場(chǎng),產(chǎn)生磁場(chǎng))eq\b\lc\{(\a\vs4\al\co1(（1）恒定的電場(chǎng)不產(chǎn)生磁場(chǎng)；,（2）均勻變化的電場(chǎng)產(chǎn)生恒定的磁場(chǎng)；,（3）振蕩的電場(chǎng)產(chǎn)生同周期振蕩的磁場(chǎng).))關(guān)于電磁場(chǎng)的理論，下列說法正確的是()A．在電場(chǎng)周圍一定產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)周圍一定產(chǎn)生電場(chǎng)B．在變化的電場(chǎng)周圍一定產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，變化的磁場(chǎng)周圍一定產(chǎn)生變化的電場(chǎng)C．均勻變化的電場(chǎng)周圍一定產(chǎn)生均勻變化的磁場(chǎng)D．周期性變化的電場(chǎng)周圍一定產(chǎn)生周期性變化的磁場(chǎng)[思路點(diǎn)撥]深刻理解麥克斯韋電磁場(chǎng)理論中“變化”的含義．[解析]根據(jù)麥克斯韋的電磁場(chǎng)理論，只有變化的電場(chǎng)才產(chǎn)生磁場(chǎng)，故A選項(xiàng)錯(cuò)誤，均勻變化的電場(chǎng)產(chǎn)生恒定的磁場(chǎng)，非均勻變化的電場(chǎng)產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)．故B、C錯(cuò)，D正確．故選D.[答案]D麥克斯韋電磁場(chǎng)理論依據(jù)是電磁感應(yīng)．理解時(shí)要注意靜電場(chǎng)(或靜磁場(chǎng))不產(chǎn)生磁場(chǎng)(或電場(chǎng))，其核心在“變化”，要根據(jù)電場(chǎng)(或磁場(chǎng))的變化情況來確定所產(chǎn)生的磁場(chǎng)(或電場(chǎng)).3.關(guān)于電磁場(chǎng)和電磁波，下列說法正確的是()A．電磁波有橫波，也有縱波B．電磁波不可能在墻體內(nèi)傳播C．發(fā)射電路的電磁振蕩停止，則傳播出去的電磁波立即消失D．電磁波中電場(chǎng)和磁場(chǎng)的方向處處垂直解析：選D.電磁波中，電場(chǎng)強(qiáng)度與磁感應(yīng)強(qiáng)度均與傳播方向相互垂直，電磁波是橫波，沒有縱波，A錯(cuò)誤，D正確；電磁波在真空和介質(zhì)中均能傳播，B錯(cuò)誤；發(fā)射電路的電磁振蕩停止時(shí)，雖不再發(fā)射電磁波，但已發(fā)射出去的電磁波還要繼續(xù)傳播，C錯(cuò)誤．典型問題——電磁波和機(jī)械波的比較1．電磁波和機(jī)械波的共同點(diǎn)(1)二者都能產(chǎn)生干涉和衍射．(2)二者在不同介質(zhì)中傳播時(shí)頻率不變．(3)二者都滿足波的公式v＝eq\f(λ,T)＝λf.2．電磁波和機(jī)械波的區(qū)別(1)二者本質(zhì)不同：電磁波是電磁場(chǎng)的傳播，機(jī)械波是質(zhì)點(diǎn)機(jī)械振動(dòng)的傳播．(2)傳播機(jī)理不同：電磁波的傳播機(jī)理是電磁場(chǎng)交替感應(yīng)，機(jī)械波的傳播機(jī)理是質(zhì)點(diǎn)間的機(jī)械作用．(3)電磁波傳播不需要介質(zhì)，而機(jī)械波傳播需要介質(zhì)．(4)電磁波是橫波，機(jī)械波既有橫波又有縱波，甚至有的機(jī)械波同時(shí)有橫波和縱波，例如地震波．類比是一種有效的學(xué)習(xí)方法，通過歸類和比較，有助于掌握新知識(shí)，提高學(xué)習(xí)效率．在類比過程中，既要找出共同之處，又要抓住不同之處．某同學(xué)對(duì)