第4章電磁振蕩與電磁波主題1理解電磁振蕩的三個(gè)“兩”1．兩類物理量一類是與電場有關(guān)的物理量，一類是與磁場有關(guān)的物理量。(1)電流i，它決定了磁場能的大小。振蕩電流i在電感線圈中形成磁場，因此，線圈中的磁感應(yīng)強(qiáng)度B、磁通量Φ和磁場能E磁具有與之相同的變化規(guī)律。(2)電量q，它決定了電場能的大小。電容器兩極板間的電壓U、場強(qiáng)E、電場能E電、線圈的自感電動勢E的變化規(guī)律與q的相同。注意：電流i和電量q的變化不同步，規(guī)律如圖所示。2．兩個(gè)過程(1)充電：當(dāng)電容器的電量增加時(shí)為充電過程，這個(gè)過程中電路的電流減小。(2)放電：當(dāng)電容器的電量減小時(shí)為放電過程，這個(gè)過程中電路的電流增加。注意：在任意兩個(gè)過程的分界點(diǎn)對應(yīng)的時(shí)刻，各物理量取特殊值(零或最大值)。3．兩類初始條件圖甲和圖乙所示電路，表示了電磁振蕩的兩類不同初始條件。(1)圖甲中開關(guān)S從1合向2時(shí)，振蕩的初條件為電容器開始放電。(2)圖乙中開關(guān)S從1合向2時(shí)，振蕩的初始條件為電容器開始充電。學(xué)習(xí)中應(yīng)注意區(qū)分這兩類初始條件，否則會得出相反的結(jié)論?！镜淅?】(多選)如圖所示，甲為LC振蕩電路，通過P點(diǎn)的電流如圖乙所示，規(guī)定逆時(shí)針方向?yàn)檎较颍铝姓f法正確的是()A．0至t1，電容器正在充電，上極板帶正電B．t1到t2，電容器正在放電，上極板帶負(fù)電C．在t3時(shí)刻，線圈中的自感電動勢最大，且P為正極D．在t4時(shí)刻，線圈中的自感電動勢最大，且P為正極BC[0到t1，電流為正，且在減小，即電流為逆時(shí)針方向減小，說明電容器正在充電，電流方向?yàn)檎姾傻倪\(yùn)動方向，所以上極板帶負(fù)電荷；t1到t2，電流為負(fù)且在增大，即電流為順時(shí)針方向增大，說明電容器在放電，上極板帶負(fù)電荷；在t3時(shí)刻，電流的變化率ΔiΔt最大，所以自感電動勢E＝LΔiΔt最大，t2～t3的電流為負(fù)且減小，即順時(shí)針減小，線圈中的感應(yīng)電動勢阻礙電流的減小，電容器充電，因此上極板帶正電，即P點(diǎn)為正極；在t4時(shí)刻，電流最大，電流的變化率為零，自感電動勢為零。故緊抓住能量轉(zhuǎn)化這條線，理解電磁振蕩過程。在電容器充電過程中，q↑→電場↑→電場能↑→線圈中的電流i↓→磁場能↓→磁場↓。在電容器放電過程中，q↓→電場↓→電場能↓→線圈中的電流i↑→磁場能↑→磁場↑。主題2電磁波與機(jī)械波的區(qū)別和聯(lián)系電磁波與機(jī)械波都是波，但又各有自己的特點(diǎn)，如能正確比較電磁波和機(jī)械波的異同，就能全面、透徹地理解這兩個(gè)知識點(diǎn)。1．不同點(diǎn)比較項(xiàng)機(jī)械波電磁波對象研究力學(xué)現(xiàn)象研究電磁現(xiàn)象周期性變化的物理量位移隨時(shí)間和空間做周期性變化電場強(qiáng)度E和磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨時(shí)間和空間做周期性變化傳播傳播需要介質(zhì)，波速與介質(zhì)有關(guān)，與頻率無關(guān)傳播無需介質(zhì)，在真空中波速總是c，在介質(zhì)中傳播時(shí)，波速與介質(zhì)及頻率都有關(guān)系產(chǎn)生由質(zhì)點(diǎn)(波源)的振動產(chǎn)生由周期性變化的電流(電磁振蕩)激發(fā)橫波可以是是縱波可以是否2．相同點(diǎn)(1)都具有波的特性，能發(fā)生反射、折射、干涉和衍射等物理現(xiàn)象。(2)都滿足v＝λT＝λf(3)波從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)，頻率都不變?！镜淅?】(多選)關(guān)于機(jī)械波和電磁波，下列說法正確的是()A．機(jī)械波和電磁波都能在真空中傳播B．機(jī)械波和電磁波都可以傳遞能量C．機(jī)械波和電磁波都能發(fā)生衍射和干涉現(xiàn)象D．電磁波的波速與介質(zhì)無關(guān)BC[機(jī)械波的傳播需要介質(zhì)，而電磁波的傳播不需要介質(zhì)，選項(xiàng)A錯誤；干涉、衍射是波特有的現(xiàn)象，選項(xiàng)C正確；波能傳遞能量，選項(xiàng)B正確；電磁波在不同介質(zhì)中，傳播速度一般不同，選項(xiàng)D錯誤。](1)頻率由波源決定，與介質(zhì)無關(guān)。(2)電磁波可以在真空中傳播也可以在介質(zhì)中傳播，機(jī)械波只能在介質(zhì)中傳播。(3)電磁波的波速與頻率和介質(zhì)均有關(guān)，機(jī)械波的波速僅與介質(zhì)有關(guān)，與頻率無關(guān)。主題3雷達(dá)的原理和應(yīng)用1．利用雷達(dá)測定物體的距離：解決這類問題的關(guān)鍵是區(qū)分發(fā)射脈沖波形和反射脈沖波形，找出從發(fā)射電磁波和接收到回來的電磁波的時(shí)間差，再利用s＝12vt2．利用雷達(dá)測定物體的速度：這類問題往往要有兩個(gè)(或兩個(gè)以上)的發(fā)射脈沖與反射脈沖，可以確定一段時(shí)間前后物體的兩個(gè)位置或一段時(shí)間的位移，從而測出物體的速度。3．利用雷達(dá)確定物體的位置：雷達(dá)有一個(gè)可以轉(zhuǎn)動的天線，它能向一定方向發(fā)射無線電(微波)脈沖，雷達(dá)可根據(jù)發(fā)射無線電波的方向和仰角，再參考所測得物體的距離，從而確定某一時(shí)刻物體的位置。實(shí)際上，這一切數(shù)據(jù)都由電子電路自動計(jì)算并在熒光屏上顯示出來。【典例3】某一戰(zhàn)斗機(jī)正以一定的速度朝雷達(dá)的正上方水平勻速飛行，已知雷達(dá)發(fā)射相鄰兩次電磁波之間的時(shí)間間隔為5×10-4s，某時(shí)刻在雷達(dá)熒光屏上顯示的波形如圖甲所示，t＝173s后雷達(dá)向正上方發(fā)射和接收的波形如圖乙所示，雷達(dá)熒光屏上相鄰刻線間表示的時(shí)間間隔為10-4s，電磁波的傳播速度為c＝3×108m/s，則該戰(zhàn)斗機(jī)的飛行速度大約為多少？[解析]由題意知熒光屏相鄰刻線間的時(shí)間間隔t0＝10-4s，題圖甲發(fā)射波和接收波的時(shí)間間隔t1＝4×10-4s，題圖乙時(shí)間間隔t2＝1×10-4s，所以，第一次戰(zhàn)斗機(jī)距雷達(dá)的距離為s1＝c×t12＝6.0×104m，第二次戰(zhàn)斗機(jī)在雷達(dá)正上方，所以，戰(zhàn)斗機(jī)的高度h＝c×t22＝1.5×104m，故173s內(nèi)戰(zhàn)斗機(jī)飛行的水平距離為s＝s12-h2≈5.8×10[答案]335m/s(1)通過雷達(dá)測量距離實(shí)際是測量發(fā)射脈沖與回波脈沖之間的時(shí)間差，因電磁波以光速傳播，據(jù)此就能換算成目標(biāo)的精確距離。(2)通過雷達(dá)測量目標(biāo)方位是利用天線的尖銳方位波束測量。測量仰角靠窄的仰角波束測量。根據(jù)仰角和距離就能計(jì)算出目標(biāo)高度。章末綜合測評(四)電磁振蕩與電磁波一、單項(xiàng)選擇題1．手機(jī)通信是靠電磁波傳遞信息的，從理論上預(yù)言電磁波存在和第一次用實(shí)驗(yàn)證實(shí)電磁波存在的物理學(xué)家分別是()A．安培，法拉第 B．麥克斯韋，法拉第C．法拉第，赫茲 D．麥克斯韋，赫茲D[麥克斯韋預(yù)言了電磁波的存在，赫茲首次用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了電磁波的存在。]2．下列設(shè)備的運(yùn)行與電磁波無關(guān)的是()A．醫(yī)院里，醫(yī)生利用B超可觀察到母體內(nèi)的嬰兒情況B．“嫦娥一號”接收地面指揮中心的運(yùn)行指令實(shí)現(xiàn)變軌而奔向月球C．汽車上安裝有GPS(全球衛(wèi)星定位系統(tǒng))以確定行駛路線和距離D．在大地震發(fā)生后救災(zāi)人員利用衛(wèi)星電話恢復(fù)了與外界的通訊聯(lián)系A(chǔ)[醫(yī)院里的B超是利用超聲波的物理特性進(jìn)行分析和治療的，故選A。]3．關(guān)于LC振蕩電路，下列說法正確的是()A．當(dāng)電容器充電完畢時(shí)，電路中電流最大B．當(dāng)電容器開始放電時(shí)，電路中電流為零C．當(dāng)電容器放電完畢時(shí)，電路中電流為零D．當(dāng)電容器開始充電時(shí)，電路中電流為零B[電容器充電完畢和開始放電是同一時(shí)刻，電路中電流為零；電容器放電完畢和開始充電是同一時(shí)刻，電路中電流最大，故只有B項(xiàng)正確。]4．隨著無線電技術(shù)、微波技術(shù)的發(fā)展和普及，電磁輻射已成為威脅人們健康的無形污染，下列說法錯誤的是()A．波長越長，電磁輻射對人體危害越突出B．電磁污染可以干擾通信系統(tǒng)、導(dǎo)航C．電磁輻射會影響地面站對人造衛(wèi)星的控制D．電磁輻射可以從電磁波源、電磁波的傳播途徑以及受輻射的人三個(gè)方面進(jìn)行防護(hù)A[電磁波波長越短，頻率越高，能量越強(qiáng)，電磁輻射對人體危害越突出，A錯誤；電磁輻射會干擾通信系統(tǒng)、導(dǎo)航，影響地面站對人造衛(wèi)星、宇宙飛船的控制，有效地防治電磁輻射可以從電磁波源、電磁波的傳播途徑以及受輻射的人三個(gè)方面進(jìn)行防護(hù)，B、C、D描述正確。]5．如圖所示，i-t圖像表示LC振蕩電路的電流隨時(shí)間變化的圖像，在t＝0時(shí)刻，電路中電容器的M板帶正電。在某段時(shí)間里，電路的磁場能在減小，而M板仍帶正電，則這段時(shí)間對應(yīng)圖像中的()A．Oa段B．a(chǎn)b段C．bc段D．cd段D[某段時(shí)間里，電路的磁場能在減小，說明電路中的電流正在減小，正在給電容器充電，而此時(shí)M極板帶正電，那么一定是給M極板充電，電流方向是順時(shí)針方向。由圖像知t＝0時(shí)，電容器開始放電，又M極板帶正電，結(jié)合i-t圖像可知，電流以逆時(shí)針方向?yàn)檎较?，因此這段時(shí)間內(nèi)，電流為負(fù)，且正在減小，符合條件的只有圖像中的cd段，故只有D正確。]6．在LC振蕩電路中某時(shí)刻電容器兩極板間的電場線方向和穿過線圈的磁感線方向如圖所示，這時(shí)有()A．電容器正在放電B．電路中電流正在減小C．電場能正在轉(zhuǎn)化為磁場能D．線圈中產(chǎn)生的自感電動勢正在減小B[根據(jù)電場方向可知上極板帶正電荷，又由磁場方向，根據(jù)安培定則可判斷，電流方向?yàn)轫槙r(shí)針(大回路)，所以正在給電容器充電，因此電流逐漸減小，磁場能轉(zhuǎn)化為電場能，由于電流按正弦規(guī)律變化，變化率在增大，據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，知自感電動勢正在增大，故選B。]7．在LC回路中產(chǎn)生電磁振蕩的過程中()A．從電容器放電開始計(jì)時(shí)，當(dāng)t＝kπLC時(shí)，振蕩電流最大，其中k＝0，1，2，…B．當(dāng)電容器中電場強(qiáng)度增大時(shí)，線圈中的自感電動勢與振蕩電流方向相反C．向電容器充電是磁場能轉(zhuǎn)化成電場能的過程D．電容器在相鄰的充、放電時(shí)間內(nèi)，電流方向一定相同C[當(dāng)t＝kπLC(k＝0，1，2，…)時(shí)，由圖可知振蕩電路電流為零，A錯誤；當(dāng)場強(qiáng)增大時(shí)，即在T4～T2、34T～T時(shí)間段內(nèi)，振蕩電流減小，線圈中自感電動勢與振蕩電流方向相同，B錯誤；電容器充電時(shí)，電場能增大，磁場能減小，磁場能轉(zhuǎn)化為電場能，C正確；相鄰的充、放電時(shí)刻，由圖像可知在T4～T2時(shí)間段內(nèi)，電容器充電，i＞0，在T2～34二、多項(xiàng)選擇題8．下列能說明電磁波具有能量的依據(jù)是()A．可見光射入人的眼睛，人看到物體B．放在紫外線區(qū)域的溫度計(jì)升溫很快C．收音機(jī)調(diào)到某個(gè)臺時(shí)，調(diào)諧電路發(fā)生電諧振D．γ射線具有很強(qiáng)的貫穿能力ACD[人眼看到物體，說明人眼感受到了可見光的能量，A正確；紅外線具有加熱作用，說明紅外線具有能量，紫外線具有化學(xué)作用和熒光作用，B錯誤；電諧振現(xiàn)象中產(chǎn)生的振蕩電流的能量來源于空中的無線電波，C正確；γ射線有很強(qiáng)的貫穿能力，說明γ射線具有很高的能量，D正確。]9．下列說法正確的是()A．電磁波信號需要經(jīng)過“調(diào)制”，加到高頻的等幅電磁波(載波)上才能有效地發(fā)射出去B．一部手機(jī)既是電磁波發(fā)射裝置，同時(shí)又是電磁波接收裝置C．調(diào)頻是使高頻振蕩信號的振幅隨低頻信號變化D．電視的圖像信號和聲音信號是通過電視臺的發(fā)射天線同時(shí)發(fā)射的ABD[電磁波信號需要經(jīng)過“調(diào)制”過程加到高頻的等幅電磁波(載波)上才能有效地發(fā)射出去，A正確；手機(jī)要接收信號，也要發(fā)射信號，所以它既是電磁波發(fā)射裝置，同時(shí)又是電磁波接收裝置，B正確；調(diào)頻是使高頻振蕩信號的頻率隨低頻信號變化，C錯誤；圖像信號和聲音信號都加載在電磁波上由發(fā)射天線同時(shí)發(fā)射，D正確。]10．電磁波與聲波比較，下列說法正確的是()A．電磁波的傳播不需要介質(zhì)，聲波的傳播需要介質(zhì)B．由空氣進(jìn)入水中時(shí)，電磁波速度變小，聲波速度變大C．由空氣進(jìn)入水中時(shí)，電磁波波長變短，聲波波長變長D．電磁波和聲波在介質(zhì)中的傳播速度都是由介質(zhì)決定的，與頻率無關(guān)ABC[聲波屬于機(jī)械波，傳播離不開介質(zhì)，故A正確；電磁波在空氣中的速度接近光在真空中的速度，進(jìn)入水中速度變小，而聲波進(jìn)入水中速度變大，故B正確；由v＝λf可知電磁波或聲波由一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時(shí)，頻率不變，可見波速v與波長λ成正比，故C正確；電磁波的速度不僅與介質(zhì)有關(guān)，還與頻率有關(guān)，這點(diǎn)與聲波不同，D錯誤。]三、非選擇題11．在LC振蕩電路中，如果已知電容C，并測得電路的固有振蕩周期為T，即可求得電感L。為了提高測量精度，需多次改變C值并測得相應(yīng)的T值，現(xiàn)將測得的六組數(shù)據(jù)標(biāo)示在以C為橫坐標(biāo)，T2為縱坐標(biāo)的坐標(biāo)紙上，如圖中用“×”表示的點(diǎn)。(1)T、L、C的關(guān)系為__________。(2)根據(jù)圖中給出的數(shù)據(jù)點(diǎn)作出T2與C的關(guān)系圖線。(3)求得L的值是__________。[解析](1)由LC電路的周期公式T＝2πLC知T2＝4π2LC。(2)由(1)問知T2-C圖線為一條過坐標(biāo)原點(diǎn)的直線，圖像的斜率為4π2L，則L＝Δ正確作出圖線如圖(3)由L＝ΔT24π2ΔC[答案](1)T2＝4π2LC(2)見解析圖(3)38.0mH(35.1～42.9mH均可)12．如圖所示，感應(yīng)圈G上裝兩根帶有球形電極的銅管a、b構(gòu)成發(fā)射天線，兩球的間隙約0.5cm。將一根導(dǎo)線彎成環(huán)狀，導(dǎo)線兩端安裝兩個(gè)小金屬球，其間留有空隙，將導(dǎo)線固定到絕緣支架B上靠近感應(yīng)線圈放置。讓感應(yīng)線圈工作，當(dāng)電火花在銅管a、b上兩個(gè)金屬球間跳動時(shí)，支架B上導(dǎo)線環(huán)兩端的兩個(gè)小球間也有電火花跳動。據(jù)此回答下列問題。(1)人類歷史上，首先捕捉到電磁波的科學(xué)家是__________。(2)對于這一實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的解釋如下，請完成其中的填空。①感應(yīng)線圈本質(zhì)上是一個(gè)變壓器，它利用___________________將低壓交流電變成數(shù)千伏的高電壓，由于銅管a、b上兩球間的電壓很高，間隙中電場__________，空氣分子被電離，從而形成一個(gè)導(dǎo)電通路。②當(dāng)電火花在銅管a、b上的兩個(gè)金屬球間跳動時(shí)，必定建立了一個(gè)迅速變化的電磁場，這種變化的電磁場以__________的形式在空間快速傳播。當(dāng)其經(jīng)過導(dǎo)線環(huán)時(shí)，迅速變化的電磁場在導(dǎo)線環(huán)中激發(fā)出__________，擊穿導(dǎo)線環(huán)中的空氣，使得導(dǎo)線環(huán)的空隙中也產(chǎn)生了電火花。③在此實(shí)驗(yàn)中，感應(yīng)圈及金屬棒構(gòu)成了電磁波的__________，導(dǎo)線環(huán)成了電磁波的__________。[解析](1)建立完整的電磁場理論并首先預(yù)言電磁波存在的科學(xué)家是麥克斯韋，而首先證實(shí)電磁波存在，并捕捉到電磁波的科學(xué)家是赫茲。(2)①感應(yīng)線圈本質(zhì)上是一個(gè)變壓器，它利用電磁感應(yīng)將低壓交流電變成數(shù)千伏的高電壓。由于銅管a、b上兩球間的電壓很高，間隙中電場很強(qiáng)，空氣分子被電離，從而形成一個(gè)導(dǎo)通電路。②當(dāng)電火花在銅管a、b上兩個(gè)金屬球間跳動時(shí)，必定建立一個(gè)迅速變化的電磁場，這種變化的電磁場以電磁波的形式在空間快速傳播。當(dāng)其經(jīng)過導(dǎo)線環(huán)時(shí)，迅速變化的電磁場在導(dǎo)線環(huán)中激發(fā)出感應(yīng)電動勢，擊穿導(dǎo)線環(huán)中的空氣，使得導(dǎo)線環(huán)的空隙中也產(chǎn)生了電火花。③在此實(shí)驗(yàn)中，感應(yīng)圈及金屬棒構(gòu)成了電磁波的發(fā)射器，導(dǎo)線環(huán)成了電磁波的檢測器。[答案](1)赫茲(2)①電磁感應(yīng)很強(qiáng)②電磁波感應(yīng)電動勢③發(fā)射器檢測器13．如圖所示，一LC回路的電感L＝0.25H，電容C＝4μF，在電容開始放電時(shí)設(shè)為零時(shí)刻，上極板帶正電，下極板帶負(fù)電，求：(1)此LC振蕩電路的周期為多少？(2)當(dāng)t＝2.0×10-3s時(shí)，電容器上板帶何種電荷？電流方向如何？(3)如電容器兩板電壓最大為10V，則在前T4[解析](1)根據(jù)T＝2πLC可得此LC振蕩電路的周期為T＝2π0.25×4×10-6s≈(2)當(dāng)t＝2.0×10