物理教科版 (2019)1 电磁振荡学案

这是一份物理教科版 (2019)1 电磁振荡学案，共22页。

知识点一 LC振荡电路和振荡电流 无阻尼振荡和阻尼振荡
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。
3．振荡过程：如图所示，将开关S掷向1，先给电容器充电，再将开关S掷向2，从此时起，电容器要对线圈放电。
(1)放电过程：由于线圈的自感作用，放电电流不能立刻达到最大值，而是由0逐渐增大，线圈产生的磁场逐渐增强，电容器里的电场逐渐减弱，放电完毕时，电场能全部转化为磁场能。
(2)充电过程：电容器放电完毕，由于线圈的自感作用，电流并不会立即消失，仍保持原来的方向继续流动，电容器被反向充电，极板上带上相反电性的电荷，充电结束，极板上的电荷最多，磁场能又转化为电容器的电场能。此后电容器再放电、再充电，周而复始，于是电路中就有了周期性变化的振荡电流。
(3)电磁振荡：电场和磁场周期性的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。
4．无阻尼振荡和阻尼振荡
(1)阻尼振荡：振荡电路中的能量逐渐损耗，振荡电流的振幅逐渐减小，直到停止振荡。
(2)无阻尼振荡：没有能量损失，振荡电流的振幅永远保持不变的振荡。
(3)实际的LC振荡是阻尼振荡：任何电路中都有电阻，电路中总会有一部分能量会转化为内能，另外，还会有一部分能量以电磁波的形式辐射出去。如果要实现等幅振荡，必须有能量补充到电路中。
在电磁振荡过程中，电场能与磁场能相互转化，什么时候磁场能最大？什么时候电场能最大？
提示：放电结束时磁场能最大，充电结束时电场能最大。
1：思考辨析(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)LC振荡电路的电容器放电完毕时，回路中磁场能最小。(×)
(2)LC振荡电路的电流为零时，线圈中的自感电动势最大。(√)
(3)实际的LC振荡电路是无阻尼振荡。(×)
知识点二 电磁振荡的周期和频率
1．周期：电磁振荡完成一次周期性变化需要的时间。
2．频率：1s内完成周期性变化的次数。
3．固有周期和固有频率：振荡电路里发生无阻尼振荡时的周期和频率分别叫作固有周期和固有频率，简称振荡电路的周期和频率。
4．周期和频率公式：T＝2π LC，f＝12π_LC。
LC振荡电路的周期和频率只取决于电感线圈的自感系数L和电容器的电容C，与电容器所带电荷量、极板间电压及回路中的电流无关。
2：思考辨析(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)LC振荡电路线圈的自感系数增大为原来的4倍，振荡周期增大为原来的2倍。(√)
(2)提高充电电压，极板上带更多的电荷时，能使振荡周期变大。(×)
知识点三 电磁波
1．麦克斯韦电磁理论的两个基本假设
(1)变化的磁场能够在周围空间产生电场。
(2)变化的电场能够在周围空间产生磁场。
2．电磁波
(1)电磁波的产生
变化的电场和磁场交替产生而形成的电磁场由近及远传播就形成了电磁波。
(2)电磁波是横波
电磁波的电场和磁场的方向都与传播方向垂直，因此电磁波是横波。电磁波是电磁场的传播，传播过程不需要介质。
(3)电磁波的速度
真空中电磁波的速度等于光速。
3．赫兹实验
(1)赫兹的实验装置
(2)实验现象
当感应圈两个金属球间有火花跳过时，检波器两个小铜球间也跳过火花。
(3)现象分析
当感应圈使得与它相连的两个金属球间产生火花时，空间出现了电磁波向外传播。当电磁波到达检波器时，检波器的两铜球间也产生了火花。
(4)实验结论：证实了电磁波的存在。
4．麦克斯韦电磁场理论的意义
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。
变化的磁场产生电场，如果电路闭合时产生感应电流，电路不闭合仍有感应电动势和电场。
3：思考辨析(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)变化的电场一定产生变化的磁场。(×)
(2)只要有电场和磁场，就能产生电磁波。(×)
(3)电磁波在同种介质中只能沿直线传播。(×)
如图所示，将开关S掷向1，先给电容器充电，再将开关掷向2，从此时起，电容器通过线圈放电，线圈中是否会产生自感电动势？自感电动势产生什么效果？线圈中的电流怎样变化？电容器的电场能转化为什么形式的能？当线圈中的电流减小时，是否会对电容器充电？此时线圈中的磁场能转化为什么形式的能？
提示：线圈中的电流发生变化时，线圈中会产生自感电动势，阻碍线圈中电流的变化，电流逐渐增大，电容器的电场能转化为磁场能；线圈中电流减小时，对电容器充电，线圈中的磁场能转化为电容器的电场能。
考点1 电磁振荡
1．各物理量变化情况一览表
2．振荡电流、极板带电荷量随时间的变化图像(如图所示)
3．分类分析
(1)同步关系
在LC振荡电路发生电磁振荡的过程中，电容器上的物理量：电荷量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↑)。
(2)同步异变关系
在LC回路振荡过程中，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。
【典例1】 (多选)如图所示，从将开关S由b扳到a开始计时，在电流振荡了半个周期时，电路中( )
A．电容器C里的电场强度最强，电场强度方向向上
B．线圈L周围磁场最强
C．线圈中的磁感应强度为零
D．电流最大
AC [从将开关S由b扳到a开始计时，在电流振荡了半个周期时，电容器处于反向充电完毕的时刻，此时电容器C里的电场强度最强，电场强度方向向上，故A正确；电容器充电完毕，电流为零，线圈L中的磁感应强度为零，周围磁场最弱，故B、D错误，C正确。]
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，处于充电过程；反之，处于放电过程。
(2)根据物理量的变化趋势判断：当电容器所带电荷量q(U、E)增大时，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。
[跟进训练]
1．(多选)如图所示，在LC振荡电路中，已知某时刻电流i的方向指向A板，且正在增大，则( )
A．B板带正电
B．A、B两板间的电压在减小
C．电容器C正在充电
D．电场能正在转化为磁场能
ABD [电流i正在增大，磁场能增大，电容器在放电，电场能减小，电场能转化为磁场能，选项C错误，D正确；由题图中i方向可知B板带正电，选项A正确；由于电容器放电，电荷量减少，两板间的电压在减小，选项B正确。]
考点2 电磁振荡的周期和频率
1．LC振荡电路的周期T＝2πLC，频率f＝12πLC，决定周期和频率的是电路本身的电容C和自感系数L，与其他因素无关。
2．LC振荡电路一个周期内充电、放电各两次，对应的i、B、E的大小、方向也有两次变化。
3．LC振荡电路一个周期内电场能与磁场能的转化各有两次。
【典例2】 (多选)要增大LC振荡电路的频率，下列方法正确的是( )
A．将正对着的电容器的两个极板错开些
B．增大电容器的充电电荷量
C．减少自感线圈的匝数
D．抽出自感线圈中的铁芯
ACD [要使LC振荡电路的频率增大，根据公式f＝12πLC，可减小线圈的自感系数L或减小电容器的电容C；将正对着的电容器的两个极板错开些，正对面积减小，电容C减小，故选项A正确；增大电容器的充电电荷量，电容不变，故选项B错误；减少自感线圈的匝数，自感系数L减小，故选项C正确；抽出自感线圈中的铁芯，自感系数L减小，故选项D正确。]
[跟进训练]
2．电子钟是利用LC振荡电路来工作计时的，现发现电子钟每天要慢30s，造成这一现象的原因可能是( )
A．电池用久了
B．振荡电路中电容器的电感小了
C．振荡电路中线圈的电感大了
D．振荡电路中的电容器的电容小了
C [电子钟变慢的原因是LC振荡电路的振荡周期变大了，而影响周期的因素是振荡电路中的L和C，这两个物理量有一个或两个变大都会造成振荡周期变大，故C正确。]
考点3 电磁场
1．电磁场的产生
如果在空间某处有周期性变化的电场，那么这个变化的电场就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变化的电场——变化的电场和变化的磁场是相互联系着的，形成不可分割的统一体，这就是电磁场。
2．对麦克斯韦电磁理论的理解
【典例3】 (多选)关于电磁场的理论，下列说法中正确的是( )
A．变化的电场周围产生的磁场一定是变化的
B．变化的电场周围产生的磁场不一定是变化的
C．均匀变化的磁场周围产生的电场也是均匀变化的
D．振荡电场在周围空间产生同样频率的振荡磁场
BD [变化的电场产生磁场有两层含义。①均匀变化的电场产生恒定的磁场，均匀变化的磁场产生恒定的电场；②非均匀变化的电场产生变化的磁场。振荡电场产生同频率的振荡磁场。故B、D正确，A、C错误。]
(1)变化的磁场所产生的电场的电场线是闭合的，而静电场中的电场线是不闭合的。
(2)①振荡电场(即周期性变化的电场)产生同频率的振荡磁场。
②振荡磁场(即周期性变化的磁场)产生同频率的振荡电场。
[跟进训练]
3．(多选)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的周期性变化的电场
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．电场周围不一定存在磁场，磁场周围不一定存在电场
ABD [变化的磁场周围产生电场，当电场中有闭合回路时，回路中有电流，若无闭合回路电场仍然存在，A正确；若形成电磁场必须有周期性变化的电场和磁场，B正确，C错误；电场(或磁场)周围不一定存在磁场(或电场)，D正确。]
考点4 电磁波与机械波的比较
电磁波是电磁现象，机械波是力学现象，两种波产生机理不同，所以除具有波的共性外，还有不同之处。
【典例4】 (多选)关于机械波与电磁波，下列说法正确的是( )
A．电磁波在真空中的传播速度与电磁波的频率有关
B．电磁波可以发生衍射现象和偏振现象
C．简谐机械波在给定的介质中传播时，振动的频率越高，则波传播速度越快
D．机械波不但能传递能量，而且能传递信息，其传播方向就是能量或信息传递的方向
BD [电磁波在真空中的传播速度都等于光速，与电磁波的频率无关，故A错误；衍射现象是波特有的现象，而偏振现象是横波特有的现象，电磁波也是一种横波，可以发生衍射现象和偏振现象，故B正确；机械波传播速度与介质有关，则在同一种介质中传播时，简谐机械波的传播速度相等，故C错误；机械波不但能传递能量，而且能传递信息，其传播方向就是能量或信息传递的方向，如声波，故D正确。]
电磁波与机械波的三点不同
(1)电磁波是电磁现象，由电磁振荡产生；机械波是力学现象，由机械振动产生。
(2)机械波的传播依赖于介质的存在，但电磁波的传播不需要介质。
(3)不同频率的机械波在同一介质中传播速度相同，在不同介质中传播速度不同；不同频率的电磁波在真空中传播速度相同，在同一介质中传播速度不同。
[跟进训练]
4．(多选)关于电磁波与声波的说法，下列正确的是( )
A．电磁波是由电磁场发生的区域向远处传播，声波是声源的振动向远处传播
B．电磁波的传播不需要介质，声波的传播有时也不需要介质
C．由空气进入水中传播时，电磁波的传播速度变小，声波的传播速度变大
D．由空气进入水中传播时，电磁波的波长不变，声波的波长变小
AC [由电磁波和声波的概念可知A正确；因为电磁波可以在真空中传播，而声波属于机械波，它的传播需要介质，在真空中不能传播，故B错误；电磁波在空气中的传播速度近似等于真空中的速度，大于在水中的传播速度；声波在水中的传播速度大于在空气中的传播速度，故C正确；无论是电磁波还是声波，从一种介质进入另一种介质时频率都不变，所以由波长λ＝vf及它们在不同介质中的传播速度可知，由空气进入水中时，电磁波的波长变短，声波的波长变长，故D错误。]
1．根据麦克斯韦电磁理论，下列说法正确的是( )
A．有电场的空间一定存在磁场，有磁场的空间也一定能产生电场
B．在变化的电场周围一定产生变化的磁场，在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．周期性变化的磁场周围空间一定产生周期性变化的电场
D [根据麦克斯韦电磁理论，只有变化的电场才能产生磁场，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，只有选项D正确。]
2．如图所示，某瞬间回路中电流方向如箭头所示，且此时电容器的极板A带正电荷，则该瞬间( )
A．电流i正在增大，线圈L中的磁场能也正在增大
B．电容器两极板间的电压正在增大
C．电容器所带电荷量正在减小
D．线圈中电流产生的磁感应强度正在增强
B [根据电流方向可知电容器正处于充电状态，电容器充电过程中，回路中电流减小，磁场能减小，电场能增大，电容器所带电荷量正在增大，电压正在增大，线圈中电流产生的磁场的磁感应强度正在减弱，故只有B正确。]
3．有关电磁场和电磁波，下列说法中正确的是( )
A．麦克斯韦首先预言并证明了电磁波的存在
B．变化的电场一定产生变化的磁场
C．电磁波和机械波一样只能依赖于介质传播
D．频率为750kHz的电磁波在真空中传播时，其波长为400m
D [赫兹用实验证明了电磁波的存在，A错误；均匀变化的电场产生恒定的磁场，B错误；电磁波可以在真空中传播，C错误；λ＝cf＝3×1087.5×105m＝400m，D正确。]
4．如图所示，LC振荡电路中振荡电流的周期为2×10-2s，自振荡电流沿逆时针方向达到最大值时开始计时，当t＝3.4×10-2s时，电容器正处于________(填“充电”“放电”“充电完毕”或“放电完毕”)状态。这时电容器的上极板________(选填“带正电”“带负电”或“不带电”)。
[解析] 根据题意画出此LC回路的振荡电流的变化图像如图所示。结合图像，t＝3.4×10-2s时刻设为图像中的P点，则该时刻正处于反向电流减小过程，所以电容器正处于反向充电状态，上极板带正电。
[答案] 充电 带正电
回归本节知识，自我完成以下问题：
(1)LC振荡电路中，充电过程哪些量变化是一致的，哪些量变化是相反的？
提示：充电过程电荷量、电压、电场能变化一致，电流、磁场、磁场能与前三个量变化相反。
(2)电磁波是怎样产生的？
提示：变化的电场和变化的磁场交替产生，向周围空间传播，由近及远形成电磁波。
(3)电磁波有哪些特点？
提示：电磁波是横波，是物质波，具有波的一切特性。
课时分层作业(十三) 电磁振荡 电磁波
题组一 电磁振荡
1．LC振荡电路中，电容器两极板上的电荷量随时间变化的关系如图所示，则( )
A．在t1时刻，电路中的电流最大
B．在t2时刻，电路中的电流最大
C．在t3时刻，电感线圈两端电压最大
D．t3～t4时间内，电路中的电流不断增大
A [在t1时刻，极板上的电荷量为零，此时电容器放电完毕，电路中的电流最大，故A正确；在t2时刻，极板上的电荷量最大，电路中的电流为零，故B错误；在t3时刻，极板上的电荷量为零，此时电路中电流最大，电流的变化率为零，电感线圈两端电压为零，故C错误；t3～t4时间内，极板上的电荷量不断增大，电路中的电流不断减小，故D错误。]
2．如图甲所示的振荡电路中，电容器极板间电压随时间的变化规律如图乙所示，则电路中振荡电流随时间的变化图像是(振荡电流以电路中逆时针方向为正)( )
甲 乙
A B
C D
D [电容器极板间的电压U＝QC，随电容器带电荷量的增加而增大，随电容器带电荷量的减少而减少。从题图乙可以看出，在0～T4这段时间内电容器充电，且UAB>0，即φA>φB，A板应带正电，只有顺时针方向的电流才能使A板被充电后带正电，同时考虑到t＝0时刻电压为零，电容器带电荷量为零，电流最大，可知t＝0时刻，电流为负向最大，故选D。]
3．(多选)LC振荡电路中，某时刻的磁场方向如图所示，则( )
A．若磁场正在减弱，则电容器正在充电，电流由b向a
B．若磁场正在减弱，则电场能正在增大，电容器上极板带负电
C．若磁场正在增强，则电场能正在减少，电容器上极板带正电
D．若磁场正在增强，则电容器正在充电，电流方向由a向b
ABC [若磁场正在减弱，则电流在减小，是充电过程，根据安培定则可确定电流由b向a，电场能增大，上极板带负电，A、B正确；若磁场正在增强，则电流在增大，是放电过程，电场能正在减小，根据安培定则，可判断电流由b向a，上极板带正电，C正确，D错误。]
题组二 电磁振荡的周期和频率
4．如图所示，LC振荡电路的L不变，C可调，要使振荡的频率从700Hz变为1400Hz，则可以采用的办法有( )
A．把电容增大到原来的4倍
B．把电容增大到原来的2倍
C．把电容减小到原来的12
D．把电容减小到原来的14
D [由题意，频率变为原来的2倍，则周期就变为原来的12，由T＝2πLC及L不变知，当C＝14C0时符合要求，其中C0为原电容，D正确，A、B、C错误。]
5．如图所示，LC振荡电路中电容器的电容为C，线圈的自感系数为L，电容器在图示时刻所带的电荷量为Q。若图示时刻电容器正在放电，至放电完毕所需时间为13πLC；若图示时刻电容器正在充电，则充电至电容器所带电荷量最大所需时间为( )
A．12πLCB．13πLC
C．16πLCD．23πLC
C [LC振荡电路在一个周期内电容器会充电两次、放电两次，每次充电或放电的时间均为14T＝π2LC，根据题意，电容器所带的电荷量由Q减小到零所需时间为13πLC＝16T，说明电容器所带的电荷量由最大放电到Q所需时间为14T－16T＝112T＝16πLC，则电容器所带电荷量由Q充电至最大所需时间同样为16πLC，故选C。]
题组三 电磁场
6．(多选)如图为某系列手机无线充电原理图，由与充电底座相连的送电线圈和与手机电池相连的受电线圈构成。当送电线圈通入周期性变化的电流时，就会在受电线圈中感应出电流，从而实现为手机充电。在充电过程中( )
A．送电线圈中产生均匀变化的磁场
B．送电线圈中产生周期性变化的磁场
C．无线充电的原理是互感现象
D．手机电池是直流电源，所以受电线圈输出的是恒定电流
BC [由于送电线圈中通入周期性变化的电流时，根据麦克斯韦理论可知送电线圈中电流产生的磁场呈周期性变化，A错误，B正确；无线充电利用的是电磁感应原理，所以送电线圈和受电线圈通过互感现象实现能量传递，C正确；周期性变化的磁场会产生周期性变化的电场，输出不是恒定电流，D错误。]
7．(多选)各磁场的磁感应强度B随时间t变化的情况如图所示，其中能产生持续电磁波的是( )
A B
C D
BD [根据麦克斯韦的电磁理论，恒定的磁场不能产生电场，更不能产生电磁波，故A错误；根据麦克斯韦的电磁理论，周期性变化的磁场可以产生周期性变化的电场，周期性变化的电场又可以产生周期性变化的磁场，因而可以产生持续的电磁波，故B正确；均匀变化的磁场产生恒定的电场，而恒定的电场不能再产生磁场，因此不能产生持续的电磁波，C错误；由题图D可知，磁场是周期性变化的，能产生周期性变化的电场，周期性变化的电场又能产生周期性变化的磁场，所以能产生持续的电磁波，故D正确。]
8．(多选)关于电磁波和机械波，下列说法正确的是( )
A．电磁波和机械波的传播都需要借助于介质
B．电磁波在任何介质中传播的速度都相同，而机械波的波速大小与介质密切相关
C．电磁波和机械波都能产生干涉和衍射现象
D．根据麦克斯韦的电磁理论，变化的电场产生磁场
CD [机械波的传播需要借助于介质，但电磁波的传播不需要借助介质，选项A错误；电磁波和机械波的传播速度都与介质有关，选项B错误；电磁波和机械波都能产生干涉和衍射现象，选项C正确；根据麦克斯韦的电磁场理论，变化的电场产生磁场，变化的磁场产生电场，选项D正确。]
9．甲坐在人民大会堂台前60m处听报告，乙坐在家里离电视机5m处看电视直播，已知乙所在处与人民大会堂相距1000km，不考虑其他因素，则(空气中声速为340m/s)( )
A．甲先听到声音B．乙先听到声音
C．甲、乙同时听到声音D．不能确定
B [声音传到甲所需时间为t1＝60m340m/s≈0.176s，传到乙所需时间为t2＝1×106m3×108m/s＋5m340m/s＝0.018s