2021学年选修3-4第十四章 电磁波4 电磁波与信息化社会教案

课时14.4　《电磁波》整合与评价

　　1.初步了解麦克斯韦电磁场理论及在物理学发展史上的意义。

2.了解电磁波的产生,通过电磁波体会电磁场的物质性。

3.了解振荡电路的工作过程及其规律。

4.了解电磁波的发射、传播和接收及在现实生活中的应用。

5.通过实例认识电磁波谱及其应用,知道光是电磁波。

重点难点:电磁场、电磁波及电磁振荡的规律。

教学建议:本章在机械波和光波的基础上,进一步学习电磁波,学习中注意与机械波的比较。电磁波与光波本质相同,应了解电磁波各波段的特点。电磁振荡是本章的重点,要理解电磁振荡过程中各量的变化规律。对于电磁波的发射与接收, 也要有初步了解。

主题1:电磁波与机械波的对比

问题:(1)电磁波与机械波各是怎么产生的?

(2)电磁波与机械波的周期性是怎样体现的?

(3)电磁波与机械波传播是否需要介质?传播速度与哪些因素有关?

(4)电磁波与机械波有哪些相同特性?

解答:(1)电磁波是由电磁振荡激发的;机械波是由质点(波源)振动产生的。

(2)电磁波中电场强度和磁感应强度随时间和空间做周期性变化;机械波中位移随时间和空间做周期性变化。

(3)电磁波的传播不需要介质,在真空中的速度总是光速,在介质中的传播速度与介质及波的频率有关;机械波传播需要介质,波速与介质有关,与波的频率无关。

(4)电磁波与机械波都有干涉、衍射等波的特性。另外,电磁波是横波,机械波可以是横波,也可以是纵波。

知识链接:电磁波是电磁现象,机械波是力学现象,二者虽然都具有波的特性,但有本质的不同。

　　主题2:电磁振荡过程及其规律

情景:某同学将电磁振荡的过程画成了如图所示的示意图,其中We表示电场能,Wm表示磁场能。

　　问题:(1)请用概括性的文字对①~⑧所处的状态做一说明。

(2)振荡过程哪些物理量具有同步同变(相同变化趋势)关系?

(3)振荡过程哪些物理量具有同步异变(相反变化趋势)关系?

(4)电磁振荡可以怎样分类?

解答:(1)①放电过程中;②放电完毕;③反向充电过程中;④反向充电完毕;⑤反向放电过程中;⑥反向放电完毕;⑦充电过程中;⑧充电完毕。

(2)电容器对应的电荷量q、电场强度E、电场能We是同时同向变化的,即:q↓—E↓—We↓(或q↑—E↑—We↑);振荡线圈对应的电流i、磁感应强度B、磁场能Wm也是同步同向变化的,即:i↓—B↓—Wm↓(或i↑—B↑—Wm↑)。

(3)电容器上的三个物理量q、E、We与振荡线圈中三个物理量i、B、Wm是同步异向变化的,即q、E、We同时减小时,i、B、Wm同时增大,且它们的变化是同步的。

(4)根据能量是否损失可分为阻尼振荡和无阻尼振荡。

知识链接:1888年,赫兹根据电容器放电的振荡性质,设计制作了电磁波源和电磁波检测器,通过实验验证了麦克斯韦的理论。

拓展一:电磁场理论

变化的磁场产生电场,这个电场是旋涡电场,将自由电荷沿电场线移动一周,电场力做功,这一点不同于静电场;均匀变化的磁场产生稳定的电场(稳定的磁场不再产生电场),均匀变化的电场产生稳定的磁场(稳定的电场不再产生磁场),周期性非均匀变化的磁场产生同频率周期性非均匀变化的电场,周期性非均匀变化的电场产生同频率周期性非均匀变化的磁场。交变的电场与磁场相互联系,形成不可分割的统一体,这就是电磁场。

1.下列方法中能使平行板电容器的极板间产生磁场的是(　　)。

A.把电容器接在稳恒电源的两端

B.把电容器接在交流电源的两端

C.给电容器充电后保持其电荷量不变,使两极板间的距离匀速增大

D.给电容器充电后保持其电压不变,使两极板间的距离匀速增大

问1:平行板电容器在哪种情况下产生磁场?

答1:电容器产生的电场发生变化的情况下产生磁场。

问2:哪种情况下电容器电场发生变化?

答2:由E==可做出判断。

【解析】若要使平行板电容器极板间产生磁场,电容器内部应产生变化的电场。选项A中电容器内部只有稳定的电场,不能产生磁场,故A错。选项C中电荷量不变,板间电场稳定,故C也错。电容器接交流电源时,相当于不断地对电容器充放电,板间产生变化的电场,而若充电后电压不变,增大极板间距,会使电容减小,电场增大,故选项B、D正确。

【答案】BD

【点拨】麦克斯韦电磁场理论基本观点是“变化的磁场可以产生电场,变化的电场可以产生磁场”。注意不是“磁场能产生电场、电场能产生磁场”,也不是“变化的磁场可以产生变化的电场,变化的电场可以产生变化的磁场”。

　　拓展二:电磁振荡

振荡电路产生振荡电流的过程中,线圈中的电流、电容器极板上的电荷量及与之相联系的磁场能、电场能也都做周期性变化,这种现象叫作电磁振荡。

2.LC振荡电路在某时刻电感线圈中振荡电流产生的磁场的磁感线如图所示,此时电路中的电流正在增大。下列说法中正确的是(　　)。

A.电容器C中电场线方向从A板指向B板

B.电容器C中电场线方向从B板指向A板

C.电容器C中电场线密度在增大

D.电容器C中电场线密度在减小

问1:能否根据振荡电流产生的磁感线方向判断电流的方向?

答1:能。电流方向为顺时针方向。

问2:电容器极板的带电情况如何?

答2:上极板带负电,下极板带正电。

问3:电容器处于充电还是放电状态?

答3:放电状态。

【解析】由线圈L上的磁感线方向可得电路中的电流方向为顺时针方向,又因为此时电路中的电流正增大,则电容器C正在放电,故此时A板上带负电,B板上带正电,电容器中电场线方向应该从B板指向A板,所以A错、B对;由于这个过程是一个放电的过程,所以电场强度应该是减弱的,电场线密度减小,所以C错、D对。

【答案】BD

【点拨】①电磁振荡是电磁波产生的基础;②电磁振荡过程是电流和电荷量交替变换的过程,是电容器不断充放电的过程;③电磁振荡过程中的能量在理想情况下是守恒的,是电场能和磁场能之间的相互转化;④电磁振荡的重点是利用图象分析电流变化和电荷量的变化情况。

　　拓展三:电磁波的发射和接收

有效发射电磁波的条件:①高频振荡,②开放电路。

3.电磁波由　　　　　　电路产生,经　　　　　后信号就“加”进高频电磁波中,再由　　　　　　发射到空中,在传播过程中,遇到导体后能被接收,在先后经过　　　　　和　　　　　　　方能取出有用的信号。 

问1:电磁波的发射、接收过程是怎样的?

答1:调制→调谐→解调。

问2:电磁波的传播方式有哪几种?

答2:天波、地波、直线传播波。

【解析】电磁波遇到导体就能被接收,但是还不能还原成信号,还要经过调谐和解调过程。

【答案】振荡　调制　天线　调谐　解调

【点拨】①电磁波的发射和接收的过程需要熟练地记忆,各个过程的名称和对应的功能需要了解;②发射和接收是相对应的;③解调是调制的逆过程。

一、物理百科

高空的“窃听能手”

常规战争中,敌对双方常常捉“舌头”(即俘虏对方人员)来了解对方战术意图、兵力部署及武器装备等情报。随着航天技术的发展,人们采用更先进的方式,即利用人造地球卫星窃取常规手段难以获得的敌方情报。

1984年4月17日,在伦敦发生了利比亚人民办事处用轻机枪扫射游行队伍的事件。 这个事件的发生是有先兆的。据美国ABC电视台透露,事件发生前,利比亚政府曾指示利比亚驻伦敦人民办事处,“不能坐视反卡扎菲的示威游行”。

美国很快就知道了这个指示,并通报英国政府,但在得到确切的情况之前,枪击事件就发生了,一名女警察被打死,许多参加游行的人负了伤。

窃听这个“指示”的是美国电子侦察卫星。它监听了利比亚政府和驻伦敦人民办事处之间的电话。由此可见利用侦察卫星进行情报战的作用。

在太空遨游的电子侦察卫星是窃听能手,它采用捕获无线电波的方式来获取情报。电子侦察卫星的任务主要有:一是确定敌方地面防空雷达和反导弹雷达的精确位置、信号特性和作用距离,以便使轰炸机或弹道导弹不被雷达发现和跟踪;二是确定敌方军用电台的位置和信号特性,以便战时将其摧毁掉,而更重要的任务在于平时窃听军事通信中的重要情报。

通常,雷达或军用电台的工作频率属高频段,因此,它的作用距离有一定限制。一个幅员辽阔的国家,为了保卫本国的安全,在远离疆界的腹地往往要布设许多防空雷达。

如果在国外用舰船或飞机等一般的方法测量敌方防空雷达的位置和特性,那是极为困难,甚至无法办到的。但是,如果用卫星去侦察,就能打破国境线的障碍,“无忧无虑”地测定敌方雷达的位置和特性。

二、备用试题

1.建立完整电磁场理论并首先预言电磁波存在的科学家是(　　)。

 A.法拉第　　B.奥斯特　　C.赫兹　　D.麦克斯韦

【解析】麦克斯韦建立了完整的电磁场理论并预言了电磁波的存在,后来赫兹用实验证实了这一预言。

【答案】D

2.广播电台发射“中波”段某套节目的信号、家用微波炉中的微波、VCD机中的激光(可见光)、人体透视用的X光,都是电磁波。它们的频率分别为f1、f2、f3、f4,则下列频率大小的排列顺序正确的是(　　)。

A.f1>f2>f3>f4 B .f1<f3<f2<f4

C.f1<f2<f3<f4 D.f1>f3>f2>f4

 【解析】比较各种电磁波的频率。

【答案】C

3.如图所示,L为电阻不计的自感线圈,已知LC电路振荡周期为T。开关S原来合上一段时间。现将S断开后开始计时,当t=时,线圈L内部磁感应强度方向和电容器两极板间电场方向分别为(　　)。

A.向下,向下

B.向上,向下

C.向下,向上

D.向上,向上

【解析】S刚断开时,L中有电流,而C不带电,之后t=的时间内,L中的电流方向不变,C被充电且上极板为正极板,带正电,故A选项正确。

【答案】A

4.某LC振荡电路中电流随时间的变化规律为i=0.01sin 105t(A),如果该电路中电容器的电容为C,自感系数为L,则LC乘积的值为(　　)。

A.105 B.1010 C.10-5 　D.10-10

【解析】根据电流的函数表达式知,ω=105 rad/s= 2πf,再根据周期公式即可求得。

【答案】D

5.在LC振荡电路中,线圈的自感系数L=2.5 mH,电容C=4 μF。则:

(1)该回路的周期多大?

(2)设t=0时,电容器上电压最大,在t=9.0×10-3 s时,通过线圈的电流是增大还是减小?这时电容器是处在充电过程还是放电过程?

　　【解析】(1)T=2π=2×3.14× s=6.28×10-4 s。

(2)因为t=9.0×10-3 s相当于14.33个周期,<0.33T<T,所以当t=9.0×10-3 s时,LC回路中的电磁振荡正处在第二个的变化过程中。t=0时,电容器上电压最大,极板上电荷量最多,电路中电流值为零,回路中电流随时间的变化规律如图所示:第一个T内,电容器放电,电流由零增至最大;第二个T内,电容器被反向充电,电流由最大减小到零。显然,在t=9.0×10-3 s时,即在第二个T内,线圈中的电流在减小,电容器正处在反向充电过程中。

【答案】(1)6.28×10-4 s　(2)线圈中的电流在减小,电容器正处在反向充电过程中

一、单项选择题(本大题共5小题,每小题6分,共30分)

1.根据麦克斯韦电磁场理论,下列说法中正确的是(　　)。

A.电场周围一定产生磁场,磁场周围一定产生电场

B.变化的电场周围一定产生磁场,变化的磁场周围一定产生电场

C.变化的电场周围一定产生变化的磁场

D.电磁波在介质中的传播速度可以大于3.0×108 m/s

【解析】根据麦克斯韦的电磁场理论可知,变化的电场周围产生磁场,变化的磁场周围产生电场,但变化的电场周围不一定产生变化的磁场,如均匀变化的电场产生的是稳定的磁场。电磁波的传播速度不可能大于光速。故正确选项为B。

【答案】B

2.红外夜视镜在美国对伊拉克反美武装力量实施的夜间打击中起到重要作用,红外夜视镜是利用了(　　)。

A.红外线波长大,易绕过障碍物的特点

B.红外线的热效应强的特点

C.一切物体都在不停地辐射红外线的特点

D.红外线肉眼不可见的特点

【解析】一切物体都发射人眼观察不到的红外线,用红外夜视镜,不管是白天还是黑夜都能观察到物体,红外线夜间拍摄也是这个道理,C项正确。

【答案】C

3.在信息技术高速发展的今天,电磁波对我们来说越来越重要,无论是广播、电视还是无线电通信以及航空、航天中的自动控制和导航,都离不开电磁波。为了使需要传递的信息(如声音、图像等)加载在电磁波上发射到远方,必须对振荡电流进行(　　)。

A.调谐 　　B.放大　　 C.调制 　　D.检波

【解析】为了利用电磁波传递信号,就要让电磁波随着待传递的信号而改变。在电磁波发射技术中,使电磁波随各种信号而改变的技术叫调制。故C正确。

【答案】C

4.手机A的号码为12345670002,手机B的号码为12345670008,手机A拨手机B时,手机B发出响声并且显示屏上显示A的号码为12345670002。若手机A置于一透明真空罩中,用手机B拨打手机A,则(　　)。

A.发出响声,并显示B的号码为12345670008

 B.不发出响声,但显示B的号码为12345670008

 C.不发出响声,但显示B的号码为12345670002

 D.即不发出响声,也不显示号码

【解析】电磁波可以在真空中传播,而声波传播需要介质,当用手机B拨打手机A时(A置于一透明真空罩中),A能显示B的号码,但不能发出响声,即B正确。

【答案】B

5.红外遥感卫星通过接收地面物体发出的红外辐射来探测地面物体的状况。地球大气中的水汽(H2O)、二氧化碳(CO2)能强烈吸收某些波长范围的红外辐射,即地面物体发出的某些波长的电磁波,只有一部分能够通过大气层被遥感卫星接收。图示为水和二氧化碳对某一波段不同波长电磁波的吸收情况。由图可知,在该波段红外遥感大致能够接收到的波长范围为(　　)。

A.2.5 μm~3.5 μm　　　　　B.4 μm~4.5 μm

C.5 μm~7 μm  D.8 μm~13 μm

【解析】由图可知,水对红外辐射吸收率最低的波长范围是8 μm~13 μm;二氧化碳对红外辐射吸收率最低的波长范围是5 μm~13 μm。综上可知,选D。

【答案】D

二、多项选择题(本大题共3小题,每小题6分,共18分)

6.下列现象是由于所产生的电磁波而引起的是(　　)。

 A.用室内天线接收微弱电视信号时,人走过电视机前时电视机画面发生变化

 B.用天线接收电视信号时,汽车开过时电视机画面发生变化

 C.把半导体收音机放到开着的日光灯旁听到噪声

 D.在边远地区用无线电话机通话,有时会发生信号中断的现象

【解析】人走过电视机时对电磁波的传播造成了影响,而与电磁波的产生无关,无线电话通话时的掉线往往是由于电磁波信号太弱所导致的,也与产生无关,故选项A、D均错。汽车开过时,汽车所产生的电磁波会对电视所接收的电磁波产生影响,开着的日光灯也会产生振荡电磁波,故选项B、C正确。

【答案】BC

7.一个电容为C的电容器,充电至电压等于U以后,与电源断开并通过一个自感系数为L的线圈放电,从开始放电到第一次放电完毕的过程中(　　)。

A.振荡电流一直在不断增大

B.振荡电流先增大后减小

C.通过电路的平均电流等于

D.通过电路的平均电流等于

【解析】电容器的放电过程中,电流和磁场能一直增大至放电结束,故选项A正确;电容器最大贮存电荷量Q=CU,放电时间t==,故平均电流i==,故选项C正确。

【答案】AC

8.图示反映了LC振荡电路中某时刻线圈中的磁场方向及电容器极板带电的情况,由图可以判定(　　)。

A.电容器正在充电,回路中的电流为顺时针方向,磁场能向电场能转化

B.电容器正在放电,电流为顺时针方向,电场能向磁场能转化

C.电感线圈中的电流正在增大,电感线圈中的磁场能正在增加

D.电感线圈中的电流正在减小,此时刻自感电动势正在阻碍电流减小

【解析】要产生图中所示方向的磁场,由楞次定律可以判断出回路的电流方向应为顺时针方向,故此时电容器上极板的正电荷量会增加,即电容器正处于充电状态,从能量角度看,电场能增加,磁场能减小,磁场能向电场能转化,所以回路中的电流就要减小,线圈中的自感电动势就要阻碍电流的减小,故选项A、D正确。

【答案】AD

三、填空题(本大题共2小题,共16分。将答案填在题目中的横线上)

9.(6分)根据热辐射理论,物体发出的最大波长λm与物体的绝对温度T的关系满足T·λm=2.90×10-3 m·K,若猫头鹰的猎物——蛇,在夜间体温为27 ℃,则它发出光的最大波长为　　　　　m,属于　　　　　　波段。 

【解析】最长波长λm= m=9.7×10-6 m,属于红外线波段。

【答案】9.7×10-6　红外线

10.(10分)目前电能都是通过电网采用有线方式传输的,人们一直梦想能无线传输电能,梦想在日常生活中实现无线充电,甚至不用电池。现在,一科学研究小组在实验室中取得了可喜的进展,也许,人类的这一梦想不久就能实现。

(1)实现无线传输能量,涉及能量的　　　、传播和接收。 

(2)科学家曾经设想通过高耸的天线塔,以无线电波的形式将电能输送到指定地点,但一直没有在应用层面上获得成功,其主要原因是这类无线电波(　　)。

A.在传输中很多能量被吸收

B.在传输中易受山脉阻隔

C.向各个方向传输能量

D.传输能量易造成电磁污染

(3)如果像无线广播那样通过天线塔输送电能,接收器获得的功率P和它到天线塔的距离R相关,实验测量P和R的部分数据如下表:

①上表中的x=　　　　,y=　　　　。 

②根据表中的数据可归纳出P和R之间的关系式为　　　　。 

【解析】(1)像电磁波一样,无线传输能量也需要发射、传播和接收的过程。

(2)电磁波可以向各个方向传播,而电能的输送需要定向传播。

(3)由表中的前三组数据和最后一组数据可以看出PR2=1600。将R=5代入上式得P=64,所以y=64;将P=25代入得R=8,所以x=8。

【答案】(1)发射　(2)C　(3)①8　64　②PR2=1600

四、计算题(本题共3小题,共36分,解答应写出必要的文字说明、方程式和重要演算步骤。只写出最后答案的不能得分。有数值计算的题,答案中必须明确写出数值和单位)

11.(10分)某一战斗机正以一定的速度朝雷达的正上方水平匀速飞行,已知雷达发射相邻两次电磁波之间的时间间隔为5×10-4 s,某时刻在雷达荧光屏上显示的波形如图甲所示,t=173 s后雷达向正上方发射和接收的波形如图乙所示,雷达监视相邻刻线间表示的时间间隔为10-4 s,电磁波的传播速度为c=3×108 m/s,则该战斗机的飞行速度大约为多少?

【解析】由题意知荧光屏相邻刻线间的时间间隔t0=10-4 s,甲图发射波和接收波的时间间隔是t1=4×10-4 s,乙图时间间隔t2=1×10-4 s,所以第一次飞机位置距雷达的距离为s1=3.0×108×=6.0×104 m,第二次飞机在雷达正上方,所以飞机高度h=3.0×108×=1.5×104 m,所以173 s后飞机飞行的距离为

s= m=5.8×104 m

所以v== m/s=335 m/s。

【答案】335 m/s

12.(12分)如图所示,线圈L的自感系数为25 mH,电阻为零,电容器C的电容为40 μF,灯泡D的规格是“4 V　2 W”。开关S闭合后,灯泡正常发光,S断开后,LC中产生振荡电流。若从S断开开始计时,求:

(1)当t=×10-3 s时,电容器的右极板带何种电荷。

(2)当t=π×10-3 s时,LC回路中的电流。

【解析】 由T=2π知,T=2πs=2π×10-3 s。

(1)t=×10-3 s=T,断开开关S时,电流最大,经电流最小,电容器两极板间电压最大,在此过程中对电容器充电,右极板带正电。

(2)t=π×10-3 s=,此时电流亦为最大,与没有断开开关S时电流大小相等,则I==A=0.5 A。

【答案】 (1)带正电　(2)0.5 A

13.(14分)某收音机接收电磁波的波长范围在182 m~577 m之间,该收音机调谐电路的可变电容器的动片完全旋出时,回路的电容为39 pF。

(1)求该收音机接收电磁波的频率范围。

(2)该收音机的可变电容器动片完全旋入定片间,回路中的电容是多大?

【解析】(1)由λ=得f=,c为真空中的光速,代入数据可解得其电磁波的频率范围为:5.2×105 Hz~16.5×105 Hz。

(2)动片完全旋出时,电容最小,C1=39 pF,其振荡周期最小,对应接收的电磁波的波长最短,为λ1=182 m

动片完全旋入时,电容最大,设其为C2,其振荡周期最大,对应接收的电磁波的波长最长,为λ2=577 m

由f==,得=

故C2=C1=()2×39 pF=392 pF。

【答案】(1)5.2×105 Hz~16.5×105 Hz　(2)392 pF