高中物理人教版 (新课标)选修31 电磁波的发现教学设计及反思

　　多年来,《永不消失的电波》《谍影》《保密局的枪声》《羊城暗哨》《英雄虎胆》《潜伏》《风声》等电影或电视剧都曾风靡大江南北,这些电影或电视剧都属于谍战片。在这些谍战片中,英勇机警的地下工作者都有一个和地下组织联系的重要工具——发报机。

图示是某博物馆收藏的抗战时期地下工作者所用的一种极其简单的发报机。你想了解发报机的工作原理吗?你想知道对方是怎样接收到信息的吗?你想搞清楚在发射或接收过程中需要哪些基本的步骤吗?在本章我们来重点解决这些问题。

课时14.1　电磁波的发现　电磁振荡

　　1.了解发现电磁波的历史背景,了解麦克斯韦电磁场理论的主要观点,知道电磁波的概念及通过电磁波体会电磁场的物质性。

2.体验赫兹证明电磁波存在的实验过程及实验方法,领会物理实验对物理学发展的意义。

3.通过对电磁振荡的实验观察,体会LC电路中电荷、电场、电流、磁场的动态变化过程及其相关物理量的变化情况,了解电磁波的产生过程。

4.了解LC振荡电路固有周期和固有频率的公式,了解实际生产、生活中调节振荡电路频率的基本方法。

重点难点:麦克斯韦电磁场理论,电磁振荡及LC振荡电路的工作过程。

教学建议:通过本节的学习,要对电磁场的理论有初步的定性了解。了解电磁场理论建立的历史过程,使学生体会麦克斯韦电磁场理论的基本思想在物理学发展中的理论意义,体会科学家研究物理问题的思想方法。关于电磁振荡的学习,可以从演示着手,使学生获得一些感性认识后再学习LC振荡电路和振荡电流,了解在各个阶段电场能、电荷量、电压、电流、磁感应强度和磁场能的变化规律。

导入新课:如果说广播、电视给人们带来了休闲和娱乐,那么迅猛发展的移动通讯更加方便了人们的生活,它以通讯方式缩短了人们之间的距离,同时还兼容了休闲娱乐功能来丰富人们的生活。当你在享受科技给生活带来的便捷时,你是否思考过电视广播、移动通讯的工作原理?你是否知道电磁波是怎样发现的?

1.电磁波的发现

(1)电磁波的预言

第一个预言电磁波的是①英国(填一国家名)物理学家麦克斯韦。麦克斯韦在法拉第等前人的基础上建立了完整的电磁场理论,它的两个基本观点:①变化的磁场产生②电场;②变化的电场产生③磁场。

(2)电磁波

①根据麦克斯韦电磁场理论,周期性变化的电场和磁场相互联系,形成电场和磁场的统一体,它由近及远地向周围传播,这就是④电磁波。

②根据麦克斯韦电磁场理论,电磁波在真空中传播时,它的⑤电场强度和⑥磁感应强度是相互垂直的,且二者均与⑦波的传播方向垂直。因此电磁波是⑧横波(填“横波”或“纵波”)。

③麦克斯韦指出电磁波的传播速度等于⑨光速,反映了光的电磁本性。

④第一个通过实验证明电磁波存在的是德国科学家⑩赫兹(填一人名)。

2.电磁振荡

(1)电磁振荡的产生

①振荡电流:大小和方向都做周期性迅速变化的电流叫振荡电流。

②振荡电路:能产生振荡电流的电路叫振荡电路。由电感线圈和电容组成的电路是最简单的振荡电路,称为LC振荡电路。

③电磁振荡:在振荡电路里产生振荡电流的过程中,电容器极板上的电荷量q、电路中的电流i、电容器里的电场强度E、线圈里的磁感应强度B都发生周期性变化的现象。

(2)电磁振荡的周期和频率

①电磁振荡的周期是指电磁振荡完成一次周期性变化需要的时间。

②对于LC振荡电路,其固有周期表达式:T=2π,固有频率表达式:f=。

1.麦克斯韦提出“变化的磁场产生电场”是基于电磁感应,提出“变化的电场产生磁场”是基于什么原因?

解答: 基于自然规律的对称性。

2.是谁证实了麦克斯韦的理论?

解答: 德国科学家赫兹。

3.机械振动与电磁振荡有什么共同特点?

解答: 描述振动的各个物理量都呈周期性变化。

主题1:对麦克斯韦电磁场理论的理解

问题:(1)恒定的电场(磁场)能产生磁场(电场)吗?

(2)均匀变化的电场(磁场)产生什么性质的磁场(电场)?

(3)周期性变化的电场(磁场)产生什么性质的磁场(电场)?

解答:(1)恒定的电场(磁场)不能产生磁场(电场)。

(2)均匀变化的电场(磁场)产生恒定的磁场(电场)。

(3)周期性变化的电场(磁场)产生同频率的周期性变化的磁场(电场)。

知识链接:牛顿把天上和地上的运动规律统一起来,麦克斯韦把电、光统一起来,他们实现了科学史上的两次大综合。

　　主题2:电磁振荡

情景:图示是电磁振荡的原理示意图,根据所给的示意图回答以下问题。

问题:(1)当开关处于图示位置时,电流表有没有示数?电容器极板上的电荷量的分布情况如何?

(2)当开关打到左边的瞬间,电流表的示数和电容器极板上的电荷量的分布情况又如何?

(3)当振荡电路开始工作后,电路中的电流是怎样变化的?为什么?

(4)振荡电路的周期和频率由什么因素决定?为什么又叫电路的固有周期、固有频率?

解答:(1)电流表示数为零,电容器所带电荷量最大。

(2)电荷量还没有来得及变化,所以电流表示数仍然为零。

(3)电流由零变大,再变小至零,由零再变大……如此做周期性变化,是因为线圈能够起到阻碍电流变化的作用。

(4)LC回路的周期、频率都由电路本身的特性(L、C值)决定。由于与电容器极板上电荷量的多少、板间电压的高低、是否接入电路中等因素无关,所以称为电路的固有周期和固有频率。

知识链接:振荡电路中电流是高频率、低功率的正弦(余弦)交变电流。

1.(考查麦克斯韦电磁场理论)关于麦克斯韦电磁场理论,下列说法正确的是(　　)。

A.在电场周围一定存在着磁场

B.任何变化的电场周围一定存在着变化的磁场

C.均匀变化的磁场周围一定存在着变化的电场

D.振荡电场在它周围的空间一定产生同频率的振荡磁场

【解析】在变化的电场周围才存在磁场,振荡的电场(非均匀变化的)会产生同频率周期性振荡的磁场。均匀变化的磁场周围存在着稳定的电场。

【答案】D

【点评】磁场或电场不同的变化形式导致产生的电场或磁场不同。

2.(考查电磁波和声波的区别)电磁波与声波相比较,下列说法正确的是(　　)。

A.电磁波的传播不需要介质,声波的传播需要介质

B.由空气进入水中时,电磁波速度变小,声波速度变大

C.由空气进入水中时,电磁波波长变小,声波波长变大

D.电磁波和声波在介质中的传播速度,都是由介质决定的,与频率无关

【解析】A、B均与事实相符,所以A、B正确。由空气进入水中时,根据λ=,电磁波波速变小,频率不变,波长变小;声波速度变大,频率不变,波长变大,所以C正确。电磁波在介质中的速度与介质有关,也与频率有关,在同一介质中,频率越大,波速越小,所以D错误。

【答案】ABC

【点评】注意理解机械波与电磁波的区别。

3.(考查电磁振荡过程)图示是LC振荡电路中振荡电流与时间的关系图线,若电容器开始放电的时刻为t=0,则下列说法中正确的是(　　)。

A.在t=0时,线圈中的磁场能最小

B.在t=1 s时,电容器中电场能最大

C.在t=2 s时,电容器放电结束

D.在t=3 s时,电容器充电结束

【解析】电流增大的过程中磁场能增加,电场能减少,所以电容器放电,也就是磁场能的大小由电流的大小决定。

【答案】A

【点评】在电磁振荡过程中,电场能与磁场能不断相互转化。

4.(考查电磁振荡的周期)如图所示,这是某电器元件厂生产的可调电容器,把它接在L不变的LC振荡电路中,为了使振荡的频率从700 Hz变为1400 Hz,可采取的办法有(　　)。

A.电容增大到原来的4倍

B.电容增大到原来的2倍

 C.电容减小到原来的

D.电容减小到原来的

【解析】由题意,频率变为原来的2倍,则周期就变为原来的,由T=2π 可知,L不变,当C=C0时才符合要求。

【答案】D

【点评】根据振荡电路的周期公式进行分析,当周期变化时,电容不是成倍地增加或减小的。

拓展一:电磁振荡的产生

1.在如图甲所示的LC振荡电路中,通过P点的电流变化规律如图乙所示,且把通过P点向右的电流方向规定为图乙纵坐标电流i的正方向,则(　　)。

A.0.5 s~1 s内,电容器C在充电

B.0.5 s~1 s内,电容器C的上极板带正电

C.1 s~1.5 s内,电路中Q点比P点电势高

D.1 s~1.5 s内,磁场能向电场能转化

【分析】本题考查电磁振荡的过程。要注意电流图象所表示的电流与振荡电路中的电流的对应关系。

【解析】0~0.5 s内,电流正在增大,电容器正在放电;0.5 s~1 s内,电流正在减小,电容器正在充电,且电容器的下极板为正极板,带正电。1 s~1.5 s内,电路中的电流反向增大,电容器放电,Q点电势比P点高,电流增大,磁场能增大,电场能向磁场能转化。

【答案】AC

【点拨】电流大小和电容器上的电荷量相对应,当电路中的电流增大时,处于放电过程,电容器上的电荷量减少,电流最大时电荷量最少。

拓展二:电磁振荡具体情况分析

2.要增大如图所示的振荡电路的频率,下列说法中正确的是(　　)。

A.减少电容器带的电荷量

B.将开关S从1拨到2

C.将铁芯插入线圈中

D.将电容器的上极板旋出一些

　　【分析】振荡电路左边是带铁芯的线圈,并且铁芯可移动,线圈匝数可调;右边是电容器,极板可调节;调节频率就是调节周期。

【解析】根据公式f=可知f∝,要增大f,必须减小L和C二者之积。C跟电容器带的电荷量无关,减小两极板的正对面积和从两极板间抽出介质都可减小电容C,故A错、D对;线圈越细、越短,匝数越少,L越小;插入铁芯,L将变大,故B对、C错。

【答案】BD

【点拨】电磁振荡的周期(频率)与线圈的自感系数和电容器的电容有关,与电荷量的多少无关。

一、物理百科

麦 克 斯 韦

麦克斯韦(James Clerk Maxwell,1831—1879)英国物理学家,经典电磁理论的奠基人。1831年6月13日出生于爱丁堡。父亲受的是法学教育,但思想活跃,爱好科学技术,使他从小就受到科学的熏陶。10岁那年进入爱丁堡中学,由于讲话带有很重的乡音和衣着不入时,在班上经常被排挤,受讥笑。但在一次全校举行的数学和诗歌比赛中,麦克斯韦一人独得两个科目的一等奖。

他以自己的勤奋和聪颖获得了同学们的尊敬。他的学习内容逐渐地突破了课本和课堂教学的局限。他的关于卵形曲线画法的第一篇科学论文发表在《爱丁堡皇家学会会刊》上,他采用的方法比笛卡儿的方法还简便,那时他仅仅15岁。1847年他进入爱丁堡大学听课,专攻数学,但他很重视参加实验,广泛涉猎电化学、光学、分子物理学以及机械工程等。他说:“把数学分析和实验研究联合使用得到的物理科学知识,比一个单纯的实验人员或单纯的数学家所具有的知识更加坚实、有益而牢固。”

1850年他考入剑桥大学,1854年以优异成绩毕业并获得了学位,留校工作。1856年起任苏格兰阿伯丁的马里沙耳学院的自然哲学讲座教授,直到1874年。经法拉第举荐,自1860年起任伦敦皇家学院的物理学和天文学教授。1871年起负责筹划卡文迪许实验室,随后被委派在剑桥大学创办卡文迪许实验室并担任第一任负责人。1879年11月5日麦克斯韦因患癌症在剑桥逝世,终年仅48岁。

二、备用试题

1.某电路中电场随时间变化的图象如图所示,能发射电磁波的电场是(　　)。

【解析】图A中电场不随时间变化,不会产生磁场。图B和C中电场都随时间均匀变化,只能在周围产生稳定的磁场,也不会产生和发射电磁波。

图D中电场随时间做不均匀的变化,能在周围空间产生变化的磁场,而这磁场的变化也是不均匀的,又能产生变化的电场,从而交织成一个不可分割的统一体,即形成电磁场,才能发射电磁波。

【答案】D

2.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π;若图示时刻电容器正在充电,则充电至最大电荷量时间为(　　)。

A.π B.π

C.π D.π

【解析】 LC振荡电路在一个周期内电容器会两次充电、两次放电,每次充电或放电时间均为T=π。据题意,电容器电荷量由Q减小到零,需时间为π=T,说明电容器由最大电荷量放电到Q需时间为T-T=T=π,由电荷量Q充电至最大电荷量所需时间同样为π。

【答案】C

3.如图所示,L为一电阻可忽略的线圈,D为一灯泡,C为电容器,开关S处于闭合状态,灯D正常发光,现突然断开S,并开始计时,能正确反映电容器a极板上电荷量q随时间变化的图象是(图中q为正值表示a极板带正电)(　　)。

【解析】确定a极板上电荷量q的起始状态,再确定第一个四分之一周期内的变化情况。

S处于接通状态时,电流稳定,因忽略L的电阻,电容器两极板间的电压为零,电荷量为零。S断开,D灯熄灭,LC组成的回路将产生电磁振荡。由于线圈的自感作用,在0≤t≤时间段内,线圈产生的自感电动势给电容器充电,电流方向与原线圈中的电流方向相同,电流值从最大逐渐减小到零,但电荷量却从零逐渐增加到最大,在时刻充电完毕,电流值为零而极板上的电荷量最大,b板带正电,a板带负电,所以选项B正确。

【答案】B

4.图示为LC振荡电路中振荡电流随时间变化的图象,由图可知,在OA时间内　　　　能转化为　　　　能,在AB时间内电容器处于　　　　(填“充电”或“放电”)过程,在时刻C,电容器所带电荷量　　　　(填“为零”或“最大”)。 

【解析】 由图可知,振荡电流随时间做正弦规律变化。在OA时间内电流增大,电容器正在放电,电场能逐渐转化为磁场能。在AB时间内电流减小,电容器正在充电。在时刻C,电流最大,为电容器放电完毕瞬间,所带电荷量为零。

【答案】 电场　磁场　充电　为零