2021_2022学年新教材高中物理第4章电磁振荡与电磁波综合提升学案粤教版选择性必修第二册

第4章 电磁振荡与电磁波

主题1　理解电磁振荡的三个“两”

1．两类物理量

一类是与电场有关的物理量，一类是与磁场有关的物理量。

(1)电流i，它决定了磁场能的大小。振荡电流i在电感线圈中形成磁场，因此，线圈中的磁感应强度B、磁通量Φ和磁场能E磁具有与之相同的变化规律。

(2)电量q，它决定了电场能的大小。电容器两极板间的电压U、场强E、电场能E电，线圈的自感电动势E的变化规律与q的相同。

注意：电流i和电量q的变化不同步，规律如图所示。

2．两个过程

(1)充电：当电容器的电量增加时为充电过程，这个过程中电路的电流减小。

(2)放电：电量减小时为放电过程，这个过程中电路的电流增加。

注意：在任意两个过程的分界点对应的时刻，各物理量取特殊值(零或最大值)。

3．两类初始条件

图甲和图乙电路，表示了电磁振荡的两类不同初始条件。

(1)图甲中开关S从1合向2时，振荡的初条件为电容器开始放电。

(2)图乙中开关S从1合向2时，振荡的初始条件为电容器开始充电。

　甲　　　　 　乙

学习中应注意区分这两类初始条件，否则会得出相反的结论。

【典例1】　(多选)如图所示，甲为LC振荡电路，通过P点的电流如图乙，规定逆时针方向为正方向，下列说法正确的是(　　)

甲　　　　　　　　　　乙

A．0至t1，电容器正在充电，上极板带正电

B．t1到t2，电容器正在放电，上极板带负电

C．在t3时刻，线圈中的自感电动势最大，且P为正极

D．在t4时刻，线圈中的自感电动势最大，且P为正极

BC　[0到t1，电流为正，且在减小，即电流为逆时针方向减小，说明电容器正在充电，电流方向为正电荷的运动方向，所以上极板带负电荷；t1到t2，电流为负且在增大，即电流为顺时针方向增大，说明电容器在放电，上极板带负电荷；在t3时刻，电流的变化率最大，所以自感电动势最大，而t3之前的电流为负且减小，即顺时针减小，线圈中的感应电动势阻碍电流的减小，如能产生电流，则与原电流同向，即P点为正极；在t4时刻，电流最大，电流的变化率为零，自感电动势为零。故B、C正确，A、D错误。]

紧抓住能量转化这条线，理解电磁振荡过程。

在电容器充电过程中，q↑→电场↑→电场能↑→磁场能↓→磁场↓→线圈中的电流i↓。

在电容器放电过程中，q↓→电场↓→电场能↓→磁场能↑→磁场↑→线圈中的电流i↑。

主题2　电磁波与机械波的区别和联系

电磁波与机械波都是波，但又各有自己的特点，如能正确比较电磁波和机械波的异同，就能全面、透彻地理解这两个知识点。

1．电磁波和机械波的共同点

(1)二者都能发生干涉和衍射。

(2)二者的传播速度都与介质有关。

(3)二者在不同介质中传播时频率不变。

2．电磁波和机械波的区别

(1)二者本质不同

电磁波是电磁场的传播，机械波是质点机械振动的传播。

(2)传播机理不同

电磁波的传播机理是电磁场交替感应，机械波的传播机理是质点间的机械作用。

(3)电磁波传播不需要介质，而机械波传播需要介质。

(4)电磁波是横波。机械波既有横波又有纵波，甚至有的机械波同时有横波和纵波，例如地震波。

【典例2】　(多选)关于机械波和电磁波，下列说法中正确的是(　　)

A．机械波和电磁波都能在真空中传播

B．机械波和电磁波都可以传递能量

C．机械波和电磁波都能发生衍射和干涉现象

D．电磁波的波速与介质无关

BC　[本题考查机械波与电磁波的区别。机械波的传播需要介质，而电磁波的传播不需要介质，选项A不正确；干涉、衍射是波特有的现象，选项C正确；波能传递能量，选项B正确；电磁波在不同介质中，传播速度一般不同，选项D错误。]

(1)频率由波源决定，与介质无关。

(2)电磁波可以在真空中传播也可以在介质中传播，机械波只能在介质中传播。

(3)电磁波的波速与频率和介质均有关，机械波的波速仅与介质有关，与频率无关。

主题3　雷达的原理和应用

1．利用雷达测定物体的距离：解决这类问题的关键是区分发射脉冲波形和反射脉冲波形，找出从发射电磁波和接收到回来的电磁波的时间差，再利用s＝vt，求出物体的距离。

2．利用雷达测定物体的速度：这类问题往往要有两个(或两个以上)的发射脉冲与反射脉冲，可以确定一段时间前后物体的两个位置或一段时间的位移，从而测出物体的速度。

3．利用雷达确定物体的位置：雷达有一个可以转动的天线，它能向一定方向发射无线电(微波)脉冲，雷达可根据发射无线电波的方向和仰角，再参考所测得物体的距离，从而确定某一时刻物体的位置。实际上，这一切数据都由电子电路自动计算并在荧光屏上显示出来。

【典例3】　　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，雷达荧光屏上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？

甲　　　　　　乙

[解析]　由题意知荧光屏相邻刻线间的时间间隔t0＝10－4s，甲图发射波和接收波的时间间隔t1＝4×10－4 s，乙图时间间隔t2＝1×10－4s，所以，第一次战斗机距雷达的距离为s1＝c×＝6.0×104 m，第二次战斗机在雷达正上方，所以，战斗机的高度h＝c×＝1.5×104 m，故173 s内战斗机飞行的水平距离为s＝＝5.8×104 m。所以v＝≈335 m/s。

[答案]　335 m/s

通过雷达测量距离实际是测量发射脉冲与回波脉冲之间的时间差，因电磁波以光速传播，据此就能换算成目标的精确距离。

通过雷达测量目标方位是利用天线的尖锐方位波束测量。测量仰角靠窄的仰角波束测量。根据仰角和距离就能计算出目标高度。

科学技术是一把双刃剑——电磁污染

电场和磁场的交互变化产生电磁波。电磁波向空中发射或汇汛的现象，叫电磁辐射。过量的电磁辐射就造成了电磁污染。电磁污染是指天然的和人为的各种电磁波的干扰及有害的电磁辐射。

电磁污染包括天然和人为两种来源。

(1)天然的电磁污染是某些自然现象引起的。最常见的是雷电，雷电除了可能对电气设备、飞机、建筑物等直接造成危害外，还会在广泛的区域产生从几千Hz到几百MHz的极宽频率范围内的严重电磁干扰。

(2)人为的电磁污染包括有：①脉冲放电。例如切断大电流电路时产生电磁污染的火花放电，其瞬变电流很大，会产生很强的电磁。它在本质上与雷电相同，只是影响区域较小。②工频交变电磁场。例如在大功率电机、变压器以及输电线等附近的电磁场，它并不以电磁波的形式向外辐射，但在近场区会产生严重电磁干扰。③射频电磁辐射。例如无线电广播、电视、微波通信等各种射频设备的辐射，频率范围宽，影响区域也较大，能危害近场区的工作人员。射频电磁辐射已经成为电磁污染环境的主要因素。

[设问探究]

1．什么是电磁污染，电磁污染对人类会产生哪些危害？

2．从物理学的角度怎样防止电磁污染？

提示：

1．电磁污染又称电磁波污染或射频辐射污染。研究发现，电磁辐射会危害人体健康，波长越短，危害越突出，过量的电磁波辐射对心脏、血液和眼睛等都有很大的危害。

2．电磁波污染的防治从物理学角度看，可以从电磁波源、电磁波的传播途径以及受辐射的人这三个方面进行防护。

[深度思考]　

科学技术是一把双刃剑，电磁波的应用也是这样。它在使人类的生活发生日新月异变化的同时也存在副作用——电磁污染。频率超过0.1 MHz的电磁波的强度足够大时就会对人体构成威胁。按照有关规定，人体所受到的电磁辐射强度(即单位时间内垂直通过单位面积的电磁波的能量)不得超过某一规定值Ie。已知某无线通信设备发射电磁波的功率为P，设该通信设备向四面八方均匀地发射电磁波，且电磁波在传播过程中无能量损失。由数学知识可知，球面的面积S＝4πr2(式中r为球半径)，球半径与球面总是垂直的。根据上述资料，可估算出人体到该通信设备发射电磁波处的安全距离至少应为多少时，人体所受的电磁辐射强度才不会超过规定值？

[解析]　设人到污染源的距离为r。以污染波源为球心，以r为半径作一球面，若球面上电磁波的辐射强度为Ie，则4πr2Ie＝P

所以r＝

即人离波源的距离至少为 才在安全区。

[答案]　

[素养点评]　本题是联系现代科技的考题，以电磁波的辐射为背景设置为一道题目，考查学生对构建物理模型的能力，学生只有掌握电磁波发射的原理并合理的构建球形模型，才能顺利解决此类问题，体现科学思维与科学态度与责任在物理教学中的重要意义。