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电磁波的发现电磁振荡一、伟大的预言┄┄┄┄┄┄┄┄①1．变化的磁场产生电场实验基础：如图所示，在变化的磁场中放一个闭合电路，电路里就会产生感应电流。麦克斯韦对该问题的见解：电路里有感应电流产生，一定是变化的磁场产生了电场，自由电荷在电场的作用下发生了定向移动。该现象的实质：变化的磁场产生了电场。2．变化的电场产生磁场麦克斯韦大胆地假设，既然变化的磁场能产生电场，那么，变化的电场也会在空间产生磁场。[注意]变化的磁场所产生电场的电场线是闭合的，而静电场中的电场线是不闭合的。①[选一选][多选]某电路的电场随时间变化的图象如图所示，能产生磁场的电场是()解析：选BCD题图A中电场不随时间变化，不产生磁场；题图B和题图C中电场都随时间做均匀变化，能产生稳定的磁场；题图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。二、电磁波┄┄┄┄┄┄┄┄②1．电磁波的产生：变化的电场和变化的磁场交替产生，由近及远向周围传播，形成电磁波。2．电磁波是横波：根据麦克斯韦的电磁场理论，电磁波在真空中传播时，它的电场强度与磁感应强度互相垂直，而且二者均与波的传播方向垂直，因此电磁波是横波。3．电磁波的速度：麦克斯韦指出了光的电磁本质，他预言电磁波的速度等于光速。4．电磁波的实验证实(1)赫兹利用如图所示的实验装置，证实了电磁波的存在。(2)赫兹的其他实验成果：赫兹通过一系列的实验，观察到了电磁波的反射、折射、干涉、衍射和偏振等现象，并通过测量证明，电磁波在真空中具有与光相同的速度c，证实了麦克斯韦关于光的电磁理论。[注意]电磁波是电磁现象，机械波是力学现象，两者都具有波的特性：干涉、衍射等，但它们具有本质的不同，如机械波的传播依赖于介质的存在，但电磁波的传播则不需要介质。②[判一判]1．电磁波在真空和介质中传播速度相同(×)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(×)三、电磁振荡的产生┄┄┄┄┄┄┄┄③1．振荡电流：大小和方向都做周期性迅速变化的电流。2．振荡电路：产生振荡电流的电路。最简单的振荡电路为LC振荡电路。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，放电电流不能马上达到最大值，而是由零逐渐增大，同时电容器极板上的电荷逐渐减少。到放电完毕时，电容器极板上没有电荷，放电电流达到最大值。该过程电容器储存的电场能转化为线圈的磁场能。(2)充电过程：电容器放电完毕时，由于线圈的自感作用，电流并不会立即减小为零，而会保持原来的方向继续流动，并逐渐减小，电容器开始充电，极板上的电荷逐渐增加，当电流减小到零时，充电结束，极板上的电荷量达到最大值。该过程线圈中的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)实际的LC振荡是阻尼振荡：电路中有电阻，振荡电流通过时会有热量产生，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。[说明]在电磁振荡过程中，电容器极板上的电荷量，电路中的电流与振荡电流相联系的电场和磁场都在周期性的变化，电场能和磁场能周期性的转化。类比单摆摆动过程中的能量转化来分析电磁振荡过程中的能量转化情况：电容器充电时相当于摆球从平衡位置被拉到最高点，电场能相当于摆球势能，磁场能相当于摆球动能。电容器在放电过程中电场能转化为磁场能，相当于摆球由最高点向平衡位置运动，摆球势能转化为动能。电容器放电结束，电场能全部转化为磁场能，相当于摆球到达平衡位置时摆球势能全部转化为动能。③[选一选][多选]在LC回路产生电磁振荡的过程中，下列说法正确的是()A．电容器放电完毕时刻，回路中磁场能最小B．回路中电流值最大时刻，回路中磁场能最大C．电容器极板上电荷最多时，电场能最大D．回路中电流值最小时刻，电场能最小解析：选BC电容器放电完毕时，q＝0，但此时i最大，所以磁场能最大，则A错误；电流最小i＝0时，q最多，极板间电场最强，电场能最大，则D错误；同理分析，选项B、C正确。四、电磁振荡的周期和频率┄┄┄┄┄┄┄┄④1．周期：电磁振荡完成一次周期性变化需要的时间。2．频率：1s内完成的周期性变化的次数。如果振荡电路没有能量损失，也不受其他外界影响，这时的周期和频率分别叫做固有周期、固有频率。3．周期和频率公式：T＝2πLC，f＝12πLC。[注意]LC振荡电路的固有频率只取决于线圈的自感系数L和电容器的电容C，与电容器带电多少、极板间的电压高低和是否接入电路等因素无关。④[选一选]要增大LC振荡电路的频率，可采取的办法是()A．增大电容器两极板正对面积B．减少极板带电荷量C．在线圈中放入软铁棒作铁芯D．减少线圈匝数解析：选D根据LC振荡电路的频率公式f＝12πLC和平行板电容器电容公式C＝εrS4πkd知，当增大电容器两极板正对面积时，C增大，f减小；减少极板带电荷量，不影响C，即f不变；在线圈中放入软铁棒作铁芯，L增大，f减小；减少线圈匝数，L减小，f增大，故D正确。1.对麦克斯韦电磁场理论的理解恒定的电场不产生磁场恒定的磁场不产生电场均匀变化的电场在周围空间产生恒定的磁场均匀变化的磁场在周围空间产生恒定的电场不均匀变化的电场在周围空间产生变化的磁场不均匀变化的磁场在周围空间产生变化的电场振荡电场产生同频率的振荡磁场振荡磁场产生同频率的振荡电场2.对电磁场的理解(1)电磁场的产生如果在空间某区域有周期性变化的电场，那么这个变化的电场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新的周期性变化的电场……变化的电场和变化的磁场交替产生，形成了不可分割的统一体，这就是电磁场。(2)电磁场与静电场、静磁场的比较三者可以在某空间混合存在，但由静电场和静磁场混合的空间不属于电磁场。电磁场是电场、磁场相互激发，相互耦连形成的统一体。电磁场由近及远传播，形成电磁波，如图所示。[典型例题]例1.[多选]判断如图所示的电场产生磁场(或磁场产生电场)的关系图象(每个选项中的上图表示变化的场，下图表示变化的场产生的另外的场)，其中正确的是()[解析]A图中的上图磁场是稳定的，由麦克斯韦的电磁场理论可知周围空间不会产生电场，所以下图错误；B图中的上图是均匀变化的电场，应该产生稳定的磁场，下图的磁场是稳定的，所以下图正确；C图中的上图是振荡的磁场，它能产生同频率的振荡电场，且相位相差π2，所以下图正确；D图的上图是振荡的电场，在其周围空间产生振荡的磁场，但是下图中的图象与上图相比较，相位相差应为π2而不是π，所以下图错误。综上所述，B、C正确，A、D错误。[答案]BC[点评](1)麦克斯韦电磁场理论的两大支柱：变化的磁场产生电场；变化的电场产生磁场。而产生的电场或磁场如何变化与原磁场或原电场的变化规律有关。(2)洛伦兹力对运动电荷永不做功，但变化的磁场产生的感应电场可以对运动电荷做功。[即时巩固]1．根据麦克斯韦电磁场理论，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解析：选D根据麦克斯韦电磁场理论，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D正确。机械波电磁波研究对象力学现象电磁现象周期性位移随时间和空间做周期性变化电场强度E和磁感应强度B随时间和空间做周期性变化传播情况传播需要介质，波速与介质有关，与频率无关传播无需介质，在真空中波速总等于光速c，在介质中传播时，波速与介质及频率都有关产生机理由(波源)质点的振动产生由电磁振荡(周期性变化的电流)激发是否横波可以是是是否纵波可以是否干涉现象满足干涉条件时均能发生干涉现象衍射现象满足衍射条件时均能发生明显衍射相关计算公式v＝λT＝λf均适用[典型例题]例2.[多选]以下关于机械波与电磁波的说法中，正确的是()A．机械波与电磁波本质上是一致的B．机械波的波速只与介质有关，而电磁波在介质中的波速，不仅与介质有关，还与电磁波的频率有关C．机械波可能是纵波，而电磁波必定是横波D．它们都能发生反射、折射、干涉和衍射现象[解析]机械波由振动产生，电磁波由周期性变化的电场(或磁场)产生；机械波传播需要介质，波速由介质决定；电磁波的传播不需要介质，波速由介质和本身频率共同决定；机械波有横波，也有纵波，而电磁波一定是横波，故选项B、C、D正确。[答案]BCD[点评](1)电磁波和机械波都遵循波长、波速、频率的关系公式λ＝vf，电磁波进入介质遵循公式n＝cv。(2)机械波的传播需要介质，电磁波的传播不需要介质。[即时巩固]2．类比是一种有效的学习方法，通过归类和比较，有助于掌握新知识，提高学习效率。在类比过程中，既要找出共同之处，又要抓住不同之处。某同学对机械波和电磁波进行类比，总结出下列内容，其中不正确的是()A．机械波的频率、波长和波速三者满足的关系，对电磁波也适用B．机械波和电磁波都能产生干涉和衍射现象C．机械波的传播依赖于介质，而电磁波可以在真空中传播D．机械波既有横波又有纵波，而电磁波只有纵波解析：选D波长、波速、频率的关系对任何波都是成立的，对电磁波当然成立，A正确；干涉和衍射是波的特性，机械波、电磁波都是波，都具有这些特性，B正确；机械波是机械振动在介质中传播形成的，所以机械波的传播需要介质，而电磁波是交替变化的电场和磁场由近及远的传播形成的，所以电磁波可以在真空中传播，C正确；机械波既有横波又有纵波，但是电磁波是横波，其证据就是电磁波能够发生偏振现象，而偏振现象是横波才有的，D错误。1.振荡电流、极板带电荷量随时间的变化图象2．LC振荡电路中各量间的变化规律及对应关系(1)同步同变关系在LC振荡电路发生电磁振荡的过程中，电容器上的物理量：电量q、板间电压U、电场强度E、电场能EE是同步同向变化的，即：q↓→U↓→E↓→EE↓(或q↑→U↑→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也是同步同向变化的，即：i↓→B↓→EB↓(或i↑→B↑→EB↑)。(2)同步异变关系在LC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，即q、E、EE↑同步异向变化i、B、EB↓。(3)物理量的等式关系线圈上的振荡电流i＝ΔqΔt，自感电动势E＝L·ΔiΔt，振荡周期T＝2πLC。(4)极值、图象的对应关系如图所示，i＝0时，q最大，E最大，EE最大，E自(E自为自感电动势)最大。q＝0时，i最大，B最大，EB最大，EE＝0。对于电场E与磁场B以及电场能EE与磁场能EB随时间的变化图象也有这样的对应关系，图象能直观地反映同步异变关系和极值对应关系。(5)自感电动势E与it图象的关系由E＝L·ΔiΔt知，E∝ΔiΔt是it图象上某处曲线切线的斜率k的绝对值。所以，利用图象可分析自感电动势随时间的变化和极值。3．振荡电路中相关量的决定因素(1)振荡电流i＝ΔqΔt，由极板上电荷量的变化率决定，与电荷量的多少无关。(2)两极板间的电压U＝qC，由极板上的电荷量决定，与电荷量的变化率无关。(3)线圈中的自感电动势E＝L·ΔiΔt，由电路中电流的变化率决定，与电流的大小无关。[典型例题]例3.LC振荡电路中，某时刻磁场方向如图所示，则下列说法错误的是()A．若磁场正在减弱，则电容器上极板带正电B．若电容器正在放电，则电容器上极板带负电C．若电容器上极板带正电，则线圈中电流正在增大D．若电容器正在放电，则自感电动势正在阻碍电流增大[解析]该题图中标明了电流的磁场方向，由安培定则可判断出振荡电流在线圈中为逆时针(俯视)流动。若该时刻电容器上极板带正电，则可知电容器处于充电阶段，电流正在减小，A选项正确；