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第十四章电磁波1电磁波的发现2电磁震荡[学习目标]1.了解麦克斯韦电磁场理论的基本内容以及在物理学发展史上的物理意义.2.了解电磁波的基本特点及其发现过程,通过电磁波体会电磁场的物理性质.3.理解振荡电流、振荡电路及LC电路的概念,了解LC回路中振荡电流的产生过程,知道LC振荡电路中振荡电流、电容器带电荷量、能量的变化情况.4.掌握电磁振荡的周期与频率,会求LC电路的周期与频率.课前预习感悟新知教材探究知识点一伟大的预言[问题导学]如图所示,磁铁相对闭合线圈上下运动时,闭合线圈中的自由电荷做定向移动,是受到什么力的作用?这能否说明变化的磁场产生了电场?如果没有导体,情况会怎样?答案:磁铁上、下运动时,导体中自由电荷定向移动,说明电荷受到静电力作用,即导体处在电场中.磁铁的上、下运动使线圈处在变化的磁场中,这表明变化的磁场周围产生了电场.如果没有导体,该处仍会产生电场.[知识梳理]1.变化的磁场产生电场(1)实验现象: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.(2)麦克斯韦的观点:电路里有感应电流产生,一定是变化的产生了电场,自由电荷在电场的作用下发生了定向移动.(3)结论:变化的产生了电场.感应电流磁场磁场2.变化的电场产生磁场麦克斯韦假设,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.磁场知识点二电磁波[问题导学]变化的磁场和变化的电场形成不可分离的统一体——电磁场,它会由近及远地向外传播,它的传播需要介质吗?它传播的速度是多大?答案:电磁场的传播不需要介质,它是通过变化的磁场与变化的电场之间的联系而传播到远处,其在真空中传播的速度等于光速.[知识梳理]1.电磁波的产生变化的电场和变化的磁场交替产生,由近及远地向周围传播,形成.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,它的电场强度和磁感应强度互相,而且二者均与波的传播方向,因此电磁波是横波.3.电磁波的速度麦克斯韦得到电磁波的速度等于.他指出了光的本质.电磁波垂直垂直光速c电磁4.麦克斯韦电磁场理论的意义不仅预言了的存在,而且揭示了电、磁、光现象在本质上的,建立了完整的电磁场理论.5.赫兹的电火花(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,导线环两个小球间也跳过火花.电磁波统一性(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,空间出现了迅速变化的.这种变化的电磁场以的形式在空间传播.当电磁波到达导线环时,它在导线环中激发出,使得导线环的空隙中也产生了火花.(4)实验结论:证实了的存在.(5)赫兹的其他实验成果:赫兹通过了一系列的实验,观察了电磁波的、、、衍射和偏振现象,并通过测量证明,电磁波在真空中具有与相同的速度c,证实了麦克斯韦关于光的.电磁场电磁波感应电动势电磁波反射折射干涉光电磁理论知识点三电磁振荡[问题导学]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,放电过程中,电容器的电场能转化为什么形式的能?线圈中的电流发生怎样的变化?线圈中是否会产生自感电动势?自感电动势产生什么效果?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?答案:电容器的放电过程中电场能转化为磁场能.线圈中的电流逐渐变大,放电完毕时达到最大,线圈中会产生自感电动势,阻碍线圈中电流的变化;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.[知识梳理]1.LC振荡电路由和组成的电路.2.电磁振荡的过程(1)振荡起始:如图所示,电容器充电完毕后,将开关S掷向b的瞬间,电路中没有电流,此时电容器里电场最强,电路里的能量全部储存在__________________中.线圈L电容器C电容器的电场(2)放电过程:由于线圈的作用,放电电流由零逐渐增大,电容器极板上的电荷,电容器里的电场逐渐减弱,线圈的磁场逐渐增强,电场能逐渐转化为,放电完毕的瞬间,电场能全部转化为磁场能.(3)充电过程,电容器放电完毕时,由于线圈的作用,电流保持逐渐减小,电容器将进行,线圈的磁场逐渐减弱,电容器里的电场逐渐增强,逐渐转化为,充电完毕的瞬间,磁场能全部转化为电场能,此后,这样的放电和充电过程反复进行下去.逐渐减少磁场能自感原来的方向反向充电磁场能电场能自感3.电磁振荡的实质在电磁振荡过程中,电容器极板上的、电路中的、电容器里的、线圈里的都随时间做周期性变化,电场能与磁场能发生的相互转化.4.电磁振荡的周期和频率(1)周期:电磁振荡完成一次需要的时间.(2)频率:1s内完成的.电荷量电流电场强度磁感应强度周期性周期性变化周期性变化的次数5.LC电路的周期或频率公式T=2πLC,所以其振荡频率f=__________.12πLC思考判断1.即使在变化的磁场中没有闭合的电路,同样会产生电场.()2.不均匀变化的磁场产生变化的电场,不均匀变化的电场产生变化的磁场.()3.电磁波是纵波,传播需要介质.()4.电磁波在介质中的传播速度与介质和频率有关.()5.电磁振荡的一个周期内,电场能的变化周期与电流变化周期相同.()6.赫兹在验证电磁波的实验中只是证实了电磁波的存在.()√√×√××要点一麦克斯韦的电磁场理论课堂探究突破要点1.变化的磁场产生电场在变化的磁场周围产生电场,是一种普遍存在的现象,跟闭合电路(导体环)是否存在无关.导体环的作用只是用来显示电场❶的存在.2.变化的电场产生磁场当电容器充电、放电的时候,不仅导线中的电流要产生磁场,而且在电容器两极板间变化着的电场周围也要产生磁场.3.对麦克斯韦电磁场理论的理解(1)恒定的磁场不产生电场;恒定的电场不产生磁场.(2)均匀变化的磁场在周围空间产生恒定的电场;均匀变化的电场在周围空间产生恒定的磁场.(3)不均匀变化的磁场在周围空间产生变化的电场;不均匀变化的电场在周围空间产生变化的磁场❷.状元心得❶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.❷1)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.BD[例1](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解析: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.②非均匀变化的电场产生变化的磁场.振荡的电场产生同频率的振荡的磁场.均匀变化的磁场产生恒定的电场,故B,D正确,A,C错误.规律方法理解麦克斯韦电磁场理论的关键(1)掌握四个关键词:“恒定的”“均匀变化的”“非均匀变化的”“周期性变化的(即振荡的)”.(2)掌握“变化的电场和变化的磁场交替产生,由近及远地向周围传播”.[针对训练1](多选)根据麦克斯韦电磁场理论,变化的磁场可以产生电场.当产生的电场的电场线如图所示时,可能是()A.向上方向的磁场在增强B.向上方向的磁场在减弱C.向上方向的磁场先增强,然后反向减弱D.向上方向的磁场先减弱,然后反向增强解析:判断电场与磁场变化的关系仍可利用楞次定律,只不过是用电场线方向代替了电流方向.向上方向的磁场增强时,感应电流的磁场阻碍原磁场的增强而方向向下,根据安培定则知感应电流方向如题图中E的方向所示,选项A正确,B错误.同理,当磁场反向即向下的磁场减弱时,也会得到如题图中E的方向,选项C正确,D错误.AC要点二电磁波与机械波的比较类别项目机械波电磁波研究对象力学现象电磁现象周期性质点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需要介质,波速与介质有关,与频率无关无需介质,在真空中波速等于光速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场、磁场的变化产生是否横波可以是是是否纵波可以是否传播情况同一波在不同介质中传播时频率不变;波速、波长、频率均满足v=λf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明显衍射条件时均能发生明显衍射[例2](2019·山西太原检测)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.机械波能产生多普勒效应,而电磁波不能产生多普勒效应C思路探究:(1)电磁波和机械波传播过程中需要介质吗?答案:电磁波是通过电场、磁场间的联系在空间传播的,传播不需要介质,机械波是机械振动通过介质质点间的力学关系在介质中传播的,传播需要介质.(2)机械波和电磁波的波速、波长和频率间遵循相同规律吗?答案:机械波和电磁波的波速、波长和频率都符合公式v=λf.解析:电磁波传播不需要介质,故A错误.电磁波在真空中的传播速度最大,在不同的介质中传播的速度不同,机械波的波速与介质有关,故B错误.干涉、衍射是波所特有的现象,电磁波和机械波都能产生干涉和衍射现象,故C正确.机械波和电磁波都能产生多普勒效应,故D错误.误区警告理解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.[针对训练2](多选)下列关于电磁波的说法正确的是()A.变化的磁场能够在空间产生电场B.电磁波在真空和介质中传播的速度相同C.电磁波既可能是横波,也可能是纵波D.电磁波的波长、波速、周期的关系为v=TAD解析:变化的电场产生磁场,变化的磁场产生电场,这是麦克斯韦电磁场理论的两大支柱,故A正确;电磁波在真空和介质中传播的速度不相同,在真空中传播的速度最大,故B错误;在传播方向的任一点,电场与磁场互相垂直,而且二者均与波的传播方向垂直,电磁波是横波,故C错误;电磁波的波长、波速、周期的关系为v=T,故D正确.要点三电磁振荡过程中各物理量的变化1.各物理量变化情况一览表物理量过程qEiB能量0→4T放电过程qm→0Em→00→im0→BmE电→E磁4T→2T充电过程0→qm0→Emim→0Bm→0E磁→E电2T→34T放电过程qm→0Em→00→im0→BmE电→E磁34T→T充电过程0→qm0→Emim→0Bm→0E磁→E电2.振荡电流、极板带电荷量随时间的变化图像3.各量间的变化规律及对应关系(1)同步同变关系①电容器上的电荷量q、板间电压U、电场强度E、电场能E电是同步同向变化的,即q↓→U↓→E↓→E电↓(或q↑→U↑→E↑→E电↑).②振荡线圈上的振荡电流i、磁感应强度B、磁场能E磁是同步同向变化的,即i↓→B↓→E磁↓(或i↑→B↑→E磁↑).(2)同步异变关系电容器上的三个物理量q,E,E电与线圈中的三个物理量i,B,E磁是同步异向变化的,即q,E,E电同时减小时,i,B,E磁同时增大,且它们的变化是同步的,即q,E,E电↑i,B,E磁↓.[例3](多选)如图所示的LC振荡电路正处在振荡过程中,某时刻L中的磁场和C中的电场如图所示,可知()A.电容器中的电场强度正在减小B.线圈中磁感应强度正在减小C.该时刻电容器带电荷量正在增多D.该时刻振荡电流达最大值BC解析:由图示磁场和安培定则可知,电路电流沿逆时针方向,由电容器极板间电场方向可知,电容器下极板带正电,则此时正处于充电过程,电路电流逐渐减小,磁感应强度正在减小,电容器极板上的电荷量正在增加,电容器中的电场强度正在变大,故A,D错误,B,C正确.方法技巧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,电容器的电荷量增加,磁场能向电场能转化,处于充电过程;反之,当电流流出带正电的极板时,电荷量减少,电场能向磁场能转化,处于放电过程.(2)根据物理量的变化趋势判断:当