1、第十四章 电 磁 波 1 电磁波的发现 2 电磁振荡,一、伟大的预言 1.变化的磁场产生电场: (1)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,(2)麦克斯韦的见解: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)实质:变化的_产生了电场。 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,磁场,磁场,二、电磁波 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
2、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。,电磁波,垂,直,垂直,3.电磁波的速度:麦克斯韦指出了光的电磁本性,他 预言电磁波的速度等于_。,光速,三、电磁振荡的产生 1.振荡电流:大小和方向都做_迅速变化的电 流。 2.振荡电路:能产生_的电路。,周期性,振荡电流,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S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,放电电流不能立刻 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。放电完毕时,极板上的电荷为零,放电 电流达到_。该过程
3、电容器储存的_能转化 为线圈的_能。,最大值,电场,磁场,(2)充电过程:电容器放电完毕,由于线圈的自感作用, 电流并不会立刻消失,而要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_。该过程中,线圈中的_能又转化为电容 器的_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。,最大值,磁场,电场,(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_ _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。,电,磁波,四、电磁振荡
4、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_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作_周期和_频率。 3.周期和频率公式:T=_,f=_。,周期性变化,周期性变化,固有,固有,【预习诊断】 1.请判断下列说法的正误。 (1)变化的电场一定产生变化的磁场。 ( ) (2)同一种电磁波在不同介质中传播时,频率、波速、波长都相同。 ( ) (3)通过减小电容器的电容可以使电磁振荡的频率减小。 ( ),提示:(1)。均匀变化的电场产生的是恒定磁场。 (2)。同一种电磁波在不同介质中传播时频率相同,波速、波长不同。 (3)。由
5、频率公式可知,电容器的电容减小时电磁振荡的频率变大。,2.关于电磁波传播速度表达式v=f,下列说法中正确的是( ) A.波长越长,传播速度越快 B.频率越高,传播速度越快 C.发射能量越大,传播速度越快 D.电磁波的传播速度与传播介质有关,【解析】选D。在真空中传播时,各类电磁波的传播速度相同。在介质中传播时,传播速度与介质有关。,3.关于LC振荡电路中的振荡电流,下列说法中正确的 是 ( ) A.振荡电流最大时,电容器两极板间的电场强度最大 B.振荡电流为零时,线圈中自感电动势为零 C.振荡电流增大的过程中,线圈中的磁场能转化成电场能 D.振荡电流减小的过程中,线圈中的磁场能转化为电场能,【
6、解析】选D。振荡电流最大时处于电容器放电结束瞬间,电场强度为零,故选项A错误;振荡电流为零时,振荡电流改变方向,这时的电流变化最快,电流变化率最大,线圈中的自感电动势最大,故选项B错误;振荡电流增大时,电场能转化为磁场能,故选项C错误;振荡电流减小时,线圈中的磁场能转化为电场能,故选项D正确。,知识点一 对麦克斯韦电磁场理论的理解和验证 探究导入: 如图所示是赫兹实验的装置示意图,请问赫兹通过此实验装置证实了什么问题?,提示:赫兹通过此实验装置证实了麦克斯韦电磁场理论的正确性。,【归纳总结】 1.电磁场的产生:如果在空间某处有周期性变化的电场,那么这个变化的电场就在它周围空间产生周期性变化的磁
7、场,这个变化的磁场又在它周围空间产生变化的电场变化的电场和变化的磁场是相互联系着的,形成不可分割的统一体,这就是电磁场。,2.麦克斯韦电磁场理论的要点: (1)恒定的磁场不会产生电场,同样,恒定的电场也不会产生磁场。 (2)均匀变化的电场在周围空间产生恒定的磁场,同样,均匀变化的磁场在周围空间产生恒定的电场。 (3)振荡变化的磁场在周围空间产生同频率振荡的电场,同样,振荡变化的电场在周围空间产生同频率振荡的磁场。,3.电磁波的实验证明:1886年,赫兹用实验证明了麦克斯韦预言的正确性,第一次发现了电磁波。 (1)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。,(2)现
8、象分析:当感应圈使得与它相连的两个金属球间产生电火花时,空间出现了迅速变化的电磁场。这种电磁场以电磁波的形式在空间传播。当电磁波到达导线环时,它在导线环中激发出感应电动势,使得导线环的空隙中也产生了火花。,【典题过关】 【典例】(2018洛阳高二检测)根据麦克斯韦电磁场理论,下列说法中正确的是 ( ) A.在电场周围一定存在磁场,在磁场周围一定存在电场 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.在均匀变化的电场周围一定产生均匀变化的磁场 D.振荡的电场周围一定产生同频率振荡的磁场,【正确解答】选D。根据麦克斯韦电磁场理论可知,只有变化的电场才能产生磁场,只
9、有变化的磁场才能产生电场,选项A错;均匀变化的电场周围产生恒定的磁场,均匀变化的磁场周围产生恒定的电场,选项B、C错误;振荡的电场周围产生同频率振荡的磁场,选项D正确。,【过关训练】 1.(多选)应用麦克斯韦的电磁场理论判断:如图所示的表示电场产生磁场(或磁场产生电场)的关系图象中(每个选项中的上图是表示变化的场,下图是表示变化的场产生的另外的场),正确的是 ( ),【解析】选B、C。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,其周围空间不会产生电场,A图 中的下图是错误的;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B图正 确;C图中的上图是振荡的
10、磁场,它能产生同频率的振荡 电场,且相位相差 ,C图是正确的;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,故错误。所以只有B、 C两图正确。,2.(多选)下列关于电磁场的说法中正确的是 ( ) A.任何变化的电场都会在周围空间产生变化的磁场 B.任何变化的磁场都会在周围空间产生变化的电场 C.只有非均匀变化的磁场,才能产生变化的电场 D.只有非均匀变化的电场,才能产生变化的磁场,【解析】选C、D。由麦克斯韦电磁场理论可知,均匀变化的电场周围产生恒定的磁场,均匀变化的磁场周围产生恒定的电场,非均匀变化的磁场(电场)产生变化的电场(磁场),故选项
11、A、B错误,选项C、D正确。,【补偿训练】 1.(多选)关于电磁场的产生,下列叙述正确的是( ) A.静止的电荷周围一定有磁场 B.运动的电荷周围一定有磁场 C.电容器充、放电时,电路中的电流能产生磁场 D.电荷在导体中振动会产生电场和磁场,【解析】选B、C。静止的电荷周围产生静电场,不产生磁场,选项A错;运动的电荷产生变化的电场,从而产生磁场,选项B正确;电容器充、放电时,产生变化的电流,从而产生磁场,选项C正确;导体内场强处处为0,选项D错误。,2.某电路中电场强度随时间变化的关系图象如图所示,能发射电磁波的是 ( ),【解析】选D。由麦克斯韦电磁场理论,当空间出现恒定的电场时(如A图),
12、由于它不激发磁场,故无电磁波产生;当出现均匀变化的电场(如B、C图),会激发出磁场,但磁场恒定,不会在较远处激发出电场,故也不会产生电磁波;只有周期性变化的电场(如D图),才会激发出周期性变化的磁场,它又激发出周期性变化的电场如此不断激发,便会形成电磁波,故选项D正确。,知识点二 电磁波与机械波的比较 探究导入: 如图所示,某同学正在回答“神舟十号”航天员王亚平的问题,请问她们的通话是通过机械波进行的还是通过电磁波进行的?为什么?,提示:她们的通话是通过电磁波进行的,因为机械波在真空中无法传播。,【归纳总结】,【典题过关】 【典例】下列说法正确的是( ) A.电磁波在真空中以光速c传播 B.在
13、空气中传播的声波是横波 C.声波只能在空气中传播 D.光需要介质才能传播,【正确解答】选A。电磁波在真空中的传播速度等于光速c,A正确;在空气中传播的声波是纵波,B错误;声波的传播需要介质,可以在空气、液体和固体中传播,C错误;光属于电磁波,其传播不需要介质,可以在真空中传播,D错误。,【过关训练】 1.(多选)(2018漯河高二检测)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.根据麦克斯韦的电磁场理论,变化的电场产生磁场,【解析】
14、选C、D。机械波的传播需要借助于介质,但电磁波的传播不需要借助介质,选项A错误;电磁波和机械波的传播速度都与介质有关,选项B错误;电磁波和机械波都能产生干涉和衍射现象,选项C正确;变化的电场产生磁场,选项D正确。,2.电磁波与机械波具有的共同性质是 ( ) A.都是横波 B.都能传输能量 C.都能在真空中传播 D.都具有恒定的波速,【解析】选B。电磁波是横波,但机械波有横波也有纵波,A错误;机械波的传播需要介质,两者在不同介质中波速不同,C、D错误;电磁波与机械波具有的共同性质是都能传输能量,B正确。,【补偿训练】 (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
15、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,而且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.它们都可发生干涉、衍射现象,【解析】选B、C、D。机械波是机械振动在介质中的传播产生的,而电磁波是电磁振荡产生的,产生的本质不同,A错;不同频率的机械波在同一介质中传播速度是相同的,在不同介质中传播速度不同,不同频率的电磁波在同一介质中传播速度不同,B正确;机械波有横波和纵波之分,而电磁波只有横波这一种形式,C正确;机械波和电磁波虽然本质不同,但有相同的特征,都能发生干涉、衍射现象,D正确。,【误区警示】理解电磁波与机械波的三点不同 (1)电
16、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同一介质中传播速度不同。,知识点三 振荡过程中各物理量的变化 探究导入: 如图所示电路叫作电磁振荡电路,又叫 作LC回路。给该电路提供能量后,利用 电容器的充放电和线圈产生的自感作用,可以实现哪两种能量之间的相互转化?,提示:可以实现电场能与磁场能之间的相互转化。,【归纳总结】 1.各物理量变化情况一览表:,2.振荡电流、极板带电荷量随时间的变化图象:,3.LC回路中各量间
17、的变化规律及对应关系: (1)同步同变关系。 在LC振荡回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E电是同步同向变化的,即:qUEE电(或q UEE电)。,振荡线圈上的物理量:振荡电流i、磁感应强度B、磁场能E磁也是同步同向变化的,即iBE磁(或iBE磁)。 (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、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。,(3)物理量的等式关系:线圈上的振荡电流i= ,自感 电动势E=L ,振荡周期
18、T=2 。,【典题过关】 【典例】(多选)(2018杭州高二检测)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,灯泡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及LC回路中电流i(规定顺时针方向为正)随时间变化的图象是(图中q为正值表示a极板带正电) ( ),【正确解答】选B、C。S断开前,线圈L短路,线圈中电流从上到下,电容器不带电;S断开时,线圈L中产生自感电动势,阻碍电流减小,给电容器C充电,此时LC回路中电流i沿顺时针方向(正向)最大;给电容器充电过程,电容器充电量最大时(a板带负电),线圈L中电流减为零。此后,LC回路发生电磁
19、振荡形成交变电流。综上所述,选项B、C正确。,【规律方法】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,处于充电过程;反之,处于放电过程。 (2)根据物理量的变化趋势判断:当电容器的带电量q(U、E)增大时,处于充电过程;反之,处于放电过程。 (3)根据能量判断:电场能增加时,充电;磁场能增加时,放电。,【过关训练】 1.(多选)(2018苏州高二检测)关于LC振荡电流,下列说法中正确的是 ( ) A.振荡电流最大的瞬间,自感电动势为零 B.振荡电流为零时,自感电动势最大 C.振荡电流减小的过程中,自感电动势方向与电流同方向 D.振荡电流增大的过程中,磁
20、场能转化为电场能,【解析】选A、B、C。振荡电流最大的瞬间,电流的变化率为零,因此自感电动势为零,A项正确;振荡电流为零时,电流的变化率最大,线圈对电流变化的阻碍作用最大,因此电动势最大,B项正确;振荡电流减小的过程中,自感电动势的作用就是阻碍电流的减小,应与其同向,C项正确;振荡电流增大的过程中,是磁场能增加的过程,是电场能转化为磁场能,D项错误。,2.(2018银川高二检测)如图所示,LC电路的L不变,C可调,要使振荡的频率从700Hz变为1 400 Hz,则可以采用的办法有 ( ),A.把电容增大到原来的4倍 B.把电容增大到原来的2倍 C.把电容减小到原来的 D.把电容减小到原来的 【
21、解析】选D。由题意,频率变为原来的2倍,则周期就变为原来的 ,由T=2 ,L不变,当C= C时符合要求。,3.(多选)(2018东营高二检测)如图所示的电路中,L是自感系数很大的、用铜导线绕成的线圈,其电阻可以忽略不计,开关S原来是闭合的。当开关S断开瞬间,则( ),A.L中的电流方向不变 B.灯泡D要过一会儿才熄灭 C.LC电路将产生电磁振荡,刚断开瞬间,磁场能最大 D.电容器将放电,电场能将变为磁场能 【解析】选A、C。S断开瞬间,灯泡立即熄灭,电容器所带电荷量为零,对电容器充电,电流由最大值减小;断开瞬间,i最大,磁场能最大。,【补偿训练】 1.(多选)LC振荡电路中,某时刻的磁场方向如
22、图所示,则 ( ),A.若磁场正在减弱,则电容器正在充电,电流由b向a B.若磁场正在减弱,则电场能正在增大,电容器上极板带负电 C.若磁场正在增强,则电场能正在减小,电容器上极板带正电 D.若磁场正在增强,则电容器正在充电,电流方向由a向b,【解析】选A、B、C。若磁场正在减弱,则电流在减小,是充电过程,根据安培定则可确定电流由b向a,电场能增大,上极板带负电,故选项A、B正确;若磁场正在增强,则电流在增大,是放电过程,电场能正在减小,根据安培定则,可判断电流由b向a,上极板带正电,故选项C正确,D错误。,2.如图所示为某时刻LC振荡电路所处的状态,则该时 刻 ( ),A.振荡电流i在增大
23、B.电容器正在放电 C.磁场能正在向电场能转化 D.电场能正在向磁场能转化 【解析】选C。由电流方向可知,电容器上极板上的电荷量正在增加,即电容器正在充电,故选项B错;充电过程中振荡电流逐渐减小,选项A错;充电过程中磁场能向电场能转化,选项C对,D错。,3.在如图所示振荡电流的图象中,表示电容器充电过程的有_;线圈中有最大电流的点是_;电场能转化为磁场能的过程有_。,【解析】根据i-t图象,充电过程有ab、cd、ef,线圈中有最大电流的点是a、c、e,电场能转化为磁场能的过程有bc、de。 答案:ab、cd、ef a、c、e bc、de,【拓展例题】考查内容:LC振荡电路充电和放电过程的判断 【典例】如图所示是LC振荡电路某时刻的情况,以下说法正确的是 ( ),A.电容器正在放电 B.电容器正在充电 C.电感线圈中的电流正在增大 D.电容器两极板间的电场能正在减小 【正确解答】选B。由题图中螺线管中的磁感线方向可以判定出此时LC电路正在逆时针充电,故选项A错误;电流正在减小,电感线圈中的磁场能正在减弱,两极板间的电场能正在增大,故选项B正确。,
