2018-2019版高中物理 第3章 電磁場與電磁波 3.1 麥克斯韋的電磁場理論 3.2 電磁波的發(fā)現(xiàn)學(xué)案 滬科版選修3-4

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1、3.1　麥克斯韋的電磁場理論 3.2　電磁波的發(fā)現(xiàn) [學(xué)習(xí)目標(biāo)]1.了解麥克斯韋電磁場理論的兩大基本論點，能從這兩個基本論點出發(fā)分析簡單問題.2.知道麥克斯韋預(yù)言了電磁波的存在及其在物理學(xué)發(fā)展史上的意義.3.知道赫茲用實驗證實了電磁波的存在.4.了解什么叫電磁振蕩，了解LC回路中電磁振蕩的產(chǎn)生過程及其固有周期(頻率).5.了解有效發(fā)射電磁波的兩個條件，知道電磁波的特點及其與機(jī)械波的異同． 1．法拉第創(chuàng)造性地用“力線”和“場”的概念來描述電荷之間、磁體之間以及電與磁之間的相互作用． 2．電磁場理論的兩大支柱：(1)變化的磁場產(chǎn)生電場；(2)變化的電場產(chǎn)生磁場． 3．赫茲用實驗證明了

2、麥克斯韋電磁場理論的正確性． 4．電磁振蕩 (1)振蕩電流：大小和方向都做周期性變化的電流． (2)振蕩電路：能夠產(chǎn)生振蕩電流的電路．圖1就是一種基本的振蕩電路，稱為LC振蕩電路． 圖1 (3)電磁振蕩：在振蕩電路中，電路中的電流、電容器極板上的電荷、電容器中的電場強(qiáng)度和線圈中的磁感應(yīng)強(qiáng)度都要發(fā)生周期性的變化，這種現(xiàn)象叫做電磁振蕩． 5．電磁波的特點 (1)電磁波是橫波； (2)電磁波在真空中的傳播速度等于光在真空中的傳播速度c，約為3.0×108m/s； (3)電磁波具有波的一般特征，波長λ、頻率f、周期T和波速v之間的關(guān)系為v＝＝λf； (4)電磁波也具有能量．

3、 一、電磁場理論的兩大支柱 [導(dǎo)學(xué)探究] 1．如圖2所示，當(dāng)磁棒相對一閉合線圈運動時，線圈中的電荷做定向移動，是因為受到什么力的作用？若把閉合線圈換成一個內(nèi)壁光滑的絕緣環(huán)形管，管內(nèi)有直徑略小于環(huán)內(nèi)徑的帶正電的小球，則磁棒運動過程中會有什么現(xiàn)象？小球受到的是什么力？ 圖2 答案　電荷受到電場力作用做定向移動．當(dāng)磁棒運動時，帶電小球會做定向滾動，小球受到的仍然是電場力． 2．以上現(xiàn)象說明什么問題？ 答案　空間磁場變化，就會產(chǎn)生電場，與有沒有閉合線圈無關(guān)． 3．在如圖3所示的含有電容器的交流電路中，電路閉合時，電路中有交變電流，導(dǎo)線周圍存在磁場．那么在這個閉合電路的電容器中有電流

4、嗎？電容器兩極板間存在磁場嗎？ 圖3 答案　電容器中無電流，兩極板間存在磁場． [知識深化] 1．電磁場理論的兩大支柱 (1)變化的磁場產(chǎn)生電場； (2)變化的電場產(chǎn)生磁場． 2．對麥克斯韋電磁場理論的理解 恒定的電場不產(chǎn)生磁場 恒定的磁場不產(chǎn)生電場 均勻變化的電場在周圍空間產(chǎn)生恒定的磁場 均勻變化的磁場在周圍空間產(chǎn)生恒定的電場 不均勻變化的電場在周圍空間產(chǎn)生變化的磁場 不均勻變化的磁場在周圍空間產(chǎn)生變化的電場 振蕩電場產(chǎn)生同頻率的振蕩磁場 振蕩磁場產(chǎn)生同頻率的振蕩電場 例1　(多選)根據(jù)麥克斯韋電磁場理論，下列說法正確的是(　　) A．在電場的周圍空

5、間，一定存在著和它聯(lián)系著的磁場 B．在變化的電場周圍空間，一定存在著和它聯(lián)系著的磁場 C．恒定電流在其周圍不存在磁場 D．恒定電流周圍存在著穩(wěn)定的磁場 答案　BD 解析　電場按其是否隨時間變化分為穩(wěn)定電場(靜電場)和變化電場(如運動電荷形成的電場)，穩(wěn)定電場不產(chǎn)生磁場，只有變化的電場周圍空間才存在對應(yīng)的磁場，故B對，A錯；恒定電流周圍存在穩(wěn)定磁場，磁場的方向可由安培定則判斷，D對，C錯． 二、電磁振蕩 [導(dǎo)學(xué)探究]　把自感線圈、可變電容器、示波器、電源和單刀雙擲開關(guān)按圖4連成電路．先把開關(guān)置于電源一邊，為電容器充電，稍后再把開關(guān)置于線圈一邊，使電容器通過線圈放電． 圖4

6、1．在示波器顯示屏上看到的是電流的圖像還是線圈兩端電壓的圖像？是什么形狀的圖像？ 答案　示波器呈現(xiàn)的是線圈兩端電壓的圖像．圖像呈周期性變化，類似家庭電路所用的交流電． 2．調(diào)節(jié)電容器電容的大小，圖像如何變化？ 答案　電容變小時，圖像周期變?。浑娙葑兇髸r，圖像周期變大． [知識深化] 1．電磁振蕩的過程如圖5所示，圖6是電路中的振蕩電流、電容器極板帶電荷量隨時間的變化圖像． 圖5 圖6 2．各物理量的變化情況 時刻(時間) 工作過程 q E i B 能量 0 放電瞬間 qm Em 0 0 E電最大E磁最小 0→ 放電過程 qm→0

7、Em→0 0→im 0→Bm E電→E磁 放電結(jié)束 0 0 im Bm E電最小E磁最大 → 充電過程 0→qm 0→Em im→0 Bm→0 E磁→E電 充電結(jié)束 qm Em 0 0 E電最大E磁最小 → 放電過程 qm→0 Em→0 0→im 0→Bm E電→E磁 放電結(jié)束 0 0 im Bm E電最小E磁最大 →T 充電過程 0→qm 0→Em im→0 Bm→0 E磁→E電 T 充電結(jié)束 qm Em 0 0 E電最大E磁最小 3.電磁振蕩的周期和頻率 周期T＝2π，頻率

8、f＝.其中周期T、頻率f、自感系數(shù)L、電容C的單位分別是秒(s)、赫茲(Hz)、亨(H)、法(F)． [延伸思考] 為什么放電完畢時，電流反而最大？ 答案　開始放電時，由于線圈的自感作用，放電電流不能瞬間達(dá)到最大值，而是逐漸增大，隨著線圈的阻礙作用減弱，放電電流增加變快，當(dāng)放電完畢時，電流達(dá)到最大值． 例2　如圖7所示為LC振蕩電路中電容器的極板帶電荷量隨時間變化曲線，下列判斷中正確的是(　　) 圖7 ①在b和d時刻，電路中電流最大　②在a→b時間內(nèi)，電場能轉(zhuǎn)變?yōu)榇艌瞿堋、踑和c時刻，磁場能為零　④在O→a和c→d時間內(nèi)，電容器被充電 A．只有①和③ B．只有②和④ C．只

9、有④ D．只有①②和③ 答案　D 解析　a和c時刻是充電結(jié)束時刻，此時刻電場能最大，磁場能最小為零，③正確；b和d時刻是放電結(jié)束時刻，此時刻電路中電流最大，①正確；a→b是放電過程，電場能轉(zhuǎn)化為磁場能，②正確；O→a是充電過程，而c→d是放電過程，④錯誤． 三、電磁波的發(fā)射 [導(dǎo)學(xué)探究]　如今在我們周圍空間充滿了各種頻率不同、傳遞信息各異的電磁波，你知道這些電磁波是如何發(fā)射出去的嗎？ 答案　由巨大的開放電路發(fā)射出去的． [知識深化] 1．有效地向外發(fā)射電磁波時，振蕩電路必須具有的兩個特點： (1)利用開放電路發(fā)射電磁波． (2)提高振蕩頻率． 2．實際應(yīng)用的開放電路(如圖8

10、)，線圈的一端用導(dǎo)線與大地相連，這條導(dǎo)線叫地線；線圈的另一端與高高地架在空中的天線相連． 圖8 例3　要提高LC振蕩電路輻射電磁波的本領(lǐng)，應(yīng)該采取的措施是(　　) A．增加輻射波的波長 B．使振蕩電容的正對面積足夠小 C．盡可能使電場和磁場分散開 D．增加回路中的電容和電感 答案　B 解析　理論證明，電磁波發(fā)射本領(lǐng)(功率)與f成正比，電磁場應(yīng)盡可能擴(kuò)散到周圍空間，形成開放電路．而f＝，C＝，要使f增大，應(yīng)減小L或C，只有B符合題意． 四、電磁波及其與機(jī)械波的比較 [導(dǎo)學(xué)探究]　電磁波是電磁現(xiàn)象，機(jī)械波是力學(xué)現(xiàn)象，兩者都具有波的特性，但它們具有本質(zhì)的不同，你能舉例說明嗎？

11、答案　例如機(jī)械波的傳播依賴于介質(zhì)的存在，但電磁波的傳播則不需要介質(zhì)． [知識深化]　電磁波與機(jī)械波的比較 電磁波 機(jī)械波 研究對象 電磁現(xiàn)象 力學(xué)現(xiàn)象 周期性 電場強(qiáng)度E和磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨時間和空間做周期性變化 位移隨時間和空間做周期性變化 傳播情況 傳播無需介質(zhì)，在真空中波速總等于光速c，在介質(zhì)中傳播時，波速與介質(zhì)及頻率都有關(guān) 傳播需要介質(zhì)，波速與介質(zhì)有關(guān)，與頻率無關(guān) 產(chǎn)生機(jī)理 由電磁振蕩(周期性變化的電流)激發(fā) 由(波源)質(zhì)點的振動產(chǎn)生 是否橫波 是 可以是 是否縱波 否 可以是 干涉現(xiàn)象 滿足干涉條件時均能發(fā)生干涉現(xiàn)象 衍射現(xiàn)象 滿足衍

12、射條件時均能發(fā)生明顯衍射 例4　(多選)以下關(guān)于機(jī)械波與電磁波的說法中，正確的是(　　) A．機(jī)械波和電磁波，本質(zhì)上是一致的 B．機(jī)械波的波速只與介質(zhì)有關(guān)，而電磁波在介質(zhì)中的波速不僅與介質(zhì)有關(guān)，而且與電磁波的頻率有關(guān) C．機(jī)械波可能是縱波，而電磁波必定是橫波 D．它們都能發(fā)生反射、折射、干涉和衍射現(xiàn)象 答案　BCD 解析　機(jī)械波由振動產(chǎn)生；電磁波由周期性變化的電場(或磁場)產(chǎn)生，機(jī)械波是能量波，傳播需要介質(zhì)，速度由介質(zhì)決定，電磁波是物質(zhì)波，波速由介質(zhì)和自身的頻率共同決定；機(jī)械波有橫波，也有縱波，而電磁波一定是橫波，它們都能發(fā)生反射、折射、干涉和衍射等現(xiàn)象，故選項B、C、D正確

13、． 1．下列說法中正確的是(　　) A．任何變化的磁場都要在周圍空間產(chǎn)生變化的電場，振蕩磁場在周圍空間產(chǎn)生同頻率的振蕩電場 B．任何電場都要在周圍空間產(chǎn)生磁場，振蕩電場在周圍空間產(chǎn)生同頻率的振蕩磁場 C．任何變化的電場都要在周圍空間產(chǎn)生磁場，振蕩電場在周圍空間產(chǎn)生同頻率的振蕩磁場 D．電場和磁場總是相互聯(lián)系著，形成一個不可分割的統(tǒng)一體，即電磁場 答案　C 解析　根據(jù)麥克斯韋電磁場理論，如果電場(磁場)的變化是均勻的，產(chǎn)生的磁場(電場)是恒定的；如果電場(磁場)的變化是不均勻的，產(chǎn)生的磁場(電場)是變化的；振蕩電場(磁場)在周圍空間產(chǎn)生同頻率的振蕩磁場(電場)；周期性變

14、化的電場和周期性變化的磁場總是相互聯(lián)系著，形成一個不可分割的統(tǒng)一體，即電磁場．故選C. 2．(多選)關(guān)于電磁波的特點，下列說法正確的是(　　) A．電磁波中的電場和磁場互相垂直，電磁波沿與二者垂直的方向傳播 B．電磁波是橫波 C．電磁波的傳播不需要介質(zhì)，是電場和磁場之間的相互感應(yīng) D．電磁波不具有干涉和衍射現(xiàn)象 答案　ABC 解析　電磁波是橫波，其E、B、v三者互相垂直．電磁波也是一種波，它具有波的特性，因此A、B、C正確，D錯． 3．(多選)如圖9所示，L為一電阻可忽略的線圈，D為一燈泡，C為電容器，開關(guān)S處于閉合狀態(tài)，燈泡D正常發(fā)光，現(xiàn)突然斷開S，并開始計時，能正確反映電容

15、器a極板上電荷量q及LC回路中電流i(規(guī)定順時針方向為正)隨時間變化的圖像是(圖中q為正值表示a極板帶正電)(　　) 圖9 答案　BC 解析　S斷開前，電容器C短路，線圈中電流從上到下，電容器不帶電；S斷開時，線圈L中產(chǎn)生自感電動勢，阻礙電流減小，給電容器C充電，此時LC回路中電流i沿順時針方向(正向)最大；給電容器充電過程，電容器帶電荷量最大時(a板帶負(fù)電)，線圈L中電流減為零．此后，LC回路發(fā)生電磁振蕩形成交變電流．綜上所述，選項B、C正確． 選擇題 1．(多選)下列關(guān)于電磁場理論的敘述正確的是(　　) A．變化的磁場周圍一定存在著電場，與是否有閉合電路無關(guān) B．

16、周期性變化的磁場產(chǎn)生同頻率變化的電場 C．電場和磁場相互關(guān)聯(lián)，形成一個統(tǒng)一的場，即電磁場 D．電場周圍一定存在磁場，磁場周圍一定存在電場 答案　AB 解析　變化的磁場周圍產(chǎn)生電場，當(dāng)電場中有閉合回路時，回路中有電流；若無閉合回路時，電場仍然存在，A對．若要形成電磁場必須有周期性變化的電場和磁場，B對，C、D錯． 2．某電路中電場強(qiáng)度隨時間變化的關(guān)系圖像如圖所示，能發(fā)射電磁波的是(　　) 答案　D 解析　由麥克斯韋電磁場理論知，當(dāng)空間出現(xiàn)恒定的電場時(如A圖)，由于它不激發(fā)磁場，故無電磁波產(chǎn)生；當(dāng)出現(xiàn)均勻變化的電場時(如B圖、C圖)，會激發(fā)出磁場，但磁場恒定，不會在較遠(yuǎn)處激發(fā)出

17、電場，故也不會產(chǎn)生電磁波；只有周期性變化的電場(如D圖)，才會激發(fā)出周期性變化的磁場，它又激發(fā)出周期性變化的電場……如此交替的產(chǎn)生磁場和電場，便會形成電磁波，故D正確． 3．關(guān)于電磁波，下列敘述中正確的是(　　) A．電磁波在真空中的傳播速度遠(yuǎn)小于真空中的光速 B．電磁波可以發(fā)生衍射現(xiàn)象 C．只要空間中某個區(qū)域有變化的電場或變化的磁場，就能產(chǎn)生電磁波 D．電磁波和機(jī)械波一樣依賴于介質(zhì)傳播 答案　B 解析　電磁波在真空中的傳播速度等于真空中的光速，故A錯誤；電磁波屬于波的一種，能夠發(fā)生衍射現(xiàn)象等波特有的現(xiàn)象，故B正確；只有交變的電場和磁場才能產(chǎn)生電磁波，故C錯誤；電磁波能在真空中傳

18、播，而機(jī)械波依賴于介質(zhì)傳播，故D錯誤． 4．電磁波在傳播時，不變的物理量是(　　) A．振幅 B．頻率 C．波速 D．波長 答案　B 解析　離波源越遠(yuǎn)，振幅越?。姶挪ㄔ诓煌橘|(zhì)中的波速不一樣，波長也不一樣． 5．關(guān)于電磁波的傳播速度，以下說法正確的是(　　) A．電磁波的頻率越高，傳播速度越大 B．電磁波的波長越長，傳播速度越大 C．電磁波的能量越大，傳播速度越大 D．所有的電磁波在真空中的傳播速度都相等 答案　D 解析　以光為例，無論是哪種頻率的光在真空中的傳播速度都相等，D正確．當(dāng)光進(jìn)入介質(zhì)時，傳播速度發(fā)生變化，不同頻率的光其傳播速度不同，故電磁波在介質(zhì)中的傳播速

19、度與介質(zhì)和頻率有關(guān)．A、B、C錯誤． 6．下列關(guān)于電磁波的說法正確的是(　　) A．電磁波必須依賴介質(zhì)傳播 B．電磁波可以發(fā)生衍射現(xiàn)象 C．電磁波不會發(fā)生偏振現(xiàn)象 D．電磁波無法攜帶信息傳播 答案　B 解析　電磁波具有波的共性，可以發(fā)生衍射現(xiàn)象，故B正確；電磁波是橫波，能發(fā)生偏振現(xiàn)象，故C錯；電磁波能攜帶信息傳播，且傳播不依賴介質(zhì)，在真空中也可以傳播，故A、D錯． 7．關(guān)于LC振蕩電路中的振蕩電流，下列說法中正確的是(　　) A．振蕩電流最大時，電容器兩極板間的電場強(qiáng)度最大 B．振蕩電流為零時，線圈中自感電動勢為零 C．振蕩電流增大的過程中，線圈中的磁場能轉(zhuǎn)化為電場能

20、D．振蕩電流減小的過程中，線圈中的磁場能轉(zhuǎn)化為電場能 答案　D 解析　振蕩電流最大時為電容器放電結(jié)束瞬間，電場強(qiáng)度為零，A選項錯誤；振蕩電流為零時，其要改變方向，這時電流變化最快，電流變化率最大，線圈中的自感電動勢最大，B選項錯誤；振蕩電流增大時，線圈中的電場能轉(zhuǎn)化為磁場能，C選項錯誤；振蕩電流減小時，線圈中的磁場能轉(zhuǎn)化為電場能，D選項正確． 8．(多選)在LC振蕩電路中，若某個時刻電容器極板上的電荷量正在增加，則(　　) A．電路中的電流正在增大 B．電路中的電場能正在增加 C．電路中的電流正在減小 D．電路中的電場能正在向磁場能轉(zhuǎn)化 答案　BC 解析　電荷量增加，電容器充

21、電，電場能增加，磁場能減少，電流減?。? 9．關(guān)于在LC振蕩電路的一個周期的時間內(nèi)，下列說法中正確的是(　　) ①磁場方向改變一次；②電容器充、放電各一次；③電場方向改變兩次；④電場能向磁場能轉(zhuǎn)化完成兩次 A．①② B．②③④ C．③④ D．①③④ 答案　C 解析　在一個振蕩周期內(nèi)，電場、磁場方向改變兩次，電場能、磁場能轉(zhuǎn)化兩次；電容器充、放電各兩次．故選項C正確． 10．(多選)如圖1甲中通過P點電流的(向右為正)變化規(guī)律如圖乙所示，則(　　) 圖1 A．0.5～1s內(nèi)，電容器C正在充電 B．0.5～1s內(nèi)，電容器C上極板帶正電 C．1～1.5s內(nèi)，Q點電勢比P點電勢

22、高 D．1～1.5s內(nèi)磁場能轉(zhuǎn)化為電場能 答案　AC 解析　0.5～1s內(nèi)，電流逐漸減小，是充電過程，電容器上極板帶負(fù)電，故選項A正確，B錯誤；1～1.5s內(nèi)，電流逐漸增大，是放電過程，電場能轉(zhuǎn)化為磁場能，故選項D錯誤；且電流沿逆時針方向流動，Q點電勢比P點的電勢高，故選項C正確． 11．為了增大無線電臺向空間輻射無線電波的能力，對LC振蕩電路結(jié)構(gòu)可采取下列的哪些措施(　　) A．增大電容器極板的正對面積 B．增大電容器極板的間距 C．增大自感線圈的匝數(shù) D．提高供電電壓 答案　B 解析　要增大無線電臺向空間輻射電磁波的能力，必須提高其振蕩頻率，由f＝知，可減小L和C以提高

23、f，要減小L可采取減少線圈匝數(shù)，向外抽出鐵芯的辦法，要減小C可采取增大極板間距，減小正對面積，減小介電常數(shù)的辦法，故B正確，A、C、D錯誤． 12．(多選)應(yīng)用麥克斯韋的電磁場理論判斷表示電場產(chǎn)生磁場(或磁場產(chǎn)生電場)的關(guān)系圖像中(每個選項的上圖表示的是變化的場，下圖表示的是由變化的場產(chǎn)生的另外的場)正確的是(　　) 答案　BC 解析　A項中的上圖磁場是穩(wěn)定的，由麥克斯韋的電磁場理論可知周圍空間不會產(chǎn)生電場，A項中的下圖是錯誤的．B項中的上圖是均勻變化的電場，應(yīng)該產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場，下圖的磁場是穩(wěn)定的，所以B項正確．C項中的上圖是振蕩的磁場，它能產(chǎn)生同頻率的振蕩電場，且相位相差，C項

24、是正確的．D項的上圖是振蕩的電場，在其周圍空間產(chǎn)生振蕩的磁場，但是下圖中的圖像與上圖相比較，相位相差π，故D項不正確，所以只有B、C正確． 13．(多選)LC振蕩電路中，某時刻的磁場方向如圖2所示，則(　　) 圖2 A．若磁場正在減弱，則電容器正在充電，電流由b向a B．若磁場正在減弱，則電場能正在增大，電容器上極板帶負(fù)電 C．若磁場正在增強(qiáng)，則電場能正在減小，電容器上極板帶正電 D．若磁場正在增強(qiáng)，則電容器正在充電，電流方向由a向b 答案　ABC 解析　若磁場正在減弱，則電流在減小，是充電過程，根據(jù)安培定則可確定電流由b流向a，電場能增大，上極板帶負(fù)電，故選項A、B正

25、確；若磁場正在增強(qiáng)，則電流在增大，是放電過程，電場能正在減小，根據(jù)安培定則，可判斷電流由b流向a，上極板帶正電，故選項C正確，D錯誤． 14．為了體現(xiàn)高考的公平、公正，高考時很多地方在考場使用手機(jī)信號屏蔽器，該屏蔽器在工作過程中以一定的速度由低端頻率向高端頻率掃描．該掃描速度可以在手機(jī)接收報文信號時形成亂碼干擾，手機(jī)不能檢測從基站發(fā)出的正常數(shù)據(jù)，使手機(jī)不能與基站建立連接，達(dá)到屏蔽手機(jī)信號的目的，手機(jī)表現(xiàn)為搜索網(wǎng)絡(luò)、無信號、無服務(wù)系統(tǒng)等現(xiàn)象．由以上信息可知(　　) A．由于手機(jī)信號屏蔽器的作用，考場內(nèi)沒有電磁波了 B．電磁波必須在介質(zhì)中才能傳播 C．手機(jī)信號屏蔽器工作時基站發(fā)出的電磁波不能傳播到考場內(nèi) D．手機(jī)信號屏蔽器是通過發(fā)射電磁波干擾手機(jī)工作來達(dá)到目的的 答案　D 解析　電磁波在空間的存在，不會因手機(jī)信號屏蔽器而消失，故A錯．電磁波可以在真空中傳播，B錯．由題意知手機(jī)信號屏蔽器工作過程中以一定的速度由低端頻率向高端頻率掃描，干擾由基站發(fā)出的電磁波信號，使手機(jī)不能正常工作，故C錯誤，D正確． 12