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)教師用書 滬科版選修3-4

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)知 識 脈 絡(luò)1.理解麥克斯韋電磁理論的兩個要點，了解電磁場與電磁波的聯(lián)系與區(qū)別，以及電磁波的特點.(重點)2.了解麥克斯韋理論在物理發(fā)展史上的意義.3.了解LC振蕩電路中電磁振蕩的產(chǎn)生過程.(難點)4.了解電磁振蕩的周期和頻率，會求LC電路的周期和頻率.(重點)麥 克 斯 韋 電 磁 場 理 論1.英國物理學(xué)家麥克斯韋創(chuàng)立了電磁場理論，并預(yù)言了電磁波的存在.2.變化的磁場產(chǎn)生電場不均勻變化的磁場產(chǎn)生變化的電場；均勻變化的磁場產(chǎn)生穩(wěn)定的電場.3.變化的電場產(chǎn)生磁場不均勻變化的電場產(chǎn)生變化的磁場；均勻變化的電場產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場.4.電磁場理論偉大的豐碑(1)不均勻變化的磁場和電場相互耦連，形成不可分離的統(tǒng)一的電磁場.(2)變化的電場與變化的磁場相互激發(fā)，由近及遠(yuǎn)地向周圍空間傳播，就形成了電磁波.麥克斯韋在理論上預(yù)言了電磁波的存在.(3)在電磁波的傳播過程中，電場和磁場方向相互垂直并都垂直于傳播的方向，即電磁波是橫波.(4)電磁波在真空中的傳播速度等于光速.1.變化的電場一定產(chǎn)生變化的磁場.()2.恒定電流周圍產(chǎn)生磁場，磁場又產(chǎn)生電場.()3.麥克斯韋預(yù)言并驗證了電磁波的存在.()1.變化的磁場一定產(chǎn)生變化的電場嗎？【提示】不一定.均勻變化的磁場在周圍空間產(chǎn)生恒定的電場，不均勻變化的磁場在周圍空間產(chǎn)生變化的電場.2.電磁場與靜電場、靜磁場相同嗎？【提示】不同.電磁場是動態(tài)的，并且電場和磁場不可分割；靜電場、靜磁場單獨存在.1.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2.對電磁場的理解(1)電磁場的產(chǎn)生如果在空間某區(qū)域有周期性變化的電場，那么這個變化的電場在它周圍空間產(chǎn)生周期性變化的磁場；這個變化的磁場又在它周圍空間產(chǎn)生新的周期性變化的電場變化的電場和磁場相互聯(lián)系，形成了不可分割的統(tǒng)一體，這就是電磁場.(2)電磁場與靜電場、靜磁場的比較靜電場、靜磁場也可以在某空間混合存在，但由靜電場和靜磁場混合的空間不屬于電磁場.電磁場是電場、磁場相互激發(fā)，相互耦連形成的統(tǒng)一體.3.對電磁波的理解(1)電磁波的傳播不需要介質(zhì)，可在真空中傳播，在真空中，不同頻率的電磁波傳播速度是相同的(都等于光速).(2)不同頻率的電磁波，在同一種介質(zhì)中傳播，其速度是不同的，頻率越高，波速越小.1.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.周期性變化的磁場產(chǎn)生同頻率變化的電場C.變化的電場和變化的磁場相互關(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E.磁場周圍一定存在電場【解析】【答案】ABC2.根據(jù)麥克斯韋的電磁場理論，以下敘述中正確的是()A.教室中亮著的日光燈周圍空間必有磁場和電場B.工作時的電磁打點計時器周圍必有磁場和電場C.穩(wěn)定的電場產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場，穩(wěn)定的磁場產(chǎn)生穩(wěn)定的電場D.電磁波在傳播過程中，電場方向、磁場方向和傳播方向相互垂直E.均勻變化的電場周圍一定產(chǎn)生均勻變化的磁場【解析】教室中亮著的日光燈、工作時的電磁打點計時器用的振蕩電流，在其周圍產(chǎn)生振蕩磁場和電場，故選項A、B正確；穩(wěn)定的電場不會產(chǎn)生磁場，故選項C錯誤；電磁波是橫波，電場方向、磁場方向和傳播方向相互垂直，故選項D正確.均勻變化的電場周圍會產(chǎn)生恒定不變的磁場，E錯誤.【答案】ABD3.如圖311所示，在變化的磁場中放置一個閉合線圈.圖311(1)你能觀察到什么現(xiàn)象？(2)這種現(xiàn)象說明了什么？【解析】(1)靈敏電流計的指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，有電流產(chǎn)生.(2)變化的磁場產(chǎn)生了電場，使閉合線圈的自由電荷發(fā)生了定向運動而形成了電流.【答案】見解析判斷是否產(chǎn)生電場或磁場的技巧1.變化的電場或磁場能夠產(chǎn)生磁場或電場.2.均勻變化的場產(chǎn)生穩(wěn)定的場.3.非均勻變化的場產(chǎn)生變化的場.4.周期性變化的場產(chǎn)生同頻率的周期性變化的場.5.穩(wěn)定不變的場不能產(chǎn)生新的場.赫 茲 實 驗 與 電 磁 振 蕩1.赫茲實驗(1)實驗分析和高壓感應(yīng)線圈相連的拋光金屬球間產(chǎn)生電火花時，空間出現(xiàn)了迅速變化的電磁場，這種變化的電磁場以電磁波的形式傳到了導(dǎo)線環(huán)，導(dǎo)線環(huán)中激發(fā)出感應(yīng)電動勢，使與導(dǎo)線環(huán)相連的金屬球間也產(chǎn)生了電火花.這個導(dǎo)線環(huán)實際上是電磁波的檢測器.(2)實驗結(jié)論赫茲實驗證實了電磁波的存在，檢驗了麥克斯韋電磁場理論的正確性.2.電磁振蕩(1)振蕩電流：大小和方向都隨時間做周期性迅速變化的電流.(2)振蕩電路：能夠產(chǎn)生振蕩電流的電路.最基本的振蕩電路為LC振蕩電路.(3)電磁振蕩：在LC振蕩電路中，電容器極板上的電荷量，電路中的電流，電場和磁場周期性相互轉(zhuǎn)變的過程也就是電場能和磁場能周期性相互轉(zhuǎn)化的過程.(4)電磁振蕩的周期與頻率周期：電磁振蕩完成一次周期性變化需要的時間.頻率：1 s內(nèi)完成周期性變化的次數(shù).振蕩電路里發(fā)生無阻尼振蕩時的周期和頻率分別叫做固有周期、固有頻率.周期和頻率公式：T2，f.1.在振蕩電路中，電容器充電完畢磁場能全部轉(zhuǎn)化為電場能.()2.電容器放電完畢，電流最大.()3.L和C越大，電磁振蕩的頻率越高.()1.在LC振蕩電路一次全振動的過程中，電容器充電幾次？它們的充電電流方向相同嗎？【提示】充電兩次，充電電流方向不相同.2.在電磁振蕩的過程中，電場能與磁場能相互轉(zhuǎn)化，什么時候磁場能最大？【提示】放電剛結(jié)束時，電場能全部轉(zhuǎn)化成了磁場能.1.各物理量變化情況一覽表時刻(時間)工作過程qEiB能量0放電過程qm0Em00im0BmE電E磁充電過程0qm0Emim0Bm0E磁E電放電過程qm0Em00im0BmE電E磁T充電過程0qm0Emim0Bm0E磁E電2.振蕩電流、極板帶電荷量隨時間的變化圖像(如圖312所示)圖3123.板間電壓u、電場能EE、磁場能EB隨時間變化的圖像(如圖313所示)圖313u、EE規(guī)律與qt圖像相對應(yīng)；EB規(guī)律與it圖像相對應(yīng).4.分類分析(1)同步關(guān)系在LC振蕩回路發(fā)生電磁振蕩的過程中，電容器上的物理量：電量q、電場強度E、電場能EE是同步變化的，即：qEEE(或qEEE)振蕩線圈上的物理量：振蕩電流i、磁感應(yīng)強度B、磁場能EB也是同步變化的，即：iBEB(或iBEB)(2)同步異變關(guān)系在LC振蕩過程中，電容器上的三個物理量q、E、EE與線圈中的三個物理量i、B、EB是同步異向變化的，即q、E、EE同時減小時，i、B、EB同時增大，且它們的變化是同步的，也即：q、E、EE同步異向變化,i、B、EB.注意：自感電動勢E的變化規(guī)律與qt圖像相對應(yīng).4.LC振蕩電路中，某時刻磁場方向如圖314所示，則下列說法正確的是()圖314A.若磁場正在減弱，則電容器上極板帶正電B.若電容器正在充電，則電容器下極板帶正電C.若電容器上極板帶正電，則線圈中電流正在增大D.若電容器正在放電，則自感電動勢正在阻礙電流增大E.若電容器正在充電，則自感電動勢正在阻礙電流增大【解析】本題考查各物理量發(fā)生變化的判斷方法.由電流的磁場方向和安培定則可判斷振蕩電流方向，由于題目中未標(biāo)明電容器兩極板的帶電情況，可分兩種情況討論：(1)若該時刻電容器上極板帶正電，則可知電容器處于放電階段，電流增大，則C對，A錯；(2)若該時刻電容器下極板帶正電，可知電容器處于充電狀態(tài)，電流在減小，則B對，由楞次定律可判定D對E錯.故正確答案為B、C、D.【答案】BCD5.如圖315所示，LC電路的L不變，C可調(diào)，要使振蕩的頻率從700 Hz變?yōu)? 400 Hz，則把電容_到原來的_.圖315【解析】由題意，頻率變?yōu)樵瓉淼?倍，則周期就變?yōu)樵瓉淼?，由T2，L不變，當(dāng)CC0時符合要求.【答案】減小6.如圖316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D正常發(fā)光，現(xiàn)突然斷開S，并開始計時，畫出反映電容器a極板上電荷量q隨時間變化的圖像(q為正值表示a極板帶正電).圖316【解析】開關(guān)S處于閉合狀態(tài)時，電流穩(wěn)定，又因L電阻可忽略，因此電容器C兩極板間電壓為0，所帶電荷量為0，S斷開的瞬間，D燈立即熄滅，L、C組成的振蕩電路開始振蕩，由于線圈的自感作用，此后的時間內(nèi)，線圈給電容器充電，電流方向與線圈中原電流方向相同，電流從最大逐漸減為0，而電容器極板上電荷量則由0增為最大，根據(jù)電流流向，此時間里，電容器下極板b帶正電，所以此時間內(nèi)，a極板帶負(fù)電，由0增為最大.【答案】LC振蕩電路充、放電過程的判斷方法1.根據(jù)電流流向判斷：當(dāng)電流流向帶正電的極板時，電容器的電荷量增加，磁場能向電場能轉(zhuǎn)化，處于充電過程；反之，當(dāng)電流流出帶正電的極板時，電荷量減少，電場能向磁場能轉(zhuǎn)化，處于放電過程.2.根據(jù)物理量的變化趨勢判斷：當(dāng)電容器的帶電量q(電壓U、場強E)增大或電流i(磁場B)減小時，處于充電過程；反之，處于放電過程.3.根據(jù)能量判斷：電場能增加時充電，磁場能增加時放電.電 磁 波 的 發(fā) 射 和 電 磁 波 的 特 點1.發(fā)射條件有效地發(fā)射電磁波，振蕩電路必須具有兩個特點：第一，要有足夠高的振蕩頻率，頻率越高，發(fā)射電磁波的本領(lǐng)越大；第二，應(yīng)采用開放電路，振蕩電路的電場和磁場必須分散到足夠大的空間.2.電磁波的特點(1)電磁波中的電場E與磁場B相互垂直，而且二者均與波的傳播方向垂直.因此電磁波是橫波.(2)電磁波在真空中的傳播速度等于光速c，光的本質(zhì)是電磁波.(3)電磁波具有波的一般特征，波長()、周期(T)或頻率(f)與波速(v)間關(guān)系為vf.(4)電磁波和其他波一樣也具有能量，電磁波的發(fā)射過程就是輻射能量的過程.1.振蕩頻率足夠高的開放電路才能發(fā)射電磁波.()2.電磁波的傳播速度等于光速c.()3.電磁波的傳播不需要介質(zhì)，可以在真空中傳播.()1.怎樣才能形成開放電路【提示】在振蕩電路中，使電容器變成兩條長的直導(dǎo)線，一條深入高空成為天線，另一條接入地下成為地線，形成開放電路.2.雷雨天氣，從調(diào)至中波段的收音機中，會不斷地傳出很響的“咔嚓”聲，這是為什么？【提示】雷雨天形成閃電時會發(fā)出很強的電磁波，收音機接收到后會感應(yīng)出電流，引起揚聲器發(fā)出聲響，形成很響的“咔嚓”聲.1.機械波與電磁波的共性機械波與電磁波是本質(zhì)上不同的兩種波，但它們有共同的性質(zhì)：都具有波的特性，能發(fā)生反射、折射、干涉和衍射等物理現(xiàn)象；都滿足vf；波從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)，頻率都不變.2.電磁波與機械波的區(qū)別電磁波機械波不同點本質(zhì)電磁現(xiàn)象力學(xué)現(xiàn)象產(chǎn)生機理由電磁振蕩產(chǎn)生由機械振動產(chǎn)生周期性變化的量場強E與磁感應(yīng)強度B隨時間和空間作周期性變化質(zhì)點的位移x、加速度a隨時間和空間作周期性變化波的性質(zhì)橫波即有橫波，又有縱波傳播介質(zhì)不需要介質(zhì)，可在真空中傳播只能在彈性介質(zhì)中傳播速度特點由介質(zhì)和頻率決定僅由介質(zhì)決定7.某同學(xué)對機械波和電磁波進行類比，總結(jié)出下列內(nèi)容，其中正確的是()A.機械波的頻率、波長和波速三者滿足的關(guān)系，對電磁波也適用B.機械波和電磁波都能產(chǎn)生干涉和衍射現(xiàn)象C.機械波的傳播依賴于介質(zhì)，而電磁波可以在真空中傳播D.機械波只有橫波E.電磁波只有縱波【解析】機械波和電磁波有相同之處，也有本質(zhì)區(qū)別，但vf都適用，A說法對；機械波和電磁波都具有干涉和衍射現(xiàn)象，B說法對；機械波的傳播依賴于介質(zhì)，電磁波可以在真空中傳播，C說法對；機械波有橫波和縱波，而電磁波是橫波，D、E說法錯.【答案】ABC8.下列關(guān)于電磁波的敘述中，正確的是()A.電磁波是電磁場由發(fā)生區(qū)域向遠(yuǎn)處的傳播B.電磁波在任何介質(zhì)中的傳播速度均為3108 m/sC.電磁波由真空進入介質(zhì)傳播時，波長變短D.電磁波不能產(chǎn)生干涉、衍射現(xiàn)象E.電磁波具有波的一切特征【解析】電磁波是交替產(chǎn)生呈周期性變化的電磁場由發(fā)生區(qū)域向遠(yuǎn)處傳播而產(chǎn)生，故A項正確；電磁波只有在真空中傳播時，其速度為3108 m/s，故B項不正確；電磁波在傳播過程中其頻率f不變，由波速公式vf知，由于電磁波在介質(zhì)中的傳播速度比在真空中的傳播速度小，所以可得此時波長變短，故C正確；電磁波是一種波，具有波的一切特性，能產(chǎn)生干涉、衍射等現(xiàn)象，故E項正確，D項不正確.【答案】ACE電磁波的特點1.電磁波有波的一切特點：能發(fā)生反射、折射現(xiàn)象；能產(chǎn)生干涉、衍射等現(xiàn)象.2.電磁波是橫波.在電磁波中，每處的電場強度和磁感應(yīng)強度方向總是互相垂直的，并且都跟那里的電磁波的傳播方向垂直.3.電磁波可以在真空中傳播，向外傳播的是電磁能.