浙江省2018-2019版高中物理 第十四章 電磁波 第1課時(shí) 電磁波的發(fā)現(xiàn) 電磁振蕩學(xué)案 新人教版選修3-4.doc

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第1課時(shí)　電磁波的發(fā)現(xiàn)　電磁振蕩 [研究選考把握考情] 知識內(nèi)容 電磁波的發(fā)現(xiàn) 考試要求 加試a 教學(xué)要求 1.知道麥克斯韋預(yù)言了電磁波，說出麥克斯韋電磁理論的兩個(gè)基本假設(shè) 2.知道電磁波的傳播不需要介質(zhì) 3.知道電磁波是橫波，傳播的速度等于光速，光是一種電磁波 4.知道赫茲用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了電磁波的存在 5.了解麥克斯韋、赫茲對電磁學(xué)發(fā)展所做的巨大貢獻(xiàn) 6.認(rèn)識電磁波的物質(zhì)性 7.了解電磁波和機(jī)械波的區(qū)別 8.知道變化的電場與變化的磁場相互激發(fā)產(chǎn)生了電磁波 9.體會電磁波研究過程中的科學(xué)思想方法 說明 不要求理解“變化的電場相當(dāng)于一種電流” 知識內(nèi)容 電磁振蕩 考試要求 加試c 教學(xué)要求 1.知道LC振蕩電路的組成，知道振蕩電流是一種交變電流。 2.知道振蕩過程中電感線圈和電容器的作用。 3.了解LC振蕩電路的振蕩周期(頻率)與電感 、電容的關(guān)系。 4.會用傳感器觀察振蕩電流隨時(shí)間變化的規(guī)律。 5.了解振蕩過程中的能量轉(zhuǎn)化及損失情況。 6.了解電容器極板上電荷量、電路中電流、電壓的變化情況。 7.會用LC振蕩電路的周期、頻率公式進(jìn)行簡單的計(jì)算。 說明 不要求知道等幅振蕩的概念及等幅振蕩電路補(bǔ)充能量的方法。 知識點(diǎn)一　電磁波的發(fā)現(xiàn) [基 礎(chǔ) 梳 理] 1.偉大的預(yù)言 (1)麥克斯韋電磁場理論的基本觀點(diǎn)：變化的磁場產(chǎn)生電場，變化的電場產(chǎn)生磁場。 (2)如果在空間某區(qū)域中有周期性變化的電場，那么它就在空間引起周期性變化的磁場；這個(gè)變化的磁場又引起新的變化的電場……于是，變化的電場和變化的磁場交替產(chǎn)生，由近及遠(yuǎn)向周圍傳播，形成了電磁波。 2.電磁波 (1)根據(jù)麥克斯韋電磁場理論，電磁波在真空中傳播時(shí)，它的電場強(qiáng)度與磁感應(yīng)強(qiáng)度互相垂直，而且二者均與波的傳播方向垂直，因此電磁波是橫波。 (2)電磁波在真空中傳播的速度等于光速c，麥克斯韋指出了光的電磁本質(zhì)。 3.赫茲的電火花 赫茲做了一系列的實(shí)驗(yàn)，觀察到了電磁波的反射、折射、干涉、衍射和偏振等現(xiàn)象。并通過測量證明，電磁波在真空中具有與光相同的速度。這樣，赫茲證實(shí)了麥克斯韋關(guān)于光的電磁理論，赫茲在人類歷史上首先捕捉到了電磁波。 [即 學(xué) 即 練] 1.關(guān)于電磁場理論，下列說法正確的是(　　) A.在電場周圍一定產(chǎn)生磁場，磁場周圍一定產(chǎn)生電場 B.在變化的電場周圍一定產(chǎn)生變化的磁場，變化的磁場周圍一定產(chǎn)生變化的電場 C.均勻變化的電場周圍一定產(chǎn)生均勻變化的磁場 D.周期性變化的電場周圍一定產(chǎn)生周期性變化的磁場 解析　根據(jù)麥克斯韋電磁場理論，只有變化的電場能產(chǎn)生磁場，均勻變化的電場產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場，非均勻變化的電場才產(chǎn)生變化的磁場。 答案　D 2.下列關(guān)于電磁波的說法，正確的是(　　) A.電磁波只能在真空中傳播 B.電場隨時(shí)間變化時(shí)一定產(chǎn)生電磁波 C.做變速運(yùn)動的電荷會在空間產(chǎn)生電磁波 D.麥克斯韋第一次用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了電磁波的存在 解析　電磁波是電磁場這種物質(zhì)在空間的傳播，它既可在真空中傳播，也可在介質(zhì)中傳播，A錯(cuò)誤；當(dāng)電場隨時(shí)間均勻變化時(shí)產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場，穩(wěn)定的磁場不能再產(chǎn)生電場，故也就不能形成電磁波，B錯(cuò)誤；做變速運(yùn)動的電荷產(chǎn)生變化的磁場，變化的磁場在其周圍空間產(chǎn)生變化的電場……電場、磁場交替產(chǎn)生，向外傳播的過程就形成了電磁波，C正確；麥克斯韋從理論上預(yù)言了電磁波的存在，赫茲通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)了電磁波的存在，D錯(cuò)誤。 答案　C 知識點(diǎn)二　電磁振蕩 [基 礎(chǔ) 梳 理] 1.電磁振蕩的產(chǎn)生 (1)振蕩電流和振蕩電路 ①振蕩電流：大小和方向都做周期性迅速變化的電流。 ②振蕩電路：產(chǎn)生振蕩電流的電路。最簡單的振蕩電路為LC振蕩電路。 (2)電磁振蕩的過程 放電過程：由于線圈的自感作用，放電電流由零逐漸增大，電容器極板上的電荷逐漸減少，電容器里的電場逐漸減弱，線圈的磁場逐漸增強(qiáng)，電場能逐漸轉(zhuǎn)化為磁場能，振蕩電流逐漸增大，放電完畢，電流達(dá)到最大，電場能全部轉(zhuǎn)化為磁場能。 充電過程：電容器放電完畢后，由于線圈的自感作用，電流保持原來的方向逐漸減小，電容器將進(jìn)行反向充電，線圈的磁場逐漸減弱，電容器里的電場逐漸增強(qiáng)，磁場能逐漸轉(zhuǎn)化為電場能，振蕩電流逐漸減小，充電完畢，電流減小為零，磁場能全部轉(zhuǎn)化為電場能。 此后，這樣充電和放電的過程反復(fù)進(jìn)行下去。 2.電磁振蕩的周期和頻率 (1)電磁振蕩的周期T：電磁振蕩完成一次周期性變化需要的時(shí)間。 (2)電磁振蕩的頻率f：1 s內(nèi)完成的周期性變化的次數(shù)。 (3)LC電路的周期T、頻率f與自感系數(shù)L、電容C的關(guān)系是T＝2π、f＝。 [要 點(diǎn) 精 講] 要點(diǎn)1　電磁波與機(jī)械波的比較 1.電磁波和機(jī)械波的共同點(diǎn) (1)二者都能產(chǎn)生干涉和衍射。 (2)二者在不同介質(zhì)中傳播時(shí)頻率不變。 (3)二者都滿足波的公式v＝＝λf。 2.電磁波和機(jī)械波的區(qū)別 (1)二者本質(zhì)不同 電磁波是電磁場的傳播，機(jī)械波是質(zhì)點(diǎn)機(jī)械振動的傳播。 (2)傳播機(jī)理不同 電磁波的傳播機(jī)理是電磁場交替感應(yīng)，機(jī)械波的傳播機(jī)理是質(zhì)點(diǎn)間的機(jī)械作用。 (3)電磁波傳播不需要介質(zhì)，而機(jī)械波傳播需要介質(zhì)。 (4)電磁波是橫波，機(jī)械波既有橫波又有縱波，甚至有的機(jī)械波同時(shí)有橫波和縱波，例如地震波。 【例1】 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 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(xiàng)B、C、D正確。 答案　BCD 要點(diǎn)2　電磁振蕩中各物理量的變化情況 如圖1所示 圖1 【例2】 某時(shí)刻LC振蕩電路的狀態(tài)如圖2所示，則此時(shí)刻(　　) 圖2 A.振蕩電流i在減小 B.振蕩電流i在增大 C.電場能正在向磁場能轉(zhuǎn)化 D.磁場能正在向電場能轉(zhuǎn)化 解析　題圖中電容器上極板帶正電荷，圖中給出的振蕩電流方向，說明負(fù)電荷向下極板聚集，所以電容器正在充電， 電容器充電的過程中，電流減小，磁場能向電場能轉(zhuǎn)化，所以選項(xiàng)A、D正確。 答案　AD 名師點(diǎn)睛　在電磁振蕩中各物理量變化是有規(guī)律的，我們要熟悉各物理量變化的特點(diǎn)，特別抓住關(guān)鍵的電量和電流的變化。電量變大、電場強(qiáng)度、電場能變大；電流則變小，磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁場能變小。判斷出充、放電情況是解決問題的關(guān)鍵。 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(gè)不可分割的統(tǒng)一體，即電磁場 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)是穩(wěn)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(gè)不可分割的統(tǒng)一體，即電磁場。故選項(xiàng)C正確。 答案　C 2.用麥克斯韋的電磁場理論判斷，圖中表示電場(或磁場)產(chǎn)生磁場(或電場)的正確圖象是(　　) 解析　A圖中的左圖磁場是穩(wěn)定的，由麥克斯韋的電磁場理論可知，其周圍空間不會產(chǎn)生電場，A圖錯(cuò)誤；B圖中的左圖是均勻變化的電場，應(yīng)該產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場，右圖的磁場應(yīng)是穩(wěn)定的，所以B圖錯(cuò)誤；C圖中的左圖是振蕩的磁 場，它能產(chǎn)生同頻率的振蕩電場，且相位相差，C圖正確，D圖錯(cuò)誤。 答案　C 3.手機(jī)A的號碼為12345670002，手機(jī)B的號碼為12345670008，用手機(jī)A撥打手機(jī)B時(shí)，手機(jī)B發(fā)出響聲并且顯示屏上顯示手機(jī)A的號碼為12345670002。若將手機(jī)A置于一透明真空罩中，用手機(jī)B撥打手機(jī)A，則手機(jī)A(　　) A.發(fā)出響聲，并顯示B的號碼為12345670008 B.不發(fā)出響聲，但顯示B的號碼為12345670008 C.不發(fā)出響聲，但顯示B的號碼為12345670002 D.既不發(fā)出響聲，也不顯示號碼 解析　電磁波可以在真空中傳播，而聲波的傳播則需要介質(zhì)，當(dāng)手機(jī)B撥打手機(jī)A時(shí)(A置于一透明真空罩中)，A能顯示B的號碼，不能發(fā)出響聲，即選項(xiàng)B正確。 答案　B 4.在LC回路中，電容器兩端的電壓隨時(shí)間t變化的關(guān)系如圖3所示，則(　　) 圖3 A.在時(shí)刻t1，電路中的電流最大 B.在時(shí)刻t2，電路中的磁場能最大 C.從時(shí)刻t2至t3，電路的電場能不斷增大 D.從時(shí)刻t3至t4，電容器的帶電荷量不斷增大 解析　電磁振蕩中的物理量可分為兩組：①電容器帶電量q，極板間電壓u，電場強(qiáng)度E及電場能為一組；②自感線圈中的電流i，磁感應(yīng)強(qiáng)度B及磁場能為一組。同組量的大小變化規(guī)律一致，同增同減同為最大或?yàn)榱?。異組量的大小變化規(guī)律相反，若q、E、u等量按正弦規(guī)律變化，則i、B等量必按余弦規(guī)律變化。根據(jù)上述分析由題圖可以看出，選項(xiàng)A、D正確。 答案 AD　 選擇題(在每小題給出的四個(gè)備選項(xiàng)中至少有一個(gè)是符合題目要求的。) 1.建立了完整的電磁場理論并首先預(yù)言電磁波存在的科學(xué)家是(　　) A.法拉第 B.奧斯特 C.赫茲 D.麥克斯韋 解析　麥克斯韋建立了電磁場理論并且預(yù)言了電磁波的存在，選項(xiàng)D正確。 答案　D 2.按照麥克斯韋的電磁場理論，以下說法正確的是(　　) A.恒定的電場周圍一定產(chǎn)生恒定的磁場，恒定的磁場周圍一定產(chǎn)生恒定的電場 B.變化的電場周圍一定產(chǎn)生變化的磁場，變化的磁場周圍一定產(chǎn)生變化的電場 C.均勻變化的電場周圍產(chǎn)生均勻變化的磁場，均勻變化的磁場周圍產(chǎn)生均勻變化的電場 D.正弦規(guī)律變化的電場周圍產(chǎn)生余弦規(guī)律變化的磁場，正弦規(guī)律變化的磁場周圍產(chǎn)生余弦規(guī)律變化的電場 答案　D 3.下列說法中正確的是(　　) A.電磁波只能在真空中傳播 B.麥克斯韋第一次用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了電磁波的存在 C.電磁場由發(fā)生區(qū)域向遠(yuǎn)處的傳播就是電磁波 D.頻率為750 kHz的電磁波在真空中傳播時(shí)，其波長為400 m 解析　電磁波不僅可以在真空中傳播，還可以在介質(zhì)中傳播，選項(xiàng)A錯(cuò)誤；麥克斯韋預(yù)言了電磁波的存在，赫茲第一次用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了電磁波的存在，選項(xiàng)B錯(cuò)誤；電磁場的傳播就是電磁波，選項(xiàng)C正確；頻率為750 kHz的電磁波的波長為λ＝＝ m＝400 m，選項(xiàng)D正確。 答案　CD 4.當(dāng)電磁波的頻率減小時(shí)，它在真空中的波長將(　　) A.不變 B.增大 C.減小 D.無法確定 解析　電磁波的波長為λ＝，頻率減小，波長增大，選項(xiàng)B正確。 答案　B 5.有關(guān)電磁波和聲波，下列說法正確的是(　　) A.電磁波的傳播不需要介質(zhì)，聲波的傳播需要介質(zhì) B.由空氣進(jìn)入水中傳播時(shí)，電磁波的傳播速度變小，聲波的傳播速度變大 C.電磁波是橫波，聲波也是橫波 D.由空氣進(jìn)入水中傳播時(shí)，電磁波的波長變短，聲波的波長變長 解析　電磁波本身就是一種物質(zhì)，它的傳播不需要介質(zhì)，而聲波的傳播需要介質(zhì)，故選項(xiàng)A正確；電磁波由空氣進(jìn)入水中時(shí)，傳播速度變小，但聲波在水中的傳播速度比其在空氣中大，故選項(xiàng)B正確；電磁波的傳播方向與E、B的方向都垂直，是橫波，而聲波是縱波，故選項(xiàng)C錯(cuò)誤；電磁波由空氣進(jìn)入水中傳播時(shí)，波速變小，波長變短，而聲波由空氣進(jìn)入水中傳播時(shí)，波速變大，波長變長，故選項(xiàng)D正確。 答案　ABD 6.關(guān)于LC振蕩電路中電容器兩極板上的電荷量，下列說法正確的是(　　) A.電荷量最大時(shí)，線圈中振蕩電流也最大 B.電荷量為零時(shí)，線圈中振蕩電流最大 C.電荷量增大的過程中，電路中的磁場能轉(zhuǎn)化為電場能 D.電荷量減少的過程中，電路中的磁場能轉(zhuǎn)化為電場能 解析　電容器電荷量最大時(shí)，振蕩電流為零，A錯(cuò)誤；電荷量為零時(shí)，放電結(jié)束，振蕩電流最大，B正確；電荷量增大時(shí)，磁場能轉(zhuǎn)化為電場能，C正確；同理可判斷D錯(cuò)誤。 答案　BC 7.如圖1所示的LC振蕩電路中，已知某時(shí)刻電流i的方向指向A板，且正在增大，則此時(shí)(　　) 圖1 A.A板帶正電 B.線圈L兩端電壓在增大 C.電容器C正在充電 D.電場能正在轉(zhuǎn)化為磁場能 解析　電路中的電流正在增大，說明電容器正在放電，選項(xiàng)C錯(cuò)誤；電容器放電時(shí)，電流從帶正電的極板流向帶負(fù)電的極板，則A板帶負(fù)電，選項(xiàng)A錯(cuò)誤；電容器放電，電容器兩板間的電壓減小，線圈兩端的電壓減小，選項(xiàng)B錯(cuò)誤；電容器放電，電場能減少，電流增大，磁場能增大，電場能正在轉(zhuǎn)化為磁場能，選項(xiàng)D正確。 答案　D 8.在LC回路中發(fā)生電磁振蕩時(shí)，以下說法正確的是(　　) A.電容器的某一極板，從帶最多的正電荷放電到這一極板充滿負(fù)電荷為止，這一段時(shí)間為一個(gè)周期 B.當(dāng)電容器放電完畢瞬間，回路中的電流為零 C.提高充電電壓，極板上帶更多的電荷時(shí)，能使振蕩周期變大 D.要提高振蕩頻率，可減小電容器極板間的正對面積 解析　電容器某一極板從帶最多的正電荷到帶最多的負(fù)電荷這段時(shí)間，電容器完成了放電和反向充電過程，時(shí)間為半個(gè)周期，A錯(cuò)誤；電容器放電完畢瞬間，電路中電場能最小，磁場能最大，故電路中的電流最大，B錯(cuò)誤；振蕩周期僅由電路本身決定，與充電電壓等無關(guān)，C錯(cuò)誤；提高振蕩頻率，就是減小振蕩周期，可通過減小電容器極板正對面積減小電容C，達(dá)到增大振蕩頻率的目的，D正確。 答案　D 9.在LC振蕩電路中，用以下的哪種方法可以使振蕩頻率增大一倍(　　) A.自感L和電容C都增大一倍 B.自感L增大一倍，電容C減小一半 C.自感L減小一半，電容C增大一倍 D.自感L和電容C都減小一半 解析　據(jù)LC振蕩電路頻率公式f＝，當(dāng)L、C都減小一半時(shí)，f增大一倍，故選項(xiàng)D正確。 答案　D 10.LC振蕩電路中，某時(shí)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)，則電場能正在減少，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 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向a，電場能增大，上極板帶負(fù)電，故選項(xiàng)A、B正確；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向a，上極板帶正電，故選項(xiàng)C正確，D錯(cuò)誤。 答案　ABC 11.如圖3所示為一個(gè)LC振蕩電路中電流變化的圖線，根據(jù)圖線可判斷(　　) 圖3 A.t1時(shí)刻電感線圈兩端電壓最大 B.t2時(shí)刻電容器兩板間電壓為零 C.t1時(shí)刻電路中只有電場能 D.t1時(shí)刻電容器帶電荷量為零 答案　D 12.如圖4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，則可以采用的辦法有(　　) 圖4 A.把電容增大到原來的4倍 B.把電容增大到原來的2倍 C.把電容減小到原來的 D.把電容減小到原來的 解析　由題意，頻率變?yōu)樵瓉淼?倍，則周期就變?yōu)樵瓉淼模蒚＝2π知，L不變，當(dāng)C＝C0時(shí)符合要求。 答案　D 13.如圖5所示，在內(nèi)壁光滑、水平放置的玻璃圓管內(nèi)，有一直徑略小于管內(nèi)徑的帶正電的小球，正以速度v0沿逆時(shí)針方向勻速運(yùn)動(俯視)。若在此空間突然加上方向豎直向上、磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨時(shí)間成正比例增加的變化磁場，設(shè)運(yùn)動過程中小球的帶電荷量不變，那么(　　) 圖5 A.小球?qū)ΣＡЧ艿膲毫Σ粩嘣龃? B.小球受到的磁場力不斷增大 C.小球先沿逆時(shí)針方向做減速運(yùn)動，過一段時(shí)間后，沿順時(shí)針方向做加速運(yùn)動 D.磁場力對小球一直不做功 解析　因?yàn)椴ＡA管所在處有均勻變化的磁場，在周圍產(chǎn)生穩(wěn)定的渦旋電場，對帶正電的小球做功。由楞次定律，判斷電場方向?yàn)轫槙r(shí)針方向(俯視)。在電場力作用下，小球先沿逆時(shí)針方向做減速運(yùn)動，后沿順時(shí)針方向做加速運(yùn)動。小球在水平面內(nèi)沿軌跡半徑方向受兩個(gè)力作用；管內(nèi)壁的彈力FN和磁場的洛倫茲力F＝Bqv，而且兩個(gè)力的矢量和時(shí)刻等于小球做圓周運(yùn)動的向心力。考慮到小球速度大小的變化和方向的變化以及磁場強(qiáng)弱的變化，彈力FN和洛倫茲力F不一定始終在增大。磁場力始終與圓周運(yùn)動的線速度方向垂直，所以磁場力對小球不做功。 答案　CD