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
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3.1 麥克斯韋的電磁場理論 3.2 電磁波的發(fā)現(xiàn) 學 習 目 標 知 識 脈 絡 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.英國物理學家麥克斯韋創(chuàng)立了電磁場理論,并預言了電磁波的存在. 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),由近及遠地向周圍空間傳播,就形成了電磁波.麥克斯韋在理論上預言了電磁波的存在. (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 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】 ABC 2.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】 ABD 3.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線環(huán),導線環(huán)中激發(fā)出感應電動勢,使與導線環(huán)相連的金屬球間也產(chǎn)生了電火花.這個導線環(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 ①周期:電磁振蕩完成一次周期性變化需要的時間. ②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. ③周期和頻率公式:T=2π,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 q E i B 能量 0→ 放電過程 qm→0 Em→0 0→im 0→Bm E電→E磁 → 充電過程 0→qm 0→Em im→0 Bm→0 E磁→E電 → 放電過程 qm→0 Em→0 0→im 0→Bm E電→E磁 →T 充電過程 0→qm 0→Em im→0 Bm→0 E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312 3.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313 u、EE規(guī)律與qt圖像相對應;EB規(guī)律與it圖像相對應. 4.分類分析 (1)同步關系 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: q↓→E↓→EE↓(或q↑→E↑→EE↑) 振蕩線圈上的物理量:振蕩電流i、磁感應強度B、磁場能EB也是同步變化的,即: i↓→B↓→EB↓(或i↑→B↑→EB↑) (2)同步異變關系 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. 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314 A.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】 BCD 5.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T=2π,L不變,當C=C0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)射電磁波的本領越大;第二,應采用開放電路,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(λ)、周期(T)或頻率(f)與波速(v)間關系為v==λf. (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):①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;②都滿足v==λf;③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v=λf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】 ABC 8.下列關于電磁波的敘述中,正確的是( ) A.電磁波是電磁場由發(fā)生區(qū)域向遠處的傳播 B.電磁波在任何介質(zhì)中的傳播速度均為3108 m/s C.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v=λf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.- 配套講稿:
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