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(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(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】　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(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： 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(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. 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(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(lǐng)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(guān)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(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(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.