2017-2018學年高中物理 第十四章 電磁波 第1-3節(jié) 電磁波的發(fā)現 電磁振蕩 電磁波的發(fā)射和接收教學案 新人教版選修3-4

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1、 第1～3節(jié) 電磁波的發(fā)現 電磁振蕩 電磁波的發(fā)射和接收 1.英國物理學家麥克斯韋建立了經典電磁場理論：變化的磁場產生電場，變化的電場產生磁場。德國物理學家赫茲證實了電磁波的存在。 2．LC電路的周期(頻率)公式：T＝2π，f＝。 3．無線電波的發(fā)射和接收過程：調制→發(fā)射→接收→調諧→解調。 一、電磁場和電磁波 1．麥克斯韋電磁理論的兩個基本假設 (1)變化的磁場能夠在周圍空間產生電場。 (2)變化的電場能夠在周圍空間產生磁場。 圖14-1-1 圖14-1-1甲變化的磁場在其周圍空間產生電場。 圖乙變化的電場在其周圍空間產生磁場。 2．電磁場 變

2、化的電場和變化的磁場交替產生，形成不可分割的統一體，稱為電磁場。 3．電磁波 (1)電磁波的產生：變化的電場和磁場交替產生而形成的電磁場是由近及遠地傳播的，這種變化的電磁場在空間的傳播稱為電磁波。 (2)電磁波的特點： ①電磁波是橫波，電磁波在空間傳播不需要介質； ②電磁波的波長、頻率、波速的關系：v＝λf，在真空中，電磁波的速度c＝3.0×108 m/s。 (3)電磁波能產生反射、折射、干涉和衍射等現象。 二、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

3、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變的過程也就是電場能和磁場能周期性相互轉化的過程。 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內完成周期性變化的次數。 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＝。 三、電磁波的發(fā)射 1．要有效地發(fā)射電磁波，振蕩電路必須具有兩個特點： (1)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。 (2)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．開放電路：實際的開放電路，

4、線圈的一端用導線與大地相連，這條導線叫做地線，線圈的另一端高高地架在空中，叫做天線。 3．電磁波的調制：使電磁波隨各種信號而改變的技術叫做調制。調制的方法有兩種，一是調幅，使高頻電磁波的振幅隨信號的強弱而改變；另一種叫調頻，使高頻電磁波的頻率隨信號的強弱而改變。 四、電磁波的接收 1．接收原理 電磁波在傳播時遇到導體會使導體中產生感應電流，所以導體可用來接收電磁波，這個導體就是接收天線。 2．電諧振 當接收電路的固有頻率跟接收到的電磁波的頻率相等時，接收電路里產生的震蕩電流最強，這種現象叫做電諧振。 3．調諧 使電路中產生電諧振的過程叫做調諧。 4．解調 使聲音或圖像信號從

5、接收到的感應電流中還原出來，這個過程是調制的逆過程，叫做解調。 5．無線電波 波長大于1_mm(頻率低于300 GHz)的電磁波叫作無線電波。并按波長分成若干個波段，像長波、中波、短波、微波等。每個段所用的設備和技術不同，因此有不同的用途。 1．自主思考——判一判 (1)恒定電流周圍產生磁場，磁場又產生電場。(×) (2)電磁波和光在真空中的傳播速度都是3.0×108 m/s。(√) (3)電容器放電完畢，電流最大。(√) (4)L和C越大，電磁振蕩的頻率越高。(×) (5)頻率越高，振蕩電路發(fā)射電磁波本領越大。(√) (6)當接收電路的固有頻率和電磁波頻率相同時，出

6、現諧振現象。(√) (7)要使電視機的屏幕上出現圖像，必須將電視機接收到的無線電信號解調。(√) 2．合作探究——議一議 (1)怎樣才能形成電磁波？ 提示：變化的電場周圍產生變化的磁場，變化的磁場周圍產生變化的電場，在空間交替變化并傳播出去的電磁場就形成了電磁波。 (2)打開收音機的開關，轉動選臺旋鈕，使收音機收不到電臺的廣播，然后開大音量。在收音機附近，將電池盒的兩根引線反復碰撞，你會聽到收音機中發(fā)出“喀喀”的響聲。為什么會產生這種現象呢？打開電扇，將它靠近收音機，看看又會怎樣。 提示：電磁波是由電磁振蕩產生的，在收音機附近，將電池盒兩引線反復碰觸，變化的電流產生變化的磁場，變化

7、的磁場產生變化的電場，這樣會發(fā)出電磁波，從而導致收音機中發(fā)出“喀喀”聲。若將轉動的電扇靠近收音機，因為電扇中電動機內通有交流電，電動機的運行同樣會引起收音機發(fā)出“喀喀”聲。 (3)1895年，一位年輕的意大利人馬可尼(公元1874－1937年)發(fā)明了無線電通信技術。從此，攜帶了人類信息的電磁波開始在空間自由旅行，人們不必依賴電線，就可以在遙遠的地方互通信息。電視臺發(fā)射電視信號為什么要建高聳入云的發(fā)射塔呢？ 圖14-1-2 提示：電視信號要有效地發(fā)射出去，必須采用高頻開放電路，電視信號所用電磁波的波長比較短，以直線傳播為主，遇到障礙物會被阻擋，所以發(fā)射天線要架得高一些。

8、 對麥克斯韋電磁場理論的理解 1．電磁場的產生 如果在空間某處有周期性變化的電場，那么這個變化的電場就在它周圍空間產生周期性變化的磁場，這個變化的磁場又在它周圍空間產生變化的電場——變化的電場和變化的磁場是相互聯系著的，形成不可分割的統一體，這就是電磁場。 2．對麥克斯韋電磁場理論的理解 恒定的電場不產生磁場 恒定的磁場不產生電場 均勻變化的電場在周圍空間產生恒定的磁場 均勻變化的磁場在周圍空間產生恒定的電場 不均勻變化的電場在周圍空間產生變化的磁場 不均勻變化的磁場在周圍空間產生變化的電場 振蕩電場產生同頻率的振蕩磁場 振蕩磁場產生同頻率的振蕩電場 3．

9、對電磁波的理解 (1)電磁波的傳播不需要介質，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，在同一介質中傳播，其速度是不同的，頻率越高，波速越小。 (3)v＝λf中，f是電磁波的頻率，即為發(fā)射電磁波的LC振蕩電路的頻率：f＝，改變L或C即可改變f，從而改變電磁波的波長λ。 [典例]　(多選)根據麥克斯韋電磁場理論，變化的磁場可以產生電場。當產生的電場的電場線如圖14-1-3所示時，可能是(　　) 圖14-1-3 A．向上方向的磁場在增強 B．向上方向的磁場在減弱 C．向上方向的磁場先增強，然后反向減弱 D．向上方

10、向的磁場減弱，然后反向增強 [思路點撥]　 在電磁感應現象的規(guī)律中，當一個閉合回路中由于通過它的磁通量發(fā)生變化時，回路中就有感應電流產生，回路中并沒有電源，電流的產生是由于磁場的變化。麥克斯韋把以上的觀點推廣到不存在閉合電路的情況，即變化的磁場產生電場。判斷電場與磁場變化的關系仍可利用楞次定律，只不過是用電場線方向代替了電流方向。 [解析]　向上方向的磁場增強時，感應電流的磁場阻礙原磁場的增強而方向向下，根據安培定則感應電流方向如圖中E的方向所示，選項A正確，B錯誤。同理，當磁場反向即向下的磁場減弱時，也會得到如圖中E的方向，選項C正確，D錯誤。 [答案]　AC 1．關于電磁場理論

11、，以下說法正確的是(　　) A．在電場周圍一定會產生磁場 B．任何變化的電場周圍空間一定會產生變化的磁場 C．均勻變化的電場會產生變化的磁場 D．周期性變化的電場會產生周期性變化的磁場 解析：選D　變化的電場周圍一定產生磁場，但若電場不發(fā)生變化，則不能在周圍空間產生磁場，選項A錯誤；均勻變化的電場只能在周圍空間產生穩(wěn)定的磁場，只有不均勻變化的電場才能在周圍空間產生變化的磁場，選項B、C錯誤；周期性變化的電場(或磁場)在周圍空間產生周期性變化的磁場(或電場)，選項D正確。 2．(多選)應用麥克斯韋的電磁場理論判斷下列表示電場產生磁場(或磁場產生電場)的關系圖像中，正確的是(每個選項中

12、的上圖表示變化的場，下圖表示變化的場產生的另外的場)(　　) 解析：選BC　A圖中的上圖表示磁場是穩(wěn)定的，由麥克斯韋的電磁場理論可知周圍空間不會產生電場，選項A錯誤；B圖中的上圖表示均勻變化的電場，會產生穩(wěn)定的磁場，選項B正確；C圖中的上圖表示振蕩的磁場，它能產生同頻率的振蕩電場，且相位相差π/2，選項C正確；D圖的上圖表示振蕩的電場，在其周圍空間產生振蕩的磁場，且相位相差π/2，但是下圖中的圖像與上圖相比較，相位相差π，故選項D錯誤。 3. (多選)如圖14-1-4所示，有一水平放置、內壁光滑、絕緣的真空圓形管，半徑為R，有一帶正電的粒子靜止在管內，整個裝置處于豎直向上的磁場中，要使

13、帶電粒子由靜止開始沿管做圓周運動，所加磁場可能是(　　) 圖14-1-4 A．勻強磁場 B．均勻增加的磁場 C．均勻減少的磁場 D．由于洛倫茲力不做功，不管加什么磁場都不能使帶電粒子運動 解析：選BC　磁場對靜止的電荷不產生力的作用，但當磁場變化時可產生電場，電場對帶電粒子產生電場力的作用，帶電粒子在電場力作用下可以產生加速度，選項B、C正確。 電磁振蕩的變化規(guī)律 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

14、 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 圖14-1-5 [典例]　 (多選)在LC振蕩電路中，某時刻電路中的電流方向如圖14-1-6所示，且電流正在減小，則該時刻(　　) 圖14-1-6 A．電容器上極板帶正電，下極板帶負電 B．電容器上極板帶負電，下極板帶正電 C．電場能正在向磁場能轉化 D．磁場能正在向電場能轉化 [思路點撥]　 (1)由

15、電流減小可知，電容器正在充電。 (2)電容器充電過程中，磁場能轉化為電場能。 [解析]　電流正在減小，說明是充電過程，是磁場能向電場能的轉化，D項正確，C項錯誤；充電過程電容器上極板帶負電，下極板帶正電，A項錯誤，B項正確。 [答案]　BD LC振蕩電路充、放電過程的判斷方法 (1)根據電流流向判斷：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，電場能向磁場能轉化，處于放電過程。 (2)根據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

16、放電過程。 (3)根據能量判斷：電場能增加時充電，磁場能增加時放電。　　　　 1.如圖14-1-7所示，表示LC振蕩電路某時刻的情況，以下說法正確的是(　　) 圖14-1-7 A．電容器正在充電 B．電感線圈中的磁場能正在減小 C．電感線圈中的電流正在減小 D．此時自感電動勢正在阻礙電流的增加 解析：選D　根據磁感線的方向可以判斷電流方向是逆時針，再根據電容器極板上帶電的性質可以判斷電容器在放電，A項錯誤；電容器在放電，所以電流在增加，磁場能在增加，自感電動勢正在阻礙電流的增加，B、C項錯誤，D項正確。 2．如圖14-1-8所示是一個LC振蕩電路中電流的變化圖線，以

17、下說法正確的是(　　) 圖14-1-8 A．t1時刻電感線圈兩端電壓最大 B．t2時刻電容器兩極板間電壓為零 C．t1時刻電路中只有電場能 D．t1時刻電容器所帶電荷量為零 解析：選D　振蕩過程中由于電感和電容的存在，電路不是純電阻電路，故不滿足歐姆定律的適用條件。由i-t圖像可知t1時刻電流i最大，t2時刻電流i為零，誤認為i與u滿足歐姆定律I＝，從而錯選A、B項。電流i最大時，說明磁場最強，磁場能最大，電場能為零，電壓、電荷量均為零。 3．(多選)為了測量儲罐中不導電液體的高度，將與儲罐外殼絕緣的兩塊平行金屬板構成的電容器C置于儲罐中，電容器可通過開關S與線圈L或電源相連

18、，如圖14-1-9所示。當開關從a撥到b時，由L與C構成的回路中產生的周期T＝2π的振蕩電流。當罐中液面上升時(　　) 圖14-1-9 A．電容器的電容減小 B．電容器的電容增大 C．LC回路的振蕩頻率減小 D．LC回路的振蕩頻率增大 解析：選BC　當罐中的液面上升時，電容器極板間的介電常數變大，由平行板電容器的電容公式知，電容增大，則選項A錯誤，B正確；由LC回路周期公式知，振蕩周期增大，振蕩頻率減小，則選項C正確，D錯誤。 無線電波的發(fā)射和接收 1．無線電波的發(fā)射和接收過程 2．“調幅”和“調頻”是調制的兩個不同的方式 (1)高頻電磁波的振幅隨信號的

19、強弱而變的調制方式叫調幅，一般電臺的中波、中短波、短波廣播以及電視中的圖像信號采用調幅波。 (2)高頻電磁波的頻率隨信號的強弱而變的調制方式叫調頻，電臺的立體聲廣播和電視中的伴音信號，采用調頻波。 3．解調是調制的逆過程 聲音、圖像等信號頻率相對較低，不能轉化為電信號直接發(fā)射出去，而要將這些低頻信號加載到高頻電磁波信號上去。將聲音、圖像信號加載到高頻電磁波上的過程就是調制。而將聲音、圖像信號從高頻信號中還原出來的過程就是解調。 4．正確理解調諧的作用 圖14-1-10 世界上有許許多多的無線電臺、電視臺及各種無線電信號，如果不加選擇全部接收下來，那必然是一片混亂，分辨不清。因此

20、接收信號時，首先要從各種電磁波中把我們需要的選出來，通常叫選臺。在無線電技術中是利用電諧振達到該目的的。 [典例]　(多選)關于電磁波的發(fā)射和接收，下列說法中正確的是(　　) A．為了使振蕩電路有效地向空間輻射能量，電路必須是閉合的 B．音頻電流的頻率比較低，不能直接用來發(fā)射電磁波 C．當接收電路的固有頻率與收到的電磁波的頻率相同時，接收電路產生的振蕩電流最強 D．要使電視機的屏幕上有圖像，必須要有檢波過程 [思路點撥]　求解本題應把握以下兩點： (1)知道電磁波的發(fā)射和接收原理。 (2)知道電諧振的原理。 [解析]　有效發(fā)射電磁波，必須采用開放電路和高頻發(fā)射；一般的音頻

21、電流的頻率較低，不能直接用來發(fā)射電磁波；電磁波接收原理是一種叫電諧振的現象，與機械振動中的共振有些相似；電視機顯示圖像時，必須通過檢波過程，把有效的信號從高頻調制信號中取出來，否則就不能顯示，故A錯誤，B、C、D正確。 [答案]　BCD 相近概念的辨析技巧 (1)調頻和調幅：這是調制的兩種方式，使電磁波的頻率隨信號改變的調制方式叫調頻；使電磁波的振幅隨信號改變的調制方式叫調幅。 (2)調制和解調：把低頻電信號加載到高頻等幅振蕩電流上叫作調制；把低頻電信號從高頻載波中檢出來叫解調，是調制的逆過程。　　　　 1．(多選)要提高LC振蕩電路發(fā)射電磁波的本領，應該采取的措施是(　　

22、) 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 解析：選BC　理論證明，電磁波發(fā)射本領(功率)與f成正比，電磁場應盡可能擴散到周圍空間，形成開放電路。f＝，C＝，要使f增大，應減小L或C，B、C符合題意。 2．有一個LC接收電路，原來接收較低頻率的電磁波，現在要想接收較高頻率的電磁波，下列調節(jié)正確的是(　　) A．增加電源電壓 B．使用調頻的調制方式 C．把可動電容器的動片適當旋出一些 D．在線圈中插入鐵芯 解析：選C　增大LC接收電路的頻率，由公式f＝可知應減小電容或電感，A、B項錯；把可動電容器的動片

23、適當旋出一些，減小了電容，符合題目要求，C項正確；在線圈中插入鐵芯，增大了電感，不合題意，D項錯。 3．世界各地有許多無線電臺同時廣播，用收音機一次只能收聽到某一電臺的播音，而不是同時收聽到許多電臺的播音，其原因是(　　) A．因為收聽到的電臺離收音機最近 B．因為收聽到的電臺頻率最高 C．因為接收到的電臺電磁波能量最強 D．因為接收到的電臺電磁波與收音機調諧電路的固有頻率相同，產生了電諧振 解析：選D　選臺就是調諧過程，使f固＝f電磁波，在接收電路中產生電諧振，激起的感應電流最強，D正確。 1．(多選)關于麥克斯韋的電磁理論及其成就，下列說法正確的是(　　)

24、A．變化的電場可以產生磁場 B．變化的磁場可以產生電場 C．證實了電磁波的存在 D．預見了真空中電磁波的傳播速度大于光速 解析：選AB　選項A和B是電磁理論的兩大支柱，所以A和B正確；麥克斯韋預言了電磁波的存在，赫茲最早證實了電磁波的存在，C錯誤；麥克斯韋預見了真空中電磁波的傳播速度等于光速，D錯誤。 2．在LC振蕩電路中，當電容器充電完畢尚未開始放電時，下列說法正確的是(　　) A．電容器中的電場最強 B．電路里的磁場最強 C．電場能已有一部分轉化成磁場能 D．磁場能已有一部分轉化成電場能 解析：選A　LC振蕩電路電容器充電完畢，電容器中電場最強，磁場最弱，電場能和磁場能

25、之間還沒有發(fā)生轉化，故A正確。 3．(多選)調諧電路的可變電容器的動片從完全旋入到完全旋出仍接收不到較高頻率電臺發(fā)出的電信號，要收到電信號，應(　　) A．增大調諧電路中線圈的匝數 B．加大電源電壓 C．減小調諧電路中線圈的匝數 D．將線圈中的鐵芯取走 解析：選CD　該題考查實際問題的處理方法。當調諧電路的固有頻率等于電臺發(fā)出信號的頻率時，發(fā)生電諧振才能收聽到電臺信號。由題意知收不到電信號的原因是調諧電路固有頻率低，由f＝可知在C無法再調節(jié)前提下，可減小電感L，即可通過C、D的操作提高f。 4．(多選)電磁波與聲波比較(　　) A．電磁波的傳播不需要介質，聲波的傳播需要介質

26、B．由空氣進入水中時，電磁波速度變小，聲波速度變大 C．由空氣進入水中時，電磁波波長變小，聲波波長變大 D．電磁波和聲波在介質中的傳播速度，都是由介質決定，與頻率無關 解析：選ABC　選項A、B均與事實相符，所以A、B正確；根據λ＝，電磁波波速變小，頻率不變，波長變??；聲波速度變大，頻率不變，波長變大，所以選項C正確；電磁波在介質中的速度，與介質有關，也與頻率有關，在同一種介質中，頻率越大，波速越小，所以選項D錯誤。 5. (多選)某時刻LC振蕩電路的狀態(tài)如圖1所示，則此時刻(　　) 圖1 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化 D．磁場能

27、正在向電場能轉化 解析：選AD　由電磁振蕩的規(guī)律可知，電容器充電過程中，電流逐漸減小，電場能逐漸增大，磁場能逐漸減小，即磁場能正向電場能轉化，故A、D正確。 6．收音機的調諧電路中線圈的自感系數為L，要想接收波長為λ的電磁波，應把調諧電路中電容器的電容調至(c為光速)(　　) A.　　　　B. C. D. 解析：選D　接收電磁波必須進行調諧，使接收回路產生電諧振，由產生電諧振的條件f固＝f電磁波得＝，解得C＝，故正確答案為D。 7．(多選)如圖2所示是一個調諧接收電路，甲、乙、丙為電路中的電流隨時間變化的圖像，則(　　) 圖2 A．i1是L1中的電流圖像 B．i1是

28、L2中的電流圖像 C．i2是L2中的電流圖像 D．i3是流過耳機的電流圖像 解析：選ACD　L1中由于電磁感應，產生的感應電動勢的圖像是同甲圖相似的，但是由于L2和D串聯，所以當L2的電壓與D反向時，電路不通，因此這時L2沒有電流，所以L2中的電流圖像應如丙圖所示，丙圖中的i2高頻部分通過C2，通過耳機的電流如同丁圖中的i3，只有低頻的音頻電流，故選項A、C、D正確。 8．LC振蕩電路電容器的電容為3×10－5 μF，線圈的自感系數為3 mH，它與開放電路耦合后， (1)發(fā)射出去的電磁波的頻率是多大？ (2)發(fā)射出去的電磁波的波長是多大？ 解析：LC振蕩電路與開放電路耦合后，

29、振蕩電路中產生的高頻振蕩電流通過兩個電路線圈間的互感作用，使開放電路中也產生同頻率的振蕩電流，振蕩電流在開放電路中激發(fā)出無線電波，向四周發(fā)射，所以發(fā)射出電磁波的頻率就等于LC振蕩電路中電磁振蕩的頻率。 (1)發(fā)射出去的電磁波的頻率 f＝ ＝ Hz ＝530 kHz。 (2)發(fā)射出去的電磁波的波長 λ＝＝ m＝566 m。 答案：(1)530 kHz　(2)566 m 9.實驗室里有一水平放置的平行板電容器，知道其電容C＝1 μF。在兩板帶有一定電荷時，發(fā)現一粉塵恰好靜止在兩板間。手頭上還有一個自感系數L＝0.1 mH的電感器，現連成如圖3所示電路，試分析以下兩個問題： 圖3 (1)從S閉合時開始計時，經過π×10－5s時，電容器內粉塵的加速度大小是多少？ (2)當粉塵的加速度為多大時，線圈中電流最大？ 解析：(1)電鍵斷開時，電容器內帶電粉塵恰好靜止，說明電場力方向向上，且F電＝mg，閉合S后，L、C構成LC振蕩電路，T＝2π＝2π×10－5s，經＝π×10－5s時，電容器間的場強反向，電場力的大小不變，方向豎直向下，由牛頓第二定律得：a＝＝2g。 (2)線圈中電流最大時，電容器兩極間的場強為零，由牛頓第二定律可得：a＝＝g，方向豎直向下。 答案：(1)2g　(2)g 14