人教版高中物理选择性必修二 4.1 电磁振荡 学案
文档属性
| 名称 | 人教版高中物理选择性必修二 4.1 电磁振荡 学案 |  | |
| 格式 | docx | ||
| 文件大小 | 489.9KB | ||
| 资源类型 | 试卷 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 物理 | ||
| 更新时间 | 2021-11-30 15:55:58 | ||
图片预览
文档简介
中小学教育资源及组卷应用平台
4.1 电磁振荡 学案
一、自主预习
1. 振荡电路中线圈的自感系数为L，电容器的电容为C，则电容器两极板间的电压从最大值变为零，所用的最少时间为________。
2．有甲、乙两个LC振荡电路，线圈的自感系数相同，甲的电容是乙的10倍，则甲、乙两振荡电路的振荡频率之比是________。
课堂探究
情景设问
水波是由机械振动形成的。一颗石子投入水面会激起一阵涟漪，但是要形成持续的水波，则需要不断地击打水面。电视、广播接收的是电磁波，要产生持续的电磁波，需要持续变化的电流。怎样才能产生这样的电流呢？
新知探究
考点一：电磁振荡的产生
1.定义
振荡电流：大小和方向都做周期性迅速变化的电流，叫作振荡电流。
振荡电路：能够产生振荡电流的电路。
2.振荡过程：
(1)放电过程：开关抛向线圈一侧的瞬间，电路中没有电流，电容器两极板上的电荷最多．电容器开始放电后，由于线圈的自感作用，放电电流不能立刻达到最大值，而是由0逐渐增大，同时电容器极板上的电荷逐渐减少.放电完毕时，放电电流达到最大值，电容器极板上没有电荷．
(2)充电过程：电容器放电完毕时，由于线圈的自感作用，电流并不会立即减小为0，而要保持原来的方向继续流动，并逐渐减小．由于电流继续流动，电容器充电，电容器两极板带上与原来相反的电荷，并且电荷逐渐增多，充电完毕瞬间，电流减小为0，电容器极板上的电荷最多。
4.振荡电路：
（1）定义：由电感线圈L和电容器C所组成的电路就是最简单的振荡电路，称为LC振荡电路．
（2）LC电磁振荡的产生原理：电容器充放电和线圈的自感现象共同作用产生的
（3）LC电磁振荡的产生过程:
LC振荡电路电流的周期性变化、电容器极板上电荷量的周期性变化
（3）LC电磁振荡的特点：LC回路工作过程具有对称性和周期性，可归结为：
两个物理过程：放电过程：电场能转化为磁场能，q↓→ I ↑
充电过程：磁场能转化为电场能，q↑ → I ↓
两个特殊状态：
充电完毕状态：磁场能向电场能转化完毕，电场能最大，磁场能最小
放电完毕状态：电场能向磁场能转化完毕，磁场能最大，电场能最小
考点二：电磁振荡中的能量变化
电磁振荡：在振荡电路产生振荡电流的过程中，电容器极板上的电荷、通过线圈的电流，以及跟电荷和电流相联系的电场和磁场都发生周期性的变化，这种现象叫电磁振荡。
1.阻尼振荡和无阻尼振荡
无阻尼振荡：在电磁振荡中，如果没有能量损失，振荡电流的振幅保持不变，这种振荡叫做无阻尼振荡，也叫做等幅振荡。
阻尼振荡：任何电磁振荡电路中，总存在能量损耗，使振荡电流的振幅逐渐减小，这种振荡叫做阻尼振荡，或叫做减幅振荡。
（1）振荡电路中的能量损耗有一部分转化为内能（产生焦耳热），还有一部向外辐射出去而损失．
（2）如果用振荡器不断地将电源的能量补充到振荡电路中去，就可以保持等幅振荡。
2． LC电磁振荡过程中相关量与电路状态的对应情况
3. LC电磁振荡的变化规律：
(1)总能量守恒＝电场能＋磁场能＝恒量
(2)电场能与磁场能交替转化
思考与讨论：电磁振荡与机械振动虽然有着本质的不同，但它们还是具有一些共同的特点。在机械振动中，例如在单摆的振动中，位移x、速度v、加速度a 这几个物理量周期性地变化。在电磁振荡中，电荷量q、电流i、电场强度E、磁感应强度B这几个物理量也在周期性地变化。
在机械振动中，动能与势能周期性地相互转化。那么，在电磁振荡中，能量是如何转化的
解析：在电磁振荡中，磁场能与电场能周期性地相互转化。
考点三：电磁振荡的周期和频率
1．周期和频率：
(1)周期：电磁振荡完成一次周期性变化需要的时间叫做周期。
(2)频率：单位时间内完成的周期性变化的次数叫做频率。
如果振荡电路没有能量损失，也不受外界影响，这时的周期和频率分别叫做固有周期和固有频率。
(3)周期和频率公式：T＝，f＝。
2．在一个周期内，振荡电流的方向改变两次；电场能（或磁场能）完成两次周期性变化。
思考与讨论：（1）LC电路的周期（频率）与哪些因素有关？（2）电容较大时，电容器充电、放电的时间长些还是短些？线圈的自感系数较大时，电容器充电、放电时间长些还是短些？
根据上面的讨论结果，定性地讲，LC电路的周期（频率）与电容C、电感L的大小有什么关系？
3、LC回路的周期和频率
（1） LC回路的周期和频率：由回路本身的特性决定．这种由振荡回路本身特性所决定的振荡周期（或频率）叫做振荡电路的固有周期（或固有频率），简称振荡电路的周期（或频率）。
（2）公式： T =2π f =
（3）式中各物理量T、L、C、f的单位分别是s、H、F、Hz。
（4）适当地选择电容器和线圈，可使振荡电路物周期和频率符合我们的需要。
例题解析：在 LC 振荡电路中，线圈 L 的自感系数为 30 μH，可调电容器 C 的可调范围为1.2 270 pF。求振荡电路的频率范围
解析：根据LC振荡电路的频率公式
f1==HZ=2.65×107HZ
f2== HZ=1.77×106 HZ
此振荡电路的频率范围是 1.77×106 2.65×107 Hz。
思考与讨论：电容较大时，电容器充电、放电的时间会长些还是短些？线圈的自感系数较大时，电容器充电、放电的时间会长些还是短些？根据讨论结果，定性分析 LC 电路的周期（频率）与电容 C、电感 L 的关系。
解析：LC电路的周期T与自感系数L、电容C的关系是：T=2π
由于周期跟频数互为倒数，即f=，所以：f =
式中的T、f、L、C的单位分别是秒（s）、赫兹（Hz）、亨利（H）、法拉（F）。
由以上两式可知，适当的选择电容器和线圈，就可以使振荡电路的周期和频率符合我们的需要。也可以用可变电容器或可变电感的线圈组成电路，改变电容器的电容或线圈的电感，振荡电路的周期和频率就跟着改变。
三、典例精讲
例1要使LC振荡电路的频率增大，可采用的方法是（ ）
A．减小电容器两极板上所带电荷量
B．增大电容器两极板间的距离
C．增大电容器两极板间的正对面积
D．减小电容器两极板间的距离
例2如图所示为某时刻LC振荡电路所处的状态，则该时刻（ ）
A．振荡电流i在增大
B．电容器正在放电
C．磁场能正在向电场能转化
D．极板间的场强在减小
四、核心素养专练
1. 下列几种方法中，能提高LC振荡电路频率的是（ ）
A．增大电容器极板的正对面积
B．升高电容器的充电电压
C．减少线圈的匝数
D．在线圈中插入软铁棒
2. 如图所示为某时刻LC振荡电路所处的状态，则该时刻（ ）
A．振荡电流i在增大
B．电容器正在放电
C．电场能正在向磁场能转化
D．磁场能正在向电场能转化
3. 如图所示是LC振荡电路及其中产生的振荡电流随时间变化的图象，电流的正方向规定为顺时针方向，则在t1到t2时间内，电容器C的极板上所带电量及其变化情况是（ ）
A．上极板带正电，且电量逐渐增加
B．上极板带正电，且电量逐渐减小
C．下极板带正电，且电量逐渐增加
D．下极板带正电，且电量逐渐减小
4. 要想增大LC振荡电路中产生的振荡电流的频率，可采用的方法是（ ）
A．增大电容器两极板的间距
B．升高电容器的充电电压
C．增加线圈的匝数
D．在线圈中插入铁芯
五、参考答案
自主预习
1. ；2.
典例精讲
例1. 要使LC振荡电路的频率增大，根据公式T=2π ，可减小线圈的自感系数L或减小电容器的电容C；
A、减小电容器两极板上所带电荷量，不会改变电容大小，故A错误；
B、增大电容器两极板间的距离可以减小电容，故B正确；
C、增大电容器两极板的正对面积可以增加电容，故C错误；
D、减小电容器两极板间的距离，则增大电容，故D错误；
故选：B。
例2. 通过图示电流方向，知电容器在充电，振荡电流减小，电容器上的电荷量正在增大，两极板间的场强在增大，磁场能正在向电场能转化。故C正确，A、B、D错误。
故选：C。
核心素养专练
1．要使LC振荡电路的频率增大，根据公式T=2π
，可减小线圈的自感系数L或减小电容器的电容C；
A、增大电容器两极板的正对面积可以增加电容，故A错误；
B、升高电容器的充电电压对频率没有影响，故B错误；
C、减少线圈的匝数会减小自感系数，故C正确；
D、在线圈中插入铁芯会增加自感系数，故D错误；
故选：C。
2．通过图示电流方向为电流流向正极板，知电容器在充电，振荡电流减小，电容器上的电荷量正在增大，磁场能正在向电场能转化。故D正确，A、B、C错误。
故选：D。
3． t1到t2时间内，电流为负且增大，即逆时针增大，说明该过程是放电的过程，且负电荷正由下极板向上极板移动，由此可知上极板带正电，且其所带正电荷量逐渐减小。所以选项B正确，其他选项错误。
故选：B。
4．A、振荡电流的频率由LC回路本身的特性决定，f=1/2π√LC ．增大电容器两极板的间距，电容减小，振荡电流的频率升高，故A正确；
B、升高电容器的充电电压不能改变振荡电流的频率，故B错误；
CD、增加线圈匝数和插入铁芯，电感L都增大，振荡电流的频率降低，故C错误，D错误。
故选：A。
4.1 电磁振荡 学案
一、自主预习
1. 振荡电路中线圈的自感系数为L，电容器的电容为C，则电容器两极板间的电压从最大值变为零，所用的最少时间为________。
2．有甲、乙两个LC振荡电路，线圈的自感系数相同，甲的电容是乙的10倍，则甲、乙两振荡电路的振荡频率之比是________。
课堂探究
情景设问
水波是由机械振动形成的。一颗石子投入水面会激起一阵涟漪，但是要形成持续的水波，则需要不断地击打水面。电视、广播接收的是电磁波，要产生持续的电磁波，需要持续变化的电流。怎样才能产生这样的电流呢？
新知探究
考点一：电磁振荡的产生
1.定义
振荡电流：大小和方向都做周期性迅速变化的电流，叫作振荡电流。
振荡电路：能够产生振荡电流的电路。
2.振荡过程：
(1)放电过程：开关抛向线圈一侧的瞬间，电路中没有电流，电容器两极板上的电荷最多．电容器开始放电后，由于线圈的自感作用，放电电流不能立刻达到最大值，而是由0逐渐增大，同时电容器极板上的电荷逐渐减少.放电完毕时，放电电流达到最大值，电容器极板上没有电荷．
(2)充电过程：电容器放电完毕时，由于线圈的自感作用，电流并不会立即减小为0，而要保持原来的方向继续流动，并逐渐减小．由于电流继续流动，电容器充电，电容器两极板带上与原来相反的电荷，并且电荷逐渐增多，充电完毕瞬间，电流减小为0，电容器极板上的电荷最多。
4.振荡电路：
（1）定义：由电感线圈L和电容器C所组成的电路就是最简单的振荡电路，称为LC振荡电路．
（2）LC电磁振荡的产生原理：电容器充放电和线圈的自感现象共同作用产生的
（3）LC电磁振荡的产生过程:
LC振荡电路电流的周期性变化、电容器极板上电荷量的周期性变化
（3）LC电磁振荡的特点：LC回路工作过程具有对称性和周期性，可归结为：
两个物理过程：放电过程：电场能转化为磁场能，q↓→ I ↑
充电过程：磁场能转化为电场能，q↑ → I ↓
两个特殊状态：
充电完毕状态：磁场能向电场能转化完毕，电场能最大，磁场能最小
放电完毕状态：电场能向磁场能转化完毕，磁场能最大，电场能最小
考点二：电磁振荡中的能量变化
电磁振荡：在振荡电路产生振荡电流的过程中，电容器极板上的电荷、通过线圈的电流，以及跟电荷和电流相联系的电场和磁场都发生周期性的变化，这种现象叫电磁振荡。
1.阻尼振荡和无阻尼振荡
无阻尼振荡：在电磁振荡中，如果没有能量损失，振荡电流的振幅保持不变，这种振荡叫做无阻尼振荡，也叫做等幅振荡。
阻尼振荡：任何电磁振荡电路中，总存在能量损耗，使振荡电流的振幅逐渐减小，这种振荡叫做阻尼振荡，或叫做减幅振荡。
（1）振荡电路中的能量损耗有一部分转化为内能（产生焦耳热），还有一部向外辐射出去而损失．
（2）如果用振荡器不断地将电源的能量补充到振荡电路中去，就可以保持等幅振荡。
2． LC电磁振荡过程中相关量与电路状态的对应情况
3. LC电磁振荡的变化规律：
(1)总能量守恒＝电场能＋磁场能＝恒量
(2)电场能与磁场能交替转化
思考与讨论：电磁振荡与机械振动虽然有着本质的不同，但它们还是具有一些共同的特点。在机械振动中，例如在单摆的振动中，位移x、速度v、加速度a 这几个物理量周期性地变化。在电磁振荡中，电荷量q、电流i、电场强度E、磁感应强度B这几个物理量也在周期性地变化。
在机械振动中，动能与势能周期性地相互转化。那么，在电磁振荡中，能量是如何转化的
解析：在电磁振荡中，磁场能与电场能周期性地相互转化。
考点三：电磁振荡的周期和频率
1．周期和频率：
(1)周期：电磁振荡完成一次周期性变化需要的时间叫做周期。
(2)频率：单位时间内完成的周期性变化的次数叫做频率。
如果振荡电路没有能量损失，也不受外界影响，这时的周期和频率分别叫做固有周期和固有频率。
(3)周期和频率公式：T＝，f＝。
2．在一个周期内，振荡电流的方向改变两次；电场能（或磁场能）完成两次周期性变化。
思考与讨论：（1）LC电路的周期（频率）与哪些因素有关？（2）电容较大时，电容器充电、放电的时间长些还是短些？线圈的自感系数较大时，电容器充电、放电时间长些还是短些？
根据上面的讨论结果，定性地讲，LC电路的周期（频率）与电容C、电感L的大小有什么关系？
3、LC回路的周期和频率
（1） LC回路的周期和频率：由回路本身的特性决定．这种由振荡回路本身特性所决定的振荡周期（或频率）叫做振荡电路的固有周期（或固有频率），简称振荡电路的周期（或频率）。
（2）公式： T =2π f =
（3）式中各物理量T、L、C、f的单位分别是s、H、F、Hz。
（4）适当地选择电容器和线圈，可使振荡电路物周期和频率符合我们的需要。
例题解析：在 LC 振荡电路中，线圈 L 的自感系数为 30 μH，可调电容器 C 的可调范围为1.2 270 pF。求振荡电路的频率范围
解析：根据LC振荡电路的频率公式
f1==HZ=2.65×107HZ
f2== HZ=1.77×106 HZ
此振荡电路的频率范围是 1.77×106 2.65×107 Hz。
思考与讨论：电容较大时，电容器充电、放电的时间会长些还是短些？线圈的自感系数较大时，电容器充电、放电的时间会长些还是短些？根据讨论结果，定性分析 LC 电路的周期（频率）与电容 C、电感 L 的关系。
解析：LC电路的周期T与自感系数L、电容C的关系是：T=2π
由于周期跟频数互为倒数，即f=，所以：f =
式中的T、f、L、C的单位分别是秒（s）、赫兹（Hz）、亨利（H）、法拉（F）。
由以上两式可知，适当的选择电容器和线圈，就可以使振荡电路的周期和频率符合我们的需要。也可以用可变电容器或可变电感的线圈组成电路，改变电容器的电容或线圈的电感，振荡电路的周期和频率就跟着改变。
三、典例精讲
例1要使LC振荡电路的频率增大，可采用的方法是（ ）
A．减小电容器两极板上所带电荷量
B．增大电容器两极板间的距离
C．增大电容器两极板间的正对面积
D．减小电容器两极板间的距离
例2如图所示为某时刻LC振荡电路所处的状态，则该时刻（ ）
A．振荡电流i在增大
B．电容器正在放电
C．磁场能正在向电场能转化
D．极板间的场强在减小
四、核心素养专练
1. 下列几种方法中，能提高LC振荡电路频率的是（ ）
A．增大电容器极板的正对面积
B．升高电容器的充电电压
C．减少线圈的匝数
D．在线圈中插入软铁棒
2. 如图所示为某时刻LC振荡电路所处的状态，则该时刻（ ）
A．振荡电流i在增大
B．电容器正在放电
C．电场能正在向磁场能转化
D．磁场能正在向电场能转化
3. 如图所示是LC振荡电路及其中产生的振荡电流随时间变化的图象，电流的正方向规定为顺时针方向，则在t1到t2时间内，电容器C的极板上所带电量及其变化情况是（ ）
A．上极板带正电，且电量逐渐增加
B．上极板带正电，且电量逐渐减小
C．下极板带正电，且电量逐渐增加
D．下极板带正电，且电量逐渐减小
4. 要想增大LC振荡电路中产生的振荡电流的频率，可采用的方法是（ ）
A．增大电容器两极板的间距
B．升高电容器的充电电压
C．增加线圈的匝数
D．在线圈中插入铁芯
五、参考答案
自主预习
1. ；2.
典例精讲
例1. 要使LC振荡电路的频率增大，根据公式T=2π ，可减小线圈的自感系数L或减小电容器的电容C；
A、减小电容器两极板上所带电荷量，不会改变电容大小，故A错误；
B、增大电容器两极板间的距离可以减小电容，故B正确；
C、增大电容器两极板的正对面积可以增加电容，故C错误；
D、减小电容器两极板间的距离，则增大电容，故D错误；
故选：B。
例2. 通过图示电流方向，知电容器在充电，振荡电流减小，电容器上的电荷量正在增大，两极板间的场强在增大，磁场能正在向电场能转化。故C正确，A、B、D错误。
故选：C。
核心素养专练
1．要使LC振荡电路的频率增大，根据公式T=2π
，可减小线圈的自感系数L或减小电容器的电容C；
A、增大电容器两极板的正对面积可以增加电容，故A错误；
B、升高电容器的充电电压对频率没有影响，故B错误；
C、减少线圈的匝数会减小自感系数，故C正确；
D、在线圈中插入铁芯会增加自感系数，故D错误；
故选：C。
2．通过图示电流方向为电流流向正极板，知电容器在充电，振荡电流减小，电容器上的电荷量正在增大，磁场能正在向电场能转化。故D正确，A、B、C错误。
故选：D。
3． t1到t2时间内，电流为负且增大，即逆时针增大，说明该过程是放电的过程，且负电荷正由下极板向上极板移动，由此可知上极板带正电，且其所带正电荷量逐渐减小。所以选项B正确，其他选项错误。
故选：B。
4．A、振荡电流的频率由LC回路本身的特性决定，f=1/2π√LC ．增大电容器两极板的间距，电容减小，振荡电流的频率升高，故A正确；
B、升高电容器的充电电压不能改变振荡电流的频率，故B错误；
CD、增加线圈匝数和插入铁芯，电感L都增大，振荡电流的频率降低，故C错误，D错误。
故选：A。