3.1 电磁波的产生 课件 (1)

课件47张PPT。3.1 电磁波的产生1.交变电流是指_____和_____都随时间做周期性变化的电流。
2.平行板电容器电容的表达式： 。
3.当一个线圈中的电流变化时，线圈本身激发出感应电动势，
这种现象叫_____。
4.自感系数的大小与线圈的_____、_____、圈数以及是否有铁
芯等因素有关。大小方向自感大小形状一、电磁振荡
1.振荡电流：
大小和_____都周期性变化的电流。
2.振荡电路：
产生_________的电路。基本的振荡电路为___________。方向振荡电流LC振荡电路3.电磁振荡的过程分析：
(1)放电过程：由于线圈的自感作用，放电电流由零逐渐增
大，电容器极板上的电荷_________，电容器两极板间的电场
逐渐减弱，电感线圈中的磁场逐渐增强，电场能逐渐转化为
_______，振荡电流逐渐增大。放电完毕，电流_________，电
场能全部转化为磁场能。
(2)充电过程：电容器放电完毕后，由于线圈的自感作用，电
流保持___________逐渐减小，电容器将进行_________。电感
线圈中的磁场逐渐减弱，电容器两极板间的电场逐渐增强，磁
场能逐渐转化为电场能，振荡电流逐渐减小。充电完毕，电流
减小为零，磁场能全部转化为电场能。逐渐减少磁场能原来的方向反向充电达到最大4.电磁振荡：
在LC振荡电路中，电容器极板上的电荷量，电路中的电流，与
振荡电流相联系的电场和磁场也周期性交替_____，电场能和
磁场能相互_____。
5.电磁振荡的周期和频率：
(1)一次全振荡：发生电磁振荡时，通过电路中某一点_____，
由某方向的最大值再恢复到_______方向的最大值，就完成了一次全振荡。
(2)电磁振荡的周期T：完成一次_______的时间。
(3)电磁振荡的频率f：在1 s内完成_______的次数。变化转化电流同一个全振荡全振荡6.LC振荡电路的周期和频率：
(1)公式：T=_______，f= 。
(2)单位:周期T、频率f、自感系数L、电容C的单位分别是____、赫兹Hz、______、法拉F。 秒s亨利H二、麦克斯韦的预言
1.麦克斯韦电磁场理论：
(1)变化的磁场周围会产生电场。
麦克斯韦提出，在变化的磁场周围会激发出一种电场——_____
_____，不管有无闭合电路，变化的磁场激发的_________总是
存在的，如图所示。涡旋电场涡旋电场(2)变化的电场周围会产生磁场。
麦克斯韦从场的观点得出，即使没有电流存在，只要空间某处的电场发生变化，就会在其周围产生_________，如图所示。涡旋磁场(3)变化的电场和磁场是相互联系的，形成一个不可分割的统一场，这就是_______。电磁场，变化2.电磁波：
(1)电磁波的产生：
变化的电场周围产生变化的_____的磁场周围产生变化
的_____，变化的_____和变化的_____相互联系在一起，就会
在空间形成一个统一的、不可分割的电磁场。这种在空间交
替变化并传播出去的电磁场就形成了电磁波。
(2)电磁波的特点：
①电磁波是_____，电磁波在空间传播不需要介质。
②电磁波的波长、频率、波速的关系：______。在真空中，
电磁波的速度c=________ m/s。
(3)电磁波能产生反射、折射、干涉和衍射等现象。 磁场电场电场磁场横波v=λf3.0×108三、赫兹实验
1.赫兹实验原理图(如图)：
2.实验现象：
当感应线圈两极间有火花跳过时，环的间隙处___________。也跳过火花3.现象分析：
火花在A、B间来回跳动时,在周围空间建立了一个迅速变化的电磁场,这种电磁场以_______的形式在空间传播。当电磁波经过接收线圈时,导致接收线圈产生感生电动势,使接收线圈两球间隙处产生电压,当电压足够高时,两球之间就会产生火花放电现象。
4.实验结论：
赫兹实验证实了_______的存在。
5.实验意义：
证明了_________的预言,为麦克斯韦的电磁场理论奠定了坚实的实验基础。电磁波电磁波麦克斯韦【思考辨析】
1.判断正误：
(1)LC振荡电路的频率 。( )
(2)在电场周围一定产生磁场，在磁场周围一定产生电场。( )
(3)电磁波必须依靠介质来传播。( )
(4)电磁波具有能量。( )提示：(1)×。LC振荡电路的周期 频率
(2)×。根据麦克斯韦电磁场理论，只有变化的电场才能产生磁场，变化的磁场才能产生电场；
(3)×。电磁波的传播不需要介质，可以在真空中传播，也可以在介质中传播；
(4)√。电磁波和其他波一样，可以传递信息和能量。2.问题思考：
麦克斯韦电磁场理论的建立经历了怎样的发展过程？
提示：麦克斯韦电磁场理论的建立和实验验证，是19世纪物理学领域最重要的事件之一。电磁场理论的建立，经历了“实践——理论——实践”这一科学发展的过程，是物理学发展史上的典型案例。 一、电磁振荡中各物理量的对应变化关系
1.用图像对应分析i、q的变化关系，如图：2.振荡过程中相关物理量的对应关系：3.几个关系：
(1)同步同变关系。
在LC振荡电路发生电磁振荡的过程中，电容器上的物理量：
电量q、板间电压U、电场强度E、电场能EE是同步同向变化的，
即：
q↓→U↓→E↓→EE↓(或q↑→U↑→E↑→EE↑)
振荡线圈上的物理量：振荡电流i、磁感应强度B、磁场能EB也
是同步同向变化的，即：i↓→B↓→EB↓(或i↑→B↑→EB↑)。(2)同步异变关系。
在LC振荡过程中，电容器上的三个物理量q、E、EE与线圈中的
三个物理量i、B、EB是同步异向变化的，即q、E、EE同时减小
时，i、B、EB同时增大，且它们的变化是同步的，即：
q、E、EE↑ i、B、EB↓。
4.电磁振荡过程实质上是电场能和磁场能的转化过程。同步异向变化【学而后思】
(1)在LC振荡电路一次全振动的过程中，电容器充电几次？它
们的充电电流方向相同吗？
提示：充电两次，充电电流方向不相同。
(2)在电磁振荡的过程中，电场能与磁场能相互转化，它们变
化的周期还是 吗？
提示：不是。电场能和磁场能都是标量，没有方向。从振荡过
程来看，每完成一次全振荡，磁场能和电场能都完成两次周期
性变化，所以其变化周期是振荡周期的一半，即周期为【典例1】如图为LC振荡电路中电容器
极板上的电荷量q随时间t变化的图线。由图可知：
(1)t1时刻振荡电路的______能最大；
(2)t2～t3电路中电流正在______(选填“增大”或“减小”);
______能正在向______能转化。【解题探究】(1)请分析q、i的最大与电场能、磁场能的大小对应关系。
①q最大时:_______________________;
②i最大时:______________________。
(2)试根据q-t图线画出i-t图线。
提示:电场能最大，磁场能最小电场能最小,磁场能最大【标准解答】(1)在LC振荡电路中，充电过程，电荷量增加，电流减小，磁场能转化为电场能；t1时刻电荷量最大，电场能最大；
(2)t1到t2，q减小，电流增大。t2到t3，q增大，电流减小，电容器充电，磁场能转化为电场能。
答案:(1)电场 (2)减小 磁场 电场二、对LC回路电磁振荡周期(频率)公式的理解
1.影响电磁振荡周期(频率)的因素：
(1)由电磁振荡的周期公式 知,要改变电磁振荡的周
期和频率,必须改变线圈的自感系数L或者电容器的电容C。
(2)影响线圈自感系数L的因素:线圈的匝数、有无铁芯及线圈
的横截面积和长度。匝数越多,自感系数L越大,有铁芯的自感
系数比无铁芯的大。
(3)影响电容器电容的因素:两极板正对面积S,两极板间介电常
数ε,以及两板间距d，由 (平行板电容器电容)，不难
判断ε、S、d变化时，电容C的变化。2.LC回路中各物理量的变化周期：
LC回路中的电流i、线圈中的磁感应强度B、电容器极板间的电
场强度E的变化周期就是LC回路的振荡周期，即 在
一个周期内上述各量方向改变两次。电容器极板上所带的电荷
量，其变化周期也是振荡周期 极板上电荷的电性
在一个周期内改变两次。电场能、磁场能也在做周期性变化，
但它们是标量，没有方向，所以变化周期T′是振荡周期T的一
半，即【学而后思】
(1)LC振荡电路的周期和频率，是由什么决定的？
提示：LC振荡电路的周期和频率由电路自身因素决定,即由电路中电容器的电容和线圈的自感系数决定。
(2)如果要改变LC振荡电路的振荡周期和频率，改变什么较为方便？
提示：一般来讲,由于电容器两板间的正对面积的改变较为方便，只需将可变电容器的动片旋出或旋入，便可改变电容C的大小,所以通常用改变两板正对面积的方法改变LC振荡电路的振荡周期和频率。【典例2】在LC振荡电路中，如已知电容C，并测得电路的固有振荡周期为T，即可求得电感L。为了提高测量精度，需多次改变C值并测得相应的T值。现将测得的六组数据标示在以C为横坐标，以T2为纵坐标的坐标纸上，即图中用“×”表示的点，如图所示。(1)T、L、C的关系为________。
(2)根据图中给出的数据点作出T2与C的关系图线。
(3)求得L的值是_________。(π2取10)
【解题探究】(1)试写出电磁振荡的周期公式。
提示:电磁振荡的周期公式
(2)T2与C的关系图线的斜率表示什么？
提示:由 得T2=4π2LC，所以T2与C的关系图线的斜率表示4π2L。【标准解答】(1)T、L、C的关系为
(2)作图时，图线应尽量通过或靠近比较多的数据点，不通过图线的数据点应尽量较均匀地分布在图线的两侧,如图所示。(3)将LC回路的固有周期公式 变换成T2=4π2LC,从
而认识到T2-C图线为过坐标原点的直线(在本题中，横、纵坐
标的起点不为零，图线在纵轴上有一正截距值)，图线的斜率
为4π2L, 从图线上取两点求得斜率 计算
出L的平均值为0.035 1 ～0.040 0 H范围内的某一数值。
答案：(1) (2)见标准解答
(3)0.035 1 H(0.035 1～0.040 0 H均正确)【变式训练】图中电容器的电容都是4×10-6 F，电感都是9×10-4 H。甲图中电键K先接a，充电结束后将K扳到b；乙图中电键K先闭合，稳定后断开。t=0时刻，两图中LC回路开始振荡。t=3.14×10-4 s时刻，C1的上极板正在____(选填“充”或“放”)电,带_____(选填“正”或“负”)电；L2中的电流方向向____(选填“左”或“右”)，磁场能正在_____(选填“增大”或“减小”)。【解析】先由公式求出周期 =1.2π×10-4 s，t=
3.14×10-4 s时刻是开始振荡后的 再看与甲图对应的q-t
图像(以上极板带正电为正)和与乙图对应的i-t图像(以LC回路
中逆时针方向电流为正)，图像都为余弦函数图像。在 时
刻，从甲图对应的q-t图像看出，上极板正在充电；从乙图对
应的i-t图像看出，L2中的电流方向向左，正在增大，所以磁
场能正在增大。
答案：充 正 左 增大【变式备选】电子钟是利用LC振荡电路来工作计时的，现发现电子钟每天要慢30s，造成这一现象的原因可能是　(　　)
A.电池用久了
B.振荡电路中电容器的电容大了
C.振荡电路中线圈的电感大了
D.振荡电路中电容器的电容小了
【解析】选B、C。LC振荡回路的周期 由此公式可知电子钟的周期由电感和电容共同决定，与其他因素无关。故B、C正确，A、D错误。 三、麦克斯韦电磁场理论
1.对麦克斯韦电磁场理论的理解：2.对电磁场的理解：
变化的磁场在周围空间将产生涡旋电场,变化的电场在周围空
间将产生涡旋磁场。当变化的电场增强时,磁感线沿某一方向
旋转,当变化的电场减弱时,磁感线将沿相反方向旋转,如果电
场不改变就不产生磁场。同理,减弱或增强的电场周围也将产
生不同旋转方向的磁场。因此,变化的电场在其周围产生磁场,
变化的磁场在其周围产生电场,一种场的突然减弱或增强,导致
另一种场的产生。这样,周期性变化的电场、磁场相互激发,形
成的电磁场链一环套一环,如图所示。需要注意的是,这里的电
场和磁场必须是变化的,形成的电磁场链环不可能是静止的,这种电磁场是无源场(既不是由电荷激发的电场,也不是由运动电荷——电流激发的磁场),并非简单地将电场、磁场相加,而是相互联系、不可分割的统一整体。在电磁场示意图中,电场E矢量和磁场B矢量,在空间相互激发时,相互垂直,以光速c在空间传播。 3.对电磁波的理解：
(1)电磁波的传播不需要介质，可在真空中传播。在真空中，
不同频率的电磁波传播速度是相同的(都等于光速)。
(2)不同频率的电磁波，在同一介质中传播，其速度是不同
的，频率越高，波速越小。
(3)v＝λf中，f是电磁波的频率，即为发射电磁波的LC振荡
电路的频率: 改变L或C即可改变f，从而改变电
磁波的波长λ。【学而后思】
(1)变化的磁场一定产生变化的电场吗？
提示：均匀变化的磁场在周围空间产生恒定的电场，不均匀变化的磁场在周围空间产生变化的电场。
(2)电磁场与静电场、静磁场相同吗？
提示：电磁场是动态的，并且电场和磁场不可分割；静电场、静磁场单独存在。
(3)电磁场中的电场线与静电场的电场线相同吗？
提示：不同，电磁场中的电场线是闭合曲线，静电场的电场线是非闭合曲线。【典例3】按照麦克斯韦的电磁场理论，以下说法正确的是
( )
A.恒定的电场周围产生恒定的磁场，恒定的磁场周围产生恒定的电场
B.任何变化的电场周围空间一定产生变化的磁场
C.均匀变化的电场周围产生均匀变化的磁场，均匀变化的磁场周围产生均匀变化的电场
D.均匀变化的电场周围产生稳定的磁场，均匀变化的磁场周围产生稳定的电场【解题探究】试回答麦克斯韦电磁场理论。
(1)恒定的电场(磁场)周围:_________________。
(2)均匀变化的电场(磁场)周围:_____________________。
(3)不均匀变化的电场(磁场)周围:_____________________。
【标准解答】选D。由麦克斯韦电磁场理论可知，不变的电场周围不产生磁场，均匀变化的电场周围产生稳定的磁场，振荡电场周围产生振荡磁场。故D选项正确。不产生磁场(电场)产生恒定的磁场(电场)产生变化的磁场(电场)【总结提升】麦克斯韦电磁场理论的两大支柱
变化的磁场产生电场，变化的电场产生磁场。具体对麦克斯韦电磁场理论的理解：
(1)稳定的磁场周围不产生电场，稳定的电场周围也不产生磁场；
(2)均匀变化的磁场周围产生稳定的电场，均匀变化的电场周围产生稳定的磁场；
(3)不均匀变化的磁场产生变化的电场，不均匀变化的电场产生变化的磁场；
(4)振荡(即周期性变化)的磁场产生同频率振荡的电场，振荡的电场产生同频率振荡的磁场。【变式训练】下列关于电磁波的说法，正确的是( )
A．电磁波只能在真空中传播
B．电场随时间变化时一定产生电磁波
C．做变速运动的电荷会在空间产生电磁波
D．麦克斯韦第一次用实验证实了电磁波的存在【解析】选C。电磁波可以在真空中传播，也可以在介质中传播，故选项A错误；若电场随时间均匀变化，则不能产生电磁波，故选项B错误；做变速运动的电荷会在空间激发磁场，从而会在空间产生电磁波，故选项C正确；赫兹第一次用实验证实了电磁波的存在，故选项D错误。【典例】在LC振荡电路中，线圈的自感系数L=2.5 mH，电容C=4 μF。
(1)该回路的周期是多大？
(2)设t=0时，电容器上电压最大，在t1=9.0×10-3 s时，通过线圈的电流是增大还是减小？这时电容器是处在充电过程还是放电过程？【标准解答】(1)由电磁振荡的周期公式可得
=6.28×10-4 s
(2)因为t1=9.0×10-3 s，相当于14.33个周期，而
由电磁振荡的周期性知，当t1=9.0×10-3 s时，LC回路中的电
磁振荡正在第二个 的变化过程中。t=0时，电容器上电压最
大，极板上电荷量最多，电路中电流值为零，回路中电流随时
间的变化规律如图所示。第一个 内，电容器放电，电流由
零增至最大；第二个 内，电容器反向充电，电流由最大减
小到零。 显然，在t1=9.0×10-3 s时，即在第二个 内，线圈中的电流在减小，电容器正处在反向充电过程中。
答案：(1)6.28×10-4 s (2)见标准解答对电磁波的理解误区
误区1：误认为电磁波的传播需要介质
产生误区的原因是受机械波的传播需要介质的影响，电磁波本身是一种物质，传播不需要介质。
误区2：误认为电磁波不能产生干涉、衍射
产生误区的原因是没有意识到干涉、衍射是波的特性，只要是波就能产生干涉、衍射，电磁波是波，故也能产生干涉、衍射。误区3：误认为只要是电场，其周围就能产生磁场
产生误区的原因是没有理解麦克斯韦电磁场理论，正确的观点是变化的磁场产生电场，变化的电场产生磁场。【典例】下列说法中正确的是( )
A.机械波和电磁波都能发生反射、折射、干涉和衍射现象，这是因为它们都可以在真空中传播
B.变化的电场一定产生变化的磁场，变化的磁场一定产生变化的电场
C.电磁波是横波
D.麦克斯韦预言了电磁波的存在并通过实验进行了验证【解析】通过以下表格进行逐项分析：