教科版高中物理选择性必修第二册第四章电磁振荡与电磁波第1节电磁振荡课件(54页PPT)

(共54张PPT)
[学习目标]
1.知道什么是振荡电流和振荡电路。
2.了解LC振荡电路中振荡电流的产生过程，知道电磁振荡过程中的能量转化情况。
3.知道LC振荡电路的周期和频率公式，并会进行相关的计算。
1.振荡电流：大小和方向都随时间做______迅速变化的电流。
2.振荡电路：能够产生________的电路。
3.LC振荡电路：由______和________组成的电路是最简单的振荡电路，如图所示。
周期性
振荡电流
线圈L
电容器C
4.电磁振荡：电场和磁场周期性的相互转变的过程也就是电场能和磁场能周期性相互转化的过程，这种现象叫作电磁振荡。
5.电磁振荡中的能量变化：电容器放电过程中，____能向____能转化；电容器充电过程中，____能向____能转化。
6.阻尼振荡：振荡电路中的能量逐渐损耗，振荡电流的振幅逐渐____，直到停止振荡。阻尼振荡电流随时间变化的图像如图(a)所示。
电场
磁场
磁场
电场
减小
7.无阻尼振荡：在电磁振荡中，如果没有能量损失，振荡将永远持续下去，振荡电流的____应该永远保持不变。无阻尼振荡中电流随时间变化的图像如图(b)所示。
振幅
[思考探究]
如图所示，将开关S掷向1，先给电容器充电，再将开关掷向2。以逆时针方向为电流正方向，以S接通2接线柱这一刻为t＝0时刻。完成下列表格。
电场能E电 最大 ____ ____ ____ 最大
电流i 0 ____ ____ ____ 0
磁场能E磁 0 ____ ____ ____ 0
振荡规律
提示　0　最多　0　0　最大　0　正向最大　0　反向最大　最大　0　最大
[例1]　(2025·重庆市高二期中)在LC振荡电路中，某时刻磁场方向如图所示，且电容器上极板带正电，下列说法正确的是(　　)
A.电容器所带的电荷量正在逐渐增加
B.电流流向沿a到b
C.极板间的电场强度正在逐渐减小
D.磁场能正在逐渐增加
A
解析　线圈中电流产生的磁场在线圈内部方向向上，根据安培定则可知，线圈中电流方向沿顺时针方向(从下往上看)，则电路中电流方向沿b到a，此时电容器上极板带正电，下极板带负电，故电容器正在充电，电容器所带的电荷量正在逐渐增加，极板间的电场强度正在逐渐增大，磁场能正在向电场能转化，则磁场能正在逐渐减少，故选项A正确，B、C、D错误。
[总结提升]
1.在LC振荡电路发生电磁振荡的过程中，与电容器有关的物理量：电荷量q、电场强度E、电场能E电是同步变化的，即q↓→E↓→E电↓或q↑→E↑→E电↑；与线圈有关的物理量：振荡电流i、磁感应强度B、磁场能E磁也是同步变化的，即i↓→B↓→E磁↓或i↑→B↑→E磁↑。
[例2]　如图所示，i－t图像表示LC振荡电路的电流随时间变化的图像。在ab时间段，以下说法正确的是(　　)
D
A.回路电流正在增大
B.电场能正在减小
C.电容器正在放电
D.磁场能正在减小
解析　由图可知，在ab时间段，回路电流正在减小，说明电容器正在充电，磁场能正在向电场能转化，所以磁场能减小，电场能增大。故选D。
[例3]　如图所示，L为直流电阻可忽略的线圈，R为定值电阻，C为电容器，开关S处于闭合状态。现突然断开S，并开始计时，电路工作过程中，同时会向外辐射电磁波。下列选项中能正确反映LC回路中电流i(顺时针方向为正)、电容器中电场E(竖直向下为正)以及两极板间电势差Uab随时间变化的图像是(　　)
A
解析　断开S后，电容器开始充电，b板带正电荷且逐渐增加，即负方向的电场强度逐渐增加，则两极板间电势差Uab逐渐增大，且为负方向，故A正确，B、C错误；因为L为一电阻可忽略的线圈，可知当开关闭合时，电容器带电量为零，通过线圈L的电流向下；断开S后，电流在LC电路中开始振荡，电容器开始充电，电流方向沿逆时针方向(负方向)且电流大小逐渐减小，故D错误。
[总结提升]
LC振荡电路充、放电过程的判断方法
(1)根据电流流向判断，当电流流向带正电的极板时，处于充电过程；反之，处于放电过程。
(2)根据物理量的变化趋势判断：当电容器的带电荷量q(U、E)增大时，处于充电过程；反之，处于放电过程。
(3)根据能量判断：电场能增加时，处于充电过程；磁场能增加时，处于放电过程。
1.周期和频率：电磁振荡完成一次__________需要的时间叫作周期；1 s内完成周期性变化的____叫作频率。
2.固有周期和固有频率：振荡电路里发生______振荡时的周期和频率叫作振荡电路的固有周期和固有频率，简称振荡电路的周期和频率。
周期性变化
次数
无阻尼
[思考探究]
(1)LC振荡电路固有周期和固有频率由电路中的什么决定的？
(2)电路中电流i，线圈中磁感应强度B，电容器极板间电场强度E的变化周期，电容器极板上所带电荷量，极板上电荷电性，电场能、磁场能与振荡周期有什么关系？
提示　(1)LC振荡电路的周期、频率都由电路本身的特性(L和C的值)决定，与电容器极板所带电荷量的多少、极板间电压的高低、是否接入电路中等因素无关，所以称为LC振荡电路的固有周期和固有频率。
正
[例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
A
[例5]　(多选)如图所示的LC振荡电路中，电容C为0.4 μF，电感L
为1 mH。已充电的平行板电容器两极板水平放置，开关S断开时，
极板间有一带正电的灰尘恰好静止。当开关S闭合后，灰尘在电容
器内运动，且在一个振荡周期内未与极板相碰，重力加速度为g。从开关S闭合开始计时，则下列说法正确的是(　　)
A.开关闭合前，电容器的上极板带负电
B.灰尘在平行板电容器间做周期性往复运动
C.t＝1.5π×10-5 s时，线圈中的磁场能正在增大
D.t＝2π×10-5 s时，灰尘的加速度大小为2g
AD
1.(电磁振荡)(多选)如图所示，从将开关S由b扳到a开始计时，在电流
振荡了半个周期时，电路中(　　)
ACD
A.电容器C里的电场强度最强，电场强度方向向上
B.线圈L周围磁场最强
C.线圈中的磁感应强度为零
D.电场能开始向磁场能转化
解析　从将开关S由b扳到a开始计时，在电流振荡了半个周期时，电容器处于反向充电完毕的时刻。此时，电容器C里的电场强度最强，电场强度方向向上，故A正确；电流为零，线圈L中的磁感应强度为零，周围磁场最弱，故B错误，C正确；电场能最强，电场能开始向磁场能转化，故D正确。
2.(电磁振荡中各物理量的变化)关于LC振荡电路中的振荡电流，下列说法正确的是(　　)
A.振荡电流最大时，电容器两极板间的电场强度最大
B.振荡电流为零时，线圈中自感电动势为零
C.振荡电流增大的过程中，线圈中的磁场能转化为电场能
D.振荡电流减小的过程中，线圈中的磁场能转化为电场能
解析　振荡电流最大时为电容器放电结束瞬间，电场强度为零，选项A错误；振荡电流为零时，其要改变方向，这时电流变化最快，电流变化率最大，线圈中的自感电动势最大，选项B错误；振荡电流增大时，线圈中的电场能转化为磁场能，选项C错误；振荡电流减小时，线圈中的磁场能转化为电场能，选项D正确。
D
3.(电磁振荡的能量转化)如图所示为LC振荡电路某时刻的情况，
以下说法错误的是(　　)
B
A.电路中电流方向为从电容器上极板通过线圈流向下极板
B.电感线圈中的电流正在减小
C.电感线圈中的电流正在增大
D.电感线圈中的磁感应强度正在增大
解析　图示时刻，电容器上极板带正电；通过图示磁感线方向，由安培定则知电流为逆时针方向，电容器正在放电，电容器上的电荷量减小，电容器间的电场在减弱，根据能量守恒定律知，电场能转化为磁场能，线圈中的磁场在增强，电流在增大，故A、C、D正确，B错误。
4.(电磁振荡的周期和频率)某个智能玩具的声响开关与LC振荡电路
中的电流有关，如图所示为玩具内的LC振荡电路部分。已知线圈
自感系数L＝2.5×10-3 H，电容器电容C＝4 μF，在电容器开始放电时
(取t＝0)，上极板带正电，下极板带负电，则(　　)
C
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[基础巩固练]
1.(多选)在LC振荡电路中，若某个时刻电容器极板上的电荷量正在增加，则(　　)
A.电路中的电流正在增大
B.电路中的电场能正在增加
C.电路中的电流正在减小
D.电路中的电场能正在向磁场能转化
解析　电容器极板上的电荷量在增加，则电容器正在充电，电场能增加，线圈中磁场能减少，电路中的磁场能正在向电场能转化，振荡电路中的电流正在减小，故B、C正确。
BC
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2.如图所示，单刀双掷开关S先打到a端让电容器充满电。t＝0时开
关S打到b端，t＝0.02 s时LC回路中电容器下极板带正电荷且电荷量
第一次达到最大值。则(　　)
C
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A.LC回路的周期为0.02 s
B.LC回路的电流最大时电容器中电场能最大
C.t＝1.01 s时线圈中磁场能最大
D.t＝1.01 s时回路中电流沿顺时针方向
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3.如图所示，若某时刻LC振荡电路中，连接电容器的导线具有向
上的电流，则下列说法正确的是(　　)
B
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A.电容器在放电
B.电流正在逐渐减小
C.两平行板间的电场强度在减小
D.螺线管中的感应磁场竖直向上
解析　连接电容器的导线具有向上的电流，而电容器电场方向向上，故电容器正在充电，所以电流逐渐减小，故A错误，B正确；充电过程中电容器极板上的电荷量越来越多，所以电场强度越来越大，故C错误；根据安培定则，螺线管中的感应磁场竖直向下，故D错误。
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4.(多选)如图所示，L为一电阻可忽略的线圈，D为一灯泡，C为
电容器，开关S处于闭合状态，灯泡D正常发光。现突然断开S，
并开始计时，能正确反映电容器a极板上电荷量q及LC回路中电
流i(规定顺时针方向为正方向)随时间变化的图像是(图中q为正
值表示a极板带正电)(　　)
BC
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解析　S断开前，电容器C被短路，电容器两极板不带电；S断开时，线圈L中产生自感电动势，阻碍电流减小，电容器C充电，此时LC回路中电流i沿顺时针方向(正向)最大；电容器充电过程，电容器带电荷量最大时(a板带负电)，线圈L中电流减为零。综上所述，选项B、C正确。
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5.(2025·宜宾市高二月考)为营造更为公平公正的高考环境，“反作弊”工具金属探测仪被广泛使用。某兴趣小组设计了一款金属探测仪，如图所示，探测仪内部的线圈与电容器构成LC振荡电路，当探测仪检测到金属物体时，探测仪线圈的自感系数发生变化，从而引起振荡电路中的电流频率发生变化，探测仪检测到这个变化就会驱动蜂鸣器发出声响。已知某时刻，电流的方向由b流向a，且电流正在减弱，则(　　)
B
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A.该时刻线圈的自感电动势正在减小
B.该时刻电容器下极板带正电荷
C.若探测仪靠近金属时其自感系数增大，则振荡电流的
频率升高
D.若探测仪与金属保持相对静止，则金属中不会产生感应电流
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6.金属探测仪在各场景广泛应用，探测仪内部的线圈与电容器
构成LC振荡电路，当探测仪检测到金属物体时，探测仪线圈的
自感系数会发生变化，从而引起振荡电路中的电流频率发生变
化，探测仪检测到这个变化就会驱动蜂鸣器发出声响。在LC振
荡电路中，某时刻线圈中的磁场方向和电容器中的电场方向如
图所示。下列说法正确的是(　　)
A
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7.某种除颤器的简化电路，由低压直流电源经过电压变换器变成高压电，然后整流成几千伏的直流高压电，对电容器充电，如图甲所示。除颤时，经过电感等元件将脉冲电流(如图乙所示)作用于心脏，实施电击治疗，使心脏恢复窦性心律。某次除颤过程中将电容为20 μF的电容器充电至6.0 kV，电容器在时间t0内放电至两极板间的电压为0。其他条件不变时，下列说法正确的是(　　)
A
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A.放电时，电流方向为顺时针
B.线圈的自感系数L越小，放电脉冲电流
的放电时间越长
C.电容器的电容C越小，电容器的放电时
间越长
D.在该次除颤过程中，流经人体的电荷量约为120 C
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8.(2025·揭阳市高三开学考试)(多选)直流电阻不计的线圈L和电容
器C的连接如图所示，LC振荡电路的振荡周期为0.08 s，先闭合开
关S，稳定后将开关S断开并记为t＝0时刻，下列说法正确的是(　　)
A.t＝0.06 s时，电容器下极板带负电
B.t＝0.05 s时，回路中电流沿逆时针方向
C.t＝0.14 s时，线圈的自感电动势最大
D.拔出线圈中的铁芯，LC振荡电路的振荡周期会减小
ACD
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10.如图甲所示，线圈L的直流电阻不计，闭合开关S，待电路达到稳定状态后断开开关S，LC回路中将产生电磁振荡。从开关S断开计时，线圈中的磁场能EB随时间t的变化规律如图乙所示。下列说法正确的是(　　)
B
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A.LC振荡电路的周期为2×10-3 s
B.在1×10-3 s时，电容器右极板带正电
C.1×10-3～2×10-3 s时间内，电流在减小
D.1×10-3～2×10-3 s时间内，电容器的电
荷量在增大
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解析　电磁振荡在一个周期内经过两次充电和两次放电过程，由题图可知0～1×10-3 s时间内，磁场能减小，电场能增大，为充电过程；1×10-3～2×10-3 s时间内，磁场能增大，电场能减小，为放电过程；同理可知2×10-3～3×10-3 s时间内，为充电过程；3×10-3～4×10-3 s时间内，为充电过程，所以LC振荡电路的周期为4×10-3 s，故A错误；0～1×10-3 s时间内，根据楞次定律可知线圈中的电流方向为从a到b，在1×10-3 s时，电容器充电结束，右极板带正电，故B正确；1×10-3～2×10-3 s时间内，为放电过程，根据楞次定律可知电流在增大，电容器的电荷量在减小，故C、D错误。
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11.图甲为智能停车位，车位地面预埋有自感线圈L和电容器C构成LC振荡电路。当车辆靠近自感线圈L时，相当于在线圈中插入铁芯，使自感系数变大，引起LC电路中的振荡电流频率变化。智能停车位计时器根据振荡电流频率变化，进行计时。某次振荡电路中的电流随时间变化如图乙所示，下列说法正确的是(　　)
C
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A.t2时刻电容器C所带电荷量为零
B.t1～t2过程，线圈L中磁场能在增大
C.t1～t2过程，线圈L的自感电动势在增大
D.由图乙可判断汽车正驶离智能停车位
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12.如图所示的LC电路中，电容C为0.4 μF，电感L为1 mH。已
充电的平行板电容器两极板水平放置。开关S断开时，极板间
有一带负电灰尘恰好静止。当t＝0时闭合开关S，灰尘在电容
器内运动，重力加速度g取10 m/s2。求：
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(1)LC电路中电磁振荡的周期；
(2)当t＝2π×10-5 s时，带电灰尘的加速度大小；
(3)如电容器两板电压最大为10π V，则在0～π×10-5 s内的平均电流大小和方向。
答案　(1)4π×10-5 s　(2)20 m/s2　(3)0.4 A，逆时针方向
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C
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A.物体质量越大，开关拨向a时，电容器存储的电荷量越小
B.开关由a拨向b瞬间，流经电流传感器的电流最大
C.开关由a拨向b后，该LC电路发生振荡的周期不变
D.测量时，传感器检测到的电流频率越大，表示物体质量越大
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