物理粤教版选修3-4《电磁振荡与电磁波》学案

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电磁振荡和电磁波
能力素质
【例1】如图19－15甲所示LC振荡电路与电源E和灯泡D相连，当开关S合上后灯D正常发光．现从断开S开始计时，电容器a极板上电量q随时间t的变化规律如图19－15乙．若以通过LC回路顺时针方向电流为正，作出LC回路中电流随时间的变化图象(线圈L的直流电阻为零)
解析：本题中LC回路的初始状态为：电感L中电流为最大，而电容器C上电压为零．当S断开后，开始对C充电，而a板上的电量增加且为正电荷，此过程中LC回路电流为逆时针，又知LC回路电流是按正弦(或余弦)规律变化的，故作出LC回路中的电流随时间变化图象如图19－15丙
点拨：求解本题的关键在于分析清楚电路的连接方式，并明确回路的初始状态．
点击思维
【例2】如图19－16所示的电路中，电容器的电容C＝1μF，线圈的自感系数L＝0.1mH，先将开关S拨至a，这时电容器内有一带电油滴恰能保持静止，然后将开关拨至b，经过t＝3.14×10-5s，油滴加速度是多少？当油滴加速度a′为何值时，LC回路中振荡电流有最大值(π＝3.14，研究过程中油滴未与极板接触)
解析：S在a时油滴静止，此时油滴受电场力向上，有F电＝mg
当S拨至b后，在t＝3.14×10-5s＝T/2时刻，电容器被反向充电完毕，此时油滴受电场力方向向下，F合＝F电＋mg＝2mg，故此时油滴的加速度为2g
当回路中振荡电流最大时，电容器上的电量为零，此时油滴仅受重力作用，故当油滴加速度a′＝g时，LC回路中振荡电流有最大值
点拨：这是一道力学、电学和电磁振荡结合的综合题，对思维能力要求较高，要分析研究对象的受力情况、振荡回路的状态，结合牛顿定律才能回答本题．
学科渗透
【例3】家用微波炉是利用微波的电磁能加热食物的新型灶具，主要由磁控管、波导管、微波加热器、炉门、直流电源、冷却系统、控制系统、外壳等组成，接通电源后，220V交流电经一变压器，一方面在次级产生3.4V交流对磁控管加热，同时在次级产生2000V高压经整流加到磁控管的阴、阳两极之间，使磁控管产生的频率为2450MHz的微波，微波输送至金属制成的加热器(炉腔)，被来回反射，微波的电磁作用使食物内分子高频地振动而同时迅速变热，并能最大限度地保存食物中的维生素．(每个光子能量E＝hf，其中h为普朗克常量，其值为6.63×10-34J·s，f为频率)
(1)试计算微波输出功率为700W的磁控管每秒内产生的光子数
(2)试计算变压器的高压变压比
解析：(1)每个光子能量为E＝hf＝6.63×10-34×2450×106＝1.62×10-24J
则磁控管每秒钟产生的光子数为
n＝P/E＝700÷(1.62×10-24)＝4.3×1026个
(2)由变压器的变压比公式：U1/U2＝n1/n2可得
高压变压比为：n1/n2＝U1/U2＝220÷2000＝11/100
【例419－17所示电路中，L是电阻不计的电感器，C是电容器，闭合开关S，待电路达到稳定状态后再打开开关S，LC电路中将产生电磁振荡，如果规定电感L中的电流方向从a到b为正，打开开关的时刻为t＝0，那么下列四个图中能正确表示电感中的电流i随时间t变化规律的是
解析：S闭合时电容器两端电压为零，S断开后，LC构成闭合回路，开始给电容器充电，因此电路中的电流随时间变化的规律应按余弦规
律变化，故选B
【例5】 根据麦克斯韦电磁场理论，下列叙述中正确的是（ ）
A. 在电场周围一定产生磁场，磁场周围一定产生电场
B. 在变化的电场周围一定产生变化的磁场，变化的磁场周围一定产生变化的电场
C. 均匀变化的电场周围一定产生均匀变化的磁场
D. 周期性、非线性变化的电场周围一定产生周期性变化的磁场
答案：D
解：变化的磁场产生感应电场，若磁场的变化率恒定，产生的感应电场就是恒定的。只有磁场的变化率不恒定，产生的电场才是变化的。同理，变化的电场产生磁场，电场的变化率恒定，产生的磁场才恒定。电场的变化率改变，产生的磁场才是变化的。A、B、C选项错误。
【例6】 按照有关规定，工作场所受到的电磁辐射强度（单位时间内垂直通过单位面积的电磁辐射能量）不得超过0.5W／m2。若某小型无线通信装置的电磁辐射功率是1W，那么在距离该通信装置 m以外是符合规定的安全区域。（已知球面面积为S＝4R2）
解：设以半径为R的圆心外是安全区，则，所以，R＝0.4m。
【例7】 下列关于电磁波的叙述中，正确的是（ ）
A. 电磁波是电磁场由发生区域向远处的传播
B. 电磁波在任何介质中传播速度均为3×108m/s
C. 电磁波由真空进入介质传播时，波长将变短
D. 电磁波不能产生干涉、衍射现象
答案：A、C
【例8】 某收音机调谐电路中，线圈的电感是固定的，可变电容器的电容为360pF，接收到波长为600m的电台信号，如果要接收波长为200m的电台信号，应将可变电容器的电容调整为多大
解：因自感系数L为定值，由LC回路频率公式可知，收音机先后两次接收电台信号的频率之比为：。又根据关系式＝，v＝光速c，可得先后两次接收的电台信号的波长之比：，
联列以上两式得 C2==40pF。
【例9】如图1所示为某雷达的荧光屏，屏上标尺的最小刻度对应的时间为2×10—4s．雷达天线朝东方时，屏上的波形如图1（a）；雷达的天线朝西方时，屏上的波形如图1（b）。问雷达在何方发现了目标 目标与雷达相距多远
图1
解：雷达向东方发射电磁波时，没有反射回来的信号；向西方发射时，有反射回来的信号，所以目标在西方，从发射到接收到信号的时间差为t＝10×2×10—4s＝2×10—3s，故目标到雷达站的距离为d＝＝300km。
说明：电磁波在同种介质中的传播可以认为是匀速直线运动，因此可利用匀速直线运动的规律来解题．我们在分析实际问题时，关键是要抓住主要因素，抛开次要因素，抽象出一个合理的物理模型。
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