沪教版高中物理选修3-4 3.2电磁波的发现_学案1

电磁波的发现

【学习目标】
1．了解赫兹实验以及它的重大意义。
2．知道振荡电流、振荡电路、LC回路的概念。了解LC回路中振荡电流的产生过程，知道在电磁振荡过程中，LC回路中的能量转化情况；知道电磁振荡的周期和频率的决定因素。
3．了解要有效地发射电磁波应满足的条件
4．了解电磁波的特点
【学习重难点】
1．理解赫兹实验以及它的重大意义
2．理解电磁振荡及振荡电流的产生
3．了解要有效地发射电磁波应满足的条件及电磁波的特点
【学习过程】
一、电磁波预言的实现——赫兹实验
麦克斯韦的电磁理论特别是电磁波的预言，深邃而新颖，以至在其问世后相当一段时间内没有得到普遍的认同，甚至有的科学家对此表示怀疑。直到1887年，德国物理学家赫兹才用实验发现了电磁波。
实验现象： 。
结论： 。
二、电磁振荡
在振荡电路里产生振荡电流的过程中，由容器极板上的电荷，通过线圈的电流，以及跟电流和电荷相联系的磁场和电场都发生周期性变化的现象，叫做电磁振荡。
1．LC振荡电路
由自感线圈和电容器组成的电路就是最简单的振荡电路，简称LC回路。 在LC回路里，产生的大小和方向都做周期性变化的电流，叫做振荡电流。 如图所示，先将电键S和1接触，电键闭合后电源给电容器C充电，然后S和2接触，在LC回路中就出现了振荡电流。大小与方向都做同期性变化的电流叫 ．
2．电磁振荡
在产生振荡电流的过程中，电容器上极板上的电荷q，电路中的电流i，电容器内电场强度E，线圈中磁感应强度B都发生周期性的变化，这种现象叫做 ．
（1）从振荡的表象上看：LC振荡过程实际上是通过线圈L对电容器C充、放电的过程。
（2）从物理本质上看：LC振荡过程实质上是磁场能和电场能之间通过充、放电的形式相互转化的过程。
3．振荡的周期和频率
电磁振荡完成一次周期性变化需要的时间叫做周期。一秒钟内完成的周期性变化的次数叫做频率。在电磁振荡发生时，如果不存在能量损失，也不受外界其它因素的影响，这时的振荡周期和频率叫做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。理论研究表明，周期T和频率f跟自感系数L和电容C的关系：T= ，f= 。
4．LC振荡过程中规律的表达。
（1）定性表达：
在LC振荡过程中，磁场能及与磁场能相关联的物理量（如线圈中电流强度、线圈电流周围的磁场的磁感强度、穿过线圈的磁通量等）和电场能及与电场能相关联的物理量（如电容器的极板间电压、极板间电场的电场强度、极板上电量等）都随时间做周期相同的周期性变化。
这两组量中，一组最大时，另一组恰最小；一组增大时，另一组正减小。
这一特征正是能的转化和守恒定律所决定的。
（2）定量表达：（可以通过示波器观察，参看教材的实验）
在LC振荡过程中，尽管磁场能和电场能的变化曲线都比较复杂，但与之相关的其他物理量和变化情况却都可以用简单的正（余）弦曲线给出定量表达。
以LC振荡过程中线圈L中的振荡电流i（与磁场能相关）和电容器C的极板间交流电压u（与电场能相关）为例，其变化曲线分别如图中所示。

应用相关规律分析问题时注意：
分析电磁振荡要掌握以下三个要点（突出能量守恒的观点）：
（1）理想的LC回路中电场能E电和磁场能E磁在转化过程中的总和不变。
（2）回路中电流越大，L中的磁场能越大（磁通量越大）。
（3）极板上电荷量越大，C中电场能越大（板间场强越大、两板间电压越高、磁通量变化率越大）。
5．LC振荡过程的阶段分析和特殊状态（）
如图中所示，在O、t2．t4时刻，线圈中振荡电流i为0，磁场能最小，而电容器极板间电压u恰好达到最大值，电场能最多，在t1．t3时刻则正相反，振荡电流、磁场能均达到最大值，而电压为0，电场能最少。在O→t1和t2→t3阶段，电流增强，磁场能增多，而电压降低，电场能减小，这是电容器放电把电场能转化为磁场能的阶段；在t1→t2和t3→t4阶段，电流减弱，磁场能减小，而电压升高，电场能增多，这是电容器充电把磁场能转化为电场能的阶段。
振荡电路的状态
时刻 t=0 t= t= t=T T
电容器极板上的电量
振荡电流i
电场能
磁场能
三、电磁波的发射
要有效地向外发射电磁波，振荡电路要满足如下条件：
（1）
（2）




四、电磁波的特点：
1．电磁波是横波：其中电场和磁场互相垂直，且都垂直于电磁波的传播方向；
2．电磁波在真空中传播的速度等于光在真空中的传播速度c，c=3．0×108m/s；
3．电磁波具有波的一般特征，也有波长、频率，它们与波速的关系为v= ；与其他波一样，电磁波也具有能量，电磁波的发射过程就是辐射能量的过程；电磁波也可以发生干涉、衍射、反射、折射等现象；
4．电磁波在真空中可以传播，在介质中也可以传播，所以介质对电磁波的传播并不是必需的。
【典例引路】
【例1】
在如图所示的L振荡电路中，当线圈两端MN间电压为零时，叙述正确的是（ ）
A．电路中电流最大 B．线圈内磁场能为零
C．电容器极板上电量最多 D．电容器极板间场强为零
【例2】
如图所示电路，K先接通a触点，让电容器充电后再接通b触点．设这时可变电容器电容为C，线圈自感系数为L，
（1）经过多长时间电容 C上电荷第一次释放完？
（2）这段时间内电流如何变化？两端电压如何变化？
（3）在振荡过程中将电容C变小，与振荡有关的物理量中哪些将随之改变？哪些将保持变化？
【达标检测】
1．某时刻LC回路中电容器中的电场方向和线圈中的磁场方向如右图所示。则这时电容器正在_____（充电还是放电），电流大小正在______（增大还是减小）。
2．右边两图中电容器的电容都是C=4×10-6F，电感都是L=9×10－4H，左图中电键K先接a，充电结束后将K扳到b；右图中电键K先闭合，稳定后断开。
两图中LC回路开始电磁振荡t=3．14×10－4s时刻，C1的上极板正在__ 电（充电还是放电），带__ 电（正电还是负电）；L2中的电流方向向__ _(左还是右)，磁场能正在____（增大还是减小）。

充电

充电

放电

放电

充电

放电

t1

t1

t2

t2

t3

t3

t4

t4

t5

t5

C L

A K b

C1 L1

L2

C2

K