人教版（2019） 高中物理 选择性必修第二册 第4章 电磁振荡与电磁波章末综合提升学案

[巩固层·知识整合]
[提升层·能力强化]
电磁振荡过程分析
1.分析两类物理量：电荷量q决定了电场能的大小，电容器极板间电压U、电场强度E、电场能EE的变化规律与q的变化规律相同；振荡电流i决定了磁场能的大小，线圈中的磁感应强度B、磁通量Φ、磁场能EB的变化规律与i的变化规律相同。
2．两个过程：放电过程电荷量q减小，振荡电流i增加；充电过程电荷量q增加，振荡电流i减小。
3．两个瞬间：放电完毕瞬间q＝0，i最大；充电完毕瞬间i＝0，q最大。
【例1】　如图所示，i?t图像表示LC振荡电流随时间变化的图像，在t＝0时刻，电路中电容器的M板带正电，在某段时间里，电路的磁场能在减少，而M板仍带正电，则这段时间对应图像中 段。
[解析]　由电流图像可得，在t＝0时刻是电容器开始放电，电路中电容器的M板带正电，故电流方向逆时针为正方向；某段时间里，电路的磁场能在减少，说明电路中的电流在减小，是电容器的充电过程，此时M板带正电，说明此时电流方向顺时针方向为负，符合电流减小且为负值的只有cd段。
[答案]　cd
[一语通关]　
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，电容器的电荷量增加，磁场能向电场能转化，处于充电过程；反之，当电流流出带正电的极板时，电荷量减少，电场能向磁场能转化，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(电压U、场强E)增大或电流i(磁场B)减小时，处于充电过程；反之，处于放电过程。
3．根据能量判断：电场能增加时充电，磁场能增加时放电。
1．已知LC振荡电路中电容器极板1上的电荷量随时间变化的曲线如图所示．则(　　)
A．a、c两时刻电路中电流最大，方向相同
B．a、c两时刻电容器里的电场能最大
C．b、d两时刻电路中电流最大，方向相同
D．b、d两时刻电路中电流最大，方向相反
E．b、d两时刻磁场能最大
BDE　[a、c两时刻电容器极板上电荷量最大，电场能最大，所以电路中电流最小；b、d两时刻电容器极板上电荷量最小，电路中电流最大，磁场能量最大，b、d两点时间间隔为半个周期，故电流方向相反。]
电磁波的特点和应用
1.按波长由长到短(频率由低到高)的顺序
无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线(伦琴射线)、γ射线等合起来，构成了范围非常广阔的电磁波谱。
2．各种不同的电磁波既有共性，又有不同
(1)共性：它们在本质上都是电磁波，它们的行为服从相同的规律，都遵守公式v＝fλ，它们在真空中的传播速度都是c＝3.0×108 m/s，它们的传播都不需要介质，各波段之间并没有绝对的区别。
(2)不同：不同电磁波的频率或波长不同，表现出不同的特性。波长越长越容易产生干涉、衍射现象，波长越短观察干涉、衍射现象越困难。正是这些不同的特性决定了它们不同的用途。
3．电磁波和机械波在波动性上有相同点，都遵守v＝fλ，但本质不同，机械波不能在真空中传播，而电磁波的传播不需要介质。
【例2】　(多选)声呐能发射超声波，雷达能发射电磁波，超声波和电磁波相比较，下列说法正确的是(　　)
A．超声波与电磁波传播时，都向外传递了能量
B．电磁波既可以在真空中传播，又可以在介质中传播，超声波只能在介质中传播
C．在空气中传播的速度与在其他介质中传播速度相比，均是在空气中传播时具有较大的传播速度
D．超声波是纵波，电磁波是横波
E．超声波与电磁波相遇时可能会发生干涉
ABD　[超声波与电磁波传播时，都向外传递了能量、信息，A正确；声呐发出的超声波是机械波，不可以在真空中传播，B对；机械波在空气中传播时速度较小，在其他介质中传播时速度大，而电磁波恰好相反，C错；声波是纵波，电磁波是横波，D正确；超声波和电磁波不是同一类波，不可能发生干涉，E错。]
[培养层·素养升华]
电磁波的发现
(一)麦克斯韦电磁场理论的建立
法拉第发现电磁感应现象那年，麦克斯韦在苏格兰爱丁堡附近诞生了。他从小热爱科学，喜欢思考。1854年从剑桥大学毕业以后，他精心研读了法拉第的著作。麦克斯韦被法拉第关于“场”和“力线”的思想深深吸引，但他也看到了法拉第定性表述的弱点。因此，这位初出茅庐的科学家下定决心，要把法拉第的物理思想用数学公式定量化地表达出来。
1860年初秋，麦克斯韦特意去拜访法拉第。两人虽然在年龄上相差40岁，在性情、爱好、特长方面也迥然各异，可是对物质世界的看法却产生了共鸣。法拉第鼓励麦克斯韦：“你不应停留在用数学解释我的观点，而应该突破它！”
在麦克斯韦研究电磁现象的时候，科学家的研究已经从静止的、恒定的特殊情形扩展到运动变化的普遍情形；从孤立的电作用、磁作用扩展到彼此的联系。在这些研究的基础上，麦克斯韦历时10年终于建立了普遍的电磁场理论。
麦克斯韦首先从类比研究入手，借用适当的数学工具表述法拉第的“力线”；后来，为了进一步说明“力线”的分布和性质，他转而建立新的模型并提出位移电流与电磁波的概念；最后，他把电磁场作为客体放在核心位置，总结出麦克斯韦方程组，建立了完整的电磁场理论。
(二)电磁波的发现
赫兹以前，由法拉第发现、麦克斯韦完成的电磁理论，因为未经一系列的科学实验证明，始终处于“预想”阶段。把天才的预想变成世人公认的真理，是赫兹的功劳。赫兹在人类历史上首先捕捉到电磁波，使假说变成现实。
1879年德国柏林科学院悬奖征解，向当时科学界征求对麦克斯韦电磁理论进行实验验证，促使年轻的赫兹萌发了进行电磁波实验的雄心壮志。
1886年，赫兹制成电磁波检验器并宣布“电磁感应是以波动形式在空气中传播的”。
赫兹在1888年证明了电磁波的存在。
1888年12月13日，赫兹向柏林科学院作了题为《论电力的辐射》的报告，他以充分的实验证据全面证实了电磁波和光波的同一性。
这样由法拉第开创，麦克斯韦建立，赫兹验证的电磁场理论向全世界宣告了它的胜利。
插曲：比赫兹实验早七年，戴维也接收到了电磁波信号，他随即向英国皇家协会会长G·斯托克斯汇报，但斯托克斯认为这只是普通的电磁感应现象，戴维过于迷信权威，对于这一天赐良机未与重视，使发现被埋没了。
(三)成果
发现电磁波产生的巨大影响，连赫兹本人也没料到。在他发现电磁波的第二年，有人问他，电磁波是否可以用作无线电通信，赫兹不敢肯定。赫兹研究电磁波无意中丢下的种子，却很快在异地开发结果了。
在发现电磁波不到6年，意大利的马可尼、俄国的波波夫分别实现了无线电传播，并很快投入实际使用。其他利用电磁波的技术，也像雨后春笋般相继问世。
[设问探究]
1．法拉第在电学方面有哪些成就？
2．麦克斯韦是怎样建立电磁理论的？
3．电磁波是什么?
提示：1.单极电动机，法拉第电磁感应定律，早期的发电机。
2．麦克斯韦从类比研究入手，借用适当的数学工具并建立新的模型，提出了位移电流与电磁波的概念，最后又总结出了麦克斯韦方程组，建立了完整的电磁场理论。
3．电磁波是电磁场的一种运动形态，电与磁可以说是一体两面，变化的电场会产生磁场，变化的磁场则会产生电场。变化的电场和变化的磁场构成了一个不可分离的统一的场，形成电磁场，而变化的电磁场在空间的传播形成了电磁波。
[深度思考]
1．麦克斯韦电磁理论的提出，揭开了电磁学发展史中新的一页。但这一理论还有不完善之处，其最大的问题是什么？
2．电磁波与光、无线电波的区别？
3．无线电波如何传递信息？
答案：
1．最大问题是只限于讨论空间的电磁作用，回避了电磁作用的源头，而这正是超距电动力学的核心，因此，在它提出之初，就遭到质疑。
2．①电磁波与光
从电磁波的分类可以看出：电磁波的范围要广泛得多，电磁波中包含着光，而光仅仅是电磁波中的一部分，包括红外线、可见光、紫外线，是一种波长相对较短，频率相对较高的电磁波，其波长在10－3 m到10－8 m之间、频率在3×105 MHz到3×1010 MHz之间。
②电磁波与无线电波
频率在数百千赫兹到数百兆赫兹之间的电磁波叫作无线电波，它包括短波、中波、长波、微波，无线电波也仅仅是电磁波的一部分，但电磁波不仅仅只有无线电波，只有频率相对较低的一部分电磁波才叫无线电波。
3．无线电技术是通过无线电波传播信号的技术。 无线电技术的原理在于，导体中电流强弱的改变会产生无线电波。利用这一现象，通过调制可将信息加载于无线电波之上。当电波通过空间传播到达收信端，电波引起的电磁场变化又会在导体中产生电流。 通过解调将信息从电流变化中提取出来，就达到了信息传递的目的。