2020-2021学年人教版（2019）选择性必修第二册 4.1 电磁振荡 课件（39张PPT）
文档属性
| 名称 | 2020-2021学年人教版（2019）选择性必修第二册 4.1 电磁振荡 课件（39张PPT） |  | |
| 格式 | pptx | ||
| 文件大小 | 3.5MB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 物理 | ||
| 更新时间 | 2021-05-23 06:32:24 | ||
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文档简介
第四章 电磁振荡与电磁波
第一节 电磁振荡
第一节|电磁振荡
核心素养点击
{F5AB1C69-6EDB-4FF4-983F-18BD219EF322}物理观念
科学思维
科学探究
科学态度与责任
体会科学研究方法，增强科学思维能力，明确物理学科的本质，提高科学思维、实验探究、科学态度与责任的物理学科核心素养
思维导图
新课引入新知初感悟
电磁波到底是什么？为什么它就有那么大的威力？它又是怎么产生的呢？它有哪些性质？是否具有波的共同特性？怎样利用它来传递各种信号？
这节课我们就来学习电磁波是如何产生的。
引入新课——电磁波
一、振荡电路
我们已经学习了机械波，例如水波、声波等。那么，机械波的产生需要什么条件呢？
形成机械波要有机械振动作为波源，并且在传播的过程中还要有介质的作用。水波就是由机械振动形成的。一颗石子投入水面会激起一阵涟漪，但是要形成持续的水波，则需要不断地击打水面。
机械振动形成了机械波，而电视、广播等通信技术中所用的电磁波是由电磁振荡产生的。学习电磁波先要从学习电磁振荡开始。
【演示】
介绍电磁振荡示教板：把线圈、灵敏电流表、电容器、电源和单刀双掷开关按照下图连成电路。
实验一：先把开关置于电源一侧，为电容器充电；稍后再把开关置于线圈了侧，使电容器通过线圈放电。观察实验。
现象：灵敏电流表的指针左右摆动，且摆动的角度越来越小。
灵敏电流表的指针为什么会摆动？这样的变化说明电流有什么样的特点？
电流的方向交替变化。
由于存在能量损失，电路中的电流逐渐减小，所以灵敏电流表指针的摆角越来越小。
实验二：把电压传感器（或示波器）的两端连在电容器的两个极板上，重复上面的实验，观察计算机显示器。
观察到的电压的波形如图所示：
说明电容器两端的电压也在减小，但是电压的变化具有周期性。
实验三：将晶体管振荡器接入????????振荡电路中，并将振荡器的电流信号接入示波器，观察其波形。
?
可以看到显示器上的波形按正弦规律变化。振荡电流实际上是高频的交变电流。
像这样大小和方向都做周期性迅速变化的电流，叫作振荡电流，产生振荡电流的电路叫作振荡电路。由电感线圈????和电容????组成的电路，就是最简单的振荡电路，称为????????振荡电路。
?
二、电磁振荡的产生
【思考与讨论】线圈????接入交流电路时有什么特点？线圈????、电容器????在电路中都有什么作用？
线圈有自感作用，能产生自感电动势，阻碍电流的变化，储存磁场能；电容器有充、放电的作用，储存电场能。
?
从演示实验中我们可以看出，振荡电流的变化经过几个过程后就开始重复。从电容器刚开始放电说起，电流的大小和方向经历了几个过程后就完成一个周期呢？可以把演示实验中看到的现象与黑板上的电路图结合起来考虑。
电容器充电后，两极板上的电荷最多，电压最大，储存的电场能最大。电容器和电感线圈组成闭合电路，请同学们讨论、分析电荷在电容器和电感线圈之间的运动及其他物理量的变化。
小组讨论
放电过程：在放电过程中，电容器上极板的电荷量????逐渐减小，电场强度????也逐渐减小；由于线圈的自感作用，电路中的放电电流????不能立即达到最大值，而是由0按正弦规律逐渐增大的，则线圈中的磁感应强度????也是由0逐渐增大的。放电结束时，????=0，电场强度????=0，????最大，磁感应强度????最大。此过程中，电场能全部转化为磁场能。
?
充电过程：放电结束时，由于线圈的自感作用，电路中移动的电荷不会立即停止运动，仍保持原方向流动，就会给电容器充电。在充电过程中，电路中的电流????不会立即减小到0，而是按正弦规律逐渐减小到0的，则线圈中的磁感应强度B也是逐渐减小到0的；电容器下极板上的电荷????逐渐增大，电场强度????也逐渐增大。充电结束时，????最大，电场强度E最大，????=0。，磁感应强度????=0。电容器下极板带正电，此过程中，磁场能全部转化为电场能。
?
反向放电过程：电容器下极板的电荷量????逐渐减小，电场强度E也逐渐减小；由于线圈的自感作用，电路中的放电电流????由0按正弦规律逐渐增大，线圈中的磁感应强度????也由0逐渐增大。与前一段放电过程相同，但电流方向相反。放电结束时，????=0，电场强度????=0，????最大，磁感应强度B最大。此过程中电场能反转化为磁场能。
?
反向充电过程：由于线圈的自感作用，电路中移动的电荷仍保持原方向流动，就会给电容器充电。在充电过程中，电路中的电流I按正弦规律逐渐减小到0，线圈中的磁感应强度B也逐渐减小到0；电容器上极板的电荷量????逐渐增大，电场强度????也逐渐增大。与前一段充电过程相同，但电流方向反向。充电结束时，????最大，电场强度????最大，????=0，磁感应强度????=0，电容器上极板带正电，回到这一循环最初的状态。
?
【总结】
1、两个特殊的过程：
（1）放电过程中，电容器极板上的电荷量q逐渐减小到0，线圈中的磁感应强度B由0逐渐增大到最大值。此过程中是电容器中的电场能转化为线圈中的磁场能。
（2）充电过程中，线圈中的磁感应强度B逐渐减小到0，电容器极板上的电荷量q由0逐渐增大到最大值。此过程中是线圈中的磁场能转化为电容器中的电场能。
2、两个特殊的物理状态：
（1）充电完成时，????????=????????，????=0，电场强度????最大，磁感应强度????=0。
（2）放电完成时， ????????=?0，????=????????，电场强度????=0，磁感应强度????最大。
振荡电路中电流的周期性变化规律：
电容器极板上电荷量的周期性变化规律：
?
【典例一】
1、????????回路中电容器两极板间的电压????随时间????变化的关系如图所示，则( )
A.在????1时刻，电路中的电流最大
B.在????2时刻，电路中的磁场能最小
C.在????2~????3时间内，电路中的电场能不断增大
D.在????3~????4时间内，电容器的带电荷量不断增大
?
解题思路：在t1时刻， LC回路中电容器两板间的电压最大 ， 电场能最大，磁场能为零，对应电流为零，A错误。在t2时刻，电压为零，电场能最小，磁场能最大，B错误。在????2~????3时间内，电容器电压增大，电场能不断增大，C正确。在????3~????4时间内，电压变小，电容器的带电荷量不断减小，D错误。
答案：C
?
三、电磁振荡中的能量变化
在????????电磁振荡的过程中，能量是怎样转换和传递的？
电容器与电源连接后的充电过程中，电能转化成电场能储存在电容器中。在????????振荡电路的放电过程中，电容器的电场能逐渐转变成线圈的磁场能，放电结束时，电场能全部转化成磁场能。而在????????振荡电路的充电过程中，线圈的磁场能又逐渐转化为电容器的电场能，充电结束时，磁场能全部转化成电场能。
?
在电磁振荡的过程中，电场能和磁场能会发生周期性的转化。电场能和磁场能的总和保持不变。
电磁振荡与简谐运动的比较：
?
电磁振荡
简谐运动
模型
LC振荡电路
?
弹簧振子
?
对应的物理量
规律
两极板间电势差随时间按正弦规律变化
振子的位移随时间按正弦规律变化
能量转化
电场能与磁场能相互转化，总能量守恒
动能与势能相互转化，总能量守恒
本质区别
振荡电路中自由电子的电磁运动
振子的机械运动
四、电磁振荡的周期和频率
电磁振荡和简谐运动一样都具有周期性，电磁振荡完成一次周期性变化需要的时间叫作周期，电磁振荡完成周期性变化的次数与所用时间之比叫作它的频率，数值等于单位时间内完成的周期性变化的次数。那发生电磁振荡的电路的周期和频率会与哪些物理量有关呢？
振荡电路的周期和频率：由电路本身的特性决定。这种由振荡电路本身特性所决定的振荡周期(或频率)叫作振荡电路的固有周期(或固有频率)，简称振荡电路的周期(或频率)。
【思考与讨论】
电容较大时，电容器充、放电的时间会长些还是短些？线圈的自感系数较大时，电容器充、放电的时间会长些还是短些？
根据讨论结果，定性分析LC振荡电路的周期（频率）与电容C、电感L的关系。
【总结】
????????振荡电路的周期????与电感????、电容????的关系为????＝2????????????，可得????＝12???????????? 。
（1）式中各物理量????、????、????、????的单位分别是s、H、F、Hz。
（2）适当地选择电容器和线圈，可使振荡电路的周期和频率符合我们的需要。
（3）如果没有能量损失，也不受其他外界条件的影响，这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。
?
【典例二】
2、????????振荡电路中，某时刻的磁场方向如图所示，则( )
A.若磁场正在减弱，则电容器正在充电，电流由a向b
B.若磁场正在减弱，则电场能正在增大，电容器上极板带负电
C.若磁场正在增强，则电场能正在减小，电容器上极板带负电
D.若磁场正在增强，则电容器正在充电，电流方向由a向b
?
解题思路：由安培定则可知，电流方向由b到a；若磁场正在减弱，可知电容器处于充电状态，电场能正在增大，电流方向由b到a，所以电容器下极板带正电，上极板带负电，故A错误，B正确；若磁场正在增强，可知电容器处于放电状态，电场能正在减小，电流方向由b到a，所以电容器上极板带正电，故C、D错误.
答案：B
【基础练习】
1、在LC回路产生电磁振荡的过程中，下列说法中错误的是( )
A.电容器放电完毕时刻，回路中电流最小
B.回路中电流值最大时刻，回路中磁场能最大
C.电容器极板上所带电荷量最大时，电场能最大
D.回路中电流值最小的时刻，电容器带电荷量最大
答案： A
解析：电容器放电完毕时，带电荷量为零，电场能为零，电路中的电流最大，磁场能最大，A错误，B正确；电容器充电完毕时，带电荷量最大，电场能达到最大，C正确；回路中电流值最小的时刻，磁场能最小，电场能最大，电容器带电荷量最大，D正确.A符合题意.
2、如图所示，L为电阻不计的自感线圈，已知LC电路的周期为T，开关S先闭合一段时间.S断开时开始计时，当????=3????8
时，L内部磁感应强度的方向和电容器极板间电场强度的方向分别为( )
A.向下、向下 B.向上、向下
C.向上、向上 D.向下、向上
?
答案：B
解析：开关S闭合时，由于自感线圈电阻不计，故电容器两端的电压为零，电容器不带电，当开关S断开时，由于线圈的自感作用，电流不能立即减小为零，电容器开始充电，上极板带正电，当????=3????8时，电容器开始放电，此时电场方向向下；线圈中电流由上向下，由右手螺旋定则可知，磁场方向向上，故选B.
?
3、????????振荡电路中电容器两端的电压????随时间????变化的关系如图所示，则( )
A.在????1?时刻，电路中的电流最大
B.在 ????2时刻，电路的磁场能最大
C.从????2至????3时刻，电路的电场能不断增大
D.从????3至????4时刻，电容器带的电荷量不断增多
?
答案：BC
解析：在????1时刻电路中电容器两端的电压最大，故两极板之间的电场最强，电场能最大，根据能量守恒可知此时磁场能最小，故在????1时刻电路中的电流为0，故A错误；在????2时刻电路中电容器两端的电压为0，两极板之间的电场强度为0，故电场能为0，根据能量守恒可知此时磁场能最大，故B正确；从????2至????3时刻，电容器两端的电压逐渐增大，故两极板之间的电场逐渐增强，则电路的电场能不断增大，故C正确；从????3至????4时刻，电容器两端的电压逐渐减小，根据????=????????可知电容器带的电荷量不断减小，故D错误.
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谢谢！
第一节 电磁振荡
第一节|电磁振荡
核心素养点击
{F5AB1C69-6EDB-4FF4-983F-18BD219EF322}物理观念
科学思维
科学探究
科学态度与责任
体会科学研究方法，增强科学思维能力，明确物理学科的本质，提高科学思维、实验探究、科学态度与责任的物理学科核心素养
思维导图
新课引入新知初感悟
电磁波到底是什么？为什么它就有那么大的威力？它又是怎么产生的呢？它有哪些性质？是否具有波的共同特性？怎样利用它来传递各种信号？
这节课我们就来学习电磁波是如何产生的。
引入新课——电磁波
一、振荡电路
我们已经学习了机械波，例如水波、声波等。那么，机械波的产生需要什么条件呢？
形成机械波要有机械振动作为波源，并且在传播的过程中还要有介质的作用。水波就是由机械振动形成的。一颗石子投入水面会激起一阵涟漪，但是要形成持续的水波，则需要不断地击打水面。
机械振动形成了机械波，而电视、广播等通信技术中所用的电磁波是由电磁振荡产生的。学习电磁波先要从学习电磁振荡开始。
【演示】
介绍电磁振荡示教板：把线圈、灵敏电流表、电容器、电源和单刀双掷开关按照下图连成电路。
实验一：先把开关置于电源一侧，为电容器充电；稍后再把开关置于线圈了侧，使电容器通过线圈放电。观察实验。
现象：灵敏电流表的指针左右摆动，且摆动的角度越来越小。
灵敏电流表的指针为什么会摆动？这样的变化说明电流有什么样的特点？
电流的方向交替变化。
由于存在能量损失，电路中的电流逐渐减小，所以灵敏电流表指针的摆角越来越小。
实验二：把电压传感器（或示波器）的两端连在电容器的两个极板上，重复上面的实验，观察计算机显示器。
观察到的电压的波形如图所示：
说明电容器两端的电压也在减小，但是电压的变化具有周期性。
实验三：将晶体管振荡器接入????????振荡电路中，并将振荡器的电流信号接入示波器，观察其波形。
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可以看到显示器上的波形按正弦规律变化。振荡电流实际上是高频的交变电流。
像这样大小和方向都做周期性迅速变化的电流，叫作振荡电流，产生振荡电流的电路叫作振荡电路。由电感线圈????和电容????组成的电路，就是最简单的振荡电路，称为????????振荡电路。
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二、电磁振荡的产生
【思考与讨论】线圈????接入交流电路时有什么特点？线圈????、电容器????在电路中都有什么作用？
线圈有自感作用，能产生自感电动势，阻碍电流的变化，储存磁场能；电容器有充、放电的作用，储存电场能。
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从演示实验中我们可以看出，振荡电流的变化经过几个过程后就开始重复。从电容器刚开始放电说起，电流的大小和方向经历了几个过程后就完成一个周期呢？可以把演示实验中看到的现象与黑板上的电路图结合起来考虑。
电容器充电后，两极板上的电荷最多，电压最大，储存的电场能最大。电容器和电感线圈组成闭合电路，请同学们讨论、分析电荷在电容器和电感线圈之间的运动及其他物理量的变化。
小组讨论
放电过程：在放电过程中，电容器上极板的电荷量????逐渐减小，电场强度????也逐渐减小；由于线圈的自感作用，电路中的放电电流????不能立即达到最大值，而是由0按正弦规律逐渐增大的，则线圈中的磁感应强度????也是由0逐渐增大的。放电结束时，????=0，电场强度????=0，????最大，磁感应强度????最大。此过程中，电场能全部转化为磁场能。
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充电过程：放电结束时，由于线圈的自感作用，电路中移动的电荷不会立即停止运动，仍保持原方向流动，就会给电容器充电。在充电过程中，电路中的电流????不会立即减小到0，而是按正弦规律逐渐减小到0的，则线圈中的磁感应强度B也是逐渐减小到0的；电容器下极板上的电荷????逐渐增大，电场强度????也逐渐增大。充电结束时，????最大，电场强度E最大，????=0。，磁感应强度????=0。电容器下极板带正电，此过程中，磁场能全部转化为电场能。
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反向放电过程：电容器下极板的电荷量????逐渐减小，电场强度E也逐渐减小；由于线圈的自感作用，电路中的放电电流????由0按正弦规律逐渐增大，线圈中的磁感应强度????也由0逐渐增大。与前一段放电过程相同，但电流方向相反。放电结束时，????=0，电场强度????=0，????最大，磁感应强度B最大。此过程中电场能反转化为磁场能。
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反向充电过程：由于线圈的自感作用，电路中移动的电荷仍保持原方向流动，就会给电容器充电。在充电过程中，电路中的电流I按正弦规律逐渐减小到0，线圈中的磁感应强度B也逐渐减小到0；电容器上极板的电荷量????逐渐增大，电场强度????也逐渐增大。与前一段充电过程相同，但电流方向反向。充电结束时，????最大，电场强度????最大，????=0，磁感应强度????=0，电容器上极板带正电，回到这一循环最初的状态。
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【总结】
1、两个特殊的过程：
（1）放电过程中，电容器极板上的电荷量q逐渐减小到0，线圈中的磁感应强度B由0逐渐增大到最大值。此过程中是电容器中的电场能转化为线圈中的磁场能。
（2）充电过程中，线圈中的磁感应强度B逐渐减小到0，电容器极板上的电荷量q由0逐渐增大到最大值。此过程中是线圈中的磁场能转化为电容器中的电场能。
2、两个特殊的物理状态：
（1）充电完成时，????????=????????，????=0，电场强度????最大，磁感应强度????=0。
（2）放电完成时， ????????=?0，????=????????，电场强度????=0，磁感应强度????最大。
振荡电路中电流的周期性变化规律：
电容器极板上电荷量的周期性变化规律：
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【典例一】
1、????????回路中电容器两极板间的电压????随时间????变化的关系如图所示，则( )
A.在????1时刻，电路中的电流最大
B.在????2时刻，电路中的磁场能最小
C.在????2~????3时间内，电路中的电场能不断增大
D.在????3~????4时间内，电容器的带电荷量不断增大
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解题思路：在t1时刻， LC回路中电容器两板间的电压最大 ， 电场能最大，磁场能为零，对应电流为零，A错误。在t2时刻，电压为零，电场能最小，磁场能最大，B错误。在????2~????3时间内，电容器电压增大，电场能不断增大，C正确。在????3~????4时间内，电压变小，电容器的带电荷量不断减小，D错误。
答案：C
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三、电磁振荡中的能量变化
在????????电磁振荡的过程中，能量是怎样转换和传递的？
电容器与电源连接后的充电过程中，电能转化成电场能储存在电容器中。在????????振荡电路的放电过程中，电容器的电场能逐渐转变成线圈的磁场能，放电结束时，电场能全部转化成磁场能。而在????????振荡电路的充电过程中，线圈的磁场能又逐渐转化为电容器的电场能，充电结束时，磁场能全部转化成电场能。
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在电磁振荡的过程中，电场能和磁场能会发生周期性的转化。电场能和磁场能的总和保持不变。
电磁振荡与简谐运动的比较：
?
电磁振荡
简谐运动
模型
LC振荡电路
?
弹簧振子
?
对应的物理量
规律
两极板间电势差随时间按正弦规律变化
振子的位移随时间按正弦规律变化
能量转化
电场能与磁场能相互转化，总能量守恒
动能与势能相互转化，总能量守恒
本质区别
振荡电路中自由电子的电磁运动
振子的机械运动
四、电磁振荡的周期和频率
电磁振荡和简谐运动一样都具有周期性，电磁振荡完成一次周期性变化需要的时间叫作周期，电磁振荡完成周期性变化的次数与所用时间之比叫作它的频率，数值等于单位时间内完成的周期性变化的次数。那发生电磁振荡的电路的周期和频率会与哪些物理量有关呢？
振荡电路的周期和频率：由电路本身的特性决定。这种由振荡电路本身特性所决定的振荡周期(或频率)叫作振荡电路的固有周期(或固有频率)，简称振荡电路的周期(或频率)。
【思考与讨论】
电容较大时，电容器充、放电的时间会长些还是短些？线圈的自感系数较大时，电容器充、放电的时间会长些还是短些？
根据讨论结果，定性分析LC振荡电路的周期（频率）与电容C、电感L的关系。
【总结】
????????振荡电路的周期????与电感????、电容????的关系为????＝2????????????，可得????＝12???????????? 。
（1）式中各物理量????、????、????、????的单位分别是s、H、F、Hz。
（2）适当地选择电容器和线圈，可使振荡电路的周期和频率符合我们的需要。
（3）如果没有能量损失，也不受其他外界条件的影响，这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。
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【典例二】
2、????????振荡电路中，某时刻的磁场方向如图所示，则( )
A.若磁场正在减弱，则电容器正在充电，电流由a向b
B.若磁场正在减弱，则电场能正在增大，电容器上极板带负电
C.若磁场正在增强，则电场能正在减小，电容器上极板带负电
D.若磁场正在增强，则电容器正在充电，电流方向由a向b
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解题思路：由安培定则可知，电流方向由b到a；若磁场正在减弱，可知电容器处于充电状态，电场能正在增大，电流方向由b到a，所以电容器下极板带正电，上极板带负电，故A错误，B正确；若磁场正在增强，可知电容器处于放电状态，电场能正在减小，电流方向由b到a，所以电容器上极板带正电，故C、D错误.
答案：B
【基础练习】
1、在LC回路产生电磁振荡的过程中，下列说法中错误的是( )
A.电容器放电完毕时刻，回路中电流最小
B.回路中电流值最大时刻，回路中磁场能最大
C.电容器极板上所带电荷量最大时，电场能最大
D.回路中电流值最小的时刻，电容器带电荷量最大
答案： A
解析：电容器放电完毕时，带电荷量为零，电场能为零，电路中的电流最大，磁场能最大，A错误，B正确；电容器充电完毕时，带电荷量最大，电场能达到最大，C正确；回路中电流值最小的时刻，磁场能最小，电场能最大，电容器带电荷量最大，D正确.A符合题意.
2、如图所示，L为电阻不计的自感线圈，已知LC电路的周期为T，开关S先闭合一段时间.S断开时开始计时，当????=3????8
时，L内部磁感应强度的方向和电容器极板间电场强度的方向分别为( )
A.向下、向下 B.向上、向下
C.向上、向上 D.向下、向上
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答案：B
解析：开关S闭合时，由于自感线圈电阻不计，故电容器两端的电压为零，电容器不带电，当开关S断开时，由于线圈的自感作用，电流不能立即减小为零，电容器开始充电，上极板带正电，当????=3????8时，电容器开始放电，此时电场方向向下；线圈中电流由上向下，由右手螺旋定则可知，磁场方向向上，故选B.
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3、????????振荡电路中电容器两端的电压????随时间????变化的关系如图所示，则( )
A.在????1?时刻，电路中的电流最大
B.在 ????2时刻，电路的磁场能最大
C.从????2至????3时刻，电路的电场能不断增大
D.从????3至????4时刻，电容器带的电荷量不断增多
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答案：BC
解析：在????1时刻电路中电容器两端的电压最大，故两极板之间的电场最强，电场能最大，根据能量守恒可知此时磁场能最小，故在????1时刻电路中的电流为0，故A错误；在????2时刻电路中电容器两端的电压为0，两极板之间的电场强度为0，故电场能为0，根据能量守恒可知此时磁场能最大，故B正确；从????2至????3时刻，电容器两端的电压逐渐增大，故两极板之间的电场逐渐增强，则电路的电场能不断增大，故C正确；从????3至????4时刻，电容器两端的电压逐渐减小，根据????=????????可知电容器带的电荷量不断减小，故D错误.
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谢谢！