4.1 电磁振荡与电磁波 —【新教材】人教版高中物理选择性必修第二册学案（word含答案）

选择性必修二第四章 电磁振荡与电磁波 第一节 电磁振荡

预习案
【自主学习】
阅读教材69-72，观察相关图片，思考下列问题：
1、画LC电路原理图
2、振荡电流是什么样的电流？
3、有电流，就有磁场，有磁场能；有电荷，就有电场能。根据教材70页图4.1-2，说说在LC电路中，磁场能减小时，电场能怎样变化？
4、什么叫电磁振荡的周期和频率？有无公式？
【学始于疑】（请将预习中不能解决的问题记录下来，供课堂解决。）
课堂案
【合作探究一】观看演示（实验及其动画），画一个周期内i-t图和q-t图。
【合作探究二】粗略地画出LC电路中，磁场能和电场能随时间变化曲线
拓展：电容器电压u-t图怎样画？
课堂练习1：
如图所示，当把开关S由1扳到2时，下列说法正确的是(　　)
A．电流立刻达到最大值，然后才开始减小
B．电流不能立刻达到最大值，直到放电完毕时，电流才达到最大值
C．电场强度逐渐减弱到零，这时电流也为零
D．电场强度立刻减小到零，电流立刻达到最大值
课堂练习2：
(多选)甲、乙、丙、丁四个LC振荡电路，某时刻振荡电流i的方向如图中箭头所示。下列对各回路情况的判断正确的是(　　)
A．若甲电路中电流i正在增大，则该电路中电容器两端的电压必定在增大
B．若乙电路中电流i正在增大，则该电路中电容器的电场方向必定向下
C．若丙电路中电流i正在减小，则该电路中线圈周围的磁场必定在增强
D．若丁电路中电流i正在减小，则该电路中电容器的电场方向必定向上
课堂练习3：
(多选)LC回路电容器两端的电压U随时间t变化的关系如图所示，则(　　)
A．在t1时刻，电路中的电流最大
B．在t2时刻，电路中的磁场能最多
C．在t2至t3的过程中，电路中的电场能不断增加
D．在t3至t4的过程中，电容器带的电荷量不断增加
【合作探究三】阅读教材72页，思考：怎样改变LC电路电磁振荡的周期和频率？
练习与讨论：教材73页练习4
课堂练习4．如图所示，LC电路的L不变，C可调，要使振荡的频率从700 Hz变为1 400 Hz，则可以采用的办法有(　　)
A．把电容增大到原来的4倍 B．把电容增大到原来的2倍
C．把电容减小到原来的 D．把电容减小到原来的
课堂练习5．振荡电路中线圈的自感系数为L，电容器的电容为C，则电容器两极板间的电压从峰值到零的最少时间为(　　)
A．2π B．π C. D.
总结：
【进阶闯关检测】
A类基础关
1．有一LC振荡电路，能产生一定波长的电磁波，若要产生波长比原来短些的电磁波，可采取的措施为(　　)
A．增加线圈匝数 B．在线圈中插入铁芯
C．减小电容器两极板的正对面积 D．减小电容器两极板间的距离
2．如图所示，LC振荡电路中导线的电阻及自感线圈的电阻忽略不计，某瞬间回路中电流方向如箭头所示，且此时电容器的极板A带正电荷，则该瞬间(　　)
A．电流i正在增大，线圈L中的磁场能也正在增大
B．电容器两极板间电压正在增大
C．电容器带电荷量正在减小
D．线圈中电流产生的磁场的磁感应强度正在增强
B类能力关
3．图甲中通过P点电流(向右为正)的变化规律如图乙所示，则(　　)
A．0～0.5 s内，电容器C正在充电
B．0.5～1 s内，电容器C上极板带正电
C．1～1.5 s内，Q点的电势比P点的电势高
D．1～1.5 s内，磁场能转化为电场能
4．(2020·浙江1月选考)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(　　)
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
C类综合关（选做）
5．如图所示，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，再断开开关S，LC电路中将产生电磁振荡，如果规定电感器L中的电流方向从a到b为正，断开开关的时刻为t＝0，那么下列选项能正确表示电感器中的电流i随时间t变化规律的是(　　)
6.如图所示，电源电动势为E，电容器的电容为C，线圈的电感为L。将开关S从a拨向b，经过一段时间后电容器放电完毕。求电容器的放电时间和放电电流的平均值。
参考答案：
课堂练习1：
解析　开关S由1扳到2，电容器开始放电，由于线圈的自感作用，电流不能立刻达到最大值，直到放电完毕时，电流才达到最大值；随着放电的过程电容器极板上的电荷量逐渐减少，电场强度也逐渐减小，所以正确选项为B。答案　B
课堂练习2解析　当电流逐渐增大时，电容器放电，电压减小，由电流方向可知电容器中电场方向向下，A选项错误，B选项正确。当电流减小时，是充电过程，线圈周围磁场减弱，电流方向指向下极板，电容器中电场强度方向向上，C选项错误，D选项正确。答案　BD
课堂练习3解析　t1时刻电容器两端电压最高，电路中振荡电流为零，t2时刻电容器两端电压为零，电路中振荡电流最大，磁场能最多，故选项A错误，B正确。在t2至t3的过程中，由题图可知，电容器两极板间电压增大，必有电场能增加，选项C正确。而在t3至t4的过程中，电容器两极板间电压减小，电容器带的电荷量不断减少，选项D错误。答案　BC
课堂练习4解析　由题意可知，振荡的频率变为原来的2倍，则周期就变为原来的，由T＝2π知，L不变，当C＝C0时符合要求，其中C0为原电容，故正确选项为D。答案　D
课堂练习5解析　放电过程中，两极板间电压从峰值到零，一周期充放电各两次，故最小时间t＝＝。答案　D
闯关检测
1解析　由于电磁波在真空中传播的波速v＝λf恒定，故欲使波长λ变短，必须使频率f增大。由频率f＝可知，增加线圈匝数和在线圈中插入铁芯将使线圈自感系数L增大，频率f减小，选项A、B错误；减小电容器两极板的正对面积将使电容C减小，频率f增大，选项C正确；减小电容器两极板间的距离将使电容C增大，频率f减小，选项D错误。
答案　C
2解析　根据图示电路知，该LC振荡电路正在充电，电流在减小，磁场能转化为电场能，故A错误；电容器的带电荷量在增大，根据U＝知电容器两极板间的电压正在增大，故B正确，C错误；充电的过程，磁场能转化为电场能，电流在减小，所以线圈中电流产生的磁场的磁感应强度正在减小，故D错误。
答案　B
3解析　由题图乙知，0～0.5 s内，电流逐渐增大，电容器正在放电，A项错误；0.5～1 s内，电流沿正方向逐渐减小，是充电过程，电容器上极板带负电、下极板带正电，B项错误；1～1.5 s内，电流沿负方向逐渐增大，是放电过程，Q点比P点电势高，C项正确；放电过程中电场能转化为磁场能，故D项错误。答案　C
4解析　t＝0时刻电容器上极板带正电荷且电荷量为最大值，而t＝0.02 s时电容器下极板带正电荷且电荷量第一次达到最大值，可知LC回路的周期为T＝0.04 s，A错误；LC回路中的电流最大时磁场能最大，由能量守恒定律可知，此时电场能最小，B错误；由于周期为T＝0.04 s，t＝1.01 s为25个周期，则t＝1.01 s时电容器放电结束，回路中电场能最小，磁场能最大，电流沿逆时针方向，C正确，D错误。
答案　C
5解析　S断开前，ab段短路，电流从b→a，电容器不带电；S断开时，ab中产生自感电动势，阻碍电流减小，给电容器C充电，此时电流负向最大；给电容器充电过程，电容器充电量最大时，ab中电流减为零；此后，LC回路发生电磁振荡形成交变电流。综上所述，选项C正确。
答案　C
6解析　电容器放电时间为T，与电源电动势无关，即t＝·2π＝。在T内电流平均值为＝＝＝。答案