高中物理人教版 (2019)选择性必修 第二册第四章 电磁振荡与电磁波1 电磁振荡优秀精练

4.1电磁振荡

4.2电磁场与电磁波

基础导学

要点一、电场振荡的产生

1．振荡电流：大小和方向都做周期性迅速变化的电流．

2．振荡电路：能产生振荡电流的电路．

3．LC振荡电路的放电、充电过程

(1)电容器放电：线圈有自感作用，放电电流不会立刻达到最大值，而是由零逐渐增大，极板上的电荷逐渐减少．放电完毕时，极板上的电荷量为零，放电电流达到最大值．该过程电容器的电场能全部转化为线圈的磁场能．

(2)电容器充电：电容器放电完毕时，线圈有自感作用，电流并不会立刻减小为零，而会保持原来的方向继续流动，并逐渐减小，电容器开始反向充电，极板上的电荷逐渐增多，电流减小到零时，充电结束，极板上的电荷量达到最大值．该过程中线圈的磁场能又全部转化为电容器的电场能．

要点二、电磁振荡的周期和频率

1．周期：电磁振荡完成一次周期性变化需要的时间．

2．频率：1s内完成的周期性变化的次数．

如果振荡电路没有能量损失，也不受其他外界影响，这时的周期和频率分别叫做振荡电路的固有周期和固有频率．

3．周期和频率公式：T＝2π，f＝.

4、周期和频率公式

（1）T取决于L、C，与极板所带电荷量、两板间电压无关．

（2）电感线圈的自感系数L及电容C由哪些因素决定．L一般由线圈的长度、横截面积、单位长度上的匝数及有无铁芯决定，电容C由公式C＝可知，与电介质的介电常数εr、极板正对面积S及板间距离d有关．

要点三、振荡过程各物理量的变化规律

1、用图象对应分析i、q的变化关系(如图所示)

2．相关量与电路状态的对应情况

3.几个关系

(1)同步同变关系

在LC振荡回路发生电磁振荡的过程中，电容器上的物理量：电荷量q、电场强度E、电场能EE是同步变化的，即q↓→E↓→EE↓(或q↑→E↑→EE↑)．

振荡线圈上的物理量：振荡电流i、磁感应强度B、磁场能EB也是同步变化的，即i↓→B↓→EB↓(或i↑→B↑→EB↑)．

(2)同步异变关系

在LC振荡过程中，电容器上的三个物理量q、E、EE增大时，线圈中的三个物理量i、B、EB减小，且它们的变化是同步的，也即q、E、EE↑同步异向变化,i、B、EB↓.

要点四、伟大的预言

1．变化的磁场产生电场

(1)实验基础：如图所示，在变化的磁场中放一个闭合电路，电路里就会产生感应电流．

(2)麦克斯韦的见解：电路里感应电流的产生，一定是变化的磁场产生了电场，自由电荷在电场的作用下发生了定向移动．

(3)实质：变化的磁场产生了电场．

2．对麦克斯韦电磁场理论的理解

1．变化的磁场产生电场

(1)均匀变化的磁场产生恒定的电场．

(2)非均匀变化的磁场产生变化的电场．

(3)周期性变化的磁场产生同频率的周期性变化的电场．

3．变化的电场产生磁场

(1)均匀变化的电场产生恒定的磁场．

(2)非均匀变化的电场产生变化的磁场．

(3)周期性变化的电场产生同频率的周期性变化的磁场．

要点五、电磁波

1．电磁波的产生：变化的电场和变化的磁场交替产生，由近及远向周围传播，形成电磁波．

2．电磁波是横波：根据麦克斯韦的电磁场理论，电磁波在真空中传播时，它的电场强度和磁感应强度互相垂直，而且二者均与波的传播方向垂直，因此电磁波是横波．

3．电磁波的速度：麦克斯韦指出了光的电磁本性，他预言电磁波的速度等于光速．

要点六、赫兹的电火花

1、赫兹证实了麦克斯韦关于光的电磁理论，为了纪念他，把频率的单位定为赫兹．

2、电磁波与机械波的比较

要点突破

突破一：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，处于充电过程；反之，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(U、E)增大时，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。

突破二：对麦克斯韦电磁场理论的理解

(1)变化的磁场产生电场

①均匀变化的磁场产生恒定的电场．

②非均匀变化的磁场产生变化的电场．

③周期性变化的磁场产生同频率的周期性变化的电场．

(2)变化的电场产生磁场

①均匀变化的电场产生恒定的磁场．

②非均匀变化的电场产生变化的磁场．

③周期性变化的电场产生同频率的周期性变化的磁场．

突破三：电磁波与机械波的三点不同

（1）电磁波是电磁现象，由电磁振荡产生；机械波是力学现象，由机械振动产生。

（2）机械波的传播依赖于介质的存在，但电磁波的传播不需要介质。

（3）不同频率的机械波在同一介质中传播速度相同，在不同介质中传播速度不同；不同频率的电磁波在真空中传播速度相同，在同一介质中传播速度不同。

强化训练

一、选择题

1．无线话筒是LC振荡电路的一个典型应用。在LC振荡电路中，某时刻磁场方向如图所示，且电容器上极板带正电，下列说法正确的是（　　）

A．电容器正在放电 B．振荡电流正在减小

C．电流流向沿a到b D．电场能正在向磁场能转化

【答案】B

【解析】由图可知，此时电容器正在充电，电路中电流正在减小，电路中的电流沿顺时针方向，磁场能在向电场能转化，故B正确，ACD错误。

2．在理想LC振荡电路中的某时刻，电容器极板间的场强E的方向如图所示，M是电路中的一点。若该时刻电容器正在充电，据此可判断此时（　　）

A．电路中的磁场能在增大 B．流过M点的电流方向向左

C．电路中电流正在增加 D．电容器两板间的电压在减小

【答案】B

【解析】AC．因该时刻电容器正在充电，则电流逐渐减小，电路中的磁场能在减小，故AC错误；

B．该时刻电容器正在充电，此时电容器上极板带正电，则充电时流过M点的电流方向向左，故B正确；

D．充电时，电容器两板间的电压在增大，故D错误。

3、2022年6月5日，中央电视台对神舟十四号飞船与天和核心舱交会对接进行了直播，其间航天员与北京飞控中心保持通话联络，直播画面通过电磁波传送到地面接收站。下列关于电磁波和声波的说法正确的是（　　）

A．电磁波是横波，声波是纵波

B．电磁波跟声波一样，只能在介质中传播

C．麦克斯韦预言了电磁波的存在，并用实验验证了电磁波的存在

D．航天员讲话时画面能与声音同步，说明电磁波与声波具有相同的传播速度

【答案】A

【解析】A．电磁波的传播和振动垂直是横波，声波的振动和传播平行则是纵波，故A正确；

B．电磁波的传播不依赖介质，声波是机械波只能在介质中传播，故B错误；

C．麦克斯韦预言了电磁波的存在，赫兹用实验验证了电磁波的存在，故C错误；

D．航天员讲话时画面能与声音同步，但电磁波的速度为光速，声波的传播速度为340m/s，两者差距很大，故D错误；

4、北京时间2022年5月12日晚9点，事件视界望远镜（EHT）合作组织正式发布了银河系中心黑洞人马座A·（SgrA·）的首张照片，如图所示。该照片利用了射电望远镜对电磁波的捕捉。下列关于波的说法正确的是（　　）

A．周期性变化的电场和磁场可以相互激发，形成电磁波

B．电磁波是纵波，不能发生偏振现象

C．电磁波和机械波都依赖于介质才能传播

D．电磁波在任何介质中传播的速度都相等

【答案】A

【解析】A．周期性变化的电场和磁场可以相互激发，形成电磁波，故A正确；

B．电磁波是横波，可以发生偏振现象，故B错误；

C．电磁波的传播不依赖于介质，故C错误；

D．电磁波在不同介质中传播的速度不相等，故D错误。

5、如图所示为振荡电路中电容器的极板带电荷量随时间变化曲线，则下列判断中错误的是（       ）

A．在b和d时刻，电路中电流最大 B．在时间内，电场能转变为磁场能

C．a和c时刻，磁场能为零 D．在和时间内，电容器被充电

【答案】D

【解析】

A．在b、d两时刻，电量为零，故电场能为零，故电流最大，A正确；

B．在a→b时间内，电荷量减小，电场能转变为磁场能，B正确；

C．a、c时刻，电荷量最大，此时电场能最大，磁场能为零，C正确；

D．在O→a时间内，电荷量在增加，故电容器被充电；而c→d时刻，电荷量在减小，电容器在放电，D错误。

故选D。

6、某时刻振荡电路的自感线圈L中的电流产生的磁场的磁感应强度方向如图所示．下列说法正确的是（　　）

A．若电容器上极板带正电，则电容器正在放电

B．若电容器上极板带负电，则线圈中的电流正在增大

C．若磁场正在增强，则电容器两极板间的电场强度正在增大

D．若磁场正在减弱，则线圈的自感电动势正在减小

【答案】A

【解析】

A．根据磁感应强度的方向可知，回路中的电流为逆时针方向，则若电容器上极板带正电，则电容器正在放电，选项A正确；

B．若电容器上极板带负电，则电容器正在充电，则线圈中的电流正在减小，选项B错误；

C．若磁场正在增强，则回路中电流正在变大，电容器在放电，即电容器两极板间的电场强度正在减小，选项C错误；

D．若磁场正在减弱，则回路中电流正在变小，电容器在充电，电流减小的越来越快，则线圈的自感电动势正在增加，选项D错误。

故选A。

7、收音机的调谐（选台）回路是一个LC振荡电路，一般是由固定的线圈和可变电容器组成的。所以收音机的“选台”往往采用只改变电容的方式选择收听不同播音频率的电台。某收音机在收听频率为f的电台时可变电容器的电容为C0，那么当收听频率为2f的电台时，该可变电容器的电容为（　　）

A． B． C． D．

【答案】D

【解析】

由题意，根据LC电路频率公式可得

解得

故选D。

8、关于电磁场与电磁波的描述，正确的是（　　）

A．变化的电场产生变化的磁场

B．光是以波动形式传播的一种电磁振动

C．电磁波与机械波一样可以是横波也可以是纵波

D．无线电波必须借助电视机、收音机、手机等工具才能传播

【答案】B

【解析】

A．只有周期性变化的电（磁）场才能产生周期性变化的磁（电）场；均匀变化的磁场只能产生恒定的电场；而均匀变化的电场只能产生恒定的磁场，A错误；

B．电磁波是电磁场的传播，光是以波动形式传播的一种电磁振动，电磁波的传播速度等于光速，B正确；

C．电磁波的传播方向与振动方向相互垂直，电磁波是横波，C错误；

D．无线电波传播不需要介质，D错误。

故选B。

9、下列说法中正确的是（　　）

A．在电场周围一定存在磁场 B．电磁波与机械波的传播都需要介质

C．电磁波在真空中的速度为3×108m/s D．电磁场理论是物理学家法拉第建立的

【答案】C

【解析】

A．变化的电场周围存在磁场，故A错误；

B．电磁波的传播不需要介质，但机械波的传播需要介质，故B错误；

C．电磁波在真空中的速度等于光速为3×108m/s，故C正确；

D．电磁场理论是物理学家麦克斯韦建立的，D错误。

故选C。

10、关于机械波与电磁波，下列说法中错误的是（　　）

A．机械波的传播需要介质，电磁波的传播不需要介质

B．麦克斯韦预言了电磁波的存在，赫兹第一次用实验证实电磁波的存在

C．变化的磁场周围产生的电场一定时变化的

D．电磁波和机械波都能产生反射、折射、干涉、衍射等现象

【答案】C

【解析】A．机械波不能在真空中传播，机械波的传播需要介质，电磁波可以在真空中传播，电磁波的传播不需要介质，故A正确，不符合题意；

B．麦克斯韦提出电磁理论并预言了电磁波的存在，1884年，赫兹第一次用实验证实了电磁波的存在，故B正确，不符合题意；

C．均匀变化的磁场一定产生稳定的电场，故C错误，符合题意；

D．电磁波和机械波都能产生反射、折射、干涉、衍射等现象以及多普勒效应，故D正确，不符合题意。

11、关于电磁场理论和电磁波，下列说法正确的是（   ）

A．电磁波是纵波

B．电磁波的传播不需要介质

C．均匀变化的电场周围一定产生均匀变化的磁场

D．麦克斯韦预言了电磁波的存在，并用实验验证了电磁波的存在

【答案】B

【解析】A．由电磁波产生的原理可知，电磁波是横波，A错误；

B．电磁波的传播不需要介质，B正确；

C．均匀变化的电场产生恒定的磁场，C错误；

D．麦克斯韦提出了电磁场理论，预言了电磁波，赫兹用实验证实了电磁波的存在，D错误。

12、下列说法中正确的是（　　）

A．电磁波传播时需要介质，故它不能在真空中传播

B．变化的磁场一定可以产生变化的电场

C．周期性变化的磁场一定可以产生变化的电场

D．电磁波是纵波，电场强度的方向与电磁波的传播方向平行

【答案】C

【解析】A．电磁波传播时不需要介质，电磁波可以在真空中传播，A错误；

B．据麦克斯韦电磁场理论，变化的磁场可以产生电场，均匀变化的磁场产生恒定的电场，B错误；

C．周期性变化的磁场可以产生周期性变化的电场，C正确；

D．电磁波在传播过程中，电场强度与磁感应强度互相垂直且与电磁波的传播方向垂直，电磁波是横波。故D错误。

13、某时刻LC振荡电路自感线圈L中电流产生的磁场的磁感应强度方向如图所示。下列说法正确的是（　　）

A．若电容器正在放电，电容器上极板带正电

B．若电容器正在充电，线圈中的磁感应强度也在增大

C．若磁场正在增强，电容器两极板间的电场强度也在增大

D．若磁场正在减弱，则电场能也在减小

【答案】A

【解析】A．若电容器正在放电，电路中电流减小，线圈中磁通量减小，根据磁感应强度的方向可知，回路中的电流为逆时针方向，则电容器上极板带正电，故A正确；

B．若电容器正在充电，磁场能转化为电场能，线圈中的磁感应强度在减小，故B错误；

C．若磁场正在增强，则电场能转化为磁场能，电容器两极板间的电压减小，电场强度也在减小，故C错误；

D．若磁场正在减弱，磁场能转化为电场能，则电场能在增大，故D错误。

14、如图所示的电路中，线圈L的电阻不计。开关S先闭合，等电路稳定后再断开开关，从此时开始计时，时电容器下极板带正电，且电荷量第一次达到最大值。下列说法正确的是（　　）

A．t=0.03s时回路中电流最大         B．t=0.04s时线圈L的感应电动势最大

C．t=0.05s时线圈L的磁场能最大     D．t=0.06s时电容器的上极板带正电

【答案】D

【解析】LC回路中，在一个周期内，电容器充电两次，放电两次，线圈及导线电阻均不计，先闭合开关S稳定后，线圈两端没有电压，电容器不带电，线圈具有磁场能，在t=0时刻，断开开关S线圈产生自感电动势，对电容器充电，使下极板带正电，当t=0.02s时，电容器下极板带正电，且电荷量第一次达到最大值，则LC回路的周期为

A．t=0.03s即个周期，电容器正在放电，且未放电结束，回路中电流没有达到最大，故A错误；

B．t=0.04s时电容器放电结束，回路中电流最大，线圈L的感应电动势最小，故B错误；

C．t=0.05s时电容器正在充电，电流沿LC回路顺时针方向，回路中电流没有达到最大，线圈L的磁场能没有达到最大，故C错误；

D．t=0.06s时电容器充电结束，上极板带正电，故D正确。