人教版 (2019)必修 第三册4 电磁波的发现及应用教学设计

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一、电磁波的发现
1．麦克斯韦电磁理论的两个基本假设
(1)变化的磁场能够在周围空间产生电场(如图甲所示)．
(2)变化的电场能够在周围空间产生磁场(如图乙所示)．
2．电磁场：变化的电场和变化的磁场交替产生，形成不可分割的统一体，称为电磁场．
3．电磁波
(1)电磁波的产生：变化的电场和磁场交替产生而形成的电磁场是由近及远地传播的，这种变化的电磁场在空间的传播称为电磁波．
(2)电磁波的特点：
①电磁波是横波，电磁波在空间传播不需要介质；
②电磁波的波长、频率、波速的关系：v＝λf，在真空中，电磁波的速度c＝3．0×108m/s.
(3)电磁波能产生反射、折射、干涉和衍射等现象．
4．赫兹的电火花
(1)赫兹实验的分析
和高压感应线圈相连的抛光金属球间产生电火花时，空间出现了迅速变化的电磁场，这种变化的电磁场以电磁波的形式传到了导线环，导线环中激发出感应电动势，使与导线环相连的金属球间也产生了电火花．这个导线环实际上是电磁波的检测器．
结论：赫兹实验证实了电磁波的存在，检验了麦克斯韦电磁场理论的正确性．
(2)赫兹的其他成果
赫兹观察到了电磁波的反射、折射、干涉、偏振和衍射等现象．测量证明了电磁波在真空中具有与光相同的速度c，证实了麦克斯韦关于光的电磁场理论．
二、电磁振荡
1．振荡电流：大小和方向都随时间做周期性迅速变化的电流．
2．振荡电路：能够产生振荡电流的电路．最基本的振荡电路为LC振荡电路．
3．电磁振荡：在LC振荡电路中，电容器极板上的电荷量，电路中的电流，电场和磁场周期性相互转变的过程也就是电场能和磁场能周期性相互转化的过程．
4．电磁振荡的周期与频率
(1)周期：电磁振荡完成一次周期性变化需要的时间．
(2)频率：1 s内完成周期性变化的次数．
振荡电路里发生无阻尼振蒎时的周期和频率分别叫作固有周期、固有频率．
(3)周期和频率公式：T＝2πeq \r(LC)，f＝eq \f(1,2π\r(LC)).
1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)变化的电场一定产生变化的磁场．(×)
(2)恒定电流周围产生磁场，磁场又产生电场．(×)
(3)电磁波和光在真空中的传播速度都是3.0×108 m/s.(√)
(4)麦克斯韦预言并验证了电磁波的存在．(×)
(5)在振荡电路中，电容器充电完毕磁场能全部转化为电场能．(√)
2．下列关于电磁波的叙述中，正确的是( )
A．电磁波是电磁场由发生区域向远处的传播
B．电磁波在任何介质中的传播速度均为3×108 m/s
C．电磁波由真空进入介质传播时，波长变短
D．电磁波不能产生干涉、衍射现象
E．电磁波具有波的一切特征
ACE [电磁波是交替产生呈周期性变化的电磁场由发生区域向远处传播而产生，故A项正确；电磁波只有在真空中传播时，其速度为3×108 m/s，故B项不正确；电磁波在传播过程中其频率f不变，由波速公式v＝λf知，由于电磁波在介质中的传播速度比在真空中的传播速度小，所以可得此时波长变短，故C正确；电磁波是一种波，具有波的一切特性，能产生干涉、衍射等现象，故E项正确，D项不正确．]
3.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，则把电容________到原来的________．
[解析] 由题意，频率变为原来的2倍，则周期就变为原来的eq \f(1,2)，由T＝2πeq \r(LC)，L不变，当C＝eq \f(1,4)C0时符合要求．
[答案] 减小 eq \f(1,4)
1.电磁场的产生
如果在空间某处有周期性变化的电场，那么这个变化的电场就在它周围空间产生周期性变化的磁场，这个变化的磁场又在它周围空间产生变化的电场——变化的电场和变化的磁场是相互联系着的，形成不可分割的统一体，这就是电磁场．
2．对麦克斯韦电磁场理论的理解
3.机械波与电磁波的比较
【例1】 关于电磁场理论的叙述，正确的是( )
A．变化的磁场周围一定存在着电场，与是否有闭合电路无关
B．周期性变化的磁场产生同频率变化的电场
C．变化的电场和变化的磁场相互关联，形成一个统一的场，即电磁场
D．电场周围一定存在磁场
E．磁场周围一定存在电场
ABC
[]
电磁波的特点
(1)电磁波有波的一切特点：能发生反射、折射现象；能产生干涉、衍射等现象．
(2)电磁波是横波．在电磁波中，每处的电场强度和磁感应强度方向总是互相垂直的，并且都跟那里的电磁波的传播方向垂直．
(3)电磁波可以在真空中传播，向外传播的是电磁能．
1．关于电磁波，下列说法正确的是( )
A．只要有电场和磁场，就能产生电磁波
B．电磁波在真空和介质中传播速度不相同
C．均匀变化的磁场能够在空间形成电磁波
D．赫兹证明了电磁波的存在
E．电磁波在真空中具有与光相同的速度
BDE [若只有电场和磁场，而电场和磁场都稳定或电场、磁场仅均匀变化都不能产生电磁波，A、C错；光也是电磁波，在真空和介质中传播的速度不同，可判断B、E正确；赫兹证明了电磁波的存在，D项正确．]
1.各物理量变化情况一览表
2.振荡电流、极板带电荷量随时间的变化图象(如图所示)
3．板间电压u、电场能EE、磁场能EB随时间变化的图象(如图所示)
u、EE规律与q­t图象相对应；EB规律与i­t图象相对应
4．分类分析
(1)同步关系
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与线圈中的三个物理量i、B、EB是同步异向变化的，即q、E、EE同时减小时，i、B、EB同时增大，且它们的变化是同步的，也即：q、E、EE↑同步异向变化,i、B、EB↓.
注意：自感电动势E的变化规律与q­t图象相对应．
【例2】 LC振荡电路中，某时刻磁场方向如图所示，则下列说法正确的是( )
A．若磁场正在减弱，则电容器上极板带正电
B．若电容器正在充电，则电容器下极板带正电
C．若电容器上极板带正电，则线圈中电流正在增大
D．若电容器正在放电，则自感电动势正在阻碍电流增大
E．若电容器正在充电，则自感电动势正在阻碍电流增大
BCD [本题考查各物理量发生变化的判断方法．由电流的磁场方向和安培定则可判断振荡电流方向，由于题目中未标明电容器两极板的带电情况，可分两种情况讨论：(1)若该时刻电容器上极板带正电，则可知电容器处于放电阶段，电流增大，则C对，A错；(2)若该时刻电容器下极板带正电，可知电容器处于充电状态，电流在减小，则B对，由楞次定律可判定D对E错．故正确答案为BCD.]
解决电磁振荡问题的基本思路
分析电磁振荡的过程时，可以结合图象，这样会使问题更直观．首先依据题意找出振荡图象的初状态，然后画出其电流或电荷量随时间变化的图象，根据时间关系，可以大体找出该时刻在图象上对应的位置，从而确定处于充电还是放电状态，最后再依据充、放电过程中各物理量的变化规律求解具体问题．
2.如图所示，L为一电阻可忽略的线圈，D为一灯泡，C为电容器，开关S处于闭合状态，灯D正常发光，现突然断开S，并开始计时，画出反映电容器a极板上电荷量q随时间变化的图象(q为正值表示a极板带正电)．
[解析] 开关S处于闭合状态时，电流稳定，又因L电阻可忽略，因此电容器C两极板间电压为0，所带电荷量为0，S断开的瞬间，D灯立即熄灭，L、C组成的振荡电路开始振荡，由于线圈的自感作用，此后的eq \f(T,4)时间内，线圈给电容器充电，电流方向与线圈中原电流方向相同，电流从最大逐渐减为0，而电容器极板上电荷量则由0增为最大，根据电流流向，此eq \f(T,4)时间里，电容器下极板b带正电，所以此eq \f(T,4)时间内，a极板带负电，由0增为最大．
[答案]
1．根据麦克斯韦电磁场理论，下列说法正确的是( )
A．电场一定能产生磁场，磁场也一定能产生电场
B．变化的电场一定产生磁场
C．稳定的电场也可以产生磁场
D．变化的磁场一定产生电场
E．变化的电场和变化的磁场相互联系在一起，形成一个统一的、不可分割的电磁场
BDE [根据麦克斯韦电磁场理论，变化的电场和变化的磁场相互联系在一起，形成一个统一的、不可分割的电磁场，E项正确；变化的电场一定产生磁场，稳定的电场不产生磁场，故A、C项错误，B项正确．同理知D正确．]
2．不能发射电磁波的电场是( )
ABC [由麦克斯韦电磁场理论，当空间出现恒定的电场时(如A图)，由于它不激发磁场，故无电磁波产生；当出现均匀变化的电场(如B图、C图时)，会激发出磁场，但磁场恒定，不会在较远处激发出电场，故也不会产生电磁波；只有周期性变化的电场(如D、E图)，才会激发出周期性变化的磁场，它又激发出周期性变化的电场……如此不断激发，便会形成电磁波．]
3.根据麦克斯韦电磁场理论，变化的磁场可以产生电场，当产生的电场的电场线如图所示时，可能是向上的磁场在________或向下的磁场在________．
[解析] 在电磁感应现象的规律中，当一个闭合电路中的磁通量发生变化时，回路中就有感应电流产生，回路中并没有电源，电流的产生是由于磁场的变化造成的．麦克斯韦把以上的观点推广到不存在闭合电路的情况，即变化的磁场产生电场．向上的磁场增强时，感应电流的磁场阻碍原磁场的增强而方向向下，根据安培定则可判断出感应电流方向如题图中E的方向所示，同理，当向下的磁场减小时，也会得到图中电场的方向．
[答案] 增强 减弱
对电磁波的理解
恒定的电场不产生磁场
恒定的磁场不产生电场
均匀变化的电场在周围空间产生恒定的磁场
均匀变化的磁场在周围空间产生恒定的电场
不均匀变化的电场在周围空间产生变化的磁场
不均匀变化的磁场在周围空间产生变化的电场
振荡电场产生同频率的振荡磁场
振荡磁场产生同频率的振荡电场
机械波
电磁波
研究对象
力学现象
电磁现象
周期性变化的物理量
位移随时间和空间做周期性变化
电场强度E和磁感应强度B随时间和空间做周期性变化
传播
传播需要介质，波速与介质有关，与频率无关
传播无需介质，在真空中波速总是c，在介质中传播时，波速与介质及频率都有关系
产生
由质点(波源)的振动产生
由周期性变化的电流(电磁振荡)激发
干涉
可以发生
可以发生
衍射
可以发生
可以发生
横波
可以是
是
纵波
可以是
不是
电磁振荡
时刻(时间)
工作过程
q
E
i
B
能量
0→eq \f(T,4)
放电过程
qm→0
Em→0
0→im
0→Bm
E电→E磁
eq \f(T,4)→eq \f(T,2)
充电过程
0→qm
0→Em
im→0
Bm→0
E磁→E电
eq \f(T,2)→eq \f(3T,4)
放电过程
qm→0
Em→0
0→im
0→Bm
E电→E磁
eq \f(3T,4)→T
充电过程
0→qm
0→Em
im→0
Bm→0
E磁→E电
课 堂 小 结
知 识 脉 络
1.麦克斯韦电磁场理论的内容.
2.电磁波的特点及其发现过程.
3.振荡电路及振荡电流.
4.电磁振荡的周期和频率.