第13讲 电磁振荡-【寒假自学课】2022年高二物理寒假精品课（人教版选择性必修二）

第13讲 电磁振荡 【学习目标】 (1)通过实验，了解电磁振荡。知道LC振荡电路中电荷、电场、电流、磁场的动态变化情况及电场能与磁场能的转化情况。知道电磁振荡的周期与频率，会用其分析、解释有关的简单问题。 (2)经历从机械振动到电磁振荡的类比过程，体会类比推理的方法。经历分析电磁振荡周期与L、C关系的过程，体会定性分析推理的方法。 (3)经历实验观察电磁振荡中各物理量的变化过程，体会实验在物理观念形成过程中的作用。 【基础知识】 【考点剖析】 一、实验：观察振荡电路中电压的波形 把线圈、电容器、电源和单刀双掷开关按照图甲连成电路。把电压传感器（或示波器）的两端连在电容器的两个极板上。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一侧，使电容器通过线圈放电。观察电脑显示器（或示波器）显示的电压的波形（图乙）。 1、振荡电流：电路的电压发生周期性的变化，电路中的电流也发生周期性的变化。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。 2、振荡电路： 产生振荡电流的电路叫作振荡电路。 二、电磁振荡的产生 如图所示，将开关S掷向1，先给电容器充电，再将开关S掷向2，从此时起，电容器要对线圈放电。 (1)放电过程：由于线圈的自感作用，放电电流不能立刻达到最大值，而是由零逐渐增大，同时电容器极板上的电荷逐渐减少。放电完毕时，极板上的电荷为零，放电电流达到最大。该过程电容器储存的电场能转化为线圈的磁场能。 (2)充电过程：电容器放电完毕，由于线圈的自感作用，电流并不会立刻消失，而要保持原来的方向继续流动，并逐渐减小，电容器开始充电，极板上的电荷逐渐增加，当电流减小到零时，充电结束，极板上的电荷量达到最大。该过程线圈中的磁场能又转化为电容器的电场能。此后电容器再放电、再充电，周而复始，于是电路中就有了周期性变化的振荡电流。 (3)实际的LC振荡是阻尼振荡：电路中有电阻，振荡电流通过时会有热量产生，另外还会有一部分能量以电磁波的形式辐射出去。如果要实现等幅振荡，必须有能量补充到电路中。 分析：线圈中的电流发生变化时，线圈中会产生自感电动势，阻碍线圈中电流的变化，电流逐渐增大，电容器的电场能转化为磁场能；线圈中电流减小时，对电容器充电，线圈中的磁场能转化为电容器的电场能 1．振荡电流、极板带电荷量随时间的变化图像(如图所示) 2.各物理量变化情况一览表 时刻 (时间) 工作过程 q E i B 能量 0→ 放电过程 qm→0 Em→0 0→im 0→Bm E电→E磁 → 充电过程 0→qm 0→Em im→0 Bm→0 E磁→E电 → 放电过程 qm→0 Em→0 0→im 0→Bm E电→E磁 →T 充电过程 0→qm 0→Em im→0 Bm→0 E磁→E电 3．板间电压u、电场能EE、磁场能EB随时间变化的图像(如图所示) u、EE规律与q­t图像相对应；EB规律与i­t图像相对应。 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。 注意：自感电动势E的变化规律与q­t图像相对应。 如图所示的电路，(1)如果仅更换自感系数L更大的线圈，将开关S掷向1，先给电容器充电，再将开关掷向2，电容器通过线圈放电，线圈因自感现象产生的自感电动势更大，“阻碍”作用也更大；由于延缓了振荡电流的变化，振荡周期T会变长 三、电磁振荡中的能量变化 (1)两个物理过程 放电过程：电场能转化为磁场能，q↓→i↑。 充电过程：磁场能转化为电场能，q↑→i↓。 (2)两个特殊状态： 充电完毕状态：磁场能向电场能转化完毕，电场能最大，磁场能最小。 放电完毕状态：电场能向磁场能转化完毕，磁场能最大，电场能最小。 四、电磁振荡的周期与频率 1．固有周期和频率：若振荡过程中无能量损失，也不受其他影响，此时的周期和频率叫作固有周期和固有频率，简称振荡电路的周期和频率。 2．公式：T＝2π 。 ， f＝ 3．影响电磁振荡的周期和频率的因素 由电磁振荡的周期公式T＝2π知，要改变电磁振荡的周期和频率，必须改变线圈的自感系数L或电容器的电容C。 影响线圈自感系数L的是：线圈的匝数、有无铁芯及线圈的横截面积和长度。匝数越多，自感系数L越大，有铁芯的自感系