11.3 电磁振荡与电磁波（Word教师用书）-【创新方案】2025年高考物理一轮总复习（通用版）

第三讲　电磁振荡与电磁波 |纲举目张||精要回顾|　 [微点判断] (1)电磁波在真空中和介质中的传播速度相同。(×) (2)只要有电场和磁场，就能产生电磁波。(×) (3)变化的磁场产生的电场的电场线是闭合曲线。(√) (4)LC振荡电路中，回路中的电流值最大时回路中的磁场能最大。(√) (5)电磁振荡的固有周期与电流的变化快慢有关。(×) (6)振荡电路的频率越高，发射电磁波的本领越大。(√) (7)要将传递的声音信号向远距离发射，必须以高频电磁波作为载波。(√) (8)制作天线必须用导体。(√) (9)只有接收电路发生电谐振时，接收电路中才有振荡电流。(×) (10)解调是调制的逆过程。(√) |关键知能||升维学习|　 逐点清(一)　电磁振荡过程分析(基础点速过)　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　 LC振荡电路的理解 1．(2024·天津南开模拟)上珠峰、下矿井、入海港、进工厂、到田间，5G网络正在加速赋能千行百业实现数字化生产。产生5G无线电波的LC振荡电路某时刻的工作状态如图所示，则该时刻(　 ) A．线圈中磁场的方向向上 B．线圈中感应电流的方向与图中电流方向相反 C．线圈储存的磁场能正在增加 D．电容器两极板间电场强度正在变大 解析：选D　根据安培定则，线圈中磁场的方向向下，故A错误；电容器在充电，电流减小，根据楞次定律，线圈中感应电流的方向与图中电流方向相同，故B错误；电流减小，线圈储存的磁场能正在减小，故C错误；电容器在充电，电容器两极板间电场强度正在变大，故D正确。 周期公式的应用 2．(2024·佛山模拟)特雷门琴是唯一一种不需要接触而演奏的乐器，其电路图可简化为如图所示，其原理是利用天线和演奏者的手构成等效电容C，与自感线圈L构成LC振荡电路，通过改变手的位置(手始终不超出天线长度范围)改变电路频率，从而发出不同声调的声音。下列演奏者的做法可以使特雷门琴的音调变高的是(　 ) A．戴绝缘手套 B．手靠近天线 C．手从手掌变成握拳 D．手平行天线向上移动 解析：选C　若使特雷门琴的音调变高，则增大振荡电路的频率，根据振荡电路的频率f＝和电容的决定式C＝，可知戴绝缘手套、手靠近天线、手平行天线向上移动不能减小电容，只有手从手掌变成握拳可以减小电容，从而增大频率，使特雷门琴的音调变高。故选C。 图像的分析 3．振荡电路在测量、自动控制、无线电通信及遥控等许多领域有广泛应用。在如图甲所示LC振荡电路中，电容器C极板上的电荷量随时间变化的图线如图乙所示，则在1×10－6 s～2×10－6 s内，下列说法正确的是(　 ) A．电容器C正在放电 B．电容器C正在充电 C．电场能正在向磁场能转化 D．回路中振荡电流正在逐渐增大 解析：选B　由图像可知，在1×10－6 s～2×10－6 s内，极板上电荷量正在增大，说明LC振荡电路正在充电，回路中振荡电流正在减小，磁场能向电场能转化。故选B。 1．振荡电流、极板带电荷量随时间的变化图像 2．LC振荡电路充、放电过程的判断方法 根据电流流向判断 当电流流向带正电的极板时，电容器的电荷量增加，磁场能向电场能转化，处于充电过程；反之，处于放电过程 根据物理量的变化趋势判断 当电容器的带电荷量q(电压U、场强E)增大或电流i(磁场B)减小时，处于充电过程；反之，处于放电过程 根据能量判断 电场能增加时充电，磁场能增加时放电 逐点清(二)　麦克斯韦电磁场理论(基础点速过)　　　　 对麦克斯韦电磁场理论的理解 1．如图甲所示，在变化的磁场中放置一个闭合电路，电路里产生了感应电流；如图乙所示，空间存在变化的磁场，其周围产生感应电场，下列说法正确的是(　 ) A．甲、乙两图一定能持续产生电磁波 B．对甲图，从上向下看，电子在回路中沿顺时针方向运动 C．闭合电路只是检验变化的磁场产生电场，即使没有闭合电路空间仍能产生电场 D．变化的电场周围产生磁场，与闭合电路是否存在有关 解析：选C　若甲、乙两图的磁场均匀变化，就会产生稳定不变的电场，稳定不变的电场不会产生磁场，就不会持续产生电磁波，故A错误；对甲图，从上向下看，感应电流沿顺时针方向，电子在回路中沿逆时针方向运动，故B错误；变化的磁场周围产生电场是一种普遍存在的现象，与闭合电路是否存在无关，甲图的闭合电路只是检验变化的磁场产生电场，乙图即使没有闭合电路空间仍能产生电场，故C正确；同理，变化的电场周围产生磁场也是一种普遍存在的现象，与闭合电路是否存在无关，D错误。 电磁波的产生与理解 2．某电路中电场强度随时间变化的关系图像如图所示，能发射电磁波的是(　 ) 解析：选D　由麦克斯韦电磁场理论知，当空间出现恒定的电场时(如题图A)，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时(如题图B、C)，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(如题图D)，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……如此交替的产生磁场和电场，便会形成电磁波，故D正确。 3．(多选)以下关于机械波与电磁波的说法中，正确的是(　 ) A．机械波与电磁波本质上是一致的 B．机械波的波速只与介质有关，而电磁波在介质中的波速，不仅与介质有关，还与电磁波的频率有关 C．机械波可能是纵波，而电磁波必定是横波 D．它们都能发生反射、折射、干涉和衍射现象 解析：选BCD　机械波由波源振动产生，电磁波由周期性变化的电场(或磁场)产生；机械波传播需要介质，波速由介质决定；电磁波的传播不需要介质，波速由介质和本身频率共同决定；机械波有横波，也有纵波，而电磁波一定是横波；电磁波和机械波都能发生反射、折射、干涉和衍射现象，B、C、D正确。 麦克斯韦电磁场理论的应用 4．将很多质量为m、带电荷量为＋q可视为质点的绝缘小球，均匀穿在由绝缘材料制成的半径为r的光滑圆轨道上并处于静止状态，轨道平面水平，空间内有分布均匀的磁场，磁场方向竖直向上，如图甲所示。磁感应强度B随时间t变化的规律如图乙所示，其中B0是已知量。已知在磁感应强度增大或减小的过程中，将产生涡旋电场，其电场线是在水平面内一系列沿顺时针或逆时针方向的同心圆，同一条电场线上各点的场强大小相等。关于绝缘小球的运动情况，下列说法正确的是(　 ) A．在t＝0到t＝T0时间内，绝缘小球均做匀速圆周运动 B．在t＝T0到t＝2T0时间内，绝缘小球均沿顺时针方向做速率均匀增加的圆周运动 C．在t＝2T0到t＝3T0时间内，绝缘小球均沿顺时针方向做加速圆周运动 D．在t＝3T0到t＝5T0时间内涡旋电场沿顺时针方向 解析：选B　在t＝0到t＝T0时间内，磁感应强度不变，没有涡旋电场产生，绝缘小球保持静止，故A错误；在t＝T0到t＝2T0时间内，根据法拉第电磁感应定律可得沿轨道一周的感应电动势为ε＝πr2＝πr2，由于同一条电场线上各点电场强度大小相等，所以E＝，解得E＝，涡旋电场沿顺时针方向，根据牛顿第二定律可得，在t＝T0到t＝2T0时间内，小球沿切线方向的加速度大小恒为a1＝，所以绝缘小球均沿顺时针方向做速率均匀增加的圆周运动，故B正确；在t＝2T0到t＝3T0时间内，磁感应强度不变，没有涡旋电场产生，绝缘小球均沿顺时针方向做匀速圆周运动，故C错误；根据法拉第电磁感应定律可知在t＝3T0到t＝5T0时间内涡旋电场沿逆时针方向，故D错误。 1．对麦克斯韦电磁场理论的理解 电场 磁场 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 2．电磁波与机械波的比较 比较项目 电磁波 机械波 相同点 能量 都携带能量并传播能量 速度公式 v＝λf 遵循规律 均可发生反射、折射、干涉、衍射等现象 不同点 产生 由周期性变化的电场、磁场产生 由质点(波源)的振动产生 本质 是物质，是电磁现象，是电磁振荡的传播 不是物质，是机械振动在介质中的传播 传播机理 电磁场交替感应 质点间相互作用 传播介质 不需要介质(在真空中仍可传播) 必须有介质(真空中不能传播) 波的种类 横波 既有横波也有纵波 速度特点 由介质和频率决定，在真空中等于光速(很大)(c＝3×108 m/s) 仅由介质决定 逐点清(三)　电磁波的传播和特性(基础点速过)　　　　 无线电波的发射和接收 1．“小蜜蜂”是一种老师上课用的扩音设备，随着无线电技术的应用，很多老师用上了蓝牙“小蜜蜂”(蓝牙属于电磁波)，麦克风与扩音器不用导线连接，老师拿着麦克风在教室中间说话，放在讲台上的扩音器也能工作。下列说法正确的是(　 ) A．“小蜜蜂”只接收到了来自麦克风的信号 B．麦克风中只要有变化的电场，就一定能发出蓝牙信号 C．“小蜜蜂”接收电磁波时，通过调制来使接收电路中出现电谐振现象 D．麦克风回路可通过减小发射电磁波的波长来提高LC振荡电路发射电磁波的本领 解析：选D　因为蓝牙属于电磁波，周围空间存在其他电磁波信号，所以“小蜜蜂”不只接收到了来自麦克风的信号，故A错误；均匀变化的电场产生恒定的磁场，不能产生电磁波信号，故B错误；使电磁波随各种信号而改变的技术叫做调制，使接收电路产生电谐振的过程叫做调谐，故C错误；减小发射电磁波的波长，则会提高频率，可以提高LC振荡电路发射电磁波的本领，故D正确。 电磁波的特性 2．(2024·广州模拟)行车安全越来越被人们所重视，现在许多车企都在汽车上配置有主动刹车系统(AEB)。该系统主要分为控制模块、测距模块和制动模块，利用微波雷达、图像识别技术和红外摄像头，可以将道路的图像和路况实时传递给控制模块，在紧急情况下，由车载微处理器发出控制命令，自动采取制动措施，保证车辆安全。微波的波长范围在0.001～10 m，下列说法正确的是(　 ) A．产生微波的LC振荡电路中，要想增大振荡周期，可以增大电容器的电容C B．微波只能在空气中传播而不能在真空中传播 C．微波遇到障碍物时，只能发生反射现象而不能发生衍射现象 D．微波遇到障碍物时，只能发生衍射现象而不能发生反射现象 解析：选A　产生微波的LC振荡电路中，根据T＝2π，可知要想增大振荡周期，可以增大电容器的电容C，故A正确；微波的传播可以不需要传播介质，它既可以在空气中传播，也可以在真空中传播，故B项错误；微波遇到障碍物时，既可以发生衍射现象也可以发生反射现象，雷达就是利用微波遇到障碍物时能发生反射现象这一性质工作的，故C、D错误。 电磁波的应用 3．(多选)电磁波广泛应用在现代医疗中。下列属于电磁波应用的医用器械有(　 ) A．杀菌用的紫外灯 B．拍胸片的X光机 C．治疗咽喉炎的超声波雾化器 D．检查血流情况的“彩超”机 解析：选AB　紫外线和X光从本质上说是电磁波，A、B正确；治疗咽喉炎的超声波雾化器和检查血流情况的“彩超”机用的都是超声波，超声波属于机械波，C、D错误。 4．电磁波在日常生活和生产中被大量应用，下面有关电磁波的说法正确的是(　 ) A．机场、车站用来检查旅客行李包的透视仪是利用X射线的穿透本领 B．银行的验钞机和家用电器的遥控器发出的光都是紫外线 C．微波炉能快速加热食物是利用红外线具有显著的热效应 D．手机通话使用的微波，波长比可见光短 解析：选A　机场、车站用来检查旅客行李包的透视仪是利用X射线的穿透本领，故A正确；遥控器采用的是红外线不是紫外线，故B错误；微波炉是利用了微波的频率与水的频率相接近，从而使水振动而发热的，故C错误；手机通话使用的无线电波，其波长要大于可见光，故D错误。 1．电磁波的发射 (1)发射条件 开放电路和高频振荡信号，所以要对传输的信号进行调制。 (2)调制方式 ①调幅：使高频电磁波的振幅随信号的强弱而变。 ②调频：使高频电磁波的频率随信号的强弱而变。 2．无线电波的接收 (1)当接收电路的固有频率跟接收到的电磁波的频率相等时，激起的振荡电流最大，这就是电谐振现象。 (2)使接收电路产生电谐振的过程叫做调谐。能够调谐的接收电路叫作调谐电路。 3．电磁波谱 (1)分布情况 按电磁波的波长从长到短分布是无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线和γ射线，形成电磁波谱。 (2)电磁波谱的特性和应用 电磁波谱 真空中波长/m 产生机理 特性 应用 递变规律 无线电波 ＞10－3 振荡电路中电子周期性运动产生 波动性强，易发生衍射 无线电技术 红外线 10－3～10－7 原子的外层电子受激发后产生 热效应 红外线遥感 可见光 10－7 引起视觉 照明、摄影 紫外线 10－7～10－9 化学效应、荧光效应、灭菌消毒 医用消毒、防伪 X射线 10－8～10－11 原子的内层电子受激发后产生 贯穿性强 检查、医用透视 γ射线 ＜10－11 原子核受激发后产生 贯穿本领最强 工业探伤、医用治疗 (3)对电磁波谱的三点说明 ①波长不同的电磁波，表现出不同的特性。其中波长较长的无线电波和红外线等，易发生干涉、衍射现象；波长较短的紫外线、X射线、γ射线等，穿透能力较强； ②电磁波谱中，相邻两波段的电磁波的波长并没有很明显的界线，如紫外线和X射线、X射线和γ射线都有重叠； ③电磁波的能量随频率的增大而增大。 [课时跟踪检测] 1．(2024·枣庄模拟)第五代移动通信技术(简称5G)因采用了更高的频率，其频谱资源是4G的10倍以上，速率提高了近100倍。5G具有高速率、低时延和大连接的特点。以下说法正确的是(　 ) A．LC振荡电路的LC乘积越小，振荡电路产生的电磁波频率就越高 B．真空中，电磁波的频率越高，其传播速度就越大 C．5G中高频电磁波的波长要小于可见光的波长 D．把声音信号加到高频电磁波中，这个过程叫解调 解析：选A　由 f＝可知，LC乘积越小，振荡电路产生的电磁波频率就越高，故A正确；真空中，不同电磁波的传播速度相同都为光速，故B错误；5G使用的电磁波属无线电波，由电磁波谱可知，5G中高频电磁波的波长要大于可见光的波长，故C错误；把声音信号加到高频电磁波中，这个过程叫调制，故D错误。 2．(2024·海淀模拟)(多选)一个LC振荡电路，某时刻其电流方向以及AB两极板电荷分布情况如图1所示，规定顺时针为电流的正方向，对该时刻电流、电场能、磁场能作出的判断正确的是(　 ) A．电流可能处于图2中0～t1内的某一位置 B．电流可能处于图2中t1～ t2内的某一位置 C．磁场能正在增加 D．电场能正在增加 解析：选BD　该状态处于电容器充电状态，电路中电流减小，此时磁场能向电场能转化，故磁场能减小，电场能增加。故A、C错误，B、D正确。 3．测温枪是通过传感器接收红外线，得出感应温度数据，使用时只要将测温枪靠近皮肤表面，修正皮肤与实际体温的温差便能准确显示体温，下列说法正确的是(　 ) A．测温枪利用的红外线也可用于杀菌消毒 B．红外线是波长比紫外线长的电磁波 C．红外线的穿透能力很强，接受红外线照射是会伤害身体的 D．红外线的频率大于X光的频率 解析：选B　紫外线可用于杀菌消毒，红外线具有热效应，故A错误；由电磁波谱可知，红外线是波长比紫外线长的电磁波，故B正确；红外线的热作用很强，接受红外线照射是不会伤害身体的，故C错误；由电磁波谱可知，红外线的频率小于X光的频率，故D错误。 4．(多选)如图所示，在内壁光滑、水平放置的玻璃圆环内，有一直径略小于玻璃圆环内径的带正电的小球，正以速率v0沿逆时针方向匀速转动。若在此空间突然加上方向竖直向上、磁感应强度B随时间成正比例增加的变化磁场，设运动过程中小球所带电荷量不变，那么(　 ) A．小球对玻璃圆环的压力不断增大 B．小球受到的洛伦兹力不断增大 C．小球先沿逆时针方向做减速运动，过一段时间后，沿顺时针方向做加速运动 D．洛伦兹力对小球一直不做功 解析：选CD　玻璃圆环所在处有均匀变化的磁场，在周围产生稳定的涡旋电场，对带正电的小球做功。由楞次定律，判断电场方向为顺时针方向。在电场力作用下，小球先沿逆时针方向做减速运动，后沿顺时针方向做加速运动。小球在水平面内沿玻璃圆环半径方向受两个力作用：环的弹力FN和磁场的洛伦兹力F＝Bqv，而且两个力的矢量和时刻等于小球做圆周运动的向心力。考虑小球速度大小、方向以及磁场强弱的变化，弹力FN和洛伦兹力F不一定始终在增大。洛伦兹力始终与小球做圆周运动的线速度方向垂直，所以洛伦兹力对小球不做功。 5．(2023·青岛模拟)关于电磁波谱，下列说法正确的是(　 ) A．红外体温计的工作原理是人的体温越高，发射的红外线越强，有时物体温度较低，不发射红外线，导致无法使用 B．紫外线的频率比可见光低，医学中常用于杀菌消毒，长时间照射人体可能损害健康 C．X射线、γ射线频率较高，波动性较强，粒子性较弱，较难发生光电效应 D．手机通信使用的是无线电波，其波长较长，更容易观察到衍射现象 解析：选D　有温度的物体都会发射红外线，A错误；紫外线的频率比可见光高，医学中常用于杀菌消毒，长时间照射人体可能损害健康，B错误；X射线、γ射线频率较高，波动性较弱，粒子性较强，较易发生光电效应，C错误；手机通信使用的是无线电波，其波长较长，更容易观察到衍射现象，D正确。 6．(2023·山东沂南模拟)如图所示是由线圈L和电容器C组成的最简单的LC振荡电路，先把电容器充满电，t＝0时如图甲所示，电容器中的电场强度最大，电容器开始放电，t＝0.02 s时如图乙所示，LC振荡电路线圈中的电流第一次达到最大值，则(　 ) A．此LC振荡电路的周期T＝0.04 s B．t＝0.05 s时，回路电流方向与图乙中所示电流方向相同 C．t＝0.06 s时，线圈中的磁场能最大 D．t＝0.10 s时，电容器中的电场能最大 解析：选C　t＝0.02 s时，线圈中的电流第一次达到最大值，则T＝0.02 s，周期T＝0.08 s，故A错误；t＝0.04 s时电流再次为零，0.04 s到0.08 s，时间内电流的方向与题图乙中所示方向相反，故B错误；在t＝0.02 s时，电流第一次达到最大值，此时线圈中的磁场能最大，当t＝0.06 s＝T时刻线圈中的磁场能也最大，故C正确；当t＝0.10 s＝T时的情况与t＝0.02 s时的情况是一致的，电容器中的电场能为0，故D错误。 7．(2024·佛山模拟)某人设计了如图所示的LC振荡电路来测量微小物体所受的重力，电容器的上极板是一片弹性金属薄膜，微小物体放置在金属膜中央会使其下凹，测量时先把开关拨到a，电路稳定后再把开关拨到b。通过电流传感器测出电流的频率就能测量出微小物体所受的重力。已知该电路振荡电流的频率满足以下关系式f＝，则下列说法正确的是(　 ) A．物体质量越大，开关拨向a时，电容器存储的电荷量越小 B．开关由a拨向b瞬间，流经电流传感器的电流最大 C．开关由a拨向b后，该LC电路发生阻尼振荡，但周期不变 D．测量时，传感器检测到的电流频率越大，表示物体质量越大 解析：选C　物体质量越大，金属膜被压弯的程度越大，平行板间的距离减小，由C＝知，电容器的电容增大，由Q＝CU，开关拨向a时，电势差不变，物体质量越大，电容器存储的电荷量越大，A错误；开关由a拨向b瞬间，产生振荡电流，流经电流传感器的电流为零，B错误；振荡电流的周期为T＝2π，开关由a拨向b后，电容不变，振荡电流周期不变，C正确；测量时，传感器检测到的电流频率越大，由f＝知电容越小，由C＝得平行板间的距离增大，表示物体质量越小，D错误。 学科网（北京）股份有限公司 $$