第1、2节 电磁振荡 麦克斯韦电磁场理论（课件PPT）-【新课程学案】2024-2025学年高中物理选择性必修第二册（粤教版2019）

第四章　电磁振荡与电磁波 第一、二节　电磁振荡 麦克斯韦电磁场理论 核心素养导学 物理观念 (1)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。 (2)了解麦克斯韦电磁场理论的基本思想，知道电磁波的概念。 (3)了解电磁场是物质的一种形式，会从电磁场的物质性与能量传播的观点解释电磁波的发射与接收。 科学思维 (1)知道电磁振荡的周期与频率，会用 (2)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。其分析、解释有关问题。 科学探究 实验观察电磁振荡中各物理量的变化过程。 科学态度与责任 了解麦克斯韦对电磁学的贡献，领会物理实验对物理学发展的基础意义。 续表 一、振荡电流的产生 1．振荡电流：大小和方向都做_________变化的电流。 2．振荡电路：能产生__________的电路。 3．LC振荡电路：由线圈和电容器组成的振荡电路。 二、电磁振荡中能量的转化 如图所示，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。 周期性 振荡电流 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。到放电完毕时，电容器极板上没有电荷，放电电流达到_______。此过程中，能量由_____能逐渐转化为______能。 2．充电过程：电容器放电完毕时，由于线圈的自感作用，电流不会立即减小为零，而是保持原来的方向继续流动并逐渐减小，电容器在与原来相反的方向上重新_____，到反方向充电结束的瞬间，电流减小为零，极板上的电量达到______。此过程中能量由磁场能逐渐转化为_____能。 最大值 电场 磁场 充电 最大值 电场 周期性 次数 四、两个基本假设 1．19世纪60年代，英国物理学家麦克斯韦建立了具有划时代意义的_______理论，并预言了________的存在。 2．麦克斯韦电磁场理论的两个基本假设 (1)变化的磁场周围会产生______。 (2)变化的电场周围会产生______。 3．电磁场：变化的磁场产生电场，变化的电场产生磁场，变化的电场和磁场总是相互_______，形成一个不可分离的统一体，称为电磁场。 电磁场 电磁波 电场 磁场 联系 五、伟大的预言　赫兹实验 1．伟大的预言 (1)电磁波：变化的电场和磁场由近及远地向周围空间______形成电磁波。 (2)电磁波的特点： ①电磁波是____波。 ②电磁波的频率由_____决定，与介质无关。 ③电磁波在真空中的传播速度等于光在真空中的传播速度，光波的本质是_____波。 传播 横 波源 电磁 2．赫兹实验 (1)1888年，赫兹利用如下实验方案证实了________的存在。 (2)赫兹还观察到电磁波的反射、______、干涉、衍射和偏振等现象，证明了电磁波在真空中的传播速度就是_____。 (1)麦克斯韦研究电磁场理论预言了电磁波的存在，而赫兹则用实验证实了电磁波的存在。 (2)电磁波可以在真空中传播，即传播时不需要介质。　　 电磁波 折射 光速 1．音叉的振动产生声音，但是要形成持续的声音，则需要不断地打击音叉。手机接收的是电磁波，要产生持续的电磁波，需要持续变化的电流。怎样才能产生这样的电流呢？ 提示：要产生持续变化的电流，可以通过线圈和电容器组成的电路实现。 2．如图所示的振荡电路，要增大振荡电路的频率。判断下列方法是否正确。 (1)减少电容器的带电荷量。 ( ) (2)在线圈中放入软铁棒作铁芯。 ( ) (3)减少线圈匝数。 ( ) × × √ 3．如图所示，为某电路的电场随时间变化的图像，那么，该变化的电场能否在空间产生电磁波？ 提示：电场均匀变化，产生的磁场恒定不变，故不会在空间产生电磁波。 4．如图是一列电磁波，判断下列说法是否正确。 (1)电磁波在真空中的传播速度与电磁波的频率有关。 ( ) (2)周期性变化的电场和磁场可以相互激发，形成电磁波。 ( ) (3)电磁波在传播过程中可以发生干涉、衍射，但不能发生反射和折射。( ) × √ × 新知学习(一)|电磁振荡过程分析 [任务驱动] 如图所示，将开关S掷向1，先给电容器充电，再将开关掷向2。 (1)电容器通过线圈放电过程中，线圈中的电流怎样变化？电容器的电场能转化为什么形式的能？ (2)在如图所示的电路中，如果仅更换自感系数L更大的线圈，线圈因自感现象产生的自感电动势是否更大？“阻碍”作用是否也更大？振荡周期T会怎样变化？ 提示：(1)电容器放电过程中，线圈中的电流逐渐增大，电容器的电场能转化为磁场能。 (2)自感电动势更大，“阻碍”作用更大，振荡周期变长。　　　　 [重点释解] 各物理量变化情况一览表 [典例体验] [典例]　(多选)如图(a)所示，在LC振荡电路中，通过P点的电流变化规律如图(b)所示，且把通过P点向右的方向规定为电流i的正方向，则 (　 ) A．0.5～1 s时间内，电容器C在放电 B．0.5～1 s时间内，电容器C的上极板带正电 C．1～1.5 s时间内，Q点的电势比P点的电势高 D．1～1.5 s时间内，电场能正在转变成磁场能 [解析]　0.5～1 s时间内，振荡电流是充电电流，充电电流是由负极板流向正极板，A、B错误；1～1.5 s时间内，振荡电流是放电电流，放电电流是由正极板流向负极板，由于电流为负值，所以由Q流向P，Q点的电势比P点的电势高，电场能正在转变成磁场能，C、D正确。 [答案]　CD /方法技巧/ 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，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，当电流流出带正电的极板时，电荷量减少，电场能向磁场能转化，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(电压U、电场强度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。 (3)根据能量判断：电场能增加时充电，磁场能增加时放电。 [针对训练] 1．(多选)如图所示是一台电子钟，其原理类似于摆钟，摆钟是利用 单摆的周期性运动计时的，电子钟是利用LC振荡电路来计时的， 有一台电子钟在家使用一段时间后，发现每昼夜总是快1 min。出现这种现象的可能原因是 (　 ) A．L不变，C变大了 B．L不变，C变小了 C．L变小了，C不变 　 D．L、C均变小了 答案：BCD　 2．如图甲所示的振荡电路中，电容器极板间电压随时间变化的规律如图乙所示，规定回路中振荡电流的方向为逆时针时为正方向，则电路中振荡电流随时间变化的图像是 (　 ) 答案：D　 新知学习(二)|麦克斯韦电磁场理论的理解 [重点释解] 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．电磁场与静电场、磁场的比较 三者可以在某空间混合存在，但由静电场和磁场混合的空间不属于电磁场。电磁场是电场、磁场相互激发，相互耦联形成的统一体。电磁场由近及远传播，形成电磁波，如图所示。 [典例体验] [典例]　(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荷的小球，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]　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，对带正电荷的小球做功。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。 [答案]　CD /方法技巧/ (1)麦克斯韦电磁场理论的两大支柱：变化的磁场产生电场；变化的电场产生磁场。而产生的电场或磁场如何变化与原磁场或原电场的变化规律有关。 (2)洛伦兹力对运动电荷永不做功，但变化的磁场产生的感应电场可以对运动电荷做功。 [针对训练] 1．下列关于电场与磁场的产生的理解正确的是 (　 ) 答案：C　 2．某空间中出现了如图中虚线所示的一组闭合的电场线，这可能是(　 ) A．在中心点O有一静止的点电荷 B．沿AB方向有一段通有恒定电流的直导线 C．沿BA方向的磁场在减弱 D．沿AB方向的磁场在减弱 解析：首先应知道闭合的电场线是由变化的磁场产生的，闭合的电场线类似于环形电流，根据楞次定律环形电流产生的磁场由B→A，阻碍原磁场的变化，所以BA方向的磁场在减弱，选C。 答案：C 新知学习(三)|电磁波和机械波的对比 [典例体验] [典例]　(多选)水下机器人在水下开启寻鱼模式可以通过声呐技术(通过发射声波和接收回波判断目标物的距离、方位和移动速度等信息)准确探测鱼群。它也能将水下鱼群信息通过无线电波传输上岸，由于在水中衰减快，其最大传输距离为80 m。下列分析合理的是 (　 ) A．声波和无线电波在水中的传播速度相等 B．无线电波在水中衰减指的是其频率不断减小 C．发射声波后能形成回波是波的反射现象 D．若接收回波频率大于发射声波的频率，说明鱼正在靠近 [解析]　声音进入水中传播速度会增大，无线电波进入水中速度会减小，但两者的速度不相等，A错误；无线电波进入水中时频率不变，波长变短，B错误；发射声波后能形成回波是波的反射现象，C正确；根据声音的多普勒效应可知，若接收回波频率大于发射声波的频率，说明声源接近观察者，即鱼正在靠近，D正确。 [答案]　CD [系统归纳] 电磁波与机械波的比较   机械波 电磁波 实质 力学现象 电磁现象 周期性 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 传播特点 传播需要介质，波速与介质有关，与频率无关 传播无需介质，在真空中波速总等于光速c，在介质中传播时，波速与介质及频率都有关 产生机理 由质点(波源)的振动产生 由电磁振荡(周期性变化的电场)激发 续表 [针对训练] 1．(多选)关于电磁波和机械波，说法正确的是 (　 ) A．电磁波和机械波的传播都需要借助于介质 B．电磁波在任何介质中传播的速度都相同，而机械波的波速大小与介质密切相关 C．电磁波和机械波都能产生干涉和衍射现象 D．根据麦克斯韦的电磁场理论，变化的电场产生磁场 解析：机械波的传播需要借助于介质，但电磁波的传播不需要借助介质，A错误；电磁波和机械波的传播速度都与介质有关，B错误；电磁波和机械波都能产生干涉和衍射现象，C正确；变化的电场产生磁场，D正确。 答案：CD　 2．(多选)关于电磁波与声波，下列说法正确的是 (　 ) A．电磁波是由电磁场发生的区域向远处传播，声波是声源的振动向远处传播 B．电磁波的传播不需要介质，声波的传播有时也不需要介质 C．由空气进入水中传播时，电磁波的传播速度变小，声波的传播速度变大 D．由空气进入水中传播时，电磁波的波长不变，声波的波长变小 答案：AC　 一、好素材分享——看其他教材如何落实核心素养 物理观念——麦克斯韦电磁场理论 (选自沪科版新教材课后练习)(多选)根据麦克斯韦的电磁场理论，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(　 ) A．向上方向的磁场在增强 B．向上方向的磁场在减弱 C．向上方向的磁场先增强，然后反向减弱 D．向上方向的磁场先减弱，然后反向增强 解析：根据楞次定律可以确定，A、C正确，B、D错误。 答案：AC 二、新题目精选——品立意深处所蕴含的核心价值 1．如图所示是我国500 m口径球面射电望远 镜(FAST)，它可以 接收来自宇宙深处的电磁波。关于电磁波，下列说法正确 的是 (　 ) A．电磁波是纵波 B．麦克斯韦最早通过实验捕捉到了电磁波 C．频率越高的电磁波，波长越长 D．电磁波可以传递信息和能量 解析：电磁波是横波，A错误；麦克斯韦只是预言了电磁波的存在，赫兹用实验捕捉到了电磁波，B错误；频率越高，波长越短，C错误；电磁波可以传递信息和能量，D正确。 答案：D　 2．如图所示是通过电容器电容的变化来检测容器内液面高低的仪器原理图，容器中装有导电液体，是电容器的一个电极，中间的导电芯柱是电容器的另一个电极，芯柱外面套有绝缘管作为电介质，电容器的这两个电极分别用导线与一个线圈的两端相连，组成LC振荡电路，根据其振荡频率的高低(用与该电路相连的频率计显示)就可知道容器内液面位置的高低，如果频率计显示该振荡电路的振荡频率变大了，则液面________(选填“升高”或“降低”)；容器内的导电液体与大地相连，若某一时刻线圈内磁场方向向右，且正在增强，则此时导电芯柱的电势正在________(选填“升高”或“降低”)。 答案：降低　升高 三、电磁振荡的周期和频率 1．周期：电磁振荡完成一次_________变化所用的时间。 2．频率：电磁振荡在一段时间内完成周期性变化的______与所用时间之比。 3．周期和频率公式：T＝__________，f＝。 　 振荡电路的周期和频率只由电路中的电容和电感决定。 2π 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 解析：电子钟走得偏快了是因为其LC振荡电路频率变大，周期变短，根据T＝2π可知选项B、C、D正确。 解析：电容器极板间电压U＝，随电容器极板上电荷量的增多而增大，随电荷量的减少而减小。从题图乙可以看出，在0～这段时间内是充电过程，且UAB＞0，即φA＞φB，A板应带正电，只有顺时针方向的电流才能使A板被充电后带正电，同时考虑到t＝0时刻电压为零，电容器极板上的电荷量为零，电流最大，即t＝0时刻，电流为负向最大，D正确。 解析：题中A、B选项所描述的磁场是稳定的，由麦克斯韦电磁场理论可知其周围空间不会产生电场，A、B错误；题中C选项描述的是周期性变化的磁场，它能产生同频率周期性变化的电场，且磁通量的变化率最大时电场强度最强，其相位差为，C正确；题中D所描述的是周期性变化的电场，在其周围空间产生周期性变化的磁场，其相位差应为而不是π，D错误。 是否横波 可以是 是 是否纵波 可以是 否 干涉现象 满足干涉条件时均能发生干涉现象 衍射现象 满足衍射条件时均能发生明显衍射 相关计算 公式v＝＝λf均适用 解析：由电磁波和声波的概念可知，A正确；因为电磁波可以在真空中传播，而声波属于机械波，它的传播需要介质，在真空中不能传播，B错误；电磁波在空气中的传播速度近似等于真空中的速度，大于在水中的传播速度，声波在水中的传播速度大于在空气中的传播速度，C正确；无论是电磁波还是声波，从一种介质进入另一种介质时频率都不变，所以由波长λ＝及它们在不同介质中的传播速度可知，由空气进入水中时，电磁波的波长变短，声波的波长变长，D错误。 解析：根据频率公式f＝可知，若使振荡频率变大，则电容C减小；由C＝可知，若使电容减小，则正对面积S减小，即液面降低；线圈内磁场方向向右且增强，则电流沿顺时针方向增大，是电容器的放电过程，导电芯柱所带负电荷正逐渐减少，其电势是负值，左右两极板的电势差逐渐减小，所以导电芯柱的电势正在升高。 $$