4.1 电磁波的产生 课件 -2024-2025学年高二下学期物理鲁科版（2019）选择性必修第二册

第一节 电磁波的产生 教学课件 Teaching Courseware 20XX.XX.XX 第四章 电磁波 高中物理鲁科版（2019）选择性必修第二册 PART.1 PART.2 PART.3 PART.4 素养目标 新课讲解 新课导入 经典例题 目录 CONTENTS PART.2 PART.4 课堂练习 课堂小结 素养目标 1.了解麦克斯韦电磁场理论的基本内容以及电磁波的预言。 2.了解赫兹发现电磁波过程，体会电磁场的物质性。 3.理解LC回路中振荡电流的产生过程，会求LC电路的周期与频率。 新课导入 我们能在电视上欣赏到月球车“玉兔号”拍摄的月球表面的高清晰图片，能用智能手机查阅信息、通话、导航……这一切都要归功于电磁波。除了传递信息，微波炉烹饪美味佳肴、医用 CT 机检查体……都离不开电磁波。 新课讲解 New lesson explanation 新课讲解 一、麦克斯韦的预言 1820 年，丹麦物理学家奥斯特发现了通电导线会使磁针偏转，揭示了电流的磁效应。 1831 年，英国物理学家法拉第发现电磁感应现象，表明磁也会“生电”。 电“生”磁 磁“生”电 新课讲解 19 世纪 60 年代，在总结法拉第等人电磁现象研究成果的基础上，英国物理学家麦克斯韦建立了完整的电磁场理论，精辟地揭示了电场与磁场之间的联系，预言了电磁波的存在，并提出了重要假设。 （1）变化的磁场周围会产生电场 麦克斯韦提出假设： ①在变化的磁场周围会激发出一种电场——涡旋电场（感生电场）。 ③如果磁场随时间不均匀变化，则激发的涡旋电场随时间变化。 ②如果磁场随时间均匀变化，则激发的涡旋电场是稳定的； 恒定的磁场不产生电场 新课讲解 （2）变化的电场周围会产生磁场 从场的观点出发，麦克斯韦提出： ①即使没有电流存在，只要空间某处的电场发生变化，也会在其周围产生涡旋磁场。 ②如果电场随时间均匀变化，则激发的磁场是稳定的； ③如果电场随时间不均匀变化，则激发的磁场随时间变化。 电容器在充电过程中，随着电荷的增加，电容器两极板间的电场发生变化，就会在周围产生涡旋磁场。 注意：恒定电流内定向移动的电荷产生是均匀变化的电场， 因此再其周围会产生稳定的磁场 新课讲解 交变的电场周围产生频率相同的交变的磁场， 交变的磁场周围产生频率相同的交变的电场。 交变的电场和交变的磁场相互联系在一起，就会在空间形成一个统一的、不可分割的电磁场。这种在空间交替变化并传播出去的电磁场就形成了电磁波。 自然界存在许多不同频率的电磁波，它们都以光速在空间传播，可见光是人眼可见的、频率范围很小的电磁波。 新课讲解 涡旋电场、位移电流与麦克斯韦方程组 涡旋电场与位移电流是麦克斯韦电磁场理论的两个核心概念。 涡旋电场是指变化的磁场在其周围空间激发出的电场。它不同于静电场，静电电场线起于正电荷，止于负电荷，涡旋电场的电场线是闭合曲线；静电场做功与路关，但涡旋电场做功与路径有关。 麦克斯韦认为，电流能激发磁场，电容器在两极间的电场发生变化时也能激场，就好像两极间存在"电流"一样，他把这种电流称为位移电流。位移电流不是荷定向移动形成的电流，其本质是变化的电场，它可存在于真空、导体、电介质中, 不会产生焦耳热，也不会产生化学效应。 层次上应该是统一的。 新课讲解 麦克斯韦提出的涡旋电场和位移电流假说的核心思想是：变化的磁场可激发涡旋电场，变化的电场可激发涡旋磁场;电场和磁场不是彼此孤立的，它们相互联系、相发，组成一个统一的电磁场。麦克斯韦进一步将电场和磁场的所有规律综合起来，另了完整的电磁场理论体系。这个电磁场理论体系的核心就是麦克斯韦方程组。从麦韦方程组可预见电磁波的存在，确定电磁波的传播速度为光速，且光也是某种频率磁波。 牛顿的万有引力定律将力学体系完美统一起来，而麦克斯韦方程组则将电磁学统一起来。它所揭示出的电磁相互作用的完美统一，使物理学家相信物质的各种相用在更高层次上应该是统一的。 新课讲解 二、赫兹实验 当与感应线圈两极相连的金属球间有火花跳过时，环的间隙处也有火花跳过。 当火花在 A、B 间跳动时，在周围空间建立了一个迅速变化的电磁场，这种变化的电磁场以电磁波的形式在空间传播。当电磁波经过接收器时，导致接收器产生感应电动势，使接收器两球间隙处产生电压；当电压足够高时，两球之间就会产生火花放电现象，从而证明了电磁波的存在。 1888 年，德国物理学家赫兹第一次用实验证实了电磁波的存在。 新课讲解 麦克斯韦电磁场理论的建立和实验验证是 19 世纪物理学领域最重大的事件之一。它全面地总结了电磁学研究的成果，在此基础上建立了完整的电磁场理论体系，并且科学地预言了电磁波的存在，从理论上预见了电磁波在真空中的传播速度等于光速，由此揭示了光、电、磁现象的内在联系及统一性，完成了物理学的又一次大综合。 赫兹的实验证明了麦克斯韦的预言，为麦克斯韦的电磁场理论奠定了坚实的实验基础。 新课讲解 三、电磁振荡 灵敏电流计的指针左右摆动，摆幅逐渐减小，最后指针停在零点位置。 ①电流计指针的来回摆动，表明电路中产生了大小和方向都周期性变化的电流。 ②摆幅逐渐减小，说明电路中存在能量损失。 新课讲解 大小和方向都周期性变化的电流称为振荡电流 1、振荡电流： 产生振荡电流的电路称为振荡电路 2、振荡电路： 由电感线圈 L 和电容器 C 所组成的电路就是一种基本的振荡电路，称为 LC 振荡电路。 3、LC振荡电路： 开关未闭合，已充完电的电容器未放电 电路中电流I=0，线圈中没有磁场B=0，磁场能E磁=0 电容器的电荷量q最大， 两极板间的电压U最大，电场强度E最大， 电容器储存的电场能E电最大 新课讲解 闭合开关，电容器开始放电 电容器电荷量q减少，两极板的电压U减少，电场强度E减少 由于线圈自感的阻碍作用，电流I逐渐增大，B也逐渐增大 电容器的电场能E电逐渐转化为磁场能 E磁 放电完毕瞬间 线圈中：I最大，B最大，E磁最大 电容器：Q=0，U=0，E=0，E电=0 新课讲解 由于线圈的自感作用，线圈中的电流继续保持原来的方向并且逐渐减小，同时给电容器反向充电 反向充电过程中， 电容器：q增加，U增加，E增加 线圈中：I逐渐减小，B也逐渐减小 磁场能 E磁逐渐转化为电容器的电场能E电 反向充电完毕瞬间 线圈：I=0，B=0，E磁=0 电容器：q最大，U最大，E最大，E电最大 新课讲解 电容器又开始反向放电过程中， 电容器：q减少，U减少，E减少 线圈：I逐渐增大，B也逐渐增大 电容器的电场能E电逐渐转化为磁场能 E磁 反向放电完毕瞬间 线圈中：I最大，B最大，E磁最大 电容器：Q=0，U=0，E=0，E电=0 新课讲解 放电 充电 放电 充电 电场能 磁场能 电场能 磁场能 电场能 上述过程周而复始地进行，就产生了方向和大小随时间做周期性变化的振荡电流，与振荡电流相联系的电场和磁场也周期性交替变化，电场能和磁场能相互转化。这种现象称为电磁振荡。 在实际的充、放电过程中，由于电感线圈和电路中存在电阻， 电路中有能量损失，灵敏电流计指针摆动一会儿就停止。 新课讲解 周期：完成一次周期性变化的时间称为电磁振荡的周期 频率：一段时间内完成周期性变化的次数与这段时间之比称为电磁振荡的频率。 如果没有能量损失，也没有外界影响，电磁振荡的周期和频率称为振荡电路的固有周期和固有频率，简称振荡电路的周期和频率。 只要改变 LC 电路中电感线圈的自感或者电容器的电容，就能改变振荡电路的周期和频率。 如何描述电磁振荡的快慢呢？ 新课讲解 2.电磁振荡的变化规律 (1)总能量守恒：电场能与磁场能之和不变。 (2)电场与磁场交替变化 ①同步关系。LC电磁振荡的过程中， 电容器上的物理量同步变化，即q↓→E↓→E电↓(或q↑→E↑→E电↑)； 线圈上的物理量同步变化 ，即i↓→B↓→E磁↓(或i↑→B↑→E磁↑)。 ②同步异变关系。在LC振荡过程中， 电容器上的物理量与线圈上的物理量是同步异向变化的， 即q、E、E电同时减小时，i、B、E磁同时增大，且它们的变化是同步的。 新课讲解 充电过程：q、U、E、E电 都变大，I、B、Φ、E磁 都变小 放电过程：q、U、E、E电 都变小，I、B、Φ、E磁 都变大 经典例题 Classic Example 经典例题 例1、如图所示为理想LC振荡回路，某时刻电容器极板带电情况和线圈中的磁场方向如图，下列哪些说法是正确的（　） A.此时电容器正在充电 B.此时线圈中的磁场能在减少 C.若在线圈中插入铁芯，振荡电流的频率增大 D.若增大电容器极板间距，振荡电流的频率增大 D 经典例题 例2.2021年，天问一号探测器着陆火星首批科学影像图公布。请问天问一号发给地面控制中心的信息是通过机械波传播的还是通过电磁波传播的?为什么? 电磁波。 因为机械波的传播离不开介质，而电磁波可以在真空中传播。 经典例题 例3．(电磁振荡的周期和频率)(多选)LC振荡电路的固有频率为f，则(　　) A．电容器内电场变化的频率为f B．电容器内电场变化的频率为2f C．电场能和磁场能转化的频率为f D．电场能和磁场能转化的频率为2f AD 课堂练习 Classroom Practice 课堂练习 判断下列说法是否正确。 (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)电磁波在真空中的传播速度是3.0×108 m/s。(　　) (4)周期性变化的电场和磁场互相激发由近及远地传播形成电磁波(　　) (5)静止的电荷能够在周围空间产生稳定的磁场(　　) (6)稳定的磁场能够在周围空间产生稳定的电场(　　) × √ × × × √ 课堂练习 2.(多选)要增大LC振荡电路的频率，下列方法正确的是(　　) A．将正对着的电容器的两个极板错开些 B．增大电容器的充电电荷量 C．减少自感线圈的匝数 D．抽出自感线圈中的铁芯 ACD 课堂练习 3.(多选)在LC回路中，电容器两端的电压随时间t变化的关系如图（ ） A.在时刻t1，电路中的电流最大 B.在时刻t2，电路中的磁场能最大 C.从时刻t2至t3，电路的电场能不断增大 D.从时刻t3至t4，电容器的带电荷量不断增大 AD 课堂练习 4.(多选)LC振荡电路中，某时刻的磁场方向如图所示，则( ) A．若磁感应强度正在减弱， 则电容器正在充电，电流方向由b向a B．若磁感应强度正在减弱，则电场能正在增大， 电容器上极板带负电 C．若磁感应强度正在增强，则电场能正在减小，电容器上极板带正电 D．若磁感应强度正在增强，则电容器正在充电，电流方向由a向b ABC 感谢观看 THANK YOU 时间 工作过程 电荷量 q 电场强度E 两板电压U 电流 i 磁感应强度B 磁通量 Φ 能量 0→ eq \f(T,4) 放电过程 qm→0 Em→0 Um→0 0→im 0→Bm 0→Φm E电→E磁 eq \f(T,4) → eq \f(T,2) 充电过程 0→qm 0→Em 0→Um im→0 Bm→0 Φm→0 E磁→E电 eq \f(T,2) → eq \f(3T,4) 放电过程 qm→0 Em→0 Um→0 0→im 0→Bm 0→Φm E电→E磁 eq \f(3T,4) →T 充电过程 0→qm 0→Em 0→Um im→0 Bm→0 Φm→0 E磁→E电 $$