第4章 第1、2节 电磁振荡 电磁场与电磁波-【创新教程】2025-2026学年高中物理选择性必修第二册五维课堂同步Word教案（人教版2019）

第1节　电磁振荡 第2节　电磁场与电磁波 知识导图 核心素养 　 1.物理观念：借助电磁振荡、振荡电路的周期和频率等概念的形成，体会物理观念的生成过程 2.科学思维：通过振荡电路的分析及麦克斯韦电磁理论，体会物理模型在探索自然规律中的作用 3.科学态度与责任：通过电磁振荡在生活、生产中的应用及赫兹实验介绍，认识到物理学是基于人类有意识的探索而形成的对自然现象的描述与解释 [知识梳理] 知识点一　电磁振荡的产生 1．振荡电流：大小和方向都做 周期性 迅速变化的电流． 2．振荡电路：能产生 振荡电流 的电路．由电感线圈L和电容器C所组成的电路就是最简单的振荡电路，称为 LC振荡电路 (如图所示)． 3．振荡过程 (1)放电过程：开关抛向线圈一侧的瞬间，电路中没有电流，电容器两极板上的电荷最多．电容器开始放电后，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0逐渐增大，同时电容器极板上的电荷逐渐 减少 ．放电完毕时，放电电流达到最大值，电容器极板上没有电荷． (2)充电过程：电容器放电完毕时，由于线圈的 自感 作用，电流并不会立即减小为0，而要保持原来的方向继续流动，并逐渐减小．由于电流继续流动，电容器 充电 ，电容器两极板带上与原来相反的电荷，并且电荷逐渐 增多 ，充电完毕瞬间，电流减小为0，电容器极板上的电荷 最多 ． 4．电磁振荡 在LC振荡电路中，电路中的 电流I 、电容器极板上的电荷量q、电容器里的 电场强度E 、线圈里的磁感应强度B，都在 周期性 变化的现象． 知识点二　电磁振荡中的能量变化 1．电容器放电过程：电容器里的电场逐渐减弱，线圈的磁场逐渐增强，电场能逐渐转化为 磁场能 ，放电完毕瞬间，电场能全部转化为 磁场能 ． 2．电容器充电过程：线圈的磁场逐渐减弱，电容器里的电场逐渐增强，磁场能逐渐转化为 电场能 ，充电完毕瞬间，磁场能全部转化为 电场能 ． 3．实际的LC振荡电路能量：电路中有电阻，电路中总有一部分能量转化为内能，另外还会有一部分能量以 电磁波 的形式辐射出去． 知识点三　电磁振荡的周期和频率 1．周期：电磁振荡完成一次 周期性变化 需要的时间． 2．频率：电磁振荡完成 周期性变化 的次数与所用时间之比． 3．周期和频率公式：T＝ 2π ，f＝ . 4．固有周期和固有频率：如果振荡电路没有 能量损失 ，也不受其他外界影响时的周期和频率． 知识点四　电磁场与电磁波 1．电磁场 (1)麦克斯韦两个观点 ①变化的磁场产生 电场 (如图所示)． ②变化的电场产生 磁场 (如图所示)． (2)电磁场：变化的电场和磁场总是相互联系着，形成不可分割的统一的 电磁场 ． 2．电磁波 (1)电磁波的产生： 变化 的电场和磁场在较远的空间引起新的 变化 的电场和磁场，这样 变化 的电场和磁场由近及远向周围传播，形成了电磁波． (2)电磁波的特点： ①电磁波在空间传播不需要 介质 ，电磁波的速度 等于 光速c. ②电磁波的电场强度E与磁感应强度B相互 垂直 ． (3)电磁波能产生反射、 折射 、干涉和 衍射 等现象． 3．赫兹的实验 (1)赫兹实验装置(如图所示)． (2)实验现象：当感应圈两个金属球间有火花跳过时，导线环两个小球间也跳过火花． (3)现象分析：当感应圈使得与它相连的两个金属球间产生电火花时，周围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 的形式在空间传播．当电磁波到达导线环时，它在导线环中激发出 感应电动势 ，使得导线环的空隙中也产生了火花． (4)实验结论：赫兹证实了 电磁波 的存在． [基础自测] 1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”) (1)在LC振荡电路中，回路中电流值最大时刻，回路中磁场能最大．( √ ) (2)在LC振荡电路中，电容器放电完毕时刻，回路中磁场能最小．( × ) (3)振荡电流的大小和方向均不断变化．( √ ) (4)LC振荡电路中，电容器的某一极板，从带最多的正电荷放电到这一极板充满负电荷为止，这一段时间为一个周期．( × ) (5)要提高LC振荡电路的振荡频率，可以减小电容器极板的正对面积．( √ ) (6)LC振荡电路线圈的自感系数增大为原来的4倍，振荡周期增大为原来的2倍．( √ ) 2．在电磁振荡的过程中，电场能与磁场能相互转化，什么时候磁场能最大？ 提示　放电刚结束时，电场能全部转化成了磁场能． 3．空间存在如图所示的电场，那么在空间能不能产生磁场？在空间能不能形成电磁波？ 提示　如题图所示的电场是均匀变化的，根据麦克斯韦电磁场理论可知会在空间激发出磁场，但磁场恒定，不会激发出新的电场，故不会产生电磁波． 　　 电磁振荡中物理量的变化 ◆[探究导引] 　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，从此时起，电容器通过线圈放电，线圈中是否会产生自感电动势？自感电动势产生什么效果？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？当线圈中的电流减小时，是否会对电容器充电？此时线圈中的磁场能转化为什么形式的能？ 提示　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． ◆[探究归纳] 1．用图像对应分析i、q的变化关系(如图所示) 2．相关量与电路状态的对应情况 电路状态 a b c d e 时刻t 0 T 电荷量q 最多 0 最多 0 最多 电场能 最大 0 最大 0 最大 电流i 0 正向最大 0 反向最大 0 磁场能 0 最大 0 最大 0 3.几个关系 (1)同步同变关系 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增大时，线圈中的三个物理量i、B、EB减小，且它们的变化是同步的，也即q、E、EE↑同步异向变化，i、B、EB↓. [例1]　如图所示，画出了一个LC振荡电路中的电流变化图线，根据图线可判断(　　) A．t1时刻电感线圈两端电压最大 B．t2时刻电容器两极板间电压为零 C．t1时刻电路中只有电场能 D．t1时刻电容器带电荷量为零 [思路点拨]　分析i­t图像时，画出对应的q­t图像，并注意到i到B、E磁变化规律一致，q与E、E电、u变化规律一致，可起到事半功倍的效果． [解析]　 D　[由图像分析可知，计时开始时，电容器两极板带电荷量最大，电流为零，电容器开始放电，根据电流随时间的变化规律，可以画出q­t图像(在图中用虚线表示)．由图像分析可知，t1时刻，电容器带电荷量为零，电压为零，电场能为零，故D项正确，A、C两项错误；t2时刻电容器带电荷量q最大，两极板间电压最大，B项错误．] [规律总结] 1．线圈中的磁感应强度B、磁通量Φ、磁场能E磁与电流i的变化规律相同；电容器极板间的电压u、电场强度E、电场能E电、线圈自感电动势E线的变化规律与电荷量q的变化规律相同． 2．上述两组物理量，当其中一组物理量增大时，另一组物理量随之减小． ◆[跟进训练] 1．(多选)某时刻LC振荡电路的状态如图所示，则此时刻(　　) A．振荡电流i在减小 B．振荡电流i在增大 C．电场能正在向磁场能变化 D．磁场能正在向电场能变化 解析：AD　[由图中上极板带正电荷、下极板带负电荷及电流的方向可判断出电容器正在充电．电容器充电的过程中电流减小，磁场能向电场能转化，正确选项为A、D.] 2．(多选)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，灯泡D正常发光，现突然断开S，并开始计时，能正确反映电容器a极板上电荷量q及LC回路中电流i(规定顺时针方向为正)随时间变化的图像是(图中q为正值表示a极板带正电)(　　) 解析：BC　[S断开前，电容器C短路，线圈中电流从上到下，电容器不带电；S断开时，线圈L中产生自感电动势，阻碍电流减小，给电容器C充电，此时LC回路中电流i沿顺时针方向(正向)最大；给电容器充电过程，电容器充电量最大时(a板带负电)，线圈L中电流减为零．此后，LC回路发生电磁振荡形成交变电流．综上所述，选项B、C正确．] 电磁振荡的周期和频率 ◆[探究导引] 　一台电子钟是利用LC振荡电路来制成的，在家使用一段时间后，发现每昼夜总是快1分钟．造成这种现象的原因可能是什么？应该怎样修理？ 提示　钟走得偏快了，是因为钟的LC振荡电路频率变大，周期变短，根据T＝2π可以知道，周期变短可能是LC的值变小了．可以适当增加线圈L的匝数． ◆[探究归纳] 1．影响电磁振荡的周期和频率的因素 (1)LC振荡电路的周期T＝2π和频率f＝只与自感系数L和电容C有关，与其他因素无关． (2)电容C与正对面积S，板间距离d及介电常数εr有关即根据C＝判断；电感L与线圈的匝数、粗细、有无铁芯、长度等因素有关． 2．LC回路中各物理量的周期 (1)电感线圈L和电容器C在LC振荡电路中既是能量的转换器，又决定着这种转换的快慢，L或C越大，能量转换时间也越长，故周期也越长． (2)回路中的电流i、线圈中的磁感应强度B、电容器极板间的电场强度E的变化周期就是LC振荡电路的振荡周期T＝2π.在一个周期内，上述各量方向改变两次；电容器极板上所带的电荷量，其变化周期也是振荡周期T＝2π，极板上电荷的电性在一个周期内改变两次；电场能、磁场能也在做周期性变化，但是它们的变化周期是振荡周期的一半，即T′＝＝π. [例2]　如图所示的振荡电路中，自感系数L＝300 μH，电容C的范围为25～270 pF，求： (1)振荡电流的频率范围； (2)若自感系数L＝10 mH，要产生周期T＝0.02 s的振荡电流，应配置多大的电容？ [思路点拨]　求解本题时应注意，电容最小时对应的振荡电流的频率最大，电容最大时振荡电流的频率最小． [解析]　(1)由f＝ 得： fmax＝ Hz≈1.8×106 Hz fmin＝ Hz≈0.56×106 Hz 所以频率范围为0.56×106～1.8×106 Hz. (2)由T＝2π 得： C＝＝ F＝10－3 F. [答案]　(1)0.56×106～1.8×106 Hz　(2)10－3 F ◆[跟进训练] 1. (多选)要增大如图所示振荡电路的频率，下列说法中正确的是(　　) A．减少电容器的带电荷量 B．将开关S从“1”位置拨到“2”位置 C．在线圈中插入磁铁棒芯 D．将电容器的动片旋出些 解析：BD　[根据公式f＝可知要增大f，必须减小L和C二者之积．C跟电容器的带电荷量无关，减小两极板的正对面积、增大两极板间的距离，从两极板间抽出电介质都可减小电容C，因此，A不正确，D正确；线圈匝数越少，抽出铁芯，L越小，可见B正确，C不正确．] 2.如图所示，LC振荡电路的L不变，C可调，要使振荡的频率从700 Hz变为1 400 Hz，则可以采用的办法有(　　) A．把电容增大到原来的4倍 B．把电容增大到原来的2倍 C．把电容减小到原来的 D．把电容减小到原来的 解析：D　[由题意，频率变为原来的2倍，则周期就变为原来的，由T＝2π及L不变知，当C＝C0时符合要求，其中C0为原电容．故正确选项为D.] 电磁场和电磁波 ◆[探究导引] 　(1)变化的磁场一定产生变化的电场吗？ (2)如图所示，某同学正在回答“神舟十号”航天员王亚平的问题，请问她们的通话是通过机械波进行的还是通过电磁波进行的？为什么？ 提示　(1)不一定．均匀变化的磁场在周围空间产生恒定的电场，不均匀变化的磁场在周围空间产生变化的电场． (2)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． ◆[探究归纳] 1．对麦克斯韦电磁场理论的理解 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 2.对电磁场的理解 (1)电磁场的产生：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，周期性变化的电场、磁场相互激发，形成的电磁场一环套一环，如图所示． (2)电磁场并非简单地将电场、磁场相加，而是相互联系、不可分割的统一整体．在电磁场示意图中，电场E矢量和磁场B矢量，在空间相互激发时，相互垂直，以光速c在空间传播． 3．电磁波与机械波的比较 电磁波是电磁现象，机械波是力学现象，两种波因产生机理不同，除具有波的共性外，还有不同之处. 机械波 电磁波 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 传播情况 传播需要介质，波速与介质有关，与频率无关 传播不需要介质，在真空中波速总等于光速c，在介质中传播时，波速与介质及频率有关 产生机理 由(波源)质点的振动产生 由电磁振荡(周期性变化的电流)激发 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 满足明显衍射条件时均能发生明显衍射 [例3]　(多选)以下关于机械波与电磁波的说法正确的是(　　) 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，而且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 [思路点拨]　电磁波与机械波相比较，两者有什么共性？又有哪些区别呢？ [解析]　BCD　[机械波是机械振动在介质中的传播，所以机械波的传播离不开介质，且其波速只与介质的性质有关，而与机械波的频率无关，机械波既有横波又有纵波；电磁波是电磁场范围的不断扩大，电场和磁场都可以在真空中存在，因而电磁波可以在真空中传播，由光的色散现象知，电磁波的波速由介质和波的频率共同决定，电磁波只能是横波；任何波都能产生反射、折射、干涉和衍射现象．可见，A错误，B、C、D正确．] [规律总结] (1)尽管电磁波与机械波在产生方式、传播途径、波的形成及波速上有显著的不同，但它们都是波，都具有波动性． (2)电磁波的特性与光相似，可以类比光的特性理解电磁波． ◆[跟进训练] 1．(多选)根据麦克斯韦的电磁场理论，以下叙述中正确的是(　　) A．教室中开亮的日光灯周围空间必有磁场和电场 B．工作时打点计时器必有磁场和电场 C．稳定的电场产生稳定的磁场，稳定的磁场激发稳定的电场 D．电磁波在传播过程中，电场方向、磁场方向和传播方向三者互相垂直 解析：ABD　[教室中开亮的日光灯、工作时打点计时器用的振荡电流，在其周围产生振荡磁场和电场，故选项A、B正确；稳定的电场不会产生磁场，故选项C错误；电磁波是横波，电场方向、磁场方向和传播方向相互垂直，故选项D正确．] 2．(多选)电磁波与声波比较，下列说法正确的是(　　) A．电磁波的传播不需要介质，声波的传播需要介质 B．由空气进入水中时，电磁波速度变小，声波速度变大 C．由空气进入水中时，电磁波波长变短，声波波长变长 D．由空气进入水中时，电磁波波长变长，声波波长变短 解析：ABC　[电磁波传播不需要介质，而声波属于机械波，声波传播离不开介质，A正确；电磁波在空气中的速度接近光在真空中的速度，进入水中速度变小，而声波进入水中速度反而比空气中大，B正确；由v＝λf，电磁波或声波由一种介质进入另一种介质时，频率不变，可见波速v与波长λ成正比，C正确，D错误．] [易错点]　不清楚LC振荡电路中各量间的变化规律及对应关系而出错 [例]　 在图所示电路中，L是电阻不计的线圈，C为电容器，R为电阻，开关S先是闭合的，现将开关S断开，并从这一时刻开始计时，设电容器A极板带正电时电荷量为正，则电容器A极板上的电荷量q随时间t变化的图像是下列选项中的(　　) [正解]　B [解析]　开关S闭合时，线圈中有自左向右的电流通过，由于线圈电阻不计，所以线圈两端电压为零，与线圈并联的电容器极板上不带电，本题LC回路的初始条件是线圈中电流最大，磁场能最大，电场能为零．断开开关S时，线圈中产生与电流方向相同的自感电动势，阻碍线圈中电流的减小，使线圈中电流继续自左向右流动，从而给电容器充电，B板带正电，A板带负电，电荷量逐渐增加，经电荷量达到最大，这时LC回路中电流为零，从～ 时间内，电容器放电，A板上负电荷量逐渐减少到零，此后在线圈中自感电动势的作用下，电容器反向充电，A板带正电，B板带负电，并且带电荷量逐渐增多，增至最多后，又再次放电，所以A极板上电荷量随时间变化的情况如选项B所示． [易错分析]　没有分析清楚LC振荡电路的初始状态，不清楚LC回路中各量间的变化规律及对应关系． [误区警示]　因为LC电路不是纯电阻电路，故在LC振荡电路中电流i和电压U不遵循欧姆定律．比如电容器放电完毕时，极板上的电荷量为零，两极板间的电压为零，但回路中的电流却最大；在电容器充电完毕时，极板上的电荷量最多，两极板间的电压最高，但回路中的电流却为零． ◆[课堂小结] 　　1．(电磁场理论)关于电磁场理论，下列说法正确的是(　　) A．在电场周围一定产生磁场，磁场周围一定产生电场 B．在变化的电场周围一定产生变化的磁场，在变化的磁场周围一定产生变化的电场 C．均匀变化的电场周围一定产生均匀变化的磁场 D．周期性变化的电场周围一定产生周期性变化的磁场 解析：D　[根据麦克斯韦电磁场理论，只有变化的电场能产生磁场，均匀变化的电场产生稳定的磁场，非均匀变化的电场才产生变化的磁场，故D正确，A、B、C错误．] 2．(LC振荡电路)关于LC振荡电路中的振荡电流，下列说法中正确的是(　　) A．振荡电流最大时，电容器两极板间的电场强度最大 B．振荡电流为零时，线圈中自感电动势为零 C．振荡电流增大的过程中，线圈中的磁场能转化为电场能 D．振荡电流减小的过程中，线圈中的磁场能转化为电场能 解析：D　[振荡电流最大时，处于电容器放电结束瞬间，电场强度为零，A错；振荡电流为零时，LC回路振荡电流改变方向，这时的电流变化最快，电流变化率最大，线圈中自感电动势最大，B错；振荡电流增大时，电容器中的电场能转化为磁场能，C错；振荡电流减小时，线圈中的磁场能转化为电场能，D对．] 3．(LC振荡电路)关于LC回路，下列说法正确的是(　　) A．一个周期内，电容器充、放电各一次 B．电容器极板上电压最大时，线圈中的电流最强 C．电容器开始充电时，线圈中的磁场能最强 D．电容器开始充电时，电场能最大 解析：C　[电容器从开始充电到放电完毕才经历半个周期，一个周期内，电容器应充、放电各两次，A错误；电容器上的电压最大时，电场能最大，此时磁场能为零，线圈中电流为零，B错误；电容器开始充电时，电场能为零，线圈中磁场能最大，所以C正确，D错误．] 4．(LC振荡电路)为了增大LC振荡电路的固有频率，下列办法中可采取的是(　　) A．增大电容器两极板的正对面积并在线圈中放入铁芯 B．减小电容器两极板的距离并增加线圈的匝数 C．减小电容器两极板的距离并在线圈中放入铁芯 D．减小电容器两极板的正对面积并减小线圈的匝数 解析：D　[LC振荡电路的频率公式f＝ .由此式可知增大固有频率f的办法是减小L或减小C或同时减小L和C.电容器两极板的正对面积增大，则C增大，正对面积减小，则C减小．在线圈中放入铁芯或增加线圈的匝数，则L增大，减小线圈的匝数，则L减小．综上可知只有选项D是正确的．] 5．(多选)下列关于电磁波的叙述中，正确的是(　　) A．电磁波是以波动的形式由发生区域向远处传播的电磁场 B．电磁波在任何介质中的传播速度均为3.0×108m/s C．电磁波由真空进入介质传播时，波长将变短 D．电磁波也能产生干涉、衍射现象 解析：ACD　[电场、磁场相互激发并以波动的形式向外传播，形成电磁波，选项A正确；电磁波只有在真空中波速为3×108m/s，在其他介质中波速均小于3×108m/s，选项B错误：根据λ＝及电磁波从真空进入介质中时，频率不变，波速减小，可知电磁波在介质中的波长λ减小，故选项C正确；电磁波具有波的一切性质，能产生干涉和衍射现象，故选项D正确．] 学科网（北京）股份有限公司 $$