第1节 电磁波的产生（教学课件）物理鲁科版选择性必修第二册

该高中物理课件聚焦电磁波产生原理，涵盖LC振荡电路、电磁振荡的能量转化及周期频率规律。以“千里眼”“顺风耳”神话与旅行者1号实例导入，衔接电磁现象旧知，构建“振荡电路→电磁场→电磁波”认知支架。 特色在于融合科学探究（如观察振荡电流波形实验）、科学思维（分析能量转化、推导周期公式）与科学态度（联系通信等应用），含“天才绝世的麦克斯韦”视频辅助理解。助力学生提升实验与理论能力，为教师提供结构化核心素养教学资源。

第4章 电磁波 物理选择性必修第二册 •鲁科版2019 第1节 电磁波的产生 “千里眼”“顺风耳”常常出现在神话故事和动漫作品中，看得见“千里以外的事物，听得到“随风而来的声音”。当代这些都早已实现！旅行者1号探测器在200亿千米之外依旧在向地球发送消息，这是电磁波对通信技术发展的作用。电磁波是怎样产生的呢？ 导入新课 物理观念 能理解变化的电场和磁场相互激发产生电磁波的原理，建立“振荡电路→电磁场→电磁波”的转化认知，知道电磁波是横波。 科学思维 能分析LC振荡电路中电场能与磁场能的转化规律，推导电磁波的传播速度与波长、频率的关系，提升动态分析与逻辑推导能力。 科学探究 能参与“模拟电磁波的产生与接收”实验，观察振荡电流的波形，验证电磁波的存在，培养实验观察、操作与现象分析能力。 科学态度 与责任 认识电磁波在通信、医疗、遥感等领域的广泛应用，体会麦克斯韦电磁场理论的科学价值，增强探索电磁规律的兴趣与技术创新意识。 学习目标 重点难点 重点 理解变化的电磁场相互激发产生电磁波的原理，认识 LC 振荡电路作用。 难点 分析 LC 振荡电路中能量转化过程，理解电磁波横波特性。 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 麦克斯韦的预言 01. 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 （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 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。 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。 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。 视频：天才绝世的麦克斯韦 1888 年，德国物理学家赫兹注意到感应线圈高压电极间的空隙处有时会产生火花放电现象。他对这种放电现象进行了深入研究，第一次用实验证实了电磁波的存在。 赫兹实验 02. 观察振荡电路中电压的波形 03. 把线圈、电容器、电源和单刀双掷开关按照图连成电路。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。观察电脑显器显示的电压波形。 E C S L 为什么会出现这样的变化波形图？ 问题与思考 01. 高中物理选择性必修第二册 大小和方向都做周期性迅速变化的电流叫振荡电流。 产生振荡电流的电路叫振荡电路。 1.振荡电流: 2.振荡电路: （1）LC回路：由线圈L和电容器C组成的最简单振荡电路。 （2）理想的LC振荡电路:只考虑线圈、电容器的作用，而忽略能量损耗。 振荡电流实际上就是交变电流，习惯上指频率很高的交变电流。 LC振荡电路 振荡电路 04. － － － － L C ＋ ＋ ＋ ＋ i＝0 qm im q＝0 q＝0 im ＋ ＋ ＋ ＋ － － － － i＝0 qm 放电 q↓ i↑ 放电 q↓ i↑ 反向 充电 q↑ i↓ 充 电 q↑ i↓ 周期性变化 的充放电过程 电磁振荡的图像分析 05. 电流i 0 t + - 电容器 电量q 0 t + - + - + - + - 正向放电 正向充电 反向放电 反向充电 振荡过q、u、i、B的变化情况 06. q最大，u最大 i最小，B最小 q最小，u最小 i最大，B最大 q最大，u最大 i最小，B最小 q最小，u最小 i最大，B最大 q最大，u最大 i最小，B最小 周而复始 放电 反向充电 反向放电 充电 我们把电路中的电流、电容器极板上的电荷量、电容器的电场强度、线圈里的磁感应强度，都在做周期性变化的这种现象叫做电磁振荡。 思考与讨论 电磁振荡与机械振动虽然有着本质的不同，但它们还是具有一些共同的特点。在机械振动中，例如在单摆的振动中，位移x、速度v、加速度a 这几个物理量周期性地变化。在电磁振荡中，电荷量q、电流i、电场强度E、磁感应强度B这几个物理量也在周期性地变化。 在机械振动中，动能与势能周期性地相互转化。那么，在电磁振荡中，能量是如何转化的? 振荡中的能量变化 05. 电磁振荡的过程中，电场能和磁场能发生周期性的转化 0 t t 0 磁 场 能 电 场 能 电场能 磁场能 放电 q、B、i、E变化周期T 电场能、磁场能变化周期 问题与思考 05. 若无能量损失，则有电场能与磁场能交替转化:总能量守恒＝电场能＋磁场能＝恒量。但实际的LC振荡回路都有能量一部分能量转化为内能或者以电磁波形式辐射出去，所以振荡电流的振幅就会逐渐减小，直到停止振荡。 在电磁振荡变化快慢与哪些因素有关？ 电磁振荡的周期和频率 06. 1.周期：电磁振荡完成一次周期性变化需要的时间。 2.频率：1 s内完成的周期性变化的次数。 3.振荡电路里在不受其他外界条件影响下发生无阻尼振荡时的周期和频率叫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。 问题与思考 02. 思考：电容较大时，电容器充电、放电的时间会长些还是短些?线圈的自感系数较大时，电容器充电、放电的时间会长些还是短些？根据讨论结果，定性分析LC电路的周期（频率）与电容 C、电感L的关系。 理论分析表明，LC电路的周期T与电感L、电容C的关系是 说明：①在一个周期内，振荡电流的方向改变两次； ②电场能（或磁场能）完成两次周期性变化。 电磁振荡的周期和频率的规律 固有周期和固有频率 06. 由振荡回路本身特性所决定的振荡周期和频率，叫做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。 现代的实际电路中使用的振荡器多数是晶体振荡器(如图)，其工作原理与LC振荡电路的原理基本相同。 周期 课堂小结 周期和频率 03 电磁振荡：在整个过程中，电路中的电流i、电荷量q、电场强度E、磁感应强度B，都在周期性地变化着。 电磁振荡中的能量变化 02 振荡电流：大小和方向都做周期性迅速变化的电流。 振荡电路：能够产生振荡电流的电路。 电磁振荡的产生 01 1.甘肃酒泉·一模)根据麦克斯韦的电磁场理论，变化的磁场 可以产生电场，变化的电场可以产生磁场。当变化的磁场产生的电场的电场线如 图所示时，磁场的变化情况可能是( ) AC A.竖直向上的磁场在增强 B.竖直向上的磁场在减弱 C.竖直向下的磁场先减弱，后反向增强 D.竖直向下的磁场先增强，后反向减弱 AB. 若竖直向上的磁场增强，根据楞次定律，可知感应电流的磁场阻碍原磁场的增强而方向向下，根据安培定则，可知感应电场的方向与图中E的方向相同，A正确，B错误； CD. 若竖直向下的磁场减弱时，感应电流的磁场阻碍原磁场的减弱而方向向下，根据安培定则，可知感应电流方向如图中E的方向所示；当磁场反向增强时，根据A的判断可知感应电流方向如图中E的方向所示；C正确，D错误。 提升训练 2.江苏·高考真题)如图所示.将开关S由拔到，使 电容器C与线圈L构成回路。以电容器C开始放电取作0时 刻，能正确反映电路中电流随时间变化关系的图象是 ( ) A A. B. C. D.&8 & 提升训练 30 【参考答案】BD 3.（多选）为实现自动计费和车位空余信息的提示和统计功能等，某智能停车位通过预埋在车位地面下方的振荡电路获取车辆驶入驶出信息。如图甲所示，当车辆驶入车位时，相当于在线圈中插入铁芯，使其自感系数变大，引起电路中的振荡电流频率发生变化，计时器根据振荡电流的变化进行计时。某次振荡电路中的电流随时间变化如图乙所示，下列说法正确的是（　　） A．时刻，线圈的磁场能为零 B．时刻，电容器带电量最大 C．过程，电容器带电量逐渐增大 D．由图乙可判断汽车正驶离智能停车位 提升训练 4.河南·模拟预测)LC振荡电路凭借其高频信号生成能力和稳 定性，在电子工程和通信领域具有重要地位。如图所示为理想LC振荡电路 (电感为L、电容为 ，某时刻电容器中的电场方向向下，且电路中的电流正在减 小，下列说法正确的是( ) C A.电路中的电场能正在减小 B.电容器两极板间所带的电荷量正在减小 C.电感线圈内部的磁场向下 D.该振荡电路的周期为 由于电流正在减小，故磁场能减小，电场能增加，两极板所带电荷量增加，即电容器正在充电，再根据右手螺旋定则，可知电感线圈内部磁场向下，故AB错误；C正确； 振荡电路的周期为，故D错误。 提升训练 Multimedia Cloud Transcode (cloud.baidu.com) Lavf58.29.100 Bilibili VXCode Swarm Transcoder v0.7.68 Lavf58.28.100 Lavf58.29.100 $