第1节 电磁波的产生-【金版新学案】2025-2026学年高中物理选择性必修第二册同步课堂高效讲义教师用书（鲁科版）

本讲义聚焦“电磁波的产生”核心知识点，系统梳理麦克斯韦电磁场理论（变化的磁场产生电场、变化的电场产生磁场）、电磁波的产生与特点，通过赫兹实验验证电磁波存在，进而深入分析LC振荡电路的振荡过程及周期频率公式，构建从理论到实验再到应用的完整知识支架。 该资料以核心素养为导向，通过判断正误强化物理观念，结合“电子钟走时偏快”实景问题培养科学思维，利用赫兹实验原理分析渗透科学探究。课中辅助教师引导学生理解电磁振荡规律，课后学生可通过针对练和例题解析查漏补缺，提升知识应用能力。

第1节　电磁波的产生 【核心素养目标】 物理观念 了解电磁场理论，理解感生电动势的产生原因，进而理解电磁振荡。 科学思维 利用电感线圈与电容器的特点对振荡电路变化规律进行分析。 科学探究 用赫兹实验证明电磁波的存在。 科学态度与责任 体会电磁波对人类社会进步的重大促进作用，培养探索自然的能力和为人类造福的责任感。 一、麦克斯韦的预言和赫兹实验 1.麦克斯韦电磁场理论 (1)变化的磁场周围会产生电场 在变化的磁场周围会激发出一种电场——涡旋电场。不管有无闭合电路，变化的磁场激发的涡旋电场总是存在的。 (2)变化的电场周围会产生磁场 麦克斯韦从场的观点得出，即使没有电流存在，只要空间某处的电场发生变化，就会在其周围产生磁场。 2.电磁波 (1)电磁波的产生 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。 (2)电磁波的特点 ①电磁波是横波，电磁波在空间传播不需要介质。 ②电磁波的波长、频率、波速的关系：v＝λf，在真空中，电磁波的速度c＝3.0×108 m/s。 ③电磁波能产生反射、折射、干涉和衍射等现象。 3.赫兹实验 (1)赫兹实验原理图(如图所示) (2)实验现象 当感应线圈两个金属球间有火花跳过时，导线环两个小球间也有火花跳过。 (3)现象分析 火花在A、B间来回跳动时，在周围空间激发出一个迅速变化的电磁场，这种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。 (4)实验结论 证明了电磁波的存在。 (5)实验意义 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。 学生用书⬇第87页 二、电磁振荡 1.振荡电流：大小和方向都周期性变化的电流。 2.振荡电路：产生振荡电流的电路。由电感线圈L和电容器C所组成的电路就是一种基本的振荡电路，叫作LC振荡电路。 3.电磁振荡的过程分析 (1)放电过程：在电容器放电过程中，电流通过电感器，在线圈中建立起磁场，电感器中的磁场能随电流的增大而增大，电场能逐渐转化为磁场能，当电容器放电完毕，即Q＝0时，电路中的电流达到最大值。这时，电场消失，磁场最强，电场能全部转化为磁场能。 (2)充电过程：当电容器放电完毕后，由于电感线圈的自感作用，电路中的电流并不立即停止，电流保持原来方向继续流动，并逐渐减小，电容器在反方向充电，随着电流的逐渐减小，线圈中的磁场逐渐减弱，电路中的磁场能又逐渐转化为电场能。 4.电磁振荡：在LC振荡电路中，电容器极板上的电荷量、电路中的电流、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。 5.电磁振荡的周期和频率 (1)一次全振荡：发生电磁振荡时，通过电路中某一点的电流，由某方向的最大值再恢复到同一个方向的最大值，就完成了一次全振荡。 (2)电磁振荡的周期T：完成一次周期性变化的时间。 (3)电磁振荡的频率f：一段时间内完成周期性变化的次数与这段时间之比。 6.LC振荡电路的周期和频率 (1)公式：T＝2π，f＝。 (2)单位：周期(T)、频率(f)、自感(L)、电容(C)的单位分别是秒(s)、赫兹(Hz)、亨利(H)、法拉(F)。 1.判断正误 (1)电场周围一定存在磁场，磁场周围一定存在电场。(×) (2)变化的磁场会产生变化的电场。(×) (3)赫兹用实验证实了电磁波的存在。 (√) (4)麦克斯韦从理论上预言了电磁波在真空中的传播速度等于光速。 (√) (5)LC振荡电路中，线圈中电流最大时，电容器所带电荷量为零。(√) (6)L和C越大，电磁振荡的频率越高。(×) (7)LC振荡电路中，电容器放电完毕时，电路中电流最大。(√) 2.链接实景 电子钟是利用LC振荡电路制成的，一台电子钟使用一段时间后，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？ 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，周期变短可能是电感L或电容C的值变小了。 学生用书⬇第88页 知识点一　电磁振荡中各物理量的对应关系 　　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)在电容器反向充电过程中，线圈中电流如何变化？电容器和线圈中的能量是如何转化的？ (3)线圈中自感电动势的作用是什么？ 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线圈的磁场能。 (2)在电容器反向充电过程中，线圈中电流逐渐减小，线圈中的磁场能转化为电容器的电场能。 (3)线圈中电流变化时，产生的自感电动势阻碍电流的变化。 1.用图像对应分析i、q的变化关系(如图所示) 2.振荡过程中相关物理量的对应关系 时刻 (时间) 工作 过程 q E i B 能量 0 放电 瞬间 qm Em 0 0 E电最大 E磁最小 续表 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 放电 结束 0 0 im Bm E电最小 E磁最大 → 充电 过程 0→qm 0→Em im→0 Bm→0 E磁→E电 充电 结束 qm Em 0 0 E电最大 E磁最小 → 放电 过程 qm→0 Em→0 0→im 0→Bm E电→E磁 放电 结束 0 0 im Bm E电最小 E磁最大 →T 充电 过程 0→qm 0→Em im→0 Bm→0 E磁→E电 T 充电 结束 qm Em 0 0 E电最大 E磁最小 3.两个关系 (1)同步同变关系 ①在LC振荡电路发生电磁振荡的过程中，电容器上的物理量：电量q、板间电压U、电场强度E、电场能EE是同步同向变化的，即：q↓→U↓→E↓→EE↓(或q↑→U↑→E↑→EE↑) ②振荡线圈上的物理量：振荡电流i、磁感应强度B、磁场能EB也是同步同向变化的，即：i↓→B↓→EB↓(或i↑→B↑→EB↑)。 (2)同步异变关系 在LC振荡电路发生电磁振荡的过程中，电容器上的三个物理量q、E、EE与线圈中的三个物理量i、B、EB是同步异向变化的，即q、E、EE同时减小时，i、B、EB同时增大，且它们的变化是同步的，即：q、E、EE↑i、B、EB↓。 4.电磁振荡过程实质上是电场能和磁场能的转化过程。 学生用书⬇第89页 (多选)LC振荡电路中，某时刻的磁场方向如图所示，则(　　) A.若磁场正在减弱，则电容器正在充电，电流由b向a B.若磁场正在减弱，则电场能正在增大，电容器上极板带正电 C.若磁场正在增强，则电场能正在减小，电容器上极板带正电 D.若磁场正在增强.则电容器正在充电，电流方向由a向b 答案：AC 解析：若磁场正在减弱，则电流在减小，是充电过程，根据安培定则可确定电流由b向a，电场能增大，上极板带负电，故选项A正确，B错误；若磁场正在增强，则电流在增大，是放电过程，电场能正在减小，根据安培定则，可判断电流由b向a，上极板带正电，故选项C正确，D错误。 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，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，处于放电过程。 2.根据物理量的变化趋势判断：当电容器的带电量q(电压U、电场强度E)增大或电流i(磁感应强度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。 针对练1.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 答案：D 解析：振荡电流最大时，处于电容器放电结束瞬间，电容器两极板间的电场强度为零，A错误；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错误；振荡电流增大时，电容器中的电场能转化为磁场能，C错误；振荡电流减小时，线圈中的磁场能转化为电场能，D正确。 针对练2.(多选)如图甲所示的LC振荡电路中，通过P点的电流随时间变化的图线如图乙所示，若把通过P点向右规定为电流的正方向，则(　　) A.0.5～1 ms内，电容器C正在充电 B.0.5～1 ms内，电容器的上极板带正电荷 C.1～1.5 ms内，Q点比P点电势低 D.1～1.5 ms内，电场能正在减小 答案：AD 解析：由题图乙可知，在0.5～1 ms内，电流为正方向且减小，故电容器正在充电，故A正确；在0.5～1 ms内，经过P点的电流向右，由于电路中做定向移动的带电粒子是带负电的电子，电子经过P点向左移动，因此电容器上极板带负电荷，故B错误；由题图乙可知，在1～1.5 ms内，通过自感线圈的电流向上，且增大，故Q点比P点电势高，故C错误；由题图乙可知，在1～1.5 ms内电流在增大，故磁场能在增大，电容器处在放电过程，故电场能在减小，故D正确。故选AD。 知识点二　LC振荡电路的周期和频率 (1)如图所示的电路，如果仅更换自感系数L更大的线圈，振荡周期T会怎样变化？ (2)如果仅更换电容C更大的电容器，振荡周期T会怎样变化？ 提示：(1)周期变长。 (2)周期变长。 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及相对介电常数εr有关，即根据C＝判断；电感L与线圈的大小、形状、匝数、有无铁芯等因素有关。 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。 学生用书⬇第90页 (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。 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 pF～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，应配置多大电容的电容器。 [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。 答案：(1)5.6×105 Hz～1.8×106 Hz (2)1×10－3 F 解析：(1)由f＝得 fmax＝ Hz ≈1.8×106 Hz fmin＝ Hz ≈5.6×105 Hz 所以频率范围为5.6×105～1.8×106 Hz。 (2)由T＝2π得 C＝＝ F≈1×10－3 F。 　　LC振荡电路中固有频率是由电路本身决定的，f＝和C＝是决定式。容易错误地认为电磁振荡的周期受电容器电荷量、电压、电流的影响，其实电磁振荡的周期和频率是由振荡电路本身的构造决定的。 针对练1.在如图所示的电磁振荡电路中，若想增大电磁振荡的频率，可采取的措施是(　　) A.保持电感器的电感不变，只增大电容器的电容 B.保持电容器的电容不变，只增大电感器的电感 C.同时增大电感器的电感和电容器的电容 D.同时减小电感器的电感和电容器的电容 答案：D 解析：根据f＝可知要使f增大，可以减小电容和电感，故A、B、C错误，D正确。故选D。 针对练2.为了测量储罐中不导电液体的高度，设计如图所示电路。电容C的两极板插入储罐的液体中，先将开关S接a，待电容器充满电后，再接b，由电感L与电容C构成的回路产生振荡电流，根据振荡电流的振荡频率变化情况确定测量储罐中液体的高度。下列分析正确的是(　　) A.若电流振荡频率减小，则电容器电容减小，罐中液面下降 B.若电流振荡频率减小，则电容器电容增大，罐中液面上升 C.若电流振荡频率增大，则电容器电容减小，罐中液面上升 D.若电流振荡频率增大，则电容器电容增大，罐中液面下降 答案：B 解析：根据f＝，又C＝，可知电流振荡频率减小，则电容器电容增大，电容器两极板间的相对介电常数变大，罐中液面上升，故A错误，B正确；反之电流振荡频率增大，则电容器电容减小，电容器两极板间的相对介电常数变小，罐中液面下降，故C、D错误。故选B。 知识点三　麦克斯韦电磁场理论 　　如图所示，磁铁相对闭合线圈向下运动时，闭合线圈中的自由电荷做定向移动，是受到什么力的作用？这能否说明变化的磁场产生了电场？如果没有导体，情况会怎样？ 提示：说明电荷受到电场力的作用，变化的磁场产生了电场；没有导体，该处仍产生电场。 学生用书⬇第91页 1.对麦克斯韦电磁场理论的理解 (1)恒定的磁场不会产生电场，恒定的电场也不会产生磁场。 (2)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。 (3)振荡变化的磁场在周围空间产生同频率振荡的电场，振荡变化的电场在周围空间产生同频率振荡的磁场。 2.对电磁场的认识 (1)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，以光速(真空中)在空间传播，传播方向上的任一点，E与B彼此垂直且与传播方向垂直，如图所示。 (2)电磁场是动态的，并且电场和磁场不可分割，磁感线、电场线都是闭合的曲线；静电场、静磁场是单独存在的，且电场线是非闭合曲线，静止的电场和磁场不是电磁场。 3.机械波与电磁波的比较 项目 机械波 电磁波 对象 研究力学现象 研究电磁现象 周期性 变化的 物理量 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 传播需要介质，波速与介质有关，与频率无关 传播无需介质，在真空中波速总是c，在介质中传播时，波速与介质及频率都有关系 产生 由质点(波源)的振动产生 由周期性变化的电流(电磁振荡)激发 干涉 可以发生 可以发生 衍射 可以发生 可以发生 分类 可以是横波 也可以是纵波 一定是横波 　　变化的磁(电)场周围产生的电(磁)场的性质由磁(电)场的变化情况决定：均匀变化的磁(电)场产生恒定的电(磁)场，非均匀变化的磁(电)场产生变化的电(磁)场，振荡的磁(电)场产生同频率振荡的电(磁)场。 (多选)按照麦克斯韦的电磁场理论，以下说法中正确的是(　　) A.恒定的电场周围产生恒定的磁场，恒定的磁场周围产生恒定的电场 B.变化的电场周围产生磁场，变化的磁场周围产生电场 C.均匀变化的电场周围产生均匀变化的磁场，均匀变化的磁场周围产生均匀变化的电场 D.周期性变化的电场周围产生周期性变化的磁场，周期性变化的磁场周围产生周期性变化的电场 答案：BD 解析：麦克斯韦电磁场理论的核心内容是：变化的电场周围产生磁场，变化的磁场周围产生电场。对此理论全面正确理解为：不变化的电场周围不产生磁场；变化的电场周围可以产生变化的磁场，也可产生不变化的磁场；均匀变化的电场周围产生稳定的磁场；周期性变化的电场周围产生同频率的周期性变化的磁场。变化的磁场周围产生电场的规律与上面相似。由此可知，选项B、D正确。 针对练1.在如图所示的四种磁场中能产生恒定的电场的是(　　) 答案：C 解析：A中磁场不变，则不会产生电场，故A错误；B中磁场方向变化，而大小不变，则不会产生恒定的 电场，故B错误；C中磁场随时间均匀变化，则会产生恒定的电场，故C正确；D中磁场随时间非均匀变化，则会产生非均匀变化的电场，故D错误。 针对练2.(多选)如图所示，有一水平放置、内壁光滑、绝缘的真空圆形管，半径为R，有一带正电的粒子静止在管内，整个装置处于竖直向上的磁场中，要使带电粒子由静止开始沿管做圆周运动，所加磁场可能是(　　) A.匀强磁场 B.均匀增加的磁场 C.均匀减少的磁场 D.由于洛伦兹力不做功，不管加什么磁场都不能使带电粒子运动 答案：BC 解析：磁场对静止的电荷不产生力的作用，但当磁场变化时可产生电场，电场对带电粒子产生电场力的作用，带电粒子在电场力作用下可以产生加速度，选项B、C正确。 学生用书⬇第92页 1.(多选)关于电磁场理论的叙述正确的是(　　) A.变化的磁场周围一定存在电场，与是否有闭合电路无关 B.周期性变化的磁场产生同频率变化的电场 C.周期性变化的电场和周期性变化的磁场相互关联，形成一个统一的场，即电磁场 D.电场周围一定存在磁场，磁场周围一定存在电场 答案：ABC 解析：变化的磁场周围一定存在着电场，与是否有闭合电路无关，选项A正确；周期性变化的磁场所产生的电场的变化周期与磁场相同，所以周期性变化的磁场产生同频率变化的电场，选项B正确；周期性变化的电场与周期性变化的磁场相互关联，就会在空间形成一个统一的、不可分割的电磁场，选项C正确；变化的磁场周围会产生电场，变化的电场周围会产生磁场，如果电场或磁场是恒定的，则其周围不会产生相应的磁场或电场，选项D错误。 2.关于电磁波，下列说法中正确的是(　　) A.在真空中，频率越高的电磁波速度越大 B.在真空中，电磁波的能量越大，传播速度越大 C.电磁波由真空进入介质，速度变小，波长也变小，而频率不变 D.只要发射电路的电磁振荡停止，产生的电磁波立即消失 答案：C 解析：在真空中，所有电磁波的速度都相同，与频率、能量无关，故A、B错误；电磁波的频率由波源决定，电磁波由真空进入介质，频率不变，而波速减小，波长减小，故C正确；当发射电路的电磁振荡停止，产生的电磁波不会立即消失，还会在空间继续传播，一直到能量消耗殆尽，故D错误。故选C。 3.如图为LC振荡电路某时刻的状态图，不计电磁辐射，下列说法正确的是(　　) A.电容器正在充电 B.振荡电流正在变大 C.线圈自感电动势正在变小 D.电场能正在向磁场能转化 答案：A 解析：由题图可知，此时电流由电容器上极板流向下极板，且下极板带正电，则下极板的正电荷增加，此时电容器正在充电，则电容器中的电场能正在增大，磁场能正在向电场能转化，故A正确，D错误；由于线圈L中的磁场能正在减小，则振荡电流正在变小，但电流变化率正在变大，所以线圈自感电动势正在变大，故B、C错误。故选A。 4.用如图所示的LC电路，可以产生电磁振荡。设其中所用电容器的电容为C、线圈的自感系数为L，则该电路辐射电磁波的频率为　　　　。若将所用电容器的电容变为4C，线圈的自感系数不变，则电容器的带电量由最多逐渐减少到零所经历的时间t＝　　　。 答案：　π 解析：电磁波的频率为f＝。 电容变为4C时，振荡电流的周期为 T'＝2π＝4π。 电容器的带电量由最多到零的时间为个周期， 则t＝T'＝π。 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