电磁振荡与电磁波

by甘腾胜@20230112新粤教版(2019)高中物理选择性必修第二册第一章4电磁振荡与电磁波这些都是电磁波！电磁波是如何产生的呢？新课引入观察振荡电路电流变化情况一个周期性变化放电充电充电放电ｑｉｑｉｑｉｑｉ++++----++++----q=Qmi=0q=Qmi=0q=0i=Imq=0i=Im观察振荡电路电流变化情况LCLC振荡电路

电磁振荡1、振荡电流：大小和方向都做周期性变化的电流叫振荡电流。2、振荡电路：产生振荡电流的电路叫振荡电路。①LC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。

电磁振荡3、电磁振荡：在振荡电路产生振荡电流的过程中，电容器极板上的电荷、通过线圈的电流，以及跟电荷和电流相联系的电场和磁场都发生周期性的变化，这种现象叫电磁振荡。正向放电正向充电反向放电反向充电振荡电路的工作原理电磁振荡的充放电过程①电容器充电结束，两极板上的电荷最多。②回路中电流从0开始逐渐增到最大。两极板电荷量从最大减为0。③自感线圈给电容器正向充电结束，回路中电流从最大减为0，两极板电荷量从0变回最大。④电容开始反向放电。⑤自感线圈给电容器反向充电，于是整个电路回到最开始状态。电磁振荡的特点LC回路工作过程具有对称性和周期性，可归结为：(1)两个物理过程：放电过程：电场能转化为磁场能，q↓

→i↑充电过程：磁场能转化为电场能，q↑→i↓(2)两个特殊状态：充电完毕状态：电场能最大，磁场能最小。放电完毕状态：磁场能最大，电场能最小。电磁振荡的图像分析电流I0t+-电容器电量Q0t+-+-+-+-正向放电正向充电反向放电反向充电电磁振荡【练1】(单)在LC振荡电路中，在电容器充电完毕未开始放电时，正确的说法是：A．电场能正向磁场能转化B．磁场能正向电场能转化C．电路里的电场最强D．电路里的磁场最强C电磁振荡中的能量变化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?i0tB0tQ0tE0t时间t电流I电量Q电场能磁场能0零最大最大最大零零零零零零零最大最大最大最大最大最大最大零零电磁振荡中的能量变化B

0tE

t0磁场能

电场能

电场能磁场能充电磁感强度B电容器带电量ｑ电路中电流i两极间场强E放电T电磁振荡中的能量变化电磁振荡的过程中，电场能和磁场能发生周期性的转化。Q、B、i、E变化周期电场能、磁场能变化周期电磁振荡的周期和频率L1＞L2C1＞C2第一次的振荡周期大于第二次的振荡周期。电磁振荡的周期和频率1、周期和频率：①电磁振荡完成一次周期性变化所需的时间叫做周期。②一秒钟内完成周期变化的次数叫做频率。

LC回路的周期和频率：由回路本身的特性决定。

这种由振荡回路本身特性所决定的振荡周期（或频率）叫做振荡电路的固有周期（或固有频率），简称振荡电路的周期（或频率）。2、在一个周期内，振荡电流的方向改变两次；

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理论分析表明，LC电路的周期T与电感L、电容C的关系是①式中各物理量

T、L、C、f

的单位分别是

s、H、F、Hz。②改变周期的方法：L：线圈的大小、形状、匝数、铁芯。分类：无阻尼振荡和阻尼振荡A、若没有能量损耗，则振荡电流的振幅将不变，这种振荡叫无阻尼振荡。如左图。B、任何振荡电路中，总存在能量损耗，使振荡电流的振幅逐渐减小，这种振荡叫阻尼振荡。如右图。电磁振荡和机械振动比较不同点：本质不同的两种运动形式。相同点：各物理量都是随时间做周期性的变化。电磁振荡

CD【练3】(单)在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，规定电路中振荡电流逆时针方向为正方向，则电路中振荡电流随时间变化的图像是D电磁振荡【练4】(单)由可变电容器和固定的电感线圈组成的LC振荡电路，当电容调到40

pF时，电路中产生的振荡电流的频率为

f1，当电容调到360pF时，电路中产生的振荡电流的频率为

f2，则A．f1=9f2B．f1=f2/3C．f1=f2/9D．f1=3f2D电磁振荡【练5】(单)如图所示，是处于某一时刻的LC振荡电路的情况，下列说法正确的是A．电容器正在充电，电场能正转变成磁场能B．电容器正在放电，电场能正转变成磁场能C．电容器正在充电，磁场能正转变成电场能D．电容器正在放电，磁场能正转变成电场能C电磁振荡电磁振荡电路中的能量有一部分要以电磁波的形式辐射到周围空间中去，那么，这些电磁波是怎样产生的？新课引入电磁场1、变化的磁场产生电场装置如图所示，当穿过螺线管的磁场随时间变化时，上面的线圈中产生感应电动势，引起感应电流使灯泡发光。线圈中产生感应电动势说明了什么？麦克斯韦认为变化的磁场在线圈中产生电场，正是这种电场(涡旋电场)在线圈中驱使自由电子做定向的移动，引起了感应电流。

电磁场1、变化的磁场产生电场电磁场理论的核心之一麦克斯韦认为在变化的磁场周围产生电场，是一种普遍存在的现象，跟闭合电路是否存在无关，导体环只是用来显示电流的存在。这实际上是个假设。这个假设基于电磁感应现象，是很自然的。注意：这种电场的电场线是闭合的（涡旋电场）EtOBtOtBOEOt正弦曲线振荡磁场振荡电场E与B频率相同电磁场①均匀变化的磁场产生稳定的电场恒定的磁场产生电场吗？不！②周期性变化的磁场产生同频率的振荡电场非均匀变化的磁场产生什么样的电场？变化的！电磁场既然变化的磁场能够在空间产生电场，那么，变化的电场能不能够在空间产生磁场？2、变化的电场产生磁场麦克斯韦经过反复思考提出假设：变化的电场也相当于一种电流，也在空间产生磁场，即变化的电场在空间产生磁场。电磁场BtOEtOtEOBOt正弦曲线振荡电场振荡磁场B与E频率相同①均匀变化的电场产生稳定的磁场恒定的电场产生磁场吗？不产生！非均匀变化的电场产生什么样的磁场呢？变化的磁场！②周期性变化的电场产生同频率的振荡磁场电磁场思考与讨论：如果一个变化的电场会产生一个变化的磁场，那么下面还要发生什么现象呢？变化的电场和变化的磁场总是相互联系的，它们形成一个不可分离的统一场，这就是电磁场。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电磁波对麦克斯韦电磁理论的理解非均匀变化的磁场变化电场若是均匀变化稳定磁场不再激发若非均匀变化变化磁场若是均匀变化稳定电场若非均匀变化激发激发激发电磁波电磁波形成示意图激发E⊥B⊥V波速：v=λ/T=λf电磁波（1）电磁波中的电场和磁场互相垂直，电磁波在与二者均垂直的方向传播，所以电磁波是横波。电磁波的特点电磁波电磁波的特点（2）电磁波可以在真空中传播速度等于光速。c=3×108m/s（3）电磁波的频率由振源决定，同一电磁波在不同介质中传播，v和λ变化，v介<c。（4）不同电磁波在同一介质中传播，速度不同，f越高，v越小；f越低，v越大。（5）电磁波具有波的共性，能发生反射、折射、干涉、衍射、多普勒效应和偏振现象。（6）电磁波有能量。电磁波【练6】(单)按照麦克斯韦的电磁场理论，以下说法中正确的是A．恒定的磁场在周围产生恒定的电场B．变化的磁场在周围产生变化的电场C．均匀变化的磁场在周围产生均匀变化的电场D．均匀变化的磁场在周围产生恒定的电场D电磁波【练7】(多)关于电磁波，下列说法中正确的是A．均匀变化的电场和均匀变化的磁场互相激发，由产生处向远处传播形成电磁波B．振荡电场和振荡磁场互相激发，由产生处向远处传播形成电磁波C．电磁波的振荡电场和振荡磁场方向互相垂直，且与传播方向互相垂直D．电磁波能够发生反射、干涉、衍射、偏振现象BCD机械波的传播需要介质变化的电场与变化的磁场交替产生，由近及远地向周围传播，形成电磁波。电磁波与机械波的比较电磁波靠电和磁的相互"感应"传播，而不是靠介质的机械传递。电磁波与机械波的比较1、机械波与电磁波的共性机械波与电磁波是本质上不同的两种波，但它们有共同的性质：(1)都具有波的特性，能发生反射、折射、干涉和衍射等物理现象；(2)都满足v＝λ/T＝λf；(3)波从一种介质传播到另一种介质，频率都不变。对比内容电磁波机械波本质电磁现象力学现象产生机理由电磁振荡产生由机械振动产生

周期性变化的量场强E与磁感应强度B随时间和空间作周期性变化质点的位移x、加速度a随时间和空间作周期性变化波的性质横波既有横波，又有纵波传播介质不需要介质，可在真空中传播只在弹性介质中传播速度特点由介质和频率决定仅由介质决定电磁波与机械波的比较2、机械波与电磁波的区别电磁波【练8】(多)比较电磁波和机械波，下列说法中正确的是A．电磁波和机械波都可以在真空中传播B．电磁波和机械波都是传递能量的一种形式C．电磁波和机械波都能产生反射、干涉、衍射、偏振现象D．电磁波和声波都是纵波BC麦克斯韦赫兹的电火花预言光是电磁波光是按电磁波规律传播的一种电磁振荡——光是一种电磁波。赫兹电火花传播火花赫兹的电火花当与感应圈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，说明这个导线环接收到了电磁波。赫兹的电火花微弱的电火花闪烁着麦克斯韦理论的光辉，赫兹向全世界宣告：电磁波发现了。生活中电磁波的产生生活中电磁波的产生核弹爆炸生活中电磁波的产生X射线照射下的鱼X射线照射下的手电磁波【练9】(单)任何电磁波在真空中都具有相同的A．频率B．波长C．波速D．能量C电磁波【练10】(单)关于电磁波，下列说法中正确的是A．变化的电场一定在周围空间产生变化的磁场B．麦克斯韦首先预言了电磁波的存在，赫兹最先用实验证实了电磁波的存在C．电磁波的传播速度等于光速CD．各种频率的电磁波在真空中以不同的速度来传播B小结1、麦克斯韦电磁场理论的两个支柱：变化的磁场产生电场、变化的电场产生磁场。2、变化的电场和磁场相互联系形成统一的电磁场。电磁场在空间传播形成电磁波。

3、赫兹实验的过程及对无线电技术的贡献。新课引入在普通的LC振荡电路中，电场主要集中在电容器的极板之间，磁场主要集中在线圈内部。在电磁振荡的过程中，电场能和磁场能主要是在电路内互相转化，辐射出去的能量很少，怎样才能有效地发射电磁波呢？麦克斯韦的电磁场理论:变化的电场产生变化的磁场，变化的磁场又产生变化的电场……这样就产生了电磁波。广播电台声电电磁波发射电视台声光电电磁波发射新课引入无线电波1、无线电技术中使用的电磁波叫无线电波。2、无线电波的波长从几毫米到几十千米不等。根据波长（或频率）又可以把无线电波分成长波、中波、中短波、短波和微波等几个波段。无线电波的波段分布波段波长频率传播方式主要用途长波30000m~3000m10kHz~100kHz地波超远程无线通讯和导航中波3000m~200m100kHz~1500kHz地波和天波调幅无线电广播、电报、通信中短波200m~50m1500kHz~6000kHz短波50m~10m6MHz~30MHz天波微波米波10m~1m30MHz~300MHz近似直线传播调频无线电广播、电视、导航分米波1m~0.1m300MHz~3000MHz直线传播电视、雷达、导航厘米波10cm~1cm3000MHz~30000MHz毫米波10mm~1mm30000MHz~300000MHz开放电路开放开放无线电波的发射1、有效发射电磁波的条件和方法第一：要有足够高的振荡频率。振荡电路向外界辐射能量的本领，与振荡频率密切相关。频率越高，发射电磁波的本领就越大。①减小电容C：增大板间距d，减小正对面积S②减小自感系数L第二：振荡电路的电场和磁场必须分散到尽可能大的空间，这样才能有效地把能量辐射出去。振荡电路变为成为一条导线天线地线实际应用中的开放电路，线圈的一端用导线与大地相连，这条导线叫作地线；线圈的另一端与高高地架在空中的天线相连。无线电波就能由这样的开放电路有效地发射出去。无线电波的发射天线和大地构成一个巨大的电容将发射塔建的很高无线电波的发射2、使载波随各种信号而改变的技术——调制为了传送声音、文字、图象等信号，首先要把传递的信号转变成电信号。但这种电信号的频率较低，不能直接发射出去，需要将这种低频电信号加到高频振荡电流上发射出去。①调制：把传递的电信号（叫做调制信号）加到高频振荡电路（叫做载波）上的过程。进行调制的装置叫做调制器。无线电波的发射2、使载波随各种信号而改变的技术——调制②常用的调制方式——调幅、调频A、调幅：高频电流或电压的振幅随信号改变，这种调制叫做调幅，用AM表示。B、调频：使高频电流或电压的频率随信号改变的调制方式叫做调频。用FM表示。长波短波微波无线电波的传播方式长波无线电波的传播方式长波：波长较长，容易产生衍射现象。长波在地面传播时能绕过障碍物（大山、高大建筑物……）短波无线电波的传播方式长波容易被电离层吸收；短波容易被电离层反射；微波容易穿过电离层。微波无线电波的传播方式微波:频率很高；直线传播。鱼骨天线卫星接收天线各种信号无线电波的接收1、接收原理和设备①原理：电磁感应现象，导体遇到电磁波会产生感应电流。②设备：接收天线接收电磁波后首先要从诸多的信号中筛选出自己想要的，这就要设法使我们所需的电磁波在接收天线中激起的感应电流最强。如何实现筛选呢？f=f0→调谐电路无线电波的接收2、筛选装置当接收电路的固有频率跟收到的电磁波的频率相同时，接收电路中产生的振荡电流最强，这种现象叫做电谐振。调谐：使接收电路发生电谐振的过程。这是原信号吗？这是原信号+载波解调：把声音或图像信号从高频电流中还原出来解调调幅调频（检波）放大电路声音图像调谐器解调器放大电路天线4、无线电的接收全过程无线电波的接收3、解调过程还原声音和图像信号无线电波的接收收音机内的接收装置就是一个简单的调谐电路。电视广播的发射和接收1、电视信号的采集过程与发射③卫星传输信号不受外界干扰收视质量更好电视广播的发射和接收2、电视信号的主要传播方式①无线电传输②有线网络传输：电缆、光缆（有线电视）调谐接收天线解调图像电信号声音电信号显示图像放大器发出声音有线传输光信号图像电信号声信号声音电信号电视广播的发射和接收3、电视信号的接收电磁波的发射、传播和接收【练11】(单)调谐电路中可变电容器的动片从完全旋入到完全旋出仍接收不到某较高频率电台发出的电信号，要收到该电台的信号，应该A．增加调谐电路线圈的匝数 B．加大电源电压C．减少调谐电路线圈的匝数 D．减小电源电压C电磁波谱按电磁波的波长或频率大小的顺序把它们排列成谱，叫电磁波谱。电磁波谱从左向右频率逐渐增大，波长逐渐减小不同的电磁波由于具有不同的频率，才具有不同的特性。电磁波谱【练12】(单)现在用于家庭烹调加热食物的家用电器种类很多，加热的原理也不尽相同，下列加热装置中，直接使食物分子振动，从而起到加热作用的装置是A．电饭煲 B．微波炉 C．电磁灶 D．石油气炉B通信广播通过无线电波遥控天体无线电波1、无线电波：波长大于1mm（频率小于300GHz)的电磁波。2、用途：通信、广播和天体物理研究等。无线电波广播电视塔雷达天线无线电话世界最大的球面射电望远镜FAST（贵州）无线电波红外线1、红外线：是一种波长比红光的波长还长的不可见光。其波长范围很宽，约750nm～１×106nm。2、由英国物理学家赫谢尔于1800年首先发现红外线，一切物体都在不停地辐射红外线，物体温度越高，辐射红外线的本领越强。3、红外线具有显著热作用。红外摄影非接触红外测温红外线4、用途：红外摄影、红外遥感技术。夜视仪红外线4、用途：红外摄影、红外遥感技术。红外摄影红外线4、用途：红外摄影、红外遥感技术。红外遥感地图红外线4、用途：红外摄影、红外遥感技术。红外体温探测红外线4、用途：红外摄影、红外遥感技术。红外线许多动物具有发达的红外感受器官，因此在夜间也可以"看到"物体。查一查哪些动物有这方面的功能。响尾蛇毒性很大，它的眼睛对可见光几乎失去了作用。但是它有“热眼”它能够接收小动物身上发出来的红外辐射，并把外界温差和红外线通过神经反映给大脑，大脑发出相应的“命令”，引导毒蛇去猎取食物。可见光1、能作用于人的眼睛并引起视觉的称为可见光，如：红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫各色光。在电磁波中是一个很窄的波段，（波长为750nm～370nm）。2、应用：观察物体，照像等等。可见光波长（频率）范围不同的光表现为不同的颜色。色散可见光彩虹可见光可见光天空为什么是蓝色的？阳光进入大气时，波长较长的色光，如红光，透射力大，能透过大气射向地面；而波长短的紫、蓝、青色光，碰到大气分子、冰晶、水滴等时，就很容易发生散射现象。被散射了的紫、蓝、青色光布满天空，就使天空呈现出一片蔚蓝了。朝霞晚霞可见光早晨或傍晚的天空为什么会出现彩霞？傍晚和早晨，太阳斜射大气，光线在大气中的运行距离变长，蓝紫光在大气中已散射完，剩余的红、橙光较多，红、橙光占优势，因此傍晚时天空呈橙红色。紫外线1、紫外线是一种波长比紫光还短的不可见光；其波长范围约5nm～370nm。2、德国物理学家里特于1801年首先发现的，一切高温物体发出的光中，都有紫外线。3、作用：荧光、化学作用、杀菌消毒。紫外线【练13】(单)下列关于紫外线的说法中正确的是A．照射紫外线可增进人体对钙的吸收，因此人们应尽可能多地接受紫外线的照射B．紫外线是一种可见光C．紫外线有很强的荧光效应，可用于防伪D．紫