第1节 电磁波的产生

第4章

|

电磁波第1节电磁波的产生核心素养点击

物理观念(1)初步了解麦克斯韦的电磁场理论的基本思想。(2)知道电磁波的概念，了解电磁场是物质的一种形式。(3)了解电磁振荡，知道电磁振荡的周期和频率。科学思维(1)领会在发现电磁波的过程中所蕴含的科学精神和科学研究方法；体会赫兹实验的重大意义。(2)经历分析电磁振荡周期与L、C关系的过程，体会定性分析推理的方法。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，为人类造福的责任感。一、麦克斯韦的预言、赫兹实验1．填一填(1)19世纪60年代，英国物理学家麦克斯韦建立了完整的

理论，并预言了

________的存在。(2)麦克斯韦电磁场理论的两个基本假设①变化的磁场能够在周围空间产生

。②变化的电场能够在周围空间产生

。电磁场电磁波电场磁场

图甲变化的磁场在其周围空间产生

。

图乙变化的电场在其周围空间产生

。(3)电磁场

变化的电场和变化的磁场

产生，形成不可分割的统一体，称为电磁场。(4)电磁波

这种在空间交替变化的

在空间的传播称为电磁波。(5)赫兹实验

赫兹利用如图所示的实验装置，证实了

的存在。电场磁场交替电磁场电磁波2．判一判(1)19世纪60年代，麦克斯韦用实验发现了电磁波的存在。

()(2)交变的电场和交变的磁场相互联系，产生电磁场。

()(3)不同频率的电磁波在空间传播的速度是不同的。

(

)3．想一想根据麦克斯韦电磁场理论，你认为电磁波是怎样产生的？提示：交变的电场周围产生交变的磁场，交变的磁场周围产生交变的电场，在空间交替变化并传播出去的电磁场就形成了电磁波。××√二、电磁振荡1．填一填(1)振荡电流

大小和

都周期性变化的电流。(2)振荡电路

产生

的电路称为振荡电路。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

，如图所示。(3)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

，电场能和磁场能相互

，这种现象称为电磁振荡。方向振荡电流LC振荡电路变化转化(4)电磁振荡的周期和频率①电磁振荡的周期T：完成一次

的时间。②电磁振荡的频率f：一段时间内完成

的次数与这段时间之比。(5)LC振荡电路的周期和频率①公式：T＝2

，f＝

。②单位：周期T、频率f、自感L、电容C的单位分别是

、赫兹(Hz)、

、法拉(F)。周期性变化周期性变化秒(s)亨利(H)2．判一判(1)LC振荡电路中的电流方向和大小都做周期性变化。

()(2)自感越大，电荷量越大，振荡电路的频率越大。

(

)(3)只减小LC电路中电感线圈的匝数，振荡电流的周期减小。

(

)√√×3．选一选要增大LC振荡电路的频率，可采取的办法是

(

)A．减小电容器两极板正对面积B．减少电容器的带电荷量C．在线圈中放入软铁棒作铁芯D．增加线圈匝数答案：A

探究(一)

麦克斯韦电磁场理论和电磁波[问题驱动](1)变化的磁场一定产生变化的电场吗？请解释下原因。(2)电磁场与静电场、静磁场相同吗？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)不同。电磁场是动态的，并且电场和磁场不可分割；静电场、静磁场单独存在。

[重难释解]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项目机械波电磁波产生由质点(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(多选)根据麦克斯韦的电磁场理论，下列说法正确的是(

)A．变化的电场(或磁场)产生的磁场(或电场)一定是变化的B．变化的电场(或磁场)产生的磁场(或电场)一定是稳定的C．周期性变化的电场(或磁场)产生的磁场(或电场)一定是周期性变化的D．周期性变化的电场(或磁场)一定可以产生电磁波[解析]均匀变化的电场(或磁场)产生稳定的磁场(或电场)；周期性变化的电场(或磁场)产生周期性变化的磁场(或电场)，周期性变化的电场和周期性变化的磁场相互联系着形成统一的电磁场，电磁场传播出去就形成了电磁波。[答案]

CD[素养训练]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．教室中点亮的日光灯周围空间必有磁场和电场B．工作时打点计时器周围必有磁场和电场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：教室中点亮的日光灯、工作时打点计时器用的振荡电流，在其周围均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。答案：ABD

2．如图所示是某一固定平面的磁通量随时间的变化图像，在它周围

空间产生的电场中的某一点电场强度E应是

(

)A．逐渐增强 B．逐渐减弱C．不变

D．无法确定解析：由题图可知磁通量Φ随时间t均匀变化，由Φ＝BS，可知磁场是均匀变化的，根据麦克斯韦电磁场理论可知C正确。答案：C

3．(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(粒子直径略小于管内径)，

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。答案：BC探究(二)

电磁振荡的周期性变化规律[问题驱动]按如图所示的装置连接好电路。先把开关扳到电池组一边，给电容器充电，稍后再把开关扳到线圈一边。(1)此后电路中有哪些物理量发生了变化？(2)电路中的能量是怎样转化的？提示：(1)电容器极板上的电荷量、极板间电压、板间电场强度、电场能、电感线圈中的电流、磁感应强度、磁场能均发生周期性的变化。(2)电容器放电过程：电容器极板间的电场能转化为电感线圈中的磁场能；电容器充电过程：电感线圈中的磁场能转化为电容器极板间的电场能。

[重难释解]1．用图像对应分析LC振荡电路中i、q的变化关系，如图3．几个关系(1)同步同变关系。

在LC振荡电路发生电磁振荡的过程中，电容器上的物理量：电荷量q、板间电压U、电场强度E、电场能E电是同步同向变化的，即：q↓→U↓→E↓→E电↓(或q↑→U↑→E↑→E电↑)

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↓→E磁↓(或i↑→B↑→E磁↑)。(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、E电与线圈中的三个物理量i、B、E磁是同步异向变化的，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。(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aB．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[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方向由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，可判断电流方向由b向a，电容器上极板带正电，故选项C正确，D错误。[答案]

AC[迁移·发散](多选)在典例激活2情境中，已知电容器上极板带正电，如图所示，以下说法正确的是

(

)A．电容器正在充电B．电容器两极板间的电压正在增大C．电感线圈中的电流正在增大D．此时刻自感电动势正在阻碍电流增大[解析]

由电流的磁场方向可判断线圈中电流方向从上往下看是逆时针方向，又电容器上极板带正电，可知电容器正在放电，两极板间电压减小，电路中的电流在增大，此时刻自感电动势正在阻碍电流增大，故A、B错误，C、D正确。[答案]

CDLC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：当电容器的带电荷量q(电压U、电场强度E)增大或电流i(磁场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。[素养训练]1.

如图所示是一个LC振荡电路中电流随时间变化的图线，下列说法

正确的是

(

)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0C．t1时刻电路中只有电场能D．t1时刻电容器所带电荷量为0解析：振荡过程中由于电感和电容的存在，电路不是纯电阻电路，故不满足闭合电路欧姆定律的适用条件，t1时刻电容器两极板电荷量为0，电压为0，t2时刻电容器两极板电荷量最大，电压最大，A、B错误。电流i最大时，说明磁场最强，磁场能最大，电场能为0，电压、电容器所带电荷量均为0，故C错误，D正确。答案：D

答案：B

一、培养创新意识和创新思维1．赫兹在1888年做了一个有名的实验，证明了电磁波的存在。他把环状导线的两端各固定一个金属小球，两小球之间有一很小间隙，他把这个装置放在一个距离正在放电发生电火花的感应线圈不远的地方，令他振奋的现象发生了。他当时看到了什么现象？为什么说这个现象让他捕捉到了电磁波？提示：他看到两球间隙处产生了火花放电。因为正在放电的感应线圈周围建立了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，接收器产生感应电动势，使接收器两球间隙处产生电压，当电压足够高时就会产生火花放电，从而证明了电磁波的存在。二、注重学以致用和思维建模2．(多选)如图所示是一台电子钟，其原理类似于摆钟，摆钟是利用单摆的

周期性运动计时的，电子钟是利用LC振荡电路来计时的，有一台电子

钟在家使用一段时间后，发现每昼夜总是快1min。出现这种现象的可能原因是(

)A．L不变，C变大了 B．L不变，C变小了C．L变小了，C不变

D．L、C均变小了答案：BCD

3．5G是“第五代移动通信技术”的简称，其最显著的特征之一是具有超高速的数据传输速率。5G信号一般采用3.3×109～6×109Hz频段的无线电波，而现行第四代移动通信技术4G的频段范围是1.88×109～2.64×