第十三章　第3课时　电磁振荡与电磁波-2025物理大一轮复习讲义人教版

第3课时电磁振荡与电磁波目标要求1.了解LC振荡电路中振荡电流的产生过程及电磁振荡过程中能量转化情况。2.掌握电磁振荡的周期公式和频率公式。3.理解麦克斯韦电磁场理论，了解电磁波的产生、发射、传播和接收过程。考点一电磁振荡1．振荡电路：产生大小和方向都做周期性迅速变化的电流(即振荡电流)的电路。由电感线圈L和电容C组成最简单的振荡电路，称为LC振荡电路。2．电磁振荡：在LC振荡电路中，电容器不断地充电和放电，就会使电容器极板上的电荷量q、电路中的电流i、电容器内的电场强度E、线圈内的磁感应强度B发生周期性的变化，这种现象就是电磁振荡。3．电磁振荡中的能量变化(1)放电过程中电容器储存的电场能逐渐转化为线圈的磁场能。(2)充电过程中线圈中的磁场能逐渐转化为电容器的电场能。(3)在电磁振荡过程中，电场能和磁场能会发生周期性的转化。4．电磁振荡的周期和频率(1)周期T＝2πeq\r(LC)。(2)频率f＝eq\f(1,2π\r(LC))。思考如图甲、乙、丙、丁、戊五个图代表LC振荡电路中的五个状态。(1)甲图qC最大，i＝0；乙图i最大，qC＝0；丙图qC最大，i＝0；丁图i最大，qC＝0；戊图qC最大，i＝0。(2)从甲→乙的过程中，i增大，qC减小；从乙→丙的过程中，i减小，qC增大；从丙→丁的过程中，i增大，qC减小；从丁→戊的过程中，i减小，qC增大。(3)画出从甲开始计时一个周期内i－t、qC－t图像。答案1．LC振荡电路中，电容器放电完毕时，回路中电流最小。(×)2．LC振荡电路中，回路中的电流最大时回路中的磁场能最大。(√)3．电磁振荡的固有周期与电流的变化快慢有关。(×)例1(2024·北京市模拟)如图甲所示为某一LC振荡电路，图乙i－t图像为LC振荡电路的电流随时间变化的关系图像。在t＝0时刻，回路中电容器的M板带正电，下列说法中正确的是()A．O～a阶段，电容器正在充电，电场能正在向磁场能转化B．a～b阶段，电容器正在放电，磁场能正在向电场能转化C．b～c阶段，电容器正在放电，回路中电流沿顺时针方向D．c～d阶段，电容器正在充电，回路中电流沿逆时针方向答案C解析O～a阶段，电容器正在放电，电流不断增加，电场能正在向磁场能转化，选项A错误；a～b阶段，电容器正在充电，电流逐渐减小，磁场能正在向电场能转化，选项B错误；b～c阶段，电容器正在放电，回路中电流沿顺时针方向，选项C正确；c～d阶段，电容器正在充电，回路中电流沿顺时针方向，选项D错误。例2(2023·江苏南京市六校调研)在LC振荡电路中，某时刻电路中的电流方向如图所示，且电流正在减小，则该时刻()A．电容器上极板带负电，下极板带正电B．电容器两极板间电压正在减小C．电场能正在向磁场能转化D．电流的变化率减小答案A解析根据电流正在减小可以判断，此时电容器在充电，结合电流方向知电容器上极板应该带负电，下极板带正电，在振荡电路中，当电容器充电时，电流减小但电流变化得越来越快，即电流变化率增大；电容器上的电荷量增大，此时，磁场能转化为电场能，故A正确，C、D错误；由Q＝CU可得，电容器电荷量增大，两极板间的电压也增大，故B错误。LC振荡电路充、放电过程的判断方法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，磁场能向电场能转化，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，电场能向磁场能转化，处于放电过程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(磁感应强度B)减小时，处于充电过程；反之，处于放电过程根据能量判断电场能增加时充电，磁场能增加时放电例3(2020·浙江1月选考·8)如图所示，单刀双掷开关S先打到a端让电容器充满电。t＝0时开关S打到b端，t＝0.02s时LC回路中电容器下极板带正电荷且电荷量第一次达到最大值。则()A．LC回路的周期为0.02sB．LC回路的电流最大时电容器中电场能最大C．t＝1.01s时线圈中磁场能最大D．t＝1.01s时回路中电流沿顺时针方向答案C解析以顺时针电流为正方向，LC电路中电流和电荷量变化的图像如图所示，t＝0.02s时电容器下极板带正电荷且最大，根据图像可知周期为T＝0.04s，故A错误；根据图像可知电流最大时，电容器中电荷量为0，电场能最小为0，故B错误；1.01s时，经过25eq\f(1,4)T，根据图像可知此时电流最大，电流沿逆时针方向，说明电容器放电完毕，电场能全部转化为磁场能，此时磁场能最大，故C正确，D错误。例4某LC电路的振荡频率为520kHz，为能提高到1040kHz，以下说法正确的是()A．调节可变电容，使电容增大为原来的4倍B．调节可变电容，使电容减小为原来的eq\f(1,4)C．调节电感线圈，使线圈匝数增加到原来的4倍D．调节电感线圈，使线圈电感变为原来的eq\f(1,2)答案B解析由振荡频率公式f＝eq\f(1,2π\r(LC))可知，要使频率提高到原来的2倍，则可以减小电容使之变为原来的eq\f(1,4)，或减小电感使之变为原来的eq\f(1,4)，故B正确，A、C、D错误。考点二电磁波的特点及应用1．麦克斯韦电磁场理论2．电磁波(1)电磁场在空间由近及远地向周围传播，形成电磁波。(2)电磁波的传播不需要(填“需要”或“不需要”)介质。在真空中不同频率的电磁波传播速度相同，都等于光速3×108_m/s。在同一介质中不同频率的电磁波传播速度是不同的，频率越高，波速越小。(3)v＝λf，f是电磁波的频率。3．无线电波的发射(1)发射条件：开放电路和高频振荡信号，所以要对传输信号进行调制。(2)调制方式①调幅：使高频电磁波的振幅随信号的强弱而改变。②调频：使高频电磁波的频率随信号的强弱而改变。4．无线电波的接收(1)当接收电路的固有频率跟收到的无线电波的频率相同时，接收电路中产生的振荡电流最强，这就是电谐振现象。(2)使接收电路产生电谐振的过程叫作调谐，能够调谐的接收电路叫作调谐电路。(3)从经过调制的高频振荡信号中“检”出调制信号的过程，叫作检波。检波是调制的逆过程，也叫作解调。5．(1)电磁波谱：按照电磁波的波长大小或频率高低的顺序把它们排列成谱叫作电磁波谱。按波长由长到短排列的电磁波谱为：无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线。(2)电磁波谱分类及应用电磁波谱频率/Hz真空中波长/m特性应用递变规律无线电波＜3×1011＞10－3波动性强，易发生衍射无线电技术波长越长，越容易产生干涉、衍射现象，波长越短，穿透能力越强。不同频率的电磁波在同一种介质中传播时，频率越高，折射率越大，速度越小红外线1011～101510－7～10－3热效应红外遥感可见光101510－7引起视觉照明、摄影紫外线1015～101610－8～10－7化学效应、荧光效应、灭菌消毒医用消毒、防伪X射线1016～101910－11～10－8穿透本领强检查、医用透视γ射线＞1019＜10－11穿透本领最强工业探伤、医用治疗6.各种电磁波产生机理无线电波振荡电路中电子周期性运动产生红外线、可见光和紫外线原子的外层电子受激发后产生X射线原子的内层电子受激发后产生γ射线原子核受激发后产生1．振荡电路的频率越高，发射电磁波的本领越大。(√)2．要将传递的声音信号向远距离发射，必须以高频电磁波作为载波。(√)3．振荡电路的电场和磁场必须集中到尽可能小的空间，这样才能有效地把能量辐射出去。(×)4．只有接收电路发生电谐振时，接收电路中才有振荡电流。(×)5．解调是调制的逆过程。(√)例5(2024·上海市模拟)以下关于电磁场和电磁波的说法中正确的是()A．电场和磁场总是同时存在的，统称为电磁场B．电磁波是机械波，传播需要介质C．电磁波的传播速度是3×108m/sD．电磁波可在真空中传播答案D解析变化的电场与变化的磁场相互联系，它们统称为电磁场，选项A错误；电磁波不是机械波，传播不需要介质，选项B错误；电磁波在真空中的传播速度是3×108m/s，选项C错误；电磁波可在真空中传播，选项D正确。例6(多选)(2020·江苏卷·13B(1))电磁波广泛应用在现代医疗中。下列属于电磁波应用的医用器械有()A．杀菌用的紫外灯B．拍胸片的X光机C．治疗咽喉炎的超声波雾化器D．检查血流情况的“彩超”机答案AB例7(2023·广东惠州市第一次调研)使用蓝牙耳机接听手机来电，信号传输示意图如图所示，以下说法正确的是()A．蓝牙通信的电磁波是可见光B．在真空中蓝牙通信的电磁波波长比手机通信的电磁波波长短C．两束蓝牙通信的电磁波在任何情况下都不会发生干涉D．蓝牙通信的电磁波在真空中的传播速度小于光速答案B解析蓝牙通信的电磁波是无线电波，不是可见光，故A错误；蓝牙通信的电磁波频率高于手机通信的电磁波频率，所以在真空中蓝牙通信的电磁波波长比手机通信的电磁波波长短，故B正确；若两束蓝牙通信的电磁波频率相同，相位差恒定，就会发生干涉，故C错误；蓝牙通信的电磁波在真空中的传播速度等于光速，故D错误。课时精练1．使用蓝牙耳机可以接听手机来电，蓝牙通信的电磁波波段为(2.4～2.48)×109Hz。已知可见光的波段为(3.9～7.5)×1014Hz，则蓝牙通信的电磁波()A．是蓝光B．波长比可见光短C．比可见光更容易发生衍射现象D．在真空中的传播速度比可见光小答案C解析根据题意可知，蓝牙通信的电磁波频率低于可见光频率，所以蓝牙通信的电磁波不可能是蓝光，故A错误；因为蓝牙通信的电磁波频率低于可见光频率，根据c＝λf可知，波长比可见光长，故B错误；因为波长比可见光长，所以更容易发生衍射现象，故C正确；所有电磁波在真空中传播速度都为光速，是一样的，故D错误。2．(2023·辽宁锦州市模拟)5G是“第五代移动通信技术”的简称，其最显著的特点之一为具有超高速的数据传播速率，5G信号一般采用3.3×109～6×109Hz频段的无线电波，而第四代移动通信技术4G采用的是1.88×109～2.64×109Hz频段的无线电波，则下列说法正确的是()A．空间中的5G信号和4G信号相遇会产生干涉现象B．5G信号比4G信号所用的无线电波在真空中传播得更快C．5G信号相比于4G信号更不容易绕过障碍物，所以5G通信需要搭建更密集的基站D．5G信号比4G信号波长更长答案C解析空间中的5G信号和4G信号的频率不同，不会产生干涉现象，故A错误；5G信号与4G信号所用的无线电波在真空中传播速度一样，均等于光速，故B错误；5G信号相比于4G信号的频率高，波长短，更不容易发生衍射，所以5G信号相比于4G信号更不容易绕过障碍物，所以5G通信需要搭建更密集的基站，故C正确，D错误。3．(多选)下列关于无线电广播要对电磁波进行调制的原因的说法中正确的是()A．经过调制后的高频电磁波向外辐射能量的本领更强B．经过调制后的电磁波在空间传播得更快C．经过调制后的电磁波在空间传播的波长一定不变D．经过调制后的电磁波在空间传播的波长可能改变答案AD解析调制是把要发射的信号“加”到高频振荡电流上去，频率越高，传播信息能力越强，A正确；电磁波在空气中的传播速度接近光速且恒定不变，B错误；由v＝λf，知波长与波速和传播频率有关，C错误，D正确。4．(多选)(2023·北京市海淀区期末)各种电磁波在日常生活和生产中已经被大量应用了。关于电磁波的应用，下列说法中正确的有()A．控制电视、空调的遥控器使用的是红外线B．银行和商店用来鉴别大额钞票真伪的验钞机使用的是X射线C．手机通话使用的是无线电波D．机场、车站用来检查旅客行李包的透视仪使用的是紫外线答案AC解析控制电视、空调的遥控器使用的是红外线，故A正确；银行和商店用来鉴别大额钞票真伪的验钞机使用的是紫外线，不是X射线，故B错误；手机通话使用的是无线电波，故C正确；机场、车站用来检查旅客行李包的透视仪使用的是X射线，不是紫外线，故D错误。5.(2023·河北省三模)如图所示为某时刻LC振荡电路所处的状态，则该时刻()A．振荡电流i在增大B．电容器上的电荷量增多C．磁场能正在向电场能转化D．电容器两极板间电压在增大答案A解析图示时刻电流流向负极板，可知极板所带电荷量减小，即电容器在放电，振荡电流增大，A正确；根据上述可知，电容器处于放电状态，电容器上的电荷量减少，由C＝eq\f(Q,U)知，两极板间电压也在减小，B、D错误；根据上述，电容器处于放电状态，电场能正在向磁场能转化，C错误。6．(2023·浙江省稽阳联谊学校联考)金属探测仪被很多考试的考场应用，从而营造了公平的考试环境。如图甲为某一款金属探测仪，探测仪内部的线圈与电容器构成LC振荡电路，当探测仪检测到金属物体时，探测仪线圈的自感系数发生变化，从而引起振荡电路中的电流频率发生变化，探测仪检测到这个变化就会驱动蜂鸣器发出声响。在LC振荡电路中，某时刻磁场方向如图乙所示，且电容器上极板带正电，下列说法正确的是()A．此时电容器中的电场能正在减小B．此时线圈中的自感电动势正在减小C．此时电路中电流沿顺时针方向且LC振荡电路中电流减小D．若LC振荡电路中的电感变小，其振荡频率也变小答案C解析题图乙所示时刻，电容器正在充电，电荷量在增大，电路中电流沿顺时针方向且在减小，减小得越来越快，线圈中的自感电动势正在增大，电容器中的电场能正在增大，故A、B错误，C正确；若L减小，根据T＝2πeq\r(LC)，T减小，f增大，故D错误。7．(2023·山东泰安市模拟)关于电磁波谱，下列说法中正确的是()A．红外体温计的工作原理是人的体温越高，发射的红外线越强，有时人体温度较低，不发射红外线，导致无法使用B．紫外线的频率比可见光低，医学中常用于杀菌消毒，长时间照射人体可能损害健康C．X射线、γ射线频率较高，波动性较强，粒子性较弱，较难发生光电效应D．手机通信使用的是无线电波，其波长较长，更容易观察到衍射现象答案D解析人体都会发射红外线，A错误；紫外线的频率比可见光高，B错误；X射线、γ射线频率较高，波动性较弱，粒子性较强，较易发生光电效应，C错误；手机通信使用的是无线电波，其波长较长，更容易观察到衍射现象，D正确。8．(2024·浙江宁波市光华学校开学考)某同学自己绕制天线线圈，制作一个最简单的收音机，用来收听中波的无线电广播。他发现有一个频率最高的中波电台收不到，但可以接收其他中波电台。为了收到这个电台，他应该()A．增加线圈匝数B．减少线圈匝数C．换用其他材料的线圈D．换一个信号更好的位置答案B解析收不到高频率的电台信号，因此需要增加调谐电路的固有频率，根据f＝eq\f(1,2π\r(LC))可知，减少线圈匝数，会导致自感系数减小，从而使固有频率增加，即应该减少线圈的匝数，故选B。9．(2023·重庆市模拟)某收音机中的LC振荡电路，由固定线圈和可调电容器组成，能够产生频率范围为f到kf(k>1)的电磁振荡。可调电容器的最大电容和最小电容之比为()A．k4B．k3C．k2D．k答案C解析根据LC振荡电路的固有频率公式f＝eq\f(1,2π\r(LC))，可得电容C＝eq\f(1,4π2f2L)。所以当频率范围为f到kf(k>1)时，可调电容器的最大电容和最小电容之比为eq\f(Cmax,Cmin)＝eq\f(\f(1,4π2f2L),\f(1,4π2kf2L))＝k2，故选C。10．(多选)(2023·广东佛山市三模)如图(a)所示的LC振荡电路中，电容器C极板上的带电荷量q随时间t变化的规律如图(b)所示，则该振荡电路()A．0～1×10－6s电容器处于放电过程B．t＝2×10－6s时磁场能最大C．增大电容器C的板间距，则周期会增大D．t＝4×10－6s时，电路中电流为零答案AD解析由题图(b)可知，0～1×10－6s电容器极板上电荷量减少，所以电容器处于放电过程，故A正确；同理，t＝2×10－6s时电容器极板上电荷量达到峰值，极板间的电场能最大，此时磁场能最小，故B错误；根据C＝eq\f(εrS,4πkd)可知增大电容器的板间距，电容器的电容减小，根据T＝2πeq\r(LC)可知周期会减小，故C错误；根据I＝eq\f(q,t)可知q－t图线的斜率表示电路中的电流，所以t＝4×10－6s时，电路中电流为零，故D正确。11．(2024·江苏省模拟)为了测量储液罐中液体的液面高度，有人设计了如图所示装置。当开关S从a拨到b时，由电感L与电容C构成的回路中产生振荡电流而向外辐射电磁波，再使用调谐电路来接收甲振荡电路中的电磁波，这样就可通过测量乙中接收频率而获知甲中的发射频率，进而再获知电容C的值(L值已知)，从而测量油罐内的液面高度。下列分析判断正确的是()A．该装