电磁振荡、电磁场与电磁波 高二下学期物理人教版（2019）选择性必修第二册

第4章电磁振荡与电磁波

ECSL水波是由机械振动形成的。一颗石子投入水面会激起一阵涟漪，但是要形成持续的水波，则需要不断地击打水面。电视、广播接收的是电磁波，要产生持续的电磁波，需要持续变化的电流。怎样才能产生这样的电流呢？新课导入不断地击打水面1电磁振荡2电磁场与电磁波

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。演示观察振荡电路中电压的波形ECSL学习任务一电磁振荡的产生及其变化规律学习任务一1.图示电路的开关闭合后，线圈中电流和极板上的电荷量会如何变化？闭合开关后，电容器开始放电。由于线圈的自感作用，放电电流由0逐渐增大，极板上的电荷量逐渐减少。到放电完毕时，放电电流达到最大值，极板上电荷量减为0。

放电过程

电容器放电完毕后，由于线圈的自感作用，电流会逐渐减小到0.此电流会给电容器(反向)充电。充电完毕瞬间，电流减小为0，极板上的电荷最多。

(反向)充电过程

LC

振荡电路学习任务一学习任务一电磁振荡的产生及其变化规律[模型建构]2.电磁振荡过程电量和电流的变化情况q最大i=0q=0i最大q最大i=0q=0i最大q最大i=0放电q减小i增大(反向)充电q增大i减小

(反向)放电q减小i增大充电q增大i减小

i取顺时针方向为正q取上极板带正电为正放电充电放电充电学习任务一学习任务一电磁振荡的产生及其变化规律①振荡电流：大小和方向都做周期性迅速变化的电流②振荡电路：能够产生振荡电流的电路。③LC振荡电路：想一想与交流电有何区别？

当开关置于线圈一侧时，由电感线圈L和电容C组成的电路，就是最简单的振荡电路。1.概念4.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。2.振荡电路的工作原理注意观察:电荷量和电流大小及方向的变化情况2.振荡电路的工作原理电磁振荡的充放电过程+-+-+-+-+-正向放电正向充电反向放电反向充电①电容器充电结束，两极板上的电荷量最多。②电容器开始放电，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。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。④电容开始反向放电

电磁振荡的图象分析——电流、电量的变化图像电流I0t+-电容器电量Q0t+-+-+-+-正向放电正向充电反向放电反向充电+-tqotio正向放电正向充电反向充电反向充电一个周期内两次充放电

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。这种现象就是电磁振荡。

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?电磁振荡中的能量变化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B

0tE电磁振荡的过程中，电场能和磁场能发生周期性的转化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同步变化同步变化两极间场强E放电步调相反Q、B、i、E变化周期T电场能、磁场能变化周期电场能所以，在电磁振荡的过程中，电场能和磁场能会发生周期性的转化。磁场能电场能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同步变化同步变化步调相反两极间场强E理想情况能量有损耗

如果能够适时地把能量补充到振荡电路中，以补偿能量损耗，就可以得到振幅不变的等幅振荡。实际电路中由电源通过电子器件为LC电路补充能量。内能电磁波例1

(多选)LC振荡电路在t1和t2时刻自感线圈中磁感线方向和电容器的极板带电情况如图所示,则(

)A.在t1时刻电容器正在充电B.在t2时刻电容器两极板间电场正在增强C.在t1时刻电路中电流正在增大D.在t2时刻自感线圈中磁场正在增强学习任务一AB[解析]

根据安培定则可知,t1时刻自感线圈中电流自右向左,而电容器左极板带正电,则电容器正在充电,振荡电流是减小的,故A正确,C错误;根据安培定则可知,t2时刻自感线圈中电流从左向右,而电容器右极板带正电,所以t2时刻电容器正在充电,随着极板上电荷量的增多,电容器两极板间电场增强,又由于充电过程振荡电流减小,自感线圈中磁场减弱,故B正确,D错误.学习任务一变式1

(多选)如图所示,L为一直流电阻可忽略的线圈,D为一灯泡,C为电容器,开关S处于闭合状态,灯泡D正常发光.现突然断开S,并开始计时,能正确反映电容器a极板上电荷量q及LC回路中电流i(规定顺时针方向为正)随时间变化的图像是图中的(图中q为正值表示a极板带正电)(

)学习任务一BC[解析]

S断开前,电容器C被短路,线圈中电流从上到下,电容器不带电;S断开时,线圈L中产生自感电动势,阻碍电流减小,给电容器C充电,此时LC回路中电流i沿顺时针方向(正向)且最大;给电容器充电过程中,电容器所带电荷量最大时(a板带负电),LC回路中电流减为零,选项B、C正确.学习任务一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:磁场能向电场能转化完毕,电场能最大,磁场能最小放电完毕状态:电场能向磁场能转化完毕,磁场能最大,电场能最小学习任务一LC电磁振荡的各物理量的变化规律及对应关系(1)总能量=电场能+磁场能=恒量(2)电场能与磁场能交替转化学习任务一周期：电磁振荡完成一次周期性变化所需的时间。频率：一秒钟内完成周期变化的次数叫做频率。

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。学习任务二电磁振荡的周期和频率学习任务二学习任务二学习任务二电磁振荡的周期和频率[科学探究]有如图所示的电路.(1)如果仅更换自感系数L更大的线圈,将开关S掷向1,先给电容器充电,再将开关掷向2,电容器通过线圈放电,那么线圈因自感现象产生的自感电动势是否更大?“阻碍”作用是否也更大?振荡周期T会怎样变化?[答案]

自感电动势更大,“阻碍”作用更大,振荡周期变长.学习任务二(2)如果仅更换电容C更大的电容器,将开关S掷向1,先给电容器充电,那么电容器的带电荷量是否增大?再将开关掷向2,电容器通过线圈放电,放电时间是否会相应地变长?振荡周期T是否变长?[答案]

带电荷量增大,放电时间变长,振荡周期变长.实验L1＞L2C1＞C2第一次振荡周期大于第二次振荡周期理论分析表明，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。③改变周期的方法：L：线圈的大小、形状、匝数、铁芯。

注意：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。②适当地选择电容器和线圈，可使振荡电路物周期和频率符合我们的需要。④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。例2

要想增大LC振荡电路中产生的振荡电流的频率,可采用的方法是(

)A.增大电容器两极板的间距B.升高电容器的充电电压C.增加线圈的匝数D.在线圈中插入铁芯学习任务二A学习任务二

学习任务二[教材链接]阅读教材,回答下列问题:麦克斯韦电磁场理论:变化的磁场产生

,变化的电场产生

,变化的电场和

总是相互联系的,形成一个不可分割的统一体,这就是电磁场.

学习任务三学习任务三电磁场电场磁场磁场例3

关于电磁场理论,下列说法正确的是(

)A.电场周围一定产生磁场,磁场周围一定产生电场B.变化的电场周围一定产生变化的磁场,变化的磁场周围一定产生变化的电场C.均匀变化的电场周围一定产生均匀变化的磁场D.周期性变化的电场周围一定产生周期性变化的磁场学习任务三D[解析]

变化的电场在周围空间产生磁场,变化的磁场在周围空间产生电场,均匀变化的电场(磁场)在周围空间产生恒定的磁场(电场),周期性变化的电场(磁场)在周围空间产生同频率的周期性变化的磁场(电场),选项D正确.对麦克斯韦电磁场理论的理解学习任务三[教材链接]阅读教材,回答下列问题:电磁波:周期性变化的电场在周围空间引起

,变化的电场和磁场又会在较远的空间引起新的变化的电场和磁场,这样变化的电场和磁场由近及远地向周围传播,形成了电磁波.

学习任务四学习任务四电磁波周期性变化的磁场激发电磁波形成示意图：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学习任务四学习任务四电磁波

[物理观念]电磁波的发现20多年后，1886年，赫兹通过自制的实验装置证实了电磁波的存在。令人振奋的电火花学习任务四学习任务四电磁波

[物理观念]电磁波的特点（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。（2）电磁波在真空中的传播速度等于光在真空中的传播速度，c=3×108m/s。（3）电磁波的传播不需要介质。（4）电磁波也会发生反射、折射、干涉、衍射、和偏振等现象。（光是电磁波）（5）电磁波的发射过程就是辐射能量的过程。例4

(多选)关于电磁波,下列说法正确的是(

)A.电磁波和机械波都需要通过介质传播,它们由一种介质进入另一种介质时频率都不变B.电磁波可以由电磁振荡产生,若波源的电磁振荡停止,空间的电磁波随即消失C.根据麦克斯韦电磁场理论,电磁波中的电场和磁场互相垂直,电磁波是横波D.电磁波和机械波都能传递能量和信息学习任务四CD[解析]

电磁波不需要通过介质传播,而机械波需要通过介质传播,它们由一种介质进入另一种介质时频率都不变,故A错误;波源的电磁振荡停止后,已发出的电磁波不会立即消失,还要继续传播一段时间,故B错误;根据麦克斯韦电磁场理论可知,电磁波中的电场和磁场互相垂直,电磁波是横波,故C正确;电磁波和机械波都能传递能量和信息,故D正确.学习任务四电磁波与机械波的比较学习任务四

机械波电磁波产生由质点的振动产生由周期性变化的电流激发波的种类横波或纵波横波传播需要介质不需要介质波速波速与介质有关,与频率无关在真空中等于光速c=3×108m/s在介质中传播时,波速与介质和频率都有关电磁波与机械波的比较学习任务四

机械波电磁波周期性变化的物理量位移、速度、加速度随时间和空间做周期性变化电场强度和磁感应强度随时间和空间做周期性变化能量传播机械能电磁能速度公式v=λf性质均能发生反射、折射、干涉、衍射等现象LC振荡电路：当开关置于线圈一侧时，由电感线圈L

和电容C

组成的电路，就是最简单的振荡电路。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。电磁振荡的周期和频率课堂小结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。周期性变化的电场和周期性变化的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。

赫兹实验的过程及对无线电技术的贡献。电磁振荡电磁场与电磁波课后习题1.一个LC电路产生电磁振荡。以横坐标轴表示时间，纵坐标轴既表示电流又表示电压，试在同一坐标系内，从某一次放电开始，画出该电路中电流和电容器两极板间电压随时间变化的i-t图像和u-t图像。课后习题2.在上题图像中的一周期内，哪段时间电场能在增大？电场能最大时电流和电压的大小有什么