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第4章 電磁振蕩與電磁波
E
C
S
L
水波是由機械振動形成的。一顆石子投入水面會激起一陣漣漪，但是要形成持續的水波，則需要不斷地擊打水面。電視、廣播接收的是電磁波，要產生持續的電磁波，需要持續變化的電流。怎樣才能產生這樣的電流呢？
新課導入
不斷地擊打水面
1　電磁振蕩
2　電磁場與電磁波
把線圈、電容器、電源和單刀雙擲開關按照圖連成電路。把電壓傳感器（或示波器）的兩端連在電容器的兩個極板上。
先把開關置于電源一側，為電容器充電;稍后再把開關置于線圈一側，使電容器通過線圈放電。觀察電腦顯器顯示的電壓波形。
演 示
觀察振蕩電路中電壓的波形
E
C
S
L
學習任務一　電磁振蕩的產生及其變化規律
學習任務一
1.圖示電路的開關閉合后，線圈中電流和極板上的電荷量會如何變化？
閉合開關后，電容器開始放電。由于線圈的自感作用，放電電流由0逐漸增大，極板上的電荷量逐漸減少。到放電完畢時，放電電流達到最大值，極板上電荷量減為0。 放電過程
電容器放電完畢后，由于線圈的自感作用，電流會逐漸減小到0. 此電流會給電容器(反向)充電。充電完畢瞬間，電流減小為0，極板上的電荷最多。 ( 反向)充電過程
LC 振蕩電路
學習任務一
學習任務一　電磁振蕩的產生及其變化規律
[模型建構]
2.電磁振蕩過程電量和電流的變化情況
q 最大
i = 0
q = 0
i 最大
q 最大
i = 0
q = 0
i 最大
q 最大
i = 0
放電
q 減小
i 增大
(反向)充電
q 增大
i 減小
(反向)放電
q 減小
i 增大
充電
q 增大
i 減小
i取順時針方向為正
q取上極板帶正電為正
放電
充電
放電
充電
學習任務一
學習任務一　電磁振蕩的產生及其變化規律
①振蕩電流：大小和方向都做周期性迅速變化的電流
②振蕩電路：能夠產生振蕩電流的電路。
③LC振蕩電路：
想一想與交流電有何區別？
當開關置于線圈一側時，由電感線圈L和電容C組成的電路，就是最簡單的振蕩電路。
1.概念
4.理想的LC振蕩電路:
只考慮線圈、電容器的作用，而忽略能量損耗。
2.振蕩電路的工作原理
注意觀察:電荷量和電流大小及方向的變化情況
2.振蕩電路的工作原理
電磁振蕩的充放電過程
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
正向放電
正向充電
反向放電
反向充電
①電容器充電結束，兩極板上的電荷量最多。
②電容器開始放電，回路中電流從0開始逐漸增到最大。兩極板電荷量從最大減為0。
③自感線圈給電容器正向充電結束，回路中電流從最大減為0，兩極板電荷量從0變回最大。
⑤自感線圈給電容器反向充電，于是整個電路回到最開始狀態。
④電容開始反向放電
電磁振蕩的圖象分析——電流、電量的變化圖像
電流I
0
t
+
-
電容器
電量Q
0
t
+
-
+
-
+
-
+
-
正向放電
正向充電
反向放電
反向充電
+
-
t
q
o
t
i
o
正向放電
正向充電
反向充電
反向充電
一個周期內兩次充放電
在整個過程中，電路中的電流i、電荷量q、電場強度E、磁感應強度B，都在周期性地變化著。這種現象就是電磁振蕩。
電磁振蕩與機械振動雖然有著本質的不同，但它們還是具有一些共同的特點。在機械振動中，例如在單擺的振動中，位移x、速度v、加速度a 這幾個物理量周期性地變化。在電磁振蕩中，電荷量q、電流i、電場強度E、磁感應強度B這幾個物理量也在周期性地變化。
在機械振動中，動能與勢能周期性地相互轉化。那么，在電磁振蕩中，能量是如何轉化的
電磁振蕩中的能量變化
i
0
t
B
0
t
Q
0
t
E
0
t
時間 t 電 流 I 電量 Q 電場能 磁場能
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
0
t
E
電磁振蕩的過程中，電場能和磁場能發生周期性的轉化
t
0
磁
場
能
電
場
能
電場能
磁場能
充電
磁感強度B
電容器帶電量ｑ
電路中電流i
同步變化
同步變化
兩極間場強E
放電
步調相反
Q、B、i、E變化周期
T
電場能、磁場能變化周期
電場能
所以，在電磁振蕩的過程中，電場能和磁場能會發生周期性的轉化。
磁場能
電場能
磁場能
電場能
電場能
磁場能
充電
磁感強度B
電容器帶電量ｑ
電路中電流ｉ
同步變化
同步變化
步調相反
兩極間場強E
理想情況
能量有損耗
如果能夠適時地把能量補充到振蕩電路中，以補償能量損耗，就可以得到振幅不變的等幅振蕩。實際電路中由電源通過電子器件為LC電路補充能量。
內能
電磁波
例1 (多選)LC振蕩電路在t1和t2時刻自感線圈中磁感線方向和電容器的極板帶電情況如圖所示,則(　 )
A.在t1時刻電容器正在充電
B.在t2時刻電容器兩極板間電場正在增強
C.在t1時刻電路中電流正在增大
D.在t2時刻自感線圈中磁場正在增強
學習任務一
AB
[解析] 根據安培定則可知,t1時刻自感線圈中電流自右向左,而電容器左極板帶正電,則電容器正在充電,振蕩電流是減小的,故A正確,C錯誤;
根據安培定則可知,t2時刻自感線圈中電流從左向右,而電容器右極板帶正電,所以t2時刻電容器正在充電,隨著極板上電荷量的增多,電容器兩極板間電場增強,又由于充電過程振蕩電流減小,自感線圈中磁場減弱,故B正確,D錯誤.
學習任務一
變式1 (多選)如圖所示,L為一直流電阻可忽略的線圈,D為一燈泡,C為電容器,開關S處于閉合狀態,燈泡D正常發光.現突然斷開S,并開始計時,能正確反映電容器a極板上電荷量q及LC回路中電流i(規定順時針方向為正)隨時間變化的圖像是圖中的(圖中q為正值表示a極板帶正電)(　 )
學習任務一
BC
[解析] S斷開前,電容器C被短路,線圈中電流從上到下,電容器不帶電;S斷開時,線圈L中產生自感電動勢,阻礙電流減小,給電容器C充電,此時LC回路中電流i沿順時針方向(正向)且最大;給電容器充電過程中,電容器所帶電荷量最大時(a板帶負電),LC回路中電流減為零,選項B、C正確.
學習任務一
LC回路工作過程具有對稱性和周期性,可歸結為:
(1)兩個物理過程:
放電過程:電場能轉化為磁場能,q↓→i↑
充電過程:磁場能轉化為電場能,q↑ →i↓
(2)兩個特殊狀態:
充電完畢狀態:磁場能向電場能轉化完畢,電場能最大,磁場能最小
放電完畢狀態:電場能向磁場能轉化完畢,磁場能最大,電場能最小
學習任務一
LC電磁振蕩的各物理量的變化規律及對應關系
(1)總能量=電場能+磁場能=恒量
(2)電場能與磁場能交替轉化
學習任務一
周期：電磁振蕩完成一次周期性變化所需的時間。
頻率：一秒鐘內完成周期變化的次數叫做頻率。
電容較大時，電容器充電、放電的時間會長些還是短些 線圈的自感系數較大時，電容器充電、放電的時間會長些還是短些？根據討論結果，定性分析LC電路的周期（頻率）與電容 C、電感L的關系。
學習任務二　電磁振蕩的周期和頻率
學習任務二
學習任務二
學習任務二　電磁振蕩的周期和頻率
[科學探究]有如圖所示的電路.
(1)如果僅更換自感系數L更大的線圈,將開關S擲向1,先給電容器充電,再將開關擲向2,電容器通過線圈放電,那么線圈因自感現象產生的自感電動勢是否更大 “阻礙”作用是否也更大 振蕩周期T會怎樣變化
[答案] 自感電動勢更大,“阻礙”作用更大,振蕩周期變長.
學習任務二
(2)如果僅更換電容C更大的電容器,將開關S擲向1,先給電容器充電,那么電容器的帶電荷量是否增大 再將開關擲向2,電容器通過線圈放電,放電時間是否會相應地變長 振蕩周期T是否變長
[答案] 帶電荷量增大,放電時間變長,振蕩周期變長.
實 驗
L1＞L2
C1＞C2
第一次振蕩周期大于第二次振蕩周期
理論分析表明，LC電路的周期T與電感L、電容C的關系是
①式中各物理量T、L、C、f的單位分別是s、H、F、Hz。
③改變周期的方法：
L：線圈的大小、形狀、匝數、鐵芯。
注意：在一個周期內，振蕩電流的方向改變兩次；電場能（或磁場能）完成兩次周期性變化。
②適當地選擇電容器和線圈，可使振蕩電路物周期和頻率符合我們的需要。
④由振蕩回路本身特性所決定的振蕩周期和頻率，叫做振蕩電路的固有周期和固有頻率，簡稱振蕩電路的周期和頻率。
例2 要想增大LC振蕩電路中產生的振蕩電流的頻率,可采用的方法是(　)
A.增大電容器兩極板的間距
B.升高電容器的充電電壓
C.增加線圈的匝數
D.在線圈中插入鐵芯
學習任務二
A
學習任務二
[解析] LC振蕩電路中產生的振蕩電流的頻率f=,要想增大頻率,應該減小電容C或減小線圈的自感系數L,根據C=可知,若增大電容器兩極板的間距,則電容減小,A正確;
若升高電容器的充電電壓,則電容不變,B錯誤;
若增加線圈的匝數或在線圈中插入鐵芯,則自感系數增大,C、D錯誤.
1.根據電磁振蕩的周期公式T=2π知,要改變電磁振蕩的周期和頻率,必須改變線圈的自感系數L或電容器的電容C.
2.自感系數L一般由線圈的長度、橫截面積、單位長度上的匝數及有無鐵芯決定.由公式C=可知,電容C與介電常數εr、極板正對面積S及板間距離d有關.
學習任務二
[教材鏈接]閱讀教材,回答下列問題:
麥克斯韋電磁場理論:變化的磁場產生　　　　　,變化的電場產生　　　　,變化的電場和　　　　總是相互聯系的,形成一個不可分割的統一體,這就是電磁場.
學習任務三
學習任務三　電磁場
電場
磁場
磁場
例3 關于電磁場理論,下列說法正確的是( 　)
A.電場周圍一定產生磁場,磁場周圍一定產生電場
B.變化的電場周圍一定產生變化的磁場,變化的磁場周圍一定產生變化的電場
C.均勻變化的電場周圍一定產生均勻變化的磁場
D.周期性變化的電場周圍一定產生周期性變化的磁場
學習任務三
D
[解析] 變化的電場在周圍空間產生磁場,變化的磁場在周圍空間產生電場,均勻變化的電場(磁場)在周圍空間產生恒定的磁場(電場),周期性變化的電場(磁場)在周圍空間產生同頻率的周期性變化的磁場(電場),選項D正確.
對麥克斯韋電磁場理論的理解
學習任務三
[教材鏈接]閱讀教材,回答下列問題:
電磁波:周期性變化的電場在周圍空間引起　　　　　　　　　,變化的電場和磁場又會在較遠的空間引起新的變化的電場和磁場,這樣變化的電場和磁場由近及遠地向周圍傳播,形成了電磁波.
學習任務四
學習任務四　電磁波
周期性變化的磁場
激發
電磁波形成示意圖：
非均勻變
化的磁場
變化電場
若是均勻變化
穩定磁場
不再激發
若非均勻變化
變化磁場
若是均勻變化
穩定電場
若非均勻變化
激發
激發
激發
學習任務四
學習任務四　電磁波
[物理觀念] 電磁波的發現
20多年后，1886年，赫茲通過自制的實驗裝置證實了電磁波的存在。
令人振奮的電火花
學習任務四
學習任務四　電磁波
[物理觀念] 電磁波的特點
（1）電磁波中的電場和磁場互相垂直，電磁波在與二者均垂直的方向傳播，所以電磁波是橫波。
（2）電磁波在真空中的傳播速度等于光在真空中的傳播速度，c=3×108m/s。
（3）電磁波的傳播不需要介質。
（4）電磁波也會發生反射、折射、干涉、衍射、和偏振等現象。（光是電磁波）
（5）電磁波的發射過程就是輻射能量的過程。
例4 (多選)關于電磁波,下列說法正確的是(　 )
A.電磁波和機械波都需要通過介質傳播,它們由一種介質進入另一種介質時頻率都不變
B.電磁波可以由電磁振蕩產生,若波源的電磁振蕩停止,空間的電磁波隨即消失
C.根據麥克斯韋電磁場理論,電磁波中的電場和磁場互相垂直,電磁波是橫波
D.電磁波和機械波都能傳遞能量和信息
學習任務四
CD
[解析] 電磁波不需要通過介質傳播,而機械波需要通過介質傳播,它們由一種介質進入另一種介質時頻率都不變,故A錯誤;
波源的電磁振蕩停止后,已發出的電磁波不會立即消失,還要繼續傳播一段時間,故B錯誤;
根據麥克斯韋電磁場理論可知,電磁波中的電場和磁場互相垂直,電磁波是橫波,故C正確;
電磁波和機械波都能傳遞能量和信息,故D正確.
學習任務四
電磁波與機械波的比較
學習任務四
機械波 電磁波
產生 由質點的振動產生 由周期性變化的電流激發
波的種類 橫波或縱波 橫波
傳播 需要介質 不需要介質
波速 波速與介質有關,與頻率無關 在真空中等于光速c=3×108 m/s在介質中傳播時,波速與介質和頻率都有關
電磁波與機械波的比較
學習任務四
機械波 電磁波
周期性 變化的 物理量 位移、速度、加速度隨時間和空間做周期性變化 電場強度和磁感應強度隨時間和空間做周期性變化
能量傳播 機械能 電磁能
速度公式 v=λf 性質 均能發生反射、折射、干涉、衍射等現象 LC 振蕩電路：當開關置于線圈一側時，由電感線圈L
和電容C 組成的電路，就是最簡單的振蕩電路。
電磁振蕩：在整個過程中，電路中的電流 i、電荷量q、電場強度E、
磁感應強度B，都在周期性地變化著。
電磁振蕩的周期和頻率
課 堂 小 結
麥克斯韋電磁場理論的兩個支柱：變化的磁場產生電場、變化的電場產生磁場。
周期性變化的電場和周期性變化的磁場相互聯系形成統一的電磁場。電磁場在空間傳播形成電磁波。
赫茲實驗的過程及對無線電技術的貢獻。
電磁振蕩
電磁場與電磁波
課后習題
1.一個LC電路產生電磁振蕩。以橫坐標軸表示時間，縱坐標軸既表示電流又表示電壓，試在同一坐標系內，從某一次放電開始，畫出該電路中電流和電容器兩極板間電壓隨時間變化的i-t圖像和u-t圖像。
課后習題
2.在上題圖像中的一周期內，哪段時間電場能在增大？電場能最大時電流和電壓的大小有什么特點？哪段時間磁場能在增大，磁場能最大時電流和電壓的大小有什么特點？
課后習題
3.某收音機中的LC電路，由固定線圈和可調電容器組成，能夠產生535kHz到1605kHz的電磁振蕩。可調電容器的最大電容和最小電容之比是多少？固定線圈的自感系數是多少？
4.為了測量儲罐中不導電液體的高度，將與儲罐外殼絕緣的兩塊平行金屬板構成的電容C置于儲罐中，電容C可通過開關S與電感L或電源相連，如圖4.1-5所示。當開關從a撥到b時，由電感L與電容C構成的回路中產生振蕩電流。現知道平行板電容器極板面積一定、兩極板間距離一定的條件下，平行板電容器的電容與兩極板間是否有電介質存在著確定的關系，當兩極板間充入電介質時，電容增大。問：當儲罐內的液面高度降低時，所測得的LC回路振蕩電流的頻率如何變化？
課后習題
1.“變化的磁場產生電場”，這是麥克斯韋電磁場理論的重要支柱之一。請你通過相關的實驗事實和一定的邏輯推理，說明這個結論的正確性。
4.2電磁場、電磁波課后習題
課后習題
2.赫茲在1886年做了一個有名的實驗，證明了電磁波的存在。他把環狀導線的兩端各固定一個金屬小球，兩小球之間有一很小間隙，他把這個裝置放在一個距離正在放電發生電火花的感應圈不遠的地方，令他振奮的現象發生了。他當時看到了什么現象？為什么說這個現象讓他捕捉到了電磁波？
課后習題
3.你能否用生活中的例子說明電磁波的存在？
課后習題
4.我們通常聽到的聲音是靠聲波來傳播的，而手機接收的是電磁波。請你小結一下：聲波和電磁波有哪些地方是相同的？有哪些地方存在著差異？

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