山東省專用2024-2025學(xué)年高中物理第十四章電磁波第1～3節(jié)電磁波的發(fā)現(xiàn)電磁振蕩電磁波的發(fā)射和接受講義含解析新人教版選修3-4

PAGE12-第1～3節(jié)電磁波的發(fā)覺電磁振蕩電磁波的放射和接收1.英國物理學(xué)家麥克斯韋建立了經(jīng)典電磁場理論：變更的磁場產(chǎn)生電場，變更的電場產(chǎn)生磁場。德國物理學(xué)家赫茲證明白電磁波的存在。2．LC電路的周期(頻率)公式：T＝2πeq\r(LC)，f＝eq\f(1,2π\(zhòng)r(LC))。3．無線電波的放射和接收過程：調(diào)制eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(調(diào)幅,調(diào)頻))→放射→接收→調(diào)諧→解調(diào)。一、電磁場和電磁波1．麥克斯韋電磁理論的兩個(gè)基本假設(shè)(1)變更的磁場能夠在四周空間產(chǎn)生電場。(2)變更的電場能夠在四周空間產(chǎn)生磁場。圖甲變更的磁場在其四周空間產(chǎn)生電場。圖乙變更的電場在其四周空間產(chǎn)生磁場。2．電磁場變更的電場和變更的磁場交替產(chǎn)生，形成不行分割的統(tǒng)一體，稱為電磁場。3．電磁波(1)電磁波的產(chǎn)生：變更的電場和磁場交替產(chǎn)生而形成的電磁場是由近及遠(yuǎn)地傳播的，這種變更的電磁場在空間的傳播稱為電磁波。(2)電磁波的特點(diǎn)：①電磁波是橫波，電磁波在空間傳播不須要介質(zhì)；②電磁波的波長、頻率、波速的關(guān)系：v＝λf，在真空中，電磁波的速度c＝3.0×108m/s。(3)電磁波能產(chǎn)生反射、折射、干涉和衍射等現(xiàn)象。二、電磁振蕩1．振蕩電流：大小和方向都隨時(shí)間做周期性快速變更的電流。2．振蕩電路：能夠產(chǎn)生振蕩電流的電路。最基本的振蕩電路為LC振蕩電路。3．電磁振蕩：在LC振蕩電路中，電容器極板上的電荷量，電路中的電流，電場和磁場周期性相互轉(zhuǎn)變的過程也就是電場能和磁場能周期性相互轉(zhuǎn)化的過程。4．電磁振蕩的周期與頻率(1)周期：電磁振蕩完成一次周期性變更須要的時(shí)間。(2)頻率：1s內(nèi)完成周期性變更的次數(shù)。振蕩電路里發(fā)生無阻尼振蕩時(shí)的周期和頻率分別叫做固有周期、固有頻率。(3)周期和頻率公式：T＝2πeq\r(LC)，f＝eq\f(1,2π\(zhòng)r(LC))。三、電磁波的放射1．要有效地放射電磁波，振蕩電路必需具有兩個(gè)特點(diǎn)：(1)要有足夠高的振蕩頻率，頻率越高，放射電磁波的本事越大。(2)應(yīng)采納開放電路，振蕩電路的電場和磁場必需分散到足夠大的空間。2．開放電路：實(shí)際的開放電路，線圈的一端用導(dǎo)線與大地相連，這條導(dǎo)線叫做地線，線圈的另一端高高地架在空中，叫做天線。3．電磁波的調(diào)制：使電磁波隨各種信號而變更的技術(shù)叫做調(diào)制。調(diào)制的方法有兩種，一是調(diào)幅，使高頻電磁波的振幅隨信號的強(qiáng)弱而變更；另一種叫調(diào)頻，使高頻電磁波的頻率隨信號的強(qiáng)弱而變更。四、電磁波的接收1．接收原理電磁波在傳播時(shí)遇到導(dǎo)體會使導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電流，所以導(dǎo)體可用來接收電磁波，這個(gè)導(dǎo)體就是接收天線。2．電諧振當(dāng)接收電路的固有頻率跟接收到的電磁波的頻率相等時(shí)，接收電路里產(chǎn)生的震蕩電流最強(qiáng)，這種現(xiàn)象叫做電諧振。3．調(diào)諧使電路中產(chǎn)生電諧振的過程叫做調(diào)諧。4．解調(diào)使聲音或圖像信號從接收到的感應(yīng)電流中還原出來，這個(gè)過程是調(diào)制的逆過程，叫做解調(diào)。5．無線電波波長大于1_mm(頻率低于300GHz)的電磁波叫作無線電波。并按波長分成若干個(gè)波段，像長波、中波、短波、微波等。每個(gè)段所用的設(shè)備和技術(shù)不同，因此有不同的用途。1．自主思索——判一判(1)恒定電流四周產(chǎn)生磁場，磁場又產(chǎn)生電場。(×)(2)電磁波和光在真空中的傳播速度都是3.0×108m/s。(√)(3)電容器放電完畢，電流最大。(√)(4)L和C越大，電磁振蕩的頻率越高。(×)(5)頻率越高，振蕩電路放射電磁波本事越大。(√)(6)當(dāng)接收電路的固有頻率和電磁波頻率相同時(shí)，出現(xiàn)諧振現(xiàn)象。(√)(7)要使電視機(jī)的屏幕上出現(xiàn)圖像，必需將電視機(jī)接收到的無線電信號解調(diào)。(√)2．合作探究——議一議(1)怎樣才能形成電磁波？提示：變更的電場四周產(chǎn)生變更的磁場，變更的磁場四周產(chǎn)生變更的電場，在空間交替變更并傳播出去的電磁場就形成了電磁波。(2)打開收音機(jī)的開關(guān)，轉(zhuǎn)動選臺旋鈕，使收音機(jī)收不到電臺的廣播，然后開大音量。在收音機(jī)旁邊，將電池盒的兩根引線反復(fù)碰撞，你會聽到收音機(jī)中發(fā)出“喀喀”的響聲。為什么會產(chǎn)生這種現(xiàn)象呢？打開電扇，將它靠近收音機(jī)，看看又會怎樣。提示：電磁波是由電磁振蕩產(chǎn)生的，在收音機(jī)旁邊，將電池盒兩引線反復(fù)碰觸，變更的電流產(chǎn)生變更的磁場，變更的磁場產(chǎn)生變更的電場，這樣會發(fā)出電磁波，從而導(dǎo)致收音機(jī)中發(fā)出“喀喀”聲。若將轉(zhuǎn)動的電扇靠近收音機(jī)，因?yàn)殡娚戎须妱訖C(jī)內(nèi)通有溝通電，電動機(jī)的運(yùn)行同樣會引起收音機(jī)發(fā)出“喀喀”聲。(3)1895年，一位年輕的意大利人馬可尼(公元1874－1937年)獨(dú)創(chuàng)了無線電通信技術(shù)。從今，攜帶了人類信息的電磁波起先在空間自由旅行，人們不必依靠電線，就可以在遙遠(yuǎn)的地方互通信息。電視臺放射電視信號為什么要建高聳入云的放射塔呢？提示：電視信號要有效地放射出去，必需采納高頻開放電路，電視信號所用電磁波的波長比較短，以直線傳播為主，遇到障礙物會被阻擋，所以放射天線要架得高一些。1．電磁場的產(chǎn)生假如在空間某處有周期性變更的電場，那么這個(gè)變更的電場就在它四周空間產(chǎn)生周期性變更的磁場，這個(gè)變更的磁場又在它四周空間產(chǎn)生變更的電場——變更的電場和變更的磁場是相互聯(lián)系著的，形成不行分割的統(tǒng)一體，這就是電磁場。2．對麥克斯韋電磁場理論的理解恒定的電場不產(chǎn)生磁場恒定的磁場不產(chǎn)生電場勻稱變更的電場在四周空間產(chǎn)生恒定的磁場勻稱變更的磁場在四周空間產(chǎn)生恒定的電場不勻稱變更的電場在四周空間產(chǎn)生變更的磁場不勻稱變更的磁場在四周空間產(chǎn)生變更的電場振蕩電場產(chǎn)生同頻率的振蕩磁場振蕩磁場產(chǎn)生同頻率的振蕩電場3．對電磁波的理解(1)電磁波的傳播不須要介質(zhì)，可在真空中傳播。在真空中，不同頻率的電磁波傳播速度是相同的(都等于光速)。(2)不同頻率的電磁波，在同一介質(zhì)中傳播，其速度是不同的，頻率越高，波速越小。(3)v＝λf中，f是電磁波的頻率，即為放射電磁波的LC振蕩電路的頻率：f＝eq\f(1,2π\(zhòng)r(LC))，變更L或C即可變更f，從而變更電磁波的波長λ。[典例][多選]某空間出現(xiàn)了如圖所示的一組閉合的電場線，這可能是()A．沿AB方向磁場在快速減弱B．沿AB方向磁場在快速增加C．沿BA方向磁場在快速增加D．沿BA方向磁場在快速減弱[解析]依據(jù)電磁感應(yīng)，閉合回路中的磁通量變更時(shí)，使閉合回路中產(chǎn)生感應(yīng)電流，該電流可用楞次定律推斷。依據(jù)麥克斯韋電磁理論，閉合回路中產(chǎn)生感應(yīng)電流，是因?yàn)殚]合回路中受到了電場力的作用，而變更的磁場產(chǎn)生電場，與是否存在閉合回路沒有關(guān)系，故空間內(nèi)磁場變更產(chǎn)生的電場方向，仍舊可用楞次定律推斷，四指環(huán)繞方向即為感應(yīng)電場的方向，由此可知A、C正確。[答案]AC1．關(guān)于電磁場理論，以下說法正確的是()A．在電場四周肯定會產(chǎn)生磁場B．任何變更的電場四周空間肯定會產(chǎn)生變更的磁場C．勻稱變更的電場會產(chǎn)生變更的磁場D．周期性變更的電場會產(chǎn)生周期性變更的磁場解析：選D變更的電場四周肯定產(chǎn)生磁場，但若電場不發(fā)生變更，則不能在四周空間產(chǎn)生磁場，選項(xiàng)A錯(cuò)誤；勻稱變更的電場只能在四周空間產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場，只有不勻稱變更的電場才能在四周空間產(chǎn)生變更的磁場，選項(xiàng)B、C錯(cuò)誤；周期性變更的電場(或磁場)在四周空間產(chǎn)生周期性變更的磁場(或電場)，選項(xiàng)D正確。2.如圖所示是某一固定面的磁通量的變更圖像，在它四周空間產(chǎn)生的電場中的某一點(diǎn)場強(qiáng)E應(yīng)是()A．漸漸增加 B．漸漸減弱C．不變 D．無法確定解析：選C由圖可知磁通量Φ隨時(shí)間t勻稱變更，而Φ＝BS，所以磁場是勻稱變更的，依據(jù)麥克斯韋電磁場理論可知C正確。3.[多選]如圖所示，有一水平放置、內(nèi)壁光滑、絕緣的真空圓形管，半徑為R，有一帶正電的粒子靜止在管內(nèi)，整個(gè)裝置處于豎直向上的磁場中，要使帶電粒子由靜止起先沿管做圓周運(yùn)動，所加磁場可能是()A．勻強(qiáng)磁場B．勻稱增加的磁場C．勻稱削減的磁場D．由于洛倫茲力不做功，不管加什么磁場都不能使帶電粒子運(yùn)動解析：選BC磁場對靜止的電荷不產(chǎn)生力的作用，但當(dāng)磁場變更時(shí)可產(chǎn)生電場，電場對帶電粒子產(chǎn)生電場力的作用，帶電粒子在電場力作用下可以產(chǎn)生加速度，選項(xiàng)B、C正確。電磁振蕩的變更規(guī)律1．各物理量變更狀況一覽表時(shí)刻(時(shí)間)工作過程qEiB能量0→eq\f(T,4)放電過程qm→0Em→00→im0→BmE電→E磁eq\f(T,4)→eq\f(T,2)充電過程0→qm0→Emim→0Bm→0E磁→E電eq\f(T,2)→eq\f(3T,4)放電過程qm→0Em→00→im0→BmE電→E磁eq\f(3T,4)→T充電過程0→qm0→Emim→0Bm→0E磁→E電2．振蕩電流、極板帶電荷量隨時(shí)間的變更圖像[典例][多選]如圖(a)所示，在LC振蕩電路中，通過P點(diǎn)的電流變更規(guī)律如圖(b)所示，且把通過P點(diǎn)向右的方向規(guī)定為電流i的正方向，則()A．0.5s至1s時(shí)間內(nèi)，電容器C在放電B．0.5s至1s時(shí)間內(nèi)，電容器C的上極板帶正電C．1s至1.5s時(shí)間內(nèi)，Q點(diǎn)的電勢比P點(diǎn)的電勢高D．1s至1.5s時(shí)間內(nèi)，電場能正在轉(zhuǎn)變成磁場能[解析]0.5s至1s時(shí)間內(nèi)，振蕩電流是充電電流，充電電流是由負(fù)極板流向正極板；1s至1.5s時(shí)間內(nèi)，振蕩電流是放電電流，放電電流是由正極板流向負(fù)極板，由于電流為負(fù)值，所以由Q流向P。[答案]CDLC振蕩電路充、放電過程的推斷方法(1)依據(jù)電流流向推斷：當(dāng)電流流向帶正電的極板時(shí)，電容器的電荷量增加，磁場能向電場能轉(zhuǎn)化，處于充電過程；反之，當(dāng)電流流出帶正電的極板時(shí)，電荷量削減，電場能向磁場能轉(zhuǎn)化，處于放電過程。(2)依據(jù)物理量的變更趨勢推斷：當(dāng)電容器的帶電量q(電壓U、場強(qiáng)E)增大或電流i(磁場B)減小時(shí)，處于充電過程；反之，處于放電過程。(3)依據(jù)能量推斷：電場能增加時(shí)充電，磁場能增加時(shí)放電。1.如圖所示，表示LC振蕩電路某時(shí)刻的狀況，以下說法正確的是()A．電容器正在充電B．電感線圈中的磁場能正在減小C．電感線圈中的電流正在減小D．此時(shí)自感電動勢正在阻礙電流的增加解析：選D依據(jù)磁感線的方向可以推斷電流方向是逆時(shí)針，再依據(jù)電容器極板上帶電的性質(zhì)可以推斷電容器在放電，A項(xiàng)錯(cuò)誤；電容器在放電，所以電流在增加，磁場能在增加，自感電動勢正在阻礙電流的增加，B、C項(xiàng)錯(cuò)誤，D項(xiàng)正確。2．如圖所示是一個(gè)LC振蕩電路中電流的變更圖線，以下說法正確的是()A．t1時(shí)刻電感線圈兩端電壓最大B．t2時(shí)刻電容器兩極板間電壓為零C．t1時(shí)刻電路中只有電場能D．t1時(shí)刻電容器所帶電荷量為零解析：選D振蕩過程中由于電感和電容的存在，電路不是純電阻電路，故不滿意歐姆定律的適用條件。由i-t圖像可知t1時(shí)刻電流i最大，t2時(shí)刻電流i為零，誤認(rèn)為i與u滿意歐姆定律I＝eq\f(U,R)，從而錯(cuò)選A、B項(xiàng)。電流i最大時(shí)，說明磁場最強(qiáng)，磁場能最大，電場能為零，電壓、電荷量均為零。3．在LC振蕩電路中，電容器上的帶電量從最大值變更到零所需的最短時(shí)間是()A.eq\f(π,4)eq\r(LC) B.eq\f(π,2)eq\r(LC)C．πeq\r(LC) D．2πeq\r(LC)解析：選BLC振蕩電路的周期T＝2πeq\r(LC)，其電容器上的帶電荷量從最大值變更到零的最短時(shí)間t＝eq\f(T,4)，故t＝eq\f(π,2)eq\r(LC)。無線電波的放射和接收1．無線電波的放射和接收過程2．“調(diào)幅”和“調(diào)頻”是調(diào)制的兩個(gè)不同的方式(1)高頻電磁波的振幅隨信號的強(qiáng)弱而變的調(diào)制方式叫調(diào)幅，一般電臺的中波、中短波、短波廣播以及電視中的圖像信號采納調(diào)幅波。(2)高頻電磁波的頻率隨信號的強(qiáng)弱而變的調(diào)制方式叫調(diào)頻，電臺的立體聲廣播和電視中的伴音信號，采納調(diào)頻波。3．解調(diào)是調(diào)制的逆過程聲音、圖像等信號頻率相對較低，不能轉(zhuǎn)化為電信號干脆放射出去，而要將這些低頻信號加載到高頻電磁波信號上去。將聲音、圖像信號加載到高頻電磁波上的過程就是調(diào)制。而將聲音、圖像信號從高頻信號中還原出來的過程就是解調(diào)。4．正確理解調(diào)諧的作用世界上有許很多多的無線電臺、電視臺及各種無線電信號，假如不加選擇全部接收下來，那必定是一片混亂，辨別不清。因此接收信號時(shí)，首先要從各種電磁波中把我們須要的選出來，通常叫選臺。在無線電技術(shù)中是利用電諧振達(dá)到該目的的。[典例][多選]下列對無線電廣播要對電磁波進(jìn)行調(diào)制的緣由的說法正確的是()A．經(jīng)過調(diào)制后的高頻電磁波向外輻射能量的本事更強(qiáng)B．經(jīng)過調(diào)制后的電磁波在空間傳播得更快C．經(jīng)過調(diào)制后的電磁波在空間傳播波長不變D．經(jīng)過調(diào)制后的電磁波在空間傳播波長變更[解析]調(diào)制是把要放射的信號“加”到高頻等幅振蕩電流上去，頻率越高，傳播信息實(shí)力越強(qiáng)，A對；電磁波在空氣中以接近光速傳播，B錯(cuò)；由v＝λf，知波長與波速和傳播頻率有關(guān)，C錯(cuò)D對。[答案]AD相近概念的辨析技巧(1)調(diào)頻和調(diào)幅：這是調(diào)制的兩種方式，使電磁波的頻率隨信號變更的調(diào)制方式叫調(diào)頻；使電磁波的振幅隨信號變更的調(diào)制方式叫調(diào)幅。(2)調(diào)制和解調(diào)：把低頻電信號加載到高頻等幅振蕩電流上叫作調(diào)制；把低頻電信號從高頻載波中檢出來叫解調(diào)，是調(diào)制的逆過程。1．簡潔的、比較有效的電磁波的放射裝置，至少應(yīng)具備以下電路中的()①調(diào)諧電路②調(diào)制電路③高頻振蕩電路④開放振蕩電路A．①②③ B．②③④C．①④ D．①②④解析：選B比較有效的放射電磁波的裝置應(yīng)當(dāng)有調(diào)制電路、高頻振蕩電路和開放振蕩電路。調(diào)制電路是把須要放射的信號裝載在高頻電磁波上才能放射出去，高頻振蕩電路能產(chǎn)生高頻電磁波，開放振蕩電路能把電磁波發(fā)送的更遠(yuǎn)。而調(diào)諧電路是在接收端須要的電路。2．有一個(gè)LC接收電路，原來接收較低頻率的電磁波，現(xiàn)在要想接收較高頻率的電磁波，下列調(diào)整正確的是()A．增加電源電壓B．運(yùn)用調(diào)頻的調(diào)制方式C．把可動電容器的動片適當(dāng)旋出一些D．在線圈中插入鐵芯解析：選C增大LC接收電路的頻率，由公式f＝eq\f(1,2π\(zhòng)r(LC))可知應(yīng)減小電容或電感，A、B項(xiàng)錯(cuò)；把可動電容器的動片適當(dāng)旋出一些，減小了電容，符合題目要求，C項(xiàng)正確；在線圈中插入鐵芯，增大了電感，不合題意，D項(xiàng)錯(cuò)。3．世界各地有很多無線電臺同時(shí)廣播，用收音機(jī)一次只能收聽到某一電臺的播音，而不是同時(shí)收聽到很多電臺的播音，其緣由是()A．因?yàn)槭章牭降碾娕_離收音機(jī)最近B．因?yàn)槭章牭降碾娕_頻率最高C．因?yàn)榻邮盏降碾娕_電磁波能量最強(qiáng)D．因?yàn)榻邮盏降碾娕_電磁波與收音機(jī)調(diào)諧電路的固有頻率相同，產(chǎn)生了電諧振解析：選D選臺就是調(diào)諧過程，使f固＝f電磁波，在接收電路中產(chǎn)生電諧振，激起的感應(yīng)電流最強(qiáng)，D正確。1．[多選]在電磁學(xué)發(fā)展過程中，很多科學(xué)家做出了貢獻(xiàn)。下列說法正確的是()A．奧斯特發(fā)覺了電流磁效應(yīng)；法拉第發(fā)覺了電磁感應(yīng)現(xiàn)象B．麥克斯韋預(yù)言了電磁波；楞次用試驗(yàn)證明白電磁波的存在C．庫侖發(fā)覺了點(diǎn)電荷的相互作用規(guī)律；密立根通過油滴試驗(yàn)測定了元電荷的數(shù)值D．安培發(fā)覺了磁場對運(yùn)動電荷的作用規(guī)律；洛倫茲發(fā)覺了磁場對電流的作用規(guī)律解析：選AC赫茲用試驗(yàn)證明白電磁波的存在，B錯(cuò)；安培發(fā)覺了磁場對電流的作用規(guī)律，洛倫茲發(fā)覺了磁場對運(yùn)動電荷的作用規(guī)律，D錯(cuò)，選A、C。2．在LC振蕩電路中，當(dāng)電容器充電完畢尚未起先放電時(shí)，下列說法正確的是()A．電容器中的電場最強(qiáng)B．電路里的磁場最強(qiáng)C．電場能已有一部分轉(zhuǎn)化成磁場能D．磁場能已有一部分轉(zhuǎn)化成電場能解析：選ALC振蕩電路電容器充電完畢，電容器中電場最強(qiáng)，磁場最弱，電場能和磁場能之間還沒有發(fā)生轉(zhuǎn)化，故A正確。3．[多選]用一平行板電容器和一個(gè)線圈組成LC振蕩電路，要增大放射電磁波的波長，可采納的做法是()A．增大電容器兩極板間的距離B．減小電容器兩極板間的距離C．減小電容器兩極板正對面積D．在電容器兩極板間加入電介質(zhì)解析：選BD由v＝λf，f＝eq\f(1,2π\(zhòng)r(LC))，可知：λ＝eq\f(v,f)＝v·2πeq\r(LC)，即λ2與C成正比又C＝eq\f(εS,4πkd)，故B、D正確。4．[多選]電磁波與聲波比較()A．電磁波的傳播不須要介質(zhì)，聲波的傳播須要介質(zhì)B．由空氣進(jìn)入水中時(shí)，電磁波速度變小，聲波速度變大C．由空氣進(jìn)入水中時(shí)，電磁波波長變小，聲波波長變大D．電磁波和聲波在介質(zhì)中的傳播速度，都是由介質(zhì)確定，與頻率無關(guān)解析：選ABC選項(xiàng)A、B均與事實(shí)相符，所以A、B正確；依據(jù)λ＝eq\f(v,f)，電磁波波速變小，頻率不變，波長變?。宦暡ㄋ俣茸兇?，頻率不變，波長變大，所以選項(xiàng)C正確；電磁波在介質(zhì)中的速度，與介質(zhì)有關(guān)，也與頻率有關(guān)，在同一種介質(zhì)中，頻率越大，波速越小，所以選項(xiàng)D錯(cuò)誤。5.[多選]某時(shí)刻LC振蕩電路的狀態(tài)如圖所示，則此時(shí)刻()A．振蕩電流i在減小B．振蕩電流i在增大C．電場能正在向磁場能轉(zhuǎn)化D．磁場能正在向電場能轉(zhuǎn)化解析：選AD由電磁振蕩的規(guī)律可知，電容器充電過程中，電流漸漸減小，電場能漸漸增大，磁場能漸漸減小，即磁場能正向電場能轉(zhuǎn)化，故A、D正確。6．在無線電波廣播的接收中，調(diào)諧和檢波是兩個(gè)必需經(jīng)驗(yàn)的過程，下列關(guān)于接收過程的依次，正確的是()A．調(diào)諧→高頻放大→檢波→音頻放大B．檢波→高頻放大→調(diào)諧→音頻放大C．調(diào)諧→音頻放大→檢波→高頻