高中物理选修3-4同步教案：第14章 电磁波 第1-3节 电磁波的发现 电磁振荡 电磁波的发射和接收

第1～3节电磁波的发现__电磁振荡电磁波的发射和接收____一、电磁场和电磁波1．麦克斯韦电磁理论的两个基本假设 (1)变化的磁场能够在周围空间产生电场。

(2)变化的电场能够在周围空间产生磁场。

图14-1-1图14-1-1甲变化的磁场在其周围空间产生电场。

1.英国物理学家麦克斯韦建立了经典电磁场理论：变化的磁场产生电场，变化的电场产生磁场。

德国物理学家赫兹证实了电磁波的存在。

2．LC 电路的周期(频率)公式：T ＝2πLC ，f ＝12πLC。

3．无线电波的发射和接收过程：调制⎩⎨⎧调幅调频→发射→接收→调谐→解调。

图乙变化的电场在其周围空间产生磁场。

2．电磁场变化的电场和变化的磁场交替产生，形成不可分割的统一体，称为电磁场。

3．电磁波(1)电磁波的产生：变化的电场和磁场交替产生而形成的电磁场是由近及远地传播的，这种变化的电磁场在空间的传播称为电磁波。

(2)电磁波的特点：①电磁波是横波，电磁波在空间传播不需要介质；②电磁波的波长、频率、波速的关系：v＝λf，在真空中，电磁波的速度c＝3.0×108 m/s。

(3)电磁波能产生反射、折射、干涉和衍射等现象。

二、电磁振荡1．振荡电流：大小和方向都随时间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。

最基本的振荡电路为LC振荡电路。

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，电场和磁场周期性相互转变的过程也就是电场能和磁场能周期性相互转化的过程。

4．电磁振荡的周期与频率(1)周期：电磁振荡完成一次周期性变化需要的时间。

(2)频率：1 s内完成周期性变化的次数。

振荡电路里发生无阻尼振荡时的周期和频率分别叫做固有周期、固有频率。

(3)周期和频率公式：T＝2πLC，f＝12πLC。

三、电磁波的发射1．要有效地发射电磁波，振荡电路必须具有两个特点：(1)要有足够高的振荡频率，频率越高，发射电磁波的本领越大。

(2)应采用开放电路，振荡电路的电场和磁场必须分散到足够大的空间。

2．开放电路：实际的开放电路，线圈的一端用导线与大地相连，这条导线叫做地线，线圈的另一端高高地架在空中，叫做天线。

3．电磁波的调制：使电磁波随各种信号而改变的技术叫做调制。

调制的方法有两种，一是调幅，使高频电磁波的振幅随信号的强弱而改变；另一种叫调频，使高频电磁波的频率随信号的强弱而改变。

四、电磁波的接收1．接收原理电磁波在传播时遇到导体会使导体中产生感应电流，所以导体可用来接收电磁波，这个导体就是接收天线。

2．电谐振当接收电路的固有频率跟接收到的电磁波的频率相等时，接收电路里产生的震荡电流最强，这种现象叫做电谐振。

3．调谐使电路中产生电谐振的过程叫做调谐。

4．解调使声音或图像信号从接收到的感应电流中还原出来，这个过程是调制的逆过程，叫做解调。

5．无线电波波长大于1_mm(频率低于300 GHz)的电磁波叫作无线电波。

并按波长分成若干个波段，像长波、中波、短波、微波等。

每个段所用的设备和技术不同，因此有不同的用途。

1．自主思考——判一判(1)恒定电流周围产生磁场，磁场又产生电场。

(×)(2)电磁波和光在真空中的传播速度都是3.0×108 m/s。

(√)(3)电容器放电完毕，电流最大。

(√)(4)L和C越大，电磁振荡的频率越高。

(×)(5)频率越高，振荡电路发射电磁波本领越大。

(√)(6)当接收电路的固有频率和电磁波频率相同时，出现谐振现象。

(√)(7)要使电视机的屏幕上出现图像，必须将电视机接收到的无线电信号解调。

(√)2．合作探究——议一议(1)怎样才能形成电磁波？提示：变化的电场周围产生变化的磁场，变化的磁场周围产生变化的电场，在空间交替变化并传播出去的电磁场就形成了电磁波。

(2)打开收音机的开关，转动选台旋钮，使收音机收不到电台的广播，然后开大音量。

在收音机附近，将电池盒的两根引线反复碰撞，你会听到收音机中发出“喀喀”的响声。

为什么会产生这种现象呢？打开电扇，将它靠近收音机，看看又会怎样。

提示：电磁波是由电磁振荡产生的，在收音机附近，将电池盒两引线反复碰触，变化的电流产生变化的磁场，变化的磁场产生变化的电场，这样会发出电磁波，从而导致收音机中发出“喀喀”声。

若将转动的电扇靠近收音机，因为电扇中电动机内通有交流电，电动机的运行同样会引起收音机发出“喀喀”声。

(3)1895年，一位年轻的意大利人马可尼(公元1874－1937年)发明了无线电通信技术。

从此，携带了人类信息的电磁波开始在空间自由旅行，人们不必依赖电线，就可以在遥远的地方互通信息。

电视台发射电视信号为什么要建高耸入云的发射塔呢？图14-1-2提示：电视信号要有效地发射出去，必须采用高频开放电路，电视信号所用电磁波的波长比较短，以直线传播为主，遇到障碍物会被阻挡，所以发射天线要架得高一些。

1．电磁场的产生如果在空间某处有周期性变化的电场，那么这个变化的电场就在它周围空间产生周期性变化的磁场，这个变化的磁场又在它周围空间产生变化的电场——变化的电场和变化的磁场是相互联系着的，形成不可分割的统一体，这就是电磁场。

2．对麦克斯韦电磁场理论的理解3．对电磁波的理解(1)电磁波的传播不需要介质，可在真空中传播。

在真空中，不同频率的电磁波传播速度是相同的(都等于光速)。

(2)不同频率的电磁波，在同一介质中传播，其速度是不同的，频率越高，波速越小。

(3)v＝λf中，f是电磁波的频率，即为发射电磁波的LC振荡电路的频率：f＝12πLC，改变L或C即可改变f，从而改变电磁波的波长λ。

[典例](多选)根据麦克斯韦电磁场理论，变化的磁场可以产生电场。

当产生的电场的电场线如图14-1-3所示时，可能是()图14-1-3A．向上方向的磁场在增强B．向上方向的磁场在减弱C．向上方向的磁场先增强，然后反向减弱D．向上方向的磁场减弱，然后反向增强[思路点拨]在电磁感应现象的规律中，当一个闭合回路中由于通过它的磁通量发生变化时，回路中就有感应电流产生，回路中并没有电源，电流的产生是由于磁场的变化。

麦克斯韦把以上的观点推广到不存在闭合电路的情况，即变化的磁场产生电场。

判断电场与磁场变化的关系仍可利用楞次定律，只不过是用电场线方向代替了电流方向。

[解析]向上方向的磁场增强时，感应电流的磁场阻碍原磁场的增强而方向向下，根据安培定则感应电流方向如图中E的方向所示，选项A正确，B错误。

同理，当磁场反向即向下的磁场减弱时，也会得到如图中E的方向，选项C正确，D错误。

[答案]AC1．关于电磁场理论，以下说法正确的是()A．在电场周围一定会产生磁场B．任何变化的电场周围空间一定会产生变化的磁场C．均匀变化的电场会产生变化的磁场D．周期性变化的电场会产生周期性变化的磁场解析：选D变化的电场周围一定产生磁场，但若电场不发生变化，则不能在周围空间产生磁场，选项A错误；均匀变化的电场只能在周围空间产生稳定的磁场，只有不均匀变化的电场才能在周围空间产生变化的磁场，选项B、C错误；周期性变化的电场(或磁场)在周围空间产生周期性变化的磁场(或电场)，选项D正确。

2．(多选)应用麦克斯韦的电磁场理论判断下列表示电场产生磁场(或磁场产生电场)的关系图像中，正确的是(每个选项中的上图表示变化的场，下图表示变化的场产生的另外的场)()解析：选BC A图中的上图表示磁场是稳定的，由麦克斯韦的电磁场理论可知周围空间不会产生电场，选项A错误；B图中的上图表示均匀变化的电场，会产生稳定的磁场，选项B正确；C图中的上图表示振荡的磁场，它能产生同频率的振荡电场，且相位相差π/2，选项C正确；D图的上图表示振荡的电场，在其周围空间产生振荡的磁场，且相位相差π/2，但是下图中的图像与上图相比较，相位相差π，故选项D错误。

3. (多选)如图14-1-4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，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()图14-1-4A．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：选BC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电场力的作用，带电粒子在电场力作用下可以产生加速度，选项B、C正确。

1．各物理量变化情况一览表2．振荡电流、极板带电荷量随时间的变化图像图14-1-5[典例](多选)在LC振荡电路中，某时刻电路中的电流方向如图14-1-6所示，且电流正在减小，则该时刻()图14-1-6A．电容器上极板带正电，下极板带负电B．电容器上极板带负电，下极板带正电C．电场能正在向磁场能转化D．磁场能正在向电场能转化[思路点拨](1)由电流减小可知，电容器正在充电。

(2)电容器充电过程中，磁场能转化为电场能。

[解析]电流正在减小，说明是充电过程，是磁场能向电场能的转化，D项正确，C项错误；充电过程电容器上极板带负电，下极板带正电，A项错误，B项正确。

[答案]BDLC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，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。

(2)根据物理量的变化趋势判断：当电容器的带电量q(电压U、场强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。

1.如图14-1-7所示，表示LC振荡电路某时刻的情况，以下说法正确的是()图14-1-7A．电容器正在充电B．电感线圈中的磁场能正在减小C．电感线圈中的电流正在减小D．此时自感电动势正在阻碍电流的增加解析：选D根据磁感线的方向可以判断电流方向是逆时针，再根据电容器极板上带电的性质可以判断电容器在放电，A项错误；电容器在放电，所以电流在增加，磁场能在增加，自感电动势正在阻碍电流的增加，B、C项错误，D项正确。

2．如图14-1-8所示是一个LC振荡电路中电流的变化图线，以下说法正确的是()图14-1-8A．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零C．t1时刻电路中只有电场能D．t1时刻电容器所带电荷量为零解析：选D振荡过程中由于电感和电容的存在，电路不是纯电阻电路，故不满足欧姆定律的适用条件。

由i-t图像可知t1时刻电流i最大，t2时刻电流i为零，误认为i与u满足欧姆定律I＝UR，从而错选A、B项。

电流i最大时，说明磁场最强，磁场能最大，电场能为零，电压、电荷量均为零。

3．(多选)为了测量储罐中不导电液体的高度，将与储罐外壳绝缘的两块平行金属板构成的电容器C置于储罐中，电容器可通过开关S与线圈L或电源相连，如图14-1-9所示。