第十四章 电磁波,14.1 电磁波的发现,学习目标：,1. 描述电磁振荡产生的过程，解释麦克斯韦电磁场理论的基本思想 2. 说出电磁波的形成及电磁波的基本特点，写出LC电路的振荡周期和频率与电感电容的关系。 3. 感受科学家认识事物的科学精神和科学研究方法。,学案反馈可圈可点,学案反馈可圈可点,一、麦克斯韦的电磁场理论,1、变化的磁场产生电场,问题：闭合线圈放在磁场中如何产生电流?,穿过闭合回路的磁通量发生变化,环中产生感应电流的实质:环内产生了电场，电场驱使电子定向移动而产生了电流，电场的方向与电流方向相同。,将金属环拿走，当磁场变化时的电场仍然存在,英国物理学家经典电磁理论的奠基人。 1831年6月13日出生于爱丁堡。 15岁那年他的一篇关于卵形曲线画法的论文发 表在爱丁堡皇家学会会刊上，比笛卡尔的 方法还简便。 16岁进入爱丁堡大学听课，专攻数学，很重视 实验。 19岁考入剑桥大学，23岁以优异的成绩毕业， 并留校工作。 29岁起任伦敦皇家学院物理学和天文学教授。 1871年起负责筹划卡文迪许实验室。 1879年因癌症逝世，终年48岁。,恒定的磁场不产生电场 均匀变化的磁场产生恒定的电场 周期性变化的磁场产生同频率的振荡电场 非均匀变化的磁场产生变化的电场,一、麦克斯韦的电磁场理论,1、变化的磁场产生电场,t,t,正弦曲线,振荡磁场,振荡电场,E与B 频率相同,2、变化的电场产生磁场,一、麦克斯韦的电磁场理论,恒定的电场不产生磁场 均匀变化的电场产生恒定的磁场 周期性变化的电场产生同频率的振荡磁场 非均匀变化的电场产生变化的磁场,二、电磁场：,变化的电场和变化的磁场是相互联系的,形成不可分割的统一体,这就是电磁场。,说明：电磁场是特殊的物质形态，具 有能量，能相互叠加 是空间立体的,（麦克斯韦预言电磁波的存在）,三、电磁波,1、定义：变化的电场和变化的磁场交替产生，由发生区域向四周由近及远地传播，形成电磁波。,2、 电磁波的特点,1）电磁波是横波： EB V,波速：v=/T=f,3)电磁波的频率由振源决定，同一电磁波在不同介质中传播，v和变化，v介C,2）电磁波可以在真空中传播速度等于光速,c=310 8m/s,5）电磁波具有波的共性，能发生反射、折射、干涉、衍射、多普勒效应和偏振现象。,6）电磁波有能量。,4)不同电磁波在同一介质中传播，速度不同， f越高，v越小；f越低，v越大,3、赫兹用实验证实电磁波的存在：,令人振奋的电火花,1）观察到了电磁波的反射,折射,干涉,偏振和衍射等现象. 2）还测量出光的和f，算出电磁波和光有相同的速度. 3）奠定了无线电技术基础,赫兹在人类历史上首先捕捉到了电磁波,4.电磁波与机械波比较： 1）传播条件： 2）传播规律： 3）传播本质： 4）产生本质不同：,机械波传播需要介质，而电 磁波不需要介质也能传播。,都遵循“V=f=/T”这个关 系式；且电磁波也能发生反射、 折射、衍射、干涉等现象。,机械波传播的是机械能， 电磁波传播的是电磁能。,机械波是机械振动产生， 电磁波是电磁振荡产生。,四、麦克斯韦的电磁场理论的意义,1、 实现了电磁光的统一，被认为是19世纪科学史上最伟大的统一,2、 实现了从经典物理学向现代物理学的重大转折,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,电磁波形成示意图：,电磁波的特性：,a.不需要传播介质,可以在真空中传播。,b.传播速度等于光速。,c.光是一种电磁波。,激发,激发,激发,激发,第十四章 电磁波,14.2 电磁振荡,1. 振荡电流: 这种电路产生 的大小和方向做周期性变 化的电流, 叫振荡电流.,2. 能够产生振荡电流的电路叫振荡电路. 如图 示是一种简单的振荡电路, 称LC振荡电路.,3. LC回路产生的振荡电流按正弦规律变化.,一、电磁振荡的产生,电容器 具有充、 放电作用,线圈 具有自 感作用,UCULL,UC,UL,L,二、过程分析,电磁振荡中电流i、极板间的电压u、极板上的电量q、电场能和磁场能之间的对应关系,(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,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。,LC回路工作过程具有对称性和周期性，可归结为：,(2)、两个特殊状态：,1、电磁振荡的特点：,2、电磁振荡的变化规律：,3、变化规律的图象描述：,注意： （1）图像应用时充分利用“同步、异步” （2）EL（UL）的变化规律,（E U）,（B ）,4、电磁振荡的物理实质： （1）q、i、E(U)、B都在发生周期性的变化； （2）电场能磁场能发生周期性的转化。,3. 等幅振荡（实际应用）,三、阻尼振荡和无阻尼振荡,电磁振荡与简谐运动有很多相似之处，它们的运动都有周期性，我们知道自由振动的周期只与振动系统本身的特性有关，那么电磁振荡的周期或频率是由什么因素决定的呢？,四、电磁振荡的周期和频率,1周期和频率：电磁振荡完成一次周期性变化所需的时间叫做周期，一秒钟内完成周期变化的次数叫做频率 LC回路的周期和频率由回路本身的特性决定这种由振荡回路本身特性所决定的振荡周期（或频率）叫做振荡电路的固有周期（或固有频率），简称振荡电路的周期（或频率）,2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,大量实验表明： （1）电容增大时，周期变长（频率变低）； （2）电感增大时，周期变长（频率变低）； （3）电压升高时，周期不变（频率不变） 结果表明，LC回路的周期和频率只与电容C和自感L有关，跟电容器的带电多少和回路电流大小无关,定性解释： 电容越大，电容器容纳电荷就越多，充电和放电所需的时间就越长，因此周期越长，频率越低；自感越大，线圈阻碍电流变化的作用就越大，使电流的变化越缓慢，因此周期越长，频率越低,LC回路的周期和频率公式,（1）式中各物理量T、L、C、f的单位分别是s、H、F、Hz （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 （3）电场能、磁场能变化的周期为T=T/2,总结与拓展,电磁振荡与机械振动类比：,iv q(u) h E磁 Ek E电 Ep,振荡电路,单摆,第一类：电容器的电荷q、电压u、电场E、 电场能E电、线圈的自感电动势e自,第二类：线圈的电流i、磁场B、磁场能E磁,两类量的变化规律相反. 即第一类增大时 第二类减小; 第一类达最大时第二类为零.,两类量:,LC振荡电路产生振荡电流的物理原因是电容器的充放电作用和线圈的自感作用；,LC振荡电路产生振荡电流的物理实质是电场能和磁场能的周期性转换。,小结,1、按照麦克斯韦的电磁场理论，以下说法中正确的是（ ） A、恒定的磁场在周围产生恒定的电场 B、变化的磁场在周围产生变化的电场 C、均匀变化的磁场在周围产生均匀变化的电场 D、均匀变化的磁场在周围产生恒定的电场,例与练,均匀变化的磁场（电场）产生恒定的电场（磁场）,D,2、按照麦克斯韦的电磁场理论，以下说法中不正确的是（ ） A、振荡的磁场在周围产生恒定的电场 B、振荡的磁场在周围产生均匀变化的电场 C、振荡的电场在周围产生不同频率的振荡磁场 D、振荡的电场在周围产生同频率的振荡磁场,例与练,振荡磁场（电场）产生同频率的振荡电场（磁场）,D,3、关于电磁波，下列说法中正确的是 A、均匀变化的电场和均匀变化的磁场互相激发，由产生处向远处传播形成电磁波 B、振荡电场和振荡磁场互相激发，由产生处向远处传播形成电磁波 C、电磁波的振荡电场和振荡磁场方向互相垂直，且与传播方向互相垂直 D、电磁波能够发生反射、干涉、衍射、偏振现象,例与练,电磁波是横波,BCD,4、比较电磁波和机械波，下列说法中正确的是（ ） A、电磁波和机械波都可以在真空中传播 B、电磁波和机械波都是传递能量的一种形式 C、电磁波和机械波都能产生反射、干涉、衍射、偏振现象 D、电磁波和声波都是纵波,例与练,机械波只能在介质中传播,电磁波是横波，声波是纵波,BC,5、任何电磁波在真空中都具有相同的（ ） (A)频率 (B)波长 (C)波速 (D)能量,C,1、已知LC振荡电路中电容器极板1上的电量随时间变化 的曲线如图所示则（ ） A.a、c两时刻电路中电流最大，方向相同 B.a、c两时刻电路中电流最大，方向相反 C.b、d两时刻电路中电流最大，方向相同 D.b、d两时刻电路中电流最大，方向相反,2、 LC振荡电路中电容器极板上电量q 随时间t变化的图线如图，由图可知：,A、在t1时刻电路中的磁场能最小 B、从t1到t2 ，电路中的电流值不断变小 C、从t2到t3 ，电容器不断充电 D、在t4时刻电容器的电场能最小,答案：ACD,3.当LC振荡电路中电流达到最大值时，下列叙述中正确的是（ ）。 A.磁感应强度和电场强度都达到最大值 B.磁感应强度和电场强度都为零 C.磁感应强度最大而电场强度为零 D.磁感应强度是零而电场强度最大,