电磁场和电磁波.doc

学科：物理
教学内容：电磁场和电磁波

【基础知识归纳】
一、振荡电流和振荡电路
大小和方向都做周期性变化的电流叫做振荡电流．能产生振荡电流的电路叫振荡电路，LC电路是最简单的振荡电路．

二、电磁振荡及其周期、频率
振荡电路中产生振荡电流的过程中，线圈中的电流、电容器极板上的电量及其与之相联系的磁场能、电场能也都作周期性变化，这种现象叫做电磁振荡．
1．振荡原理：利用电容器的充放电和线圈的自感作用产生振荡电流，形成电场能和磁场能的周期性相互转化．
2．振荡过程：电容器放电时，电容器所带电量和电场能均减少，直到零；电路中的电流和磁场能均增大，直到最大值．充电时，情况相反．电容器正反向充放电一次，便完成一次
振荡的全过程．图13—2—1表示振荡过程中有关物理量的变化．

图13—2—1
3．周期和频率：电磁振荡完成一次周期性变化所用的时间叫做电磁振荡的周期．1 s内完成电磁振荡的次数叫做电磁振荡的频率．对LC电路产生的电磁振荡，其周期和频率由电路本身性质决定：
T＝ f＝

三、电磁场和电磁波
1．麦克斯韦电磁场理论
（1）不仅电荷能够产生电场，变化的磁场也能产生电场．
（2）不仅电流能够产生磁场，变化的电场也能产生磁场．
2．电磁场和电磁波
变化的电场和磁场总是相互联系的，形成一个不可分割的统一体，即为电磁场，电磁场由近及远的传播就形成电磁波．
3．电磁波的波速
在真空中，任何频率的电磁波的传播速度都等于光速c＝3.00×108 m/s．其波速、波长、周期频率间关系为：c＝＝fλ．
复习时注意以下的几个方面：
（1）麦克斯韦从理论上预言了电磁波的存在，赫兹用实验成功的证实了电磁波的存在．
（2）在电磁波中，电场强度和磁感应强度是互相垂直的，且都和电磁波的传播方向垂直，所以电磁波为横波．
（3）电磁波的传播过程，也是电磁能的传播过程．
（4）电磁波的传播不需要介质．

四、无线电波的发射
1．调制：在无线电应用技术中，首先将声音、图象等信息通过声电转换、光电转换等方式转为电信号，这种电信号频率很低，不能用来直接发射电磁波．把要传递的低频率电信号“加”到高频电磁波上，使电磁波随各种信号而改变叫调制．
调幅和调频：使高频振荡的振幅随信号而改变叫做调幅．使高频振荡的频率随信号而改变叫做调频．

五、无线电波的接收
1．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同时，接收电路中产生的振荡电流最强，这种现象叫做电谐振．
2．调谐：调谐电路的固有频率可以在一定范围内连续改变，将调谐电路的频率调节到与需要接收的某个频率的电磁波相同，即，使接收电路产生电谐振的过程叫做调谐．
3．检波：从接收到的高频振荡中分离出所携带的信号的过程叫做检波．检波是调制的逆过程，也叫解调．
4．无线电的接收：天线接收到所有的电磁波，经调谐选择出所需要的电磁波，再经检波取出携带的信号，放大后再还原成声音或图象的过程．

六、电视的基本原理
电视系统主要由摄像机和接收机组成．把图象各个部位分成一系列小点，称为像素，每幅图象至少要有几十万个像素．摄像机将画面上各个部分的光点，根据明暗情况逐点逐行逐帧地变为强弱不同的信号电流，随电磁波发射出去．
电视机接收到电磁波后，经调谐、检波得到电信号，按原来的次序在显像管的荧光屏上汇成图象．
中国电视广播标准采用每1 s传送25帧画面，每帧由625条线组成．
七、雷达的基本原理
雷达是利用无线电波来测定物体位置的无线电设备，一般由天线系统、发射装置、接收装置、输出装置（显示器）、电源、用于控制雷达工作和处理信号的计算机以及防干扰设备等构成．

【方法解析】
麦克斯韦电磁理论是理解电磁场和电磁波的关键所在，应注意领会以下内容：变化的磁场可产生电场，产生的电场的性质是由磁场的变化情况决定的，均匀变化的磁场产生稳定的电场，非均匀变化的磁场产生变化的电场，振荡的磁场产生同频率振荡的电场；反之亦然．

【典型例题精讲】
［例1］LC振荡电路中，某时刻磁场方向如图13—2—2所示，则下列说法错误的是

图13—2—2
A．若磁场正在减弱，则电容器上极板带正电
B．若电容器正在放电，则电容器上极板带负电
C．若电容器上极板带正电，则线圈中电流正在增大
D．若电容器正在放电，则自感电动势正在阻碍电流增大
【解析】 先根据安培定则判断出电流的方向，若该时刻电容器上极板带正电，则可知电容器处于充电阶段，电流应正在减小，知A叙述正确．
若该时刻电容器上极板带负电，则可知电容器正在放电，电流正在增强，知B叙述正确，由楞次定律知D叙述亦正确．因而错误选项只有C．
【思考】 （1）若磁场正在增强，则电场能和磁场能是如何转化的?电容器是充电还是放电?线圈两端的电压是增大还是减小?
（2）若此时磁场最强（t＝0），试画出振荡电流ｉ和电容器上板带电量q随时间t变化的图象?
（3）若使该振荡电路产生的电磁波的波长更短些，可采取什么措施?（包括：线圈匝数、铁芯、电介质、正对面积、板间距离等）
【思考提示】 （1）磁场增强，磁场能增大，电场能减小，电容器放电，电容器两端电压降低，线圈两端电压降低．
（2）

（3）根据λ＝cT和T＝2π，为减小λ，需减小L或C．
【设计意图】 通过本例说明分析电磁振荡过程中各量变化的方法．
［例2］某电路中电场随时间变化的图象如图13—2—3所示，能发射电磁波的电场是

图13—2—3
【解析】 变化的电场可产生磁场，产生的磁场的性质是由电场的变化情况决定的．均匀变化的电场产生稳定的磁场，非均匀变化的电场产生变化的磁场，振荡的电场产生同频率振荡的磁场．
图A中电场不随时间变化，不会产生磁场．图B和图C中电场都随时间做均匀的变化，在周围空间产生稳定的磁场，这个磁场不能再激发电场，所以不能激起电磁波．图D中电场随时间做不均匀的变化，能在周围空间产生变化的磁场，而这磁场的变化也是不均匀的，又能产生变化的电场，从而交织成一个不可分割的统一体，即形成电磁场，才能发射电磁波．
【设计意图】 通过本例说明形成电磁波的条件．

【达标训练】
1．建立电磁场理论的科学家是_______．用实验证明电磁波存在的科学家是_______．
【答案】 麦克斯韦 赫兹
2．关于电磁场和电磁波，下列说法正确的是
A．电场和磁场总是相互联系着，统称为电磁场
B．电磁场由发生区域向远处传播就是电磁波
C．电磁场是一种物质，不能在真空中传播
D．电磁波的传播速度总是3.0×108 m/s
【答案】 B
3．某电磁波从真空进入介质后，发生变化的物理量有
A．波长和频率 B．波速和频率
C．波长和波速 D．频率和能量
【答案】 C
4．电磁波和机械波相比较
①电磁波传播不需要介质，机械波传播需要介质
②电磁波在任何物质中传播速度都相同，机械波波速大小决定于介质
③电磁波、机械波都会发生衍射
④机械波会发生干涉，电磁波不会发生干涉
以上说法正确的是
A．①③ B．②④ C．①④ D．②③
【答案】 A
5．关于电磁波，下列说法中正确的是
A．在真空中，频率高的电磁波速度较大
B．在真空中，电磁波的能量越大，传播速度越大
C．电磁波由真空进入介质，速度变小，频率不变
D．只要发射电路的电磁振荡一停止，产生的电磁波立即消失
【解析】 任何频率的电磁波在真空中的传播速度都是c，故AB都错．
电磁波由真空进入介质，波速变小，而频率不变，Ｃ对．变化的电场、磁场由变化区域向外传播就形成电磁波，发射电路的电磁振荡一停止，就不再发射电磁波，但已产生的电磁波并不消失，故Ｄ错．
【答案】 C
6．无线电广播的中波段波长的范围是187 m～560 m，为了避免邻近电台的干扰，两个电台的频率范围至少应差104 Hz，则在此波段中最多能容纳的电台数约为多少个？
【解析】 中波段的频率范围为
fmax＝Hz＝1.6×106 Hz
fmin＝Hz＝0.54×106 Hz
在此波段最多容纳的电台数
n＝＝106
【答案】 106
7．某收音机接收电磁波的波长范围在577 m到182 m之间，求该收音机接收到的电磁波的频率范围．
【解析】 根据c＝λf
f1＝Hz＝5.20×105 Hz
f2＝Hz＝1.65×106 Hz
所以，频率范围为5.20×105 Hz～1.65×106 Hz
【答案】 5.20×105 Hz～1.65×106 Hz
8．关于LC振荡电路中的振荡电流，下列说法中正确的是
A．振荡电流最大时，电容器两极板间的场强最大
B．振荡电流为零时，线圈中自感电动势为零
C．振荡电流增大的过程中，线圈中磁场能转化成电场能
D．振荡电流减小的过程中，线圈中自感电动势增大
【答案】 Ｄ
9．LC振荡电路中，某时刻的电流方向如图13—2—4所示，则下列说法中正确的是
A．若磁场正在减弱，则电容器上极板带负电
B．若电容器正在放电，则电容器上极板带正电
C．若电容器上极板带正电，则电感线圈中的电流正在增大
D．若电容器正在放电，则自感电动势正在阻碍电流增大

【答案】 D
10．在LC振荡电路中，电容器C的带电量随时间变化的图象如图13—2—5所示，在1×10－6 s到2×10－6 s内，关于电容器的充（或放）电过程及因此产生的电磁波的波长，正确的结论是
A．充电过程，波长为1200 m
B．充电过程，波长为1500 m
C．放电过程，波长为1200 m
D．放电过程，波长为1500 m

【解析】 在1×10－6 s到2×10－6 s内，电容器带电量增大，属充电过程．产生的电磁波周期T＝4×10－6 s，波长λ＝cT＝3×108×4×10－6 m＝1200 m
【答案】 A
11．LC振荡电路中，某时刻磁场方向如图13—2—6所示，则下列说法错误的是

图13—2—6
A．若磁场正在减弱，则电容器上极板带正电
B．若电容器正在放电，则电容器上极板带负电
C．若电容器上极板带正电，则线圈中电流正在增大
D．若电容器正在放电，则自感电动势正在阻碍电流增大
【解析】 若该时刻电容器上极板带正电，则可知电容器处于充电阶段，电流应正在减小，知A正确．若该时刻电容器上极板带负电，则可知电容器正在放电，电流正在增强，知B正确，由楞次定律知D亦正确．
【答案】 Ｃ
12．在LC振荡电路中，电容C两端的电压UC随时间变化的图象如图13—2—7所示，根据图象可以确定振荡电路中电场能最大的时刻为_______，在T／2～3T／4时间内电容器处于_______状态，能量转化情况是_______．

【解析】 电容器两极板间电压最大时，电场能最大，由图可知电场能最大时刻为0，，T．在～T时间内，两极板间电压变小，电容器处于放电状态，电场能正转化为磁场能．
【答案】 0，，T；放电；电场能转化为磁场能