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2020-2021学年高中物理 第4章 电磁振荡与电磁波 1 电磁振荡教案 新人教版选择性必修第二册

2020-2021学年高中物理 第4章 电磁振荡与电磁波 1 电磁振荡教案 新人教版选择性必修第二册

年级：
姓名：

- 7 -

电磁振荡

教学目标

1．知道电容器的充、放电作用及电感阻碍电流变化作用
2．会分析振荡电流变化过程
过程与方法：通过观察演示实验，概括出电磁振荡等概念，培养学生的观察能力、类比推理能力，以及理解和概括能力

教学重难点

1．先通过观察演示实验，总结得到几个基本概念：振荡电路，振荡电流，电磁振荡现象等．这部分知识，基本概念很抽象，研究对象多是看不见摸不着的电磁场及其运动，理解起来也较为困难，所以做好演示实验是重点，再辅以类比推理和生动的比喻、描述，能增强可接受性．
2．LC回路产生电磁振荡是本章本单元的重点，也是难点．电磁振荡产生的物理过程较为抽象，所以重点应放在电路中电场能和磁场能的相互转化上；分析指出何时电场能转化为磁场能，何时磁场能转化为电场能；何时电场能最大，何时磁场能最大．与之对应的也要指出电路里电流何时最大，何时为零
教学过程
新课引入

（一）、引入新课：
师：电磁波与现代的科技以及人类的生活密切关系。无线电广播、电视、人造卫星、导弹、宇宙飞船等，传递信息和跟地面的联系都要利用电磁波，电磁波对我们来说更是越来越重要。那么电磁波到底是什么？它有哪些性质 ？它又是怎么产生与传播的呢？
这一节课我们就先来研究电磁波是怎么产生的。
（二）、新课教学：
师：在前面的几个章节中，我们学习了机械波，那么机械波的产生需要什么条件呢？
生：要有机械振动作为波源，并且在传播的过程中还要有介质的作用。
师：从这里我们看到机械振动形成了机械波；类似的电磁振荡能够产生电磁波，那么要想知道电磁波是怎么产生的，首先我们要知道什么是电磁振荡？下面我们先来做一个试验：
一、电磁振荡：
观察演示实验．
电路仪器：电感L、电容C；干电池（可延长电流表指针往复摆动时间，达十几次以上）．连接成如图所示电路．
演示操作： 用电源给电容C充电，若将开关S拨到a端．
师：将会发生什么现象？它说明了什么？（学生猜想）
引导启发同学边看实验视频边想，电流表G指针为什么摆动？往复摆动说明通过G的电流有什么特点？
在同学回答的基础上，总结得出几个概念：
1、振荡电流：像这样产生的大小和方向交替变化的电流叫做振荡电流。
2、振荡电路：能产生振荡电流的电路叫振荡电路，上面的LC回路叫LC振荡电路．
振荡电流是一种什么性质的电流？有何特点？
接在示波器上观察波形：（观看视频）
总结指出，振荡电流实质上就是前边学过的交流电，它也按正弦规律变化。
振荡电流是怎样产生的？下面研究它的产生过程：
研究电磁振荡的产生过程：
师：我们先来分析LC振荡电路中各用电器的作用：指导学生回答,
从实验中我们可以看到产生的变化电流，这主要是线圈的自感作用，那么要把线圈换成了一个直流电阻又会看到什么现象？引导学生分析电容器的充放电过程，得出电流计的指针将会偏转一次就变为零，不再变化。从而更突出线圈的作用。
师：电场具有电场能，相应的磁场也具有磁场能。那么电场能和磁场能都和哪些因素有关？
指导学生分析总结：
与电场能有关的因素：电场能电场强度E电容器极板间电压u电容器带电量q
与磁场能有关的因素：磁场能磁感强度B线圈中电流 i
师：下面我们来具体分析振荡电流产生的过程：（观看视频启发学生思考进行分析讲解）
(1)、给电容C充电，电容器中储存一定的电场能（E电）
⑵、电容C放电 ，电场能转化为磁场能：C上带电量、电场能（电压）逐渐减小（降低），电路中的电流、磁场能则逐渐增大，请同学们想一下这样转化的条件是什么？为什么是“逐渐”的？随后指出这是由于电容器C的放电作用（两极板上正、负电荷的吸引作用）和电感L中电流变化时产生的自感电动势的“阻碍”作用所至．当C放电完了时，电场能为零，QC=0，UC=0 ，
磁场能达到最大（与之对应的振荡电流也达到最大Im．
⑶、反向充电过程，是磁场能转化为电场能的过程，
C放电完了时，由于L的自感作用，电路中移动的电
荷不能立即停止运动，仍保持原方向流动，经C反向
充电，同理则有i减小，E磁减小，而E电增大（QC，UC也随之增大）．直到E磁（i）减为零，E电（QC，UC）增为最大.
⑷、电容C再次反向放电过程，同理可知E电（QC，UC）
减小，直到为零，E磁（i）增大，直到最大（Im）
⑸、电容器又开始充电，则有i减小，E磁减小，而E电增大（QC，UC也随之增大）．直到E磁（i）减为零，E电（QC，UC）增为最大。
综合上面的分析指导学生分析出整个过程中能量的转换关系：
得出： 电磁振荡产生的过程特点：
（1） 两个特殊的过程：
充电过程：磁场能转化为电场能，Qc↑ → i↓
放电过程：电场能转化为磁场能，Qc↓→ i↑
（2） 两个特殊的物理状态：
充电完成状态：Qc= Qm , i=0 磁场能向电场能转化完毕,电场能最大，磁场能最小。
放电完成状态：Qc =0, i=Im 电场能向磁场能转化完毕，磁场能最大，电场能最小。
归纳总结指出：
时 间 t
t=0
t=T/4
t=T/2
t=3T/4
t=T
电容器
带电量
最大
(A＋、B－)
零
 最大
(A－、B＋)
 零

最大
(A＋、B－)
电路中
电 流
零

 最大(a→b)

零

最大(b→a)

零

电场能（E）
 最大
 零
 最大
 零
 最大
磁场能（B）
零
 最大
零
最大
 零
变化规律的图象描述：

得出：电场能与磁场能交替转化
分析给出：理想的LC振荡电路：总能量守恒＝电场能＋磁场能＝恒量
综述，引导学生总结:
3、电磁振荡： 在振荡电路产生振荡电流的过程中，电容器极板上的电荷、通过线圈的电流，以及跟电荷和电流相联系的电场和磁场都发生周期性的变化，这种现象叫电磁振荡。
师：电磁振荡的过程和我们以前所学的单摆过程很相似：引导学生做比较，并完成表格，学会前后知识相联系，比较学习.
电磁振荡与机械振动（简谐运动）的类比：

电磁振荡
简谐运动
过程
特点
充电：加在电容器两端的电压产生充电电流；线圈的电感阻碍充电电流的突变。
放电：线圈的电感维持放电电流不变；电容器两端电压阻碍放电电流。

加速：回复力使单摆运动状态变化，惯性维持单摆运动状态不变。
减速：惯性维持单摆运动状态不变，回复力使单摆运动状态改变。

对应
的物
理量
电容C
电感L（相当于惯性）
电荷q
电流i
电场能E电场能
磁场能E磁场能
单摆摆长L
小球质量m（惯性）
位移x
速度v
重力势能Ep
动能Ek
规律
两极间电势差随时间作正弦规律变化
摆球的位移随时间作正弦规律变化
能量
转化
电场能与磁场能相互转化，总能量守恒
动能与势能相互转化，总能量守恒
本质
区别
振荡电路中自由电子的电磁运动
振子的机械运动
二、阻尼振荡和无阻尼振荡
上述实验中，为什么电流表G指针往复摆动的幅度越来越小？ （能量损失）观看视频
阻尼振荡：任何电磁振荡电路中，总存在能量损耗，使振荡电流的振幅逐渐减小，这种振荡叫做阻尼振荡，或叫做减幅振荡．
（1）振荡电路中的能量损耗有一部分转化为内能（产生焦耳热），还有一部向外辐射出去而损失．
（2）如果用振荡器不断地将电源的能量补充到振荡电路中去，就可以保持等幅振荡
如果LC回路中无电阻，也没有其它形式的能量损失，则电流表的指针将一直摆动下去，可是实际中总有能量损失，要维持LC回路中一直有振荡电流，可借助于一种晶体管振荡器，不断地补充能量，保持振幅不变
三、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．
思考与讨论
LC电路的周期（频率）与哪些因素有关？
电容较大时，电容器充电、放电的时间长些还是短些？线圈的自感系数较大时，电容器充电、放电时间长些还是短些？
根据上面的讨论结果，定性地讲，LC电路的周期（频率）与电容C、电感L的大小有什么关系？
（由视频实验可得定性结论，定量分析可简介）
3、LC回路的周期和频率公式

教学建议