2024年新教材高中物理4.1電磁振蕩講義新人教版選擇性必修第二冊

．電磁振蕩1．通過試驗，了解電磁振蕩。2．體會LC振蕩電路中電荷、電場、電流、磁場的動態(tài)變更過程及其相關(guān)物理量的變更狀況。3．了解LC振蕩電路固有周期和固有頻率的公式，了解實際生產(chǎn)生活中調(diào)整振蕩電路頻率的基本方法。學(xué)問點1電磁振蕩的產(chǎn)生1．振蕩電流大小和方向都做周期性快速變更的電流，叫做振蕩電流。2．振蕩電路能產(chǎn)生振蕩電流的電路叫做振蕩電路。3．振蕩過程如圖所示，將開關(guān)S擲向1，先給電容器充電，再將開關(guān)擲向2，從今時起，電容器要對線圈放電：(1)放電過程：由于線圈的自感作用放電電流不能立即達到最大值，由0漸漸增大，同時電容器極板上的電荷削減。放電完畢時，極板上的電荷為零，放電電流達到最大。(2)充電過程：電容器放電完畢，由于線圈的自感作用，電流并不會立即消逝，而要保持原來的方向接著流淌，并漸漸減小，電容器起先反向充電，極板上的電荷漸漸增加，當電流減小到零時，充電結(jié)束，極板上的電荷量達到最大。此后電容器再放電、再充電，周而復(fù)始，于是電路中就有了周期性變更的振蕩電流。學(xué)問點2電磁振蕩中的能量變更1．電容器放電過程中從能量的觀點來看，電容器剛要放電時，電路里的能量全部儲存在電容器的電場中，電容器放電的過程，就是電場能漸漸轉(zhuǎn)化為磁場能的過程。2．電容器充電過程中從能量的觀點來看：在充電的過程中，磁場能漸漸轉(zhuǎn)化為電場能。3．在電磁振蕩的過程中，電場能和磁場能會發(fā)生周期性的轉(zhuǎn)化。假如沒有能量損失，振蕩可以恒久持續(xù)下去，振蕩電流的振幅保持不變。學(xué)問點3電磁振蕩的周期和頻率1．周期電磁振蕩完成一次周期性變更須要的時間叫做周期。2．頻率單位時間內(nèi)完成的周期性變更的次數(shù)叫做頻率。3．固有周期和固有頻率假如振蕩電路沒有能量損失，也不受外界影響，這時的周期和頻率分別叫做固有周期和固有頻率。4．周期和頻率公式T＝2πeq\r(LC)，f＝eq\f(1,2π\(zhòng)r(LC))。探究電磁振蕩的產(chǎn)生及能量轉(zhuǎn)化┃┃情境導(dǎo)入__■音叉的振動產(chǎn)生聲音，但是要形成持續(xù)的聲音，則須要不斷地打擊音叉。手機接收的是電磁波，要產(chǎn)生持續(xù)的電磁波，須要持續(xù)變更的電流。怎樣才能產(chǎn)生這樣的電流呢？提示：要產(chǎn)生持續(xù)變更的電流，可以通過線圈和電容器組成的振蕩電路實現(xiàn)。┃┃要點提煉__■1．電磁振蕩的產(chǎn)生過程在振蕩電路里產(chǎn)生振蕩電流的過程中，電容器極板上的電荷量、通過線圈的電流以及跟電流和電荷量相聯(lián)系的磁場和電場都發(fā)生周期性的變更，這種現(xiàn)象叫電磁振蕩。振蕩過程中的充放電過程如下圖所示。2．電磁振蕩過程的能量轉(zhuǎn)化LC回路中電磁振蕩中能量轉(zhuǎn)化可用下圖表示。(圖中表示增加，表示削減)┃┃典例剖析__■典例1(多選)如圖表示LC振蕩電路某時刻的狀況，以下說法正確的是(BCD)A．電容器正在充電B．電感線圈中的磁場能正在增加C．電感線圈中的電流正在增大D．此時刻自感電動勢正在阻礙電流增大思路引導(dǎo)：eq\x(自感電動勢正在阻礙電流增大)↑eq\x(\a\al(由磁場方向結(jié)合,電容器極板帶電))→eq\x(\a\al(電容器,正在放電))↓eq\x(電流增大，磁場能增加)解析：由圖中磁感應(yīng)強度的方向和安培定則可知，此時電流向著電容器帶負電的極板流淌，也就是電容器處于放電過程中，這時兩極板電荷量和電壓、電場能處于削減過程，而電流和線圈中磁場能處于增加過程，由楞次定律可知，線圈中感應(yīng)電動勢阻礙電流的增加。綜上所述，B、C、D正確。┃┃對點訓(xùn)練__■1．如圖所示，L是不計電阻的電感器，C是電容器，閉合開關(guān)K，待電路達到穩(wěn)定狀態(tài)后，再斷開開關(guān)K，LC電路中將產(chǎn)生電磁振蕩。假如規(guī)定電感L中的電流方向從a到b為正，斷開開關(guān)K的時刻為t＝0，那么下列四個圖中能夠正確表示電感中的電流隨時間變更規(guī)律的是(B)解析：在沒有斷開開關(guān)時，電流是從a流向b，當斷開開關(guān)后，電流要減小，而線圈的感應(yīng)電動勢阻礙電流削減，則電流方向不變，大小在漸漸減小，當電容器充電完畢時，電流為零，接著電容器放電，電流方向與之前相反，大小在不斷增大，故選B。探究電磁振蕩的周期和頻率┃┃情境導(dǎo)入__■如圖所示電路叫做電磁振蕩電路，又叫做LC回路。給該電路供應(yīng)能量后，利用電容器的充放電和線圈產(chǎn)生的自感作用，可以產(chǎn)生振蕩電流，請思索：該振蕩電流的周期和頻率與哪些因素有關(guān)？提示：與電感線圈的自感系數(shù)L和電容器的電容C有關(guān)。┃┃要點提煉__■1．電磁振蕩的周期和頻率(1)確定因素①LC振蕩電路的周期T＝2πeq\r(LC)和頻率f＝eq\f(1,2π\(zhòng)r(LC))只與自感系數(shù)L和電容C有關(guān)，與其他因素無關(guān)。②電容C與正對面積S，板間距離d及介電常數(shù)ε有關(guān)即依據(jù)C＝eq\f(εS,4πkd)推斷；電感L與線圈的匝數(shù)、粗細、有無鐵芯、長度等因素有關(guān)。(2)各物理量的變更規(guī)律LC回路中的電流i、線圈中的磁感應(yīng)強度B、電容器極板間的電場強度E的變更周期就是LC回路的振蕩周期T＝2πeq\r(LC)，在一個周期內(nèi)上述各量方向變更兩次；電容器極板上所帶的電荷量，其變更周期也是振蕩周期T＝2πeq\r(LC)，極板上電荷的電性在一個周期內(nèi)變更兩次；電場能、磁場能也在做周期性變更，但是它們是標量沒有方向，所以變更周期T′是振蕩周期T的一半，即T′＝eq\f(T,2)＝πeq\r(LC)。特殊提示(1)LC回路的周期、頻率都由電路本身的特性(L和C的值)確定，與電容器極板上電荷量的多少、板間電壓的凹凸、是否接入電路中等因素無關(guān)，所以稱為LC電路的固有周期或固有頻率。(2)運用周期公式時，肯定要留意單位，T、L、C、f的單位分別是秒(s)、亨(H)、法(F)、赫(Hz)。┃┃典例剖析__■典例2(多選)如圖所示的電路中，自感線圈的自感系數(shù)為L，電容器的電容為C，電源電動勢為E，今將開關(guān)S由1扳到2，從這一時刻起(ACD)A．經(jīng)驗時間eq\f(π,2)eq\r(LC)時，回路中的磁場能達到最大值B．經(jīng)驗時間πeq\r(LC)時，回路中的磁場能達到最大值C．在eq\f(1,4)周期的時間里，電容器放電的電荷量為CED．在eq\f(1,4)周期的時間里，電容器放電的平均電流是eq\f(2E,π)eq\r(\f(C,L))思路引導(dǎo)：(1)LC振蕩電路一個周期內(nèi)充電、放電各兩次，對應(yīng)的i、B、E大小、方向也有兩次變更。(2)LC振蕩電路一個周期內(nèi)電場能與磁場能的轉(zhuǎn)化各有兩次。解析：開關(guān)由1扳到2，起先放電，經(jīng)過eq\f(π,2)eq\r(LC)，即t＝eq\f(T,4)，放電電流最大，磁場能最大。A對；t＝πeq\r(LC)＝eq\f(T,2)，此時，電路中i＝0，磁場能為零。B錯；放電瞬間，電容器帶電荷量q＝CE，eq\f(T,4)時間內(nèi)放電結(jié)束。C對；I＝eq\f(q,t)＝eq\f(CE,\f(π,2)\r(LC))＝eq\f(2E,π)eq\r(\f(C,L))。D對。┃┃對點訓(xùn)練__■2．(多選)要增大如圖所示振蕩電路的頻率，下列說法中正確的是(BD)A．削減電容器的帶電荷量B．將開關(guān)S從“1”位置撥到“2”位置C．在線圈中插入磁鐵棒芯D．將電容器的動片旋出些解析：依據(jù)公式f＝eq\f(1,2π\(zhòng)r(LC))可知要增大f，必需減小L和C二者之積。C跟電容器的帶電荷量無關(guān)，減小兩極板的正對面積、增大兩極板間的距離，從兩極板間抽出電介質(zhì)都可減小電容C，因此，A不正確，D正確；線圈匝數(shù)越少，抽出鐵芯，L越小，可見B正確，C不正確。核心素養(yǎng)提升一、振蕩電路中幾個物理量的變更步調(diào)1．同步同變關(guān)系①電容器上的物理量：電荷量q、電場強度E、電場能EE是同步變更的，即q↓→E↓→EE↓(或q↑→E↑→EE↑)②振蕩線圈上的物理量：振蕩電流i、磁感應(yīng)強度B、磁場能EB也是同步變更的，即i↓→B↓→EB↓→(或i↑→B↑→EB↑)2．同步異變關(guān)系在LC振蕩過程中，電容器上的三個物理量q、E、EE增大時，線圈中的三個物理量i、B、EB減小二、LC振蕩電路充、放電過程的推斷方法1．依據(jù)電流流向推斷，當電流流向帶正電的極板時，處于充電過程；反之，處于放電過程。2．依據(jù)物理量的變更趨勢推斷：當電容器的電荷量q(電勢差U、電場強度E)增大時，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，充電；磁場能增加時，放電。案例在LC振蕩電路中，t1和t2時刻電感線圈中的磁感線和電容器中的極板帶電狀況如圖所示，若t2－t1＝eq\f(π,2)eq\r(LC)，則下列說法中正確的是(BC)A．在t1時刻電容器正在充電B．在t2時刻電容器正在充電C．在t1時刻電路中的電流處在增大狀態(tài)D．在t2時刻電路中的電流處在增大狀態(tài)解析：由題圖可推斷：t1時刻正在放電，電流應(yīng)處在增大狀態(tài)；t2時刻正在充電，電流應(yīng)處在減小狀態(tài)，故選項B、C正確，選項A、D錯誤。1．在LC振蕩電路中，某時刻線圈中的磁場和電容器中的電場如圖所示，則此時刻(B)A．電容器正在充電 B．振蕩電流正在增大C．線圈中的磁場正減弱D．磁場能正在向電場能轉(zhuǎn)化解析：由題圖可知，此時刻電容器正在放電，電路中電流正在增大，線圈中的磁場正在增加，電場能正在向磁場能轉(zhuǎn)化，故選項B正確，A、C、D錯誤。2．(多選)如圖所示的LC振蕩回路，當開關(guān)S轉(zhuǎn)向右邊發(fā)生振蕩后，下列說法中正確的是(ABD)A．振蕩電流達到最大值時，電容器上的帶電荷量為零B．振蕩電流達到最大值時，磁場能最大C．振蕩電流為零時，電場能為零D．振蕩電流相鄰兩次為零的時間間隔等于振蕩周期的一半解析：當電流達最大時，此時磁場能最大，電場能最小，電容器上的帶電量為零；故AB正確；當電流為零時，充電完成，此時磁場能為零；電場能最大；故C錯誤；由振蕩電路的周期性可知，振蕩電流相鄰兩次為零，時間間隔等于振蕩周期的一半；故D正確。3．如圖所示的電路中，L是電阻不計的電感線圈，C是電容器(原來不帶電)，閉合開關(guān)S，待電路達到穩(wěn)定狀態(tài)后再斷開開關(guān)S，LC回路中將產(chǎn)生電磁振蕩。假如規(guī)定電感L中的電流方向從a到b為正，斷開開關(guān)時刻為t＝0，那么斷開開關(guān)后(AD)A．圖甲可以表示電感線圈中的電流i隨時間t的變更規(guī)律B．圖乙可以表示電感線圈中的電流i隨時間t的變更規(guī)律C．圖甲可以表示電容器左極板的電荷量q隨時間t的變更規(guī)律D．圖乙可以表示電容器右極板的電荷量q隨時間t的變更規(guī)律解析：S接通達到穩(wěn)定時，線圈內(nèi)有電流而電容器上沒有電流，流過線圈的電流是從a流向b，當斷開開關(guān)瞬間時，電流要減小，而線圈的感應(yīng)電動勢阻礙電流削減，則電流方向不變，大小在漸漸減小，同時對電容器充電；當電容器充電完畢時，電流為零。接著電容器放電，電流方向與之前相反，大小在不斷增大，直到電容器放電完畢后，電流反向最大；之后電容器與線圈組成的LC回路重復(fù)以上的過程中，在LC回路中形成電磁振蕩，回路中出現(xiàn)余弦式電流，故圖甲可以表示電感線圈中的電流i隨時間t的變更規(guī)律，故A正確，B錯誤；S閉合時，電流穩(wěn)定時，線圈L兩端的電壓為零，故電容器兩端的電勢差為零，依據(jù)Q＝CU，可知所帶的電荷量為零；當斷開S，由于線圈L阻礙電流的變更，則線圈L中有從a到b的電流，此時電容器反向充電，則右極板帶正電，電荷量漸漸增大，磁場能轉(zhuǎn)化為電場能，充電完畢后，又起先放電，將電場能轉(zhuǎn)化為磁場能，形成LC振蕩電路，電荷量隨時間周期性變更，故圖乙可以表示電容器右極板的電荷量q隨時間t的變更規(guī)律，故C錯誤，D正確。4．(多選)依據(jù)圖中四幅圖片供應(yīng)的物理信息，下列說法正確的是(ABD)A．甲圖：依據(jù)多普勒效應(yīng)，可以測定魚群的方位B．乙圖：依據(jù)光的干涉可以檢測下面玻璃板的平整度C．丙