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课外拓展



  
电磁振荡 电磁波

 

一、一周课程概述

内容及目的:

1、了解电磁振荡的概念。

2、理解电磁振荡的过程。

3、掌握振荡电路的周期公式。

4、理解电磁场与电磁波的区别和联系,掌握速度公式,并能综合速度公式和周期公式进行有关计算。

  本部分知识的学习是进一步运用学过的电磁感应现象、电磁感应定律和交流电的有关知识的基础上,对电磁振荡和电磁波以及无线电波的发射、接收和应用等知识作初步了解,是电磁学知识的继续与深化,也是振动和波的知识的发展,也是对以后学习光的电磁本质打下基础。

重点知识的描述:

1、运用已经学习的知识对电磁振荡过程进行分析

2、掌握LC振荡电路的周期(频率)跟线圈的`系数L和电容器的电容C的关系。

3、理解麦克斯韦电磁理论的两个要点,了解电磁场与电磁波的联系与区别,以及电磁波的特性。

二、重点知识归纳及讲解

1、几个基本概念

  (1)振荡电流:大小和方向都随时间做周期性变化的电流。

  (2)振荡电路:能产生振荡电流的电路。由电感线圈和电容组成的电路是最简单的振荡电路。

  (3)电磁振荡:在振荡电路里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变化的现象。

2、LC振荡电路的电磁振荡过程

  首先电容从外界得到能量(充电),当电容开始放电后,由于线圈的自感电动势的作用,阻碍通过线圈中的电流变化(自感电动势与电流方向相反),使放电电流不能立刻达到最大值,而是从零逐渐增大,同时电容器极板上的电荷逐渐减少。到电容器放电完毕时,电容器极板上没有电荷,放电电流达到最大值。电容器放电完毕的瞬间,由于线圈中自感电动势的作用,阻碍电流减小(自感电动势的方向同电流方向一致),电流不能立即减小到零,而是要保持原来的方向继续流动,并逐渐减小,同时电容器在反向充电,电容器极板上带上相反的电荷,并且电荷逐渐增多,而极板上的电荷(根据同种电荷相互排斥)对向极板上累积的电荷产生阻碍作用,反向充电电流逐渐减小,到反向充电完毕时,电流减小到零。此后电容再次放电,再次充电,这样不断地充电和放电,电路中就出现了振荡电流。

  这个过程中,电容器极板上的电荷,电路中的电流,电容器内的电场强度,线圈的磁场,都发生周期性变化。

3、LC振荡电路中发生电磁振荡过程中的能量变化

  在LC回路发生电磁振荡的过程中,由于电容极板上带电荷,则电容器内就有与之相联系的电场能;电路中有电流时,则线圈就会与之相联系的磁场能。电容器放电阶段,电场能转化为磁场能,放电完毕的一瞬间,电场能为零,振荡电流和磁场能达到最大值;然后电容器被反向充电,这个阶段磁场能转化为电场能,振荡电流为零的瞬间,磁场能为零,电容器极板上的电荷和电场能达到最大值。

4、LC振荡电路的固有周期和固有频率

  LC振荡电路的固有周期和固有频率只取决于线圈的自感系数L和电容器的电容C。与电路带电多少,极板间的电压和回路中的电流无关。

  固有周期:

  固有频率:

5、振荡分类

  (1)等幅振荡:振荡电流的振幅不变的振荡

  (2)减幅振荡:振荡电流的振幅随时间逐渐变小的振荡

  (3)自由振荡:在振荡过程中外界没有补充能量,自由振荡实际上是阻尼振荡。

  (4)受迫振荡:在振荡过程中外界周期性地补充能量。如果外界周期性补充能量恰好补偿振荡电路的能量损耗,则振荡电流的振幅会保持不变。

6、麦克斯韦的电磁理论的要点

  (1)变化的磁场能够在周围的空间产生电场,变化的电场能够在周围的空间产生磁场。

  理解:变化的磁场能够在周围空间产生电场(这种电场叫感应电场或涡旋电场,与由电荷激发的静电场不同,它的电场线是闭合的,它的存在与空间有无导体或闭合电路无关)变化的电场能够在周围空间产生磁场。

  (2)均匀变化的磁场产生稳定的电场,均匀变化的电场产生稳定的磁场,这里的“均匀变化”指的是:在相等时间内磁感强度(或电场强度)的变化量相等,或者说磁感强度(或电场强度)对时间的变化率为一定值。

  (3)不均匀变化的磁场产生变化的电场,不均匀变化的电场产生变化的磁场。

  (4)振荡的(即周期性变化的)磁场产生同频率的振荡电场,振荡的电场产生同频率的振荡磁场。

  (5)变化的电场和变化的磁场总是相互联系着,形成一个不可分离的统一体,这就是电磁场。

7、电磁波

  (1)电磁波的产生

  周期性变化的电场和磁场总是互相转化、互相激发,交替产生,由发生区域向周围空间由近及远的传播,形成电磁波。

  (2)电磁波的性质

  ①电磁波是横波:在电磁波中,每处的电场强度和磁感强度的方向总是互相垂直的,并且都跟那里的电磁波的传播方向垂直,这就是说,电场和磁场的振荡方向都跟波的传播方向垂直。

  ②电磁波可以脱离电荷而单独存在。

  ③电磁波的传播不需要媒质

  ④电磁波能产生反射、折射、干涉和衍射

  ⑤任何电磁波在真空中的速度传播速度都等于真空中的光速

   

三、难点知识的剖析

1、对LC振荡过程的理解

例1、在LC电路的线圈中,某一时刻的磁场方向如图所示,则下列说法正确的是( )

A.若磁场正在减弱,则电容器上极板带正电

B.若电容器正在充电,则电路中的电流方向

C.若电容器上极板带正电,则线圈中电流正在增加

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:

  先跟据安培定则判断出电流方向,若此时电容器上极板带正电,则可知电容器在充电,充电时,电流应减小,磁场在减弱,A项正确。若此电容在充电,则电容器极板带电为上正下负,电流方向为,所以B项正确。C项中电容器上极板带正电,则电容在充电,电流在减小,C项错误。由楞次定律可知D项正确。

答案:ABD

说明:

  解答这类问题时,要结合安培定则、法拉第电磁感应定律和楞次定律等,加上电磁振荡过程的特点进行分析。

2、LC振荡电路的固有周期和固有频率的计算

例2、创新牌收音机的中波段接收电磁波的频率范围为535kHz—1605kHz,该收音机接收部分的LC电路的固有频率与接收的电磁波频率范围相同。

  (1)该波段接收的波长范围;

  (2)该收音机LC电路中电感固定,电容器的电容C可调,已知电容最大值为360PF,求:电容器的电容最小值;

  (3)电感L为多大?

解析:

  (1)已知    据

    

    

    所以波长范围为187m—561m

  (2)据,L固定,则

     则

     据,电容最大值对应频率最小值,

     即   

     所以电容电小值

  (3)根据

     

      

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