2018學(xué)年高中物理 第5章 光的波動性 電磁波學(xué)案 教科版選修3-4.doc

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電磁波 【學(xué)習(xí)目標(biāo)】 1．知道麥克斯韋電磁場理論的兩個基本觀點：變化的磁場產(chǎn)生電場，變化的電場產(chǎn)生磁場． 2．知道電磁場在空間傳播形成電磁波以及電磁波的基本特點． 3．知道赫茲實驗以及它的重大意義． 4．知道什么是LC振蕩電路和振蕩電流． 5．知道LC回路中振蕩電流的產(chǎn)生過程． 6．知道產(chǎn)生電磁振蕩過程中，LC回路中能量轉(zhuǎn)換情況，知道阻尼振蕩和無阻尼振蕩． 7．知道什么是電磁振蕩的周期和頻率，知道己c回路的周期和頻率公式，并能進(jìn)行簡單的計算． 8．知道什么樣的電磁振蕩電路有利于向外發(fā)射電磁波． 9．了解無線電波的發(fā)射過程和調(diào)制的簡單概念，了解調(diào)諧、檢波及無線電波接收的基本原理． 10．了解無線電波的波長范圍． 11．了解電視、雷達(dá)和移動電話的基本原理以及因特網(wǎng)． 12．知道電磁波譜以及各組成部分． 13．知道無線電波、紅外線、紫外線、可見光、X射線、射線的主要作用． 14．知道電磁波具有能量，是一種物質(zhì)． 【要點梳理】 要點一、電磁波的發(fā)現(xiàn) 1．麥克斯韋電磁場理論 在19世紀(jì)60年代，英國物理學(xué)家麥克斯韋在總結(jié)前人研究電磁現(xiàn)象成果的基礎(chǔ)上，建立了完整的電磁場理論，預(yù)言電磁波的存在。 （1）變化的磁場產(chǎn)生電場． 如圖所示，麥克斯韋認(rèn)為在變化的磁場周圍產(chǎn)生電場，是一種普遍存在的現(xiàn)象，跟閉合電路（導(dǎo)體環(huán)）是否存在無關(guān)．導(dǎo)體環(huán)的作用只是用來顯示電場的存在． 要點詮釋：在變化的磁場中所產(chǎn)生的電場的電場線是閉合的；而靜電場中的電場線是不閉合的． （2）變化的電場產(chǎn)生磁場． 根據(jù)麥克斯韋理論，在電容器充放電的時候，不僅導(dǎo)體中的電流要產(chǎn)生磁場，而且在電容器兩極板間變化著的電場周圍也要產(chǎn)生磁場．（如圖所示） 2．麥克斯韋電磁場理論的理解 （1）恒定的電場不產(chǎn)生磁場． （2）恒定的磁場不產(chǎn)生電場． （3）均勻變化的磁場在周圍空間產(chǎn)生恒定的電場． （4）均勻變化的電場在周圍空間產(chǎn)生恒定的磁場． （5）振蕩電場產(chǎn)生同頻率的振蕩磁場． （6）振蕩磁場產(chǎn)生同頻率的振蕩電場． 3．電磁場 如果在空間某區(qū)域中有周期性變化的電場，那么這個變化的電場就在它周圍空間產(chǎn)生周期性變化的磁場；這個變化的磁場又在它周圍空間產(chǎn)生新的周期性變化的電場…… 變化的電場和變化的磁場是相互聯(lián)系著的，形成不可分割的統(tǒng)一體，這就是電磁場． 要點詮釋：上述分析可看出，有單獨存在的靜電場，也有單獨存在的靜磁場，但沒有靜止的電磁場． 4．電磁波 電磁場由近向遠(yuǎn)傳播，形成電磁波． 電磁波具有以下特點： （1）電磁波中的電場和磁場相互垂直，電磁波在與兩者均垂直的方向傳播．電磁波是橫波． （2）相鄰兩個波峰（或波谷）之間的距離等于電磁波的波長，一個周期的時間，電磁波傳播一個波長的距離． （3）電磁波的頻率為電磁振蕩的頻率，由波源決定，與介質(zhì)無關(guān)．在真空中的速度為． （4）電磁波與機(jī)械波一樣，也能產(chǎn)生反射、折射、干涉、衍射等現(xiàn)象，也是傳播能量的一種形式． （5）電磁波傳播不需要借助介質(zhì)、在真空中也能傳播． 5．麥克斯韋的重大貢獻(xiàn) 麥克斯韋集電磁學(xué)研究成果之大成，不僅預(yù)言了電磁波的存在，而且揭示了電、磁、光現(xiàn)象在本質(zhì)上的統(tǒng)一性，建立了完整的電磁理論．麥克斯韋電磁理論足以跟牛頓力學(xué)體系相媲美，它是物理學(xué)發(fā)展中一個劃時代的里程碑． 6．赫茲發(fā)現(xiàn)了電磁波 （1）赫茲實驗裝置． （2）赫茲觀察到：當(dāng)感應(yīng)圈兩個金屬球間有火花跳過時，導(dǎo)線環(huán)兩個小球間也跳過火花．據(jù)此實驗，赫茲在人類歷史上首先捕捉到了電磁波． （3）在以后的實驗中，赫茲觀察到了電磁波的反射、折射、干涉、偏振和衍射，并通過測量證明電磁波在真空中速度為．這樣赫茲證實了麥克斯韋的電磁理論． 要點二、電磁振蕩 1．電磁振蕩 （1）振蕩電流和振蕩電路： ①振蕩電流：大小和方向都作周期性變化的電流叫振蕩電流． ②振蕩電路：能夠產(chǎn)生振蕩電流的電路，叫振蕩電路．最簡單的振蕩電路為LC回路． （2）電磁振蕩：在振蕩電路產(chǎn)生振蕩電流的過程中，電容器極板上的電壓，電路中的電流，以及跟電荷相聯(lián)系的電場，跟電流相聯(lián)系的磁場都在發(fā)生周期性的變化，這種現(xiàn)象叫電磁振蕩． （3）阻尼振蕩和無阻尼振蕩： ①阻尼振蕩：在電磁振蕩中，如果能量逐漸損耗，振蕩電流的振幅會逐漸減小，直至停止振蕩． ②無阻尼振蕩：在電磁振蕩中，如果無能量損失，振蕩永遠(yuǎn)持續(xù)下去，這種振蕩叫無阻尼振蕩． 2．電磁振蕩過程分析 振蕩電流圖像 電路狀態(tài) 時刻 電量 最多 最多 最多 電場能 最大 最大 最大 電流 正向最大 反向最大 磁場能 最大 最大 回路中產(chǎn)生電磁振蕩的過程：已充電的電容器剛要放電的瞬間，電路里沒有電流，電容器兩極板上的電荷最多．此時電場能最強(qiáng)，磁場能最弱． 電容器開始放電后，由于線圈的自感作用，放電電流不能立即達(dá)到最大值，而是由零逐漸增大，同時電容器極板上的電壓逐漸減少，到放電完畢的瞬間，電容器極板上沒有電荷，放電電流達(dá)到最大值．在這個過程中，電容器里的電場能逐漸減弱，磁場能逐漸增強(qiáng)，到放電完畢的瞬間，電場能全部轉(zhuǎn)化為磁場能． 電容器放電完畢的瞬間，電流要保持原方向繼續(xù)流動并減小，電容器反方向繼續(xù)充電，極板上的電荷逐漸增多，電場能逐漸增強(qiáng)，磁場能逐漸減弱，到充電完畢，電場能最強(qiáng)，磁場能最弱． 此后，這樣充電和放電的過程反復(fù)進(jìn)行下去． 3．回路的周期和頻率 （1）影響因素：實驗表明：電容或電感增加時，周期變長，頻率變低；電容或電感增加時，周期變長，頻率變低；電容或電感減小時，周期變短，頻率變高． （2）公式：，． 其中：周期、頻率、自感系數(shù)、電容的單位分別是秒、赫茲、亨利、法拉，符號分別是． （3）應(yīng)用說明： 適當(dāng)?shù)剡x擇電容器和線圈，就可以使振蕩電路的周期和頻率符合需要．在需要改變振蕩電路的周期和頻率時，可以用可變電容器和線圈組成電路，改變電容器的電容，振蕩電路的周期和頻率就隨之改變． 要點三、電磁波的發(fā)射和接收 1．若要有效向外發(fā)射電磁波，振蕩電路必須具有的特點 （1）要有足夠高的頻率：發(fā)射電磁波的功率與振蕩頻率的四次方成正比．如果是低頻信號，要用高頻信號運載才能更有效地發(fā)射出去． （2）采用開放電路，使振蕩電路的電磁場必須盡可能地分散到大的空間．天線和地線也可組成開放電路． 在電磁波發(fā)射技術(shù)中，使電磁波隨各種信號而改變的技術(shù)叫做調(diào)制．調(diào)制的裝置如圖所示． 2．電磁波的發(fā)射與調(diào)制 （1）調(diào)幅：使高頻振蕩的振幅隨信號而改變叫調(diào)幅． 調(diào)幅作用如圖所示． 甲：聲音信號的波形． 乙：高頻等幅振蕩電流的波形． 丙：經(jīng)過調(diào)幅的高頻振蕩電流的波形． （2）調(diào)頻：使高頻振蕩的頻率隨信號而改變叫調(diào)頻． 調(diào)頻的作用如圖所示． 甲：聲音信號的波形． 乙：高頻等幅振蕩信號的波形． 丙：經(jīng)過調(diào)頻的高頻振蕩電流的波形． （3）電磁波的發(fā)射方框圖． 3．無線電波的接收 （1）電諧振：當(dāng)接收電路的固有頻率跟接收到的電磁波的頻率相同時，接收電路中產(chǎn)生的振蕩電流最強(qiáng)，這種現(xiàn)象叫電諧振． （2）調(diào)諧：使接收電路產(chǎn)生電諧振的過程叫調(diào)諧．能夠調(diào)諧的接收電路叫調(diào)諧電路．調(diào)諧的方法一般是改變電路的或． （3）檢波：從接收到高頻振蕩中“檢”出所攜帶的波，叫檢波．檢波是調(diào)諧的逆過程，也叫解調(diào)．檢波電路如圖． 檢波作用，如圖． 甲：檢波前的高頻調(diào)幅電流，乙：檢波后的單向脈動電流，丙：流過耳機(jī)的音頻電流． 4．無線電波的分類 毫米的電磁波叫無線電波．無線電波可以分成若干波段． 波段 波長 頻率 傳播方式 主要用途 長波 米 千赫 地波 超遠(yuǎn)程無線電通訊和導(dǎo)航 中波 米 千赫 地波和天波 無線電廣播和電報通訊 中短波 米 千赫 短波 米 兆赫 天波 微 波 米波 米 兆赫 近似直線傳播 無線電廣播、電視、導(dǎo)航 分米波 分米 兆赫 直線傳播 電視、雷達(dá)、導(dǎo)航 厘米波 厘米 兆赫 毫米波 毫米 兆赫 5．電磁波的傳播特性 無線電技術(shù)中使用的電磁波叫做無線電波，它們的波長在幾毫米到幾十千米之間．無線電波在沿地球表面、大氣層中傳播時，由于不同波長的電磁波衍射和波被吸收的情況各不相同，不同波長的電磁波在傳播方式上也各不相同．無線電波主要的傳播方式有：地波傳播、天波傳播和直線傳播三種． （1）地波傳播：沿地球表面空間傳播的無線電波． 如圖所示，由于地面上有高低不平的山坡和房屋等障礙物，只有能繞過這些障礙物的無線電波，才能被各處的接收機(jī)所接收到，根據(jù)波的衍射特性，當(dāng)波長大于或相當(dāng)于障礙物的尺寸時，就可以繞到障礙物的后面．地面上的障礙物一般都不是很大，長波能很好地繞過它們，中波和中短波也能較好地繞過．短波和微波由于波長短，繞過障礙物體的本領(lǐng)很差． 這種傳播方式對長波、中波和中短波比較適宜，對短波和微波而言，被吸收損耗的能量較多，并且它們的衍射本領(lǐng)較差，故不適宜． （2）天波傳播：依靠大氣層中的電離層的反射來傳播的無線電波叫做天波． 我們知道，地球被厚厚的大氣包圍著．地表千米到幾百千米內(nèi)的大氣，由于太陽光的照射使大氣中的一部分氣體分子發(fā)生電離，這層大氣就叫做電離層． 電離層對于不同波長的電磁波表示出不同的特性：對于波長短于的微波，電離層能讓它穿過，飛向宇宙；對于長波，電離層基本把它吸收；對于中波、中短波、短波，波長越短，電離層對它吸收得越少而反射得越多，因此短波最適宜以天波的形式傳播． （3）直線傳播：微波又叫超短波，它既不能以地波的形式傳播（易被吸收），又不能依靠電離層的反射以天波的形式傳播（能穿透），微波只能像光那樣，沿直線傳播．這種沿直線傳播的電磁波叫空間波或視波． 要點四、電磁波與信息化社會 1．光纜傳輸 電磁波可以通過無線傳輸，也可以通過有線傳輸．電磁波的頻率越高，相同時間傳遞的信息量越大，而光的頻率比無線電波的頻率高得多．因此光纜可以傳遞大量信息． 2．電視 （1）電視信號的采集． 攝像機(jī)采集圖像信號，在內(nèi)要傳遞幀畫面，電視接收機(jī)也以相同的速度在熒光屏上顯現(xiàn)這些畫面，由于畫面更換迅速和視覺暫留效應(yīng)，我們感覺到的便是活動的圖像． 聲音信號由話筒采集． （2）電視信號的發(fā)射． （3）電視信號的接收． 3．雷達(dá) （1）雷達(dá)是利用無線電波來測定物體位置的無線電設(shè)備． （2）雷達(dá)用的是通過轉(zhuǎn)動的天線發(fā)射微波信號，這種信號傳播的直線特性好．遇到障礙物要發(fā)生反射，反射信號又被雷達(dá)天線接收，測出從發(fā)射信號到接收目標(biāo)反射信號的時間，就可以知道目標(biāo)到雷達(dá)的距離，并可確定目標(biāo)的方向． （3）除軍事用途外，雷達(dá)可以為飛機(jī)、船只導(dǎo)航，可以用于研究天體的運動． 4．移動電話 移動通信是指通信雙方中至少有一方可以自由移動進(jìn)行信息交換的通信方式． 移動通信的工作模式如圖所示． 5．因特網(wǎng) 因特網(wǎng)是世界上最大的計算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)． 人們可以通過互聯(lián)網(wǎng)玩游戲、聽音樂、看電影、看電視、聊天、經(jīng)商、購物、從事金融活動，也可以通過互聯(lián)網(wǎng)查閱各種資料，進(jìn)行遠(yuǎn)程教學(xué)、遠(yuǎn)程醫(yī)療，甚至可以為身處世界各地的人召開電視會議；通過互聯(lián)網(wǎng)可以進(jìn)行網(wǎng)上辦公、網(wǎng)上上班、網(wǎng)上信息發(fā)布等．高中生學(xué)習(xí)任務(wù)重，不能因上網(wǎng)而影響正常的學(xué)習(xí)、生活． 要點五、電磁波譜 1．電磁波譜 無線電波、紅外線、可見光、紫外線、倫琴射線、射線合起來，構(gòu)成了范圍非常廣闊的電磁波譜．可見光只是其中很窄的一個波段．由于它們都是本質(zhì)上相同的電磁波，所以它們的行為都服從共同的規(guī)律，但另一方面，由于它們的頻率不同而又表現(xiàn)出不同的特性．例如，波長較長的無線電波，很容易表現(xiàn)出干涉、衍射現(xiàn)象，但對波長越來越短的可見光、紫外線、倫琴射線、射線，要觀察到它們的干涉、衍射現(xiàn)象就越來越困難了． 如圖所示是按波長由大到?。l率由小到大）順序排列的． 從無線電波到射線都是本質(zhì)相同的電磁波，其行為服從共同的規(guī)律，但因波長（或頻率）不同又表現(xiàn)出不同的特點． 2．無線電波 （1）波長大于、頻率小于的電磁波是無線電波． （2）無線電波用于通信和廣播． 許多自然過程也輻射無線電波．天文學(xué)家用射電望遠(yuǎn)鏡接收天體輻射的無線電波，進(jìn)行天體物理研究。 3．紅外線 可見光譜的紅光外側(cè)是紅外線，紅外線的波長比紅光的波長還長，不是可見光，不能引起人們的視覺．對紅外線強(qiáng)調(diào)以下幾點： （1）紅外線的發(fā)現(xiàn)：英國物理學(xué)家赫謝爾于1800年首先發(fā)現(xiàn)了紅外線． （2）紅外線的產(chǎn)生：一切物體（不管大小、也無論是否有生命），凡是由分子、原子等微粒構(gòu)成的物體都在不停地輻射紅外線．物體溫度越高，輻射紅外線的本領(lǐng)越強(qiáng)．紅外輻射是熱傳遞的方式之一． （3）紅外線的作用． 要點詮釋：①紅外線遙感：勘測地?zé)?、尋找水源、人體檢查等． ②紅外線遙控：家用電器配套的遙控器發(fā)出紅外線脈沖信號，受控機(jī)器就會按指令改變工作狀態(tài)． ③加熱物體：紅外線很容易使物體的溫度升高，如市場上的“遠(yuǎn)紅外烤箱”．這是因為：紅外線的顯著作用就是熱作用，其原因是紅外線的頻率比可見光更接近固體物質(zhì)分子的固有頻率，因此更容易引起分子的共振，所以紅外線的電磁場的能量更容易轉(zhuǎn)變?yōu)槲矬w的內(nèi)能． 4．可見光 （1）波長為到之間，進(jìn)入人眼能引起視覺的電磁波叫可見光． （2）不同顏色的可見光波長見下表． 紅 橙 黃 綠 藍(lán)靛 紫 真空中的波長（） （3）波長較短的光比波長較長的光更容易被散射，因此天空看起來是藍(lán)色的，大氣對波長較短的光吸收也比較強(qiáng)，所以傍晚的陽光比較紅． （4）可見光由原子或分子內(nèi)電子的躍遷產(chǎn)生的． 5．紫外線 可見光光譜中的紫光外側(cè)是紫外線．紫外線也是不可見光，其波長比紫光還短，波長范圍為． 要點詮釋：（1）紫外線的發(fā)現(xiàn)：德國物理學(xué)家里特于1801年首先發(fā)現(xiàn)了紫外線． （2）紫外線的產(chǎn)生：一切高溫物體發(fā)出的光中都含有紫外線．有的儀器是專門發(fā)射紫外線的，可以進(jìn)行防偽檢測． （3）紫外線的作用． ①促使人體合成維生素，但不能過多照射．②能殺死多種細(xì)菌，具有消毒功能．③紫外線的顯著特征是化學(xué)作用．④使熒光粉發(fā)光．即熒光效應(yīng)． 6．射線 （1）發(fā)現(xiàn)：1895年德國物理學(xué)家倫琴在研究陰極射線時發(fā)現(xiàn)的．其波長比紫外線還短． （2）產(chǎn)生：高速的電子流射到任何固體上都能產(chǎn)生這種射線．人們從這種射線的衍射現(xiàn)象得知它是一種波長很短的電磁波． （3）顯著作用：有較強(qiáng)的穿透能力，但射線穿透物質(zhì)的本領(lǐng)跟被穿透的物質(zhì)的密度有關(guān)． （4）應(yīng)用：用于透視人體、檢查金屬部件的質(zhì)量等． （5）倫琴射線管如圖所示． 7．射線 （1）射線的產(chǎn)生：是從放射性元素的原子核中放射出來． （2）特點：射線是波長最短的電磁輻射，具有很高的能量． （3）應(yīng)用：①射線能破壞生命物質(zhì)，可應(yīng)用于醫(yī)學(xué)上；②射線的穿透能力很強(qiáng)，能穿過幾厘米厚的鉛板，可用于探測金屬部件內(nèi)的缺陷． 8．電磁波的能量 電磁波可以發(fā)射出來，也可以被接收，電磁波是一種物質(zhì)，電磁波具有能量． 9．太陽輻射 陽光中含有可見光，還有無線電波、紅外線，也有紫外線、射線、射線．太陽輻射的能量集中在可見光、紅外線、紫外線三個區(qū)域．波長在的黃綠光附近，輻射的能量最強(qiáng)，如圖所示，我們的眼睛正好對這個區(qū)域的電磁輻射最敏感． 要點六、電磁波知識結(jié)構(gòu) 知識結(jié)構(gòu)： 【典型例題】 類型一、電磁波的發(fā)現(xiàn) 例1．關(guān)于電磁場理論，下列說法中正確的是（ ）． A．在電場的周圍空間一定產(chǎn)生磁場 B．任何變化的電場周圍空間一定產(chǎn)生變化的磁場 C．均勻變化的電場周圍空間產(chǎn)生變化的磁場 D．振蕩電場在周圍空間產(chǎn)生變化的磁場 【思路點撥】由麥克斯韋電磁場基本理論入手。 【答案】D 【解析】由麥克斯韋電磁場基本理論知：不變化的電場周圍不產(chǎn)生磁場，變化的電場周圍一定產(chǎn)生磁場，產(chǎn)生的磁場性質(zhì)是由電場的變化情況決定的，均勻變化的電場產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場，不均勻變化的電場產(chǎn)生變化的磁場，振蕩的電場產(chǎn)生同頻率振蕩的磁場，反之亦然．故D項正確． 【總結(jié)升華】麥克斯韋電磁場理論的兩大支柱：變化的磁場產(chǎn)生電場；變化的電場產(chǎn)生磁場．具體對麥克斯韋電磁場理論的理解：穩(wěn)定的磁場周圍不產(chǎn)生電場；穩(wěn)定的電場周圍也不產(chǎn)生磁場；均勻變化的磁場周圍產(chǎn)生穩(wěn)定的電場；均勻變化的電場周圍產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場：不均勻變化的磁場產(chǎn)生變化的電場；振蕩的（即周期性變化）磁場產(chǎn)生同頻率的振蕩電場；振蕩的電場產(chǎn)生同頻率的振蕩磁場． 【變式】下列關(guān)于電磁波的敘述中，正確的是（ ）． A．電磁波是電磁場由發(fā)生區(qū)域向遠(yuǎn)處的傳播 B．電磁波在任何介質(zhì)中的傳播速度均為 C．電磁波由真空進(jìn)入介質(zhì)傳播時，波長將變短 D．電磁波不能產(chǎn)生干涉、衍射現(xiàn)象 【答案】A、C 【解析】該題考查電磁波的產(chǎn)生及特點．電磁波在真空中傳播速度為光速，且，從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)，頻率不發(fā)生變化，波長、波速變化．另外電磁波仍具有波的特征． 電磁波只有在真空中的傳播速度才為，在其它介質(zhì)中傳播速度均小于．電磁波與其它波一樣具有干涉、衍射等波的特性．當(dāng)電磁波由真空進(jìn)入介質(zhì)傳播時，頻率不變，因為，所以，波長變短，波速變小，故選A、C兩項． 【總結(jié)升華】電磁波在介質(zhì)中的傳播速度，其中為該介質(zhì)對電磁波的折射率，其規(guī)律與光相同． 例2．電磁波與聲波比較，下列說法正確的是（ ）． A．電磁波的傳播不需要介質(zhì)，聲波的傳播需要介質(zhì) B．由空氣進(jìn)入水中時，電磁波速度變小，聲波速度變大 C．由空氣進(jìn)入水中時，電磁波波長變小，聲波波長變大 D．電磁波和聲波在介質(zhì)中的傳播速度，都是由介質(zhì)決定，與頻率無關(guān) 【思路點撥】電磁波是電磁現(xiàn)象，聲波是機(jī)械波，是力學(xué)現(xiàn)象。 【答案】A、B、C 【解析】本題可以根據(jù)電磁波的特點和聲波的特點進(jìn)行分析．選項A、B均與事實相符，所以A、B正確．根據(jù)，電磁波波速變小，頻率不變，波長變小；聲波速度變大，頻率不變，波長變大，所以選項C正確．電磁波在介質(zhì)中的速度，與介質(zhì)有關(guān)，也與頻率有關(guān)，在同一種介質(zhì)中，頻率越大，波速越小．所以選項D錯誤． 【總結(jié)升華】電磁波是電磁現(xiàn)象，聲波是機(jī)械波，是力學(xué)現(xiàn)象，兩者都具有波的特性：干涉、衍射等，但它們具有本質(zhì)的不同，如聲波的傳播依賴于介質(zhì)的存在，但電磁波的傳播則不需要介質(zhì)． 類型二、電磁振蕩 例3．關(guān)于振蕩電路中的振蕩電流，下列說法中正確的是（ ）． A．振蕩電流最大時，電容器兩極板間的電場強(qiáng)度最大 B．振蕩電流為零時，線圈中自感電動勢為零 C．振蕩電流增大的過程中，線圈中的磁場能轉(zhuǎn)化成電場能 D．振蕩電流減小的過程中，線圈中的磁場能轉(zhuǎn)化為電場能 【思路點撥】提示：磁場能與電流對應(yīng)，電場能與電荷量對應(yīng)，在等幅振蕩中，磁場能與電場能的總量保持不變． 【答案】D 【解析】本題考查振蕩電流和其他各物理量變化的關(guān)系． 振蕩電流最大時，處于電容器放電結(jié)束瞬間，場強(qiáng)為零，A項錯誤；振蕩電流為零時，回路振蕩電流改變方向，這時的電流變化最快，電流強(qiáng)度變化率最大，線圈中自感電動勢最大，B項錯誤；振蕩電流增大時，線圈中電場能轉(zhuǎn)化為磁場能，C項錯誤；振蕩電流減小時，線圈中磁場能轉(zhuǎn)化為電場能，D項正確． 【總結(jié)升華】磁場能與電流對應(yīng)，電場能與電荷量對應(yīng)，在等幅振蕩中，磁場能與電場能的總量保持不變． 【變式】圖中畫出一個振蕩電路中的電流變化圖線，根據(jù)圖線可判斷（ ）． A．時刻電感線圈兩端電壓最大 B．時刻電容器兩極間電壓為零 C．時刻電路中只有電場能 D．時刻電容器帶電荷量為零 【答案】D 【解析】本題考查認(rèn)識圖像和利用圖線分析問題的能力． 由圖像知，計時開始時，電容器兩極板帶電荷量最大，電流為零，電容器放電開始，根據(jù)電流隨時間的變化規(guī)律，可以畫出圖像（在圖中用虛線表示）． 由圖像分析可知：時刻，電容器上電荷量為零，電勢差為零，電場能為零，故D項正確，A、C兩項錯誤；時刻電容器電荷量最大，兩板間電勢差最大，B項錯誤． 【總結(jié)升華】分析圖像時，畫出對應(yīng)的圖像，并注意到與變化規(guī)律一致，與變化規(guī)律一致，可起到事半功倍的效果． 例4．在如圖甲所示電路中，是電阻不計的線圈，為電容器，為電阻，開關(guān)先是閉合的，現(xiàn)將開關(guān)斷開，并從這一時刻開始計時，設(shè)電容器極板帶正電時電荷量為正，則電容器極板上的電荷量隨時間變化的圖像是圖中的（ ）． 【答案】B 【解析】開關(guān)閉合時，由于線圈電阻為零，線圈中有自左向右的電流通過，但線圈兩端電壓為零，與線圈并聯(lián)的電容器極板上不帶電，本題回路的初始條件是線圈中電流最大，磁場能最大．電場能為零． 斷開開關(guān)時，線圈中產(chǎn)生與電流方向相同的自感電動勢，阻礙線圈中電流的減小，使線圈中電流繼續(xù)自左向右流動，從而給電容器充電，板帶正電，板帶負(fù)電，電荷量逐漸增加，經(jīng)電荷量達(dá)最大，這時回路中電流為零； 時間內(nèi)，電容器放電，板上負(fù)電荷逐漸減少到零．此后在線圈中自感電動勢的作用下，電容器被反向充電，板帶正電，板帶負(fù)電，并逐漸增多，增至最多后，又再次放電，所以極板上電荷量隨時間變化的情況如圖B所示． 【總結(jié)升華】清楚電流與磁場對應(yīng)，電荷量與電場對應(yīng)，而電壓跟電荷量變化趨向一致．因此可先根據(jù)所給條件或所給圖像畫出所求量的圖像，并要準(zhǔn)確理解各物理量的對應(yīng)關(guān)系，再依據(jù)題目具體問題，具體分析． 【變式】在振蕩電路中，線圈的自感系數(shù)，電容． （1）該回路的周期多大？ （2）設(shè)時，電容器上電壓最大，在時，通過線圈的電流是增大還是減小，這時電容器是處在充電過程還是放電過程？ 【答案】見解析 【解析】（1）． （2）因為相當(dāng)于個周期，故，所以當(dāng)時，回路中的電磁振蕩正處在第二個的變化過程中． 時，電容器上電壓最大，極板上電荷量最多，電路中電流值為零，回路中電流隨時間的變化規(guī)律如圖14-2-7所示：第一個內(nèi)，電容器放電，電流由零增至最大；第二個內(nèi)，電容器被反向充電，電流由最大減小到零． 顯然，在時，即在第二個內(nèi)，線圈中的電流在減小，電容器正處在反向充電過程中． 【總結(jié)升華】分析具體過程時，可以把整個振蕩周期分成四個，分別研究每一個內(nèi)各量的變化情況，牢記電容器充、放電過程中各物理量的變化情況是解決此類問題的關(guān)鍵． 類型三、電磁波的發(fā)射和接收 例5．如圖所示為某人收音機(jī)的接收電路，其電感為，為了接收波長為的電磁波，其電容器應(yīng)調(diào)到________． 【思路點撥】當(dāng)接收電路中的振蕩電路的固有頻率與波長為的電磁波的頻率相同時，即達(dá)到電諧振。 【答案】 【解析】該電磁波的頻率為． 那么該電路的固有頻率也應(yīng)調(diào)到，由電磁振蕩的頻率公式得：，代入數(shù)據(jù)得：． 【總結(jié)升華】要接收到波長為的電磁波，就應(yīng)使接收電路產(chǎn)生電諧振，即通過調(diào)諧電路，調(diào)節(jié)電容器的電容，當(dāng)接收電路中的振蕩電路的固有頻率與波長為的電磁波的頻率相同時，即達(dá)到電諧振，就選定了所要選的電臺． 【變式】有波長分別為的無線電波同時傳向收音機(jī)的接收天線，當(dāng)把收音機(jī)的調(diào)諧電路的頻率調(diào)到時． （1）哪種波長的無線電波在收音機(jī)中產(chǎn)生的振蕩電流最強(qiáng)？ （2）如果想接收到波長為的無線電波，應(yīng)該把調(diào)諧電路中可變電容器的動片旋進(jìn)一些還是旋出一些？ 【答案】見解析 【解析】（1）根據(jù)公式，得 ． ． ． 所以波長為的無線電波在收音機(jī)中產(chǎn)生的振蕩電流最強(qiáng)． （2）要接收波長為的無線電波，應(yīng)增大調(diào)諧電路的固有頻率，因此，應(yīng)把調(diào)諧電路中可變電容器的動片旋出一些． 【總結(jié)升華】收音機(jī)的調(diào)諧電路，通過改變可變電容器的電容來改變調(diào)諧電路的頻率，使它跟我們要接收的電磁波的頻率相同。由于電諧振現(xiàn)象，只有這個頻率的電磁波才在調(diào)諧電路中激起較強(qiáng)的感應(yīng)電流，而其他頻率的電磁波激起的感應(yīng)電流都非常弱． 例6．圖中為某火箭發(fā)射場，為山區(qū)，為城市．發(fā)射場正在進(jìn)行某型號火箭的發(fā)射試驗．為了轉(zhuǎn)播火箭發(fā)射的實況，在發(fā)射場建立了發(fā)射臺用于發(fā)射廣播與電視信號．已知傳輸無線電廣播所用的電磁波波長為，而傳輸電視信號所用的電磁波波長為，為了不讓山區(qū)擋住信號的傳播，使城市居民能收聽和收看火箭發(fā)射的實況，必須通過建在山頂上的轉(zhuǎn)發(fā)站來轉(zhuǎn)發(fā)________（填“無線電廣播信號”或“電視信號”）．這是因為________． 【答案】電視信號 電視信號波長短，沿直線傳播，受山坡阻擋，不易衍射 【解析】從題中知，傳輸無線電廣播所用電磁波波長為，根據(jù)發(fā)生明顯衍射現(xiàn)象的條件，已知該電磁波很容易發(fā)生衍射現(xiàn)象，繞過山坡而傳播到城市所在的區(qū)，因而不需要轉(zhuǎn)發(fā)裝置．電視信號所用的電磁波波長為，其波長很短，衍射現(xiàn)象很不明顯，幾乎沿直線傳播，能傳播到山頂卻不能傳播到城市所在的區(qū)，要想使信號傳到區(qū)，必須通過建在山頂?shù)霓D(zhuǎn)發(fā)站來轉(zhuǎn)發(fā)． 【總結(jié)升華】有的同學(xué)認(rèn)為，我國的火箭發(fā)射基地多在西部山區(qū)，其海拔在幾千米以上，比要大得多，衍射現(xiàn)象也應(yīng)很難發(fā)生．但這種認(rèn)識是錯誤的．在題中，山的高度不是海拔高度，而是山頂離火箭發(fā)射場的高度，其值一般也只在幾十米與幾百米之間． 類型四、電磁波與信息化社會 例7．傳真機(jī)原理分析：報紙上印的許多照片都是傳真照片，傳真是利用無線電波傳送圖表、書信、照片的一種方法．無線電傳真的示意圖如圖所示． 簡要說明無線電傳真的過程、器件及其作用． 【答案】見解析 【解析】發(fā)射機(jī)上裝有的光電管，將文字、圖表轉(zhuǎn)化為電信號，將其附加在高頻無線電波上發(fā)射出去，接收機(jī)利用電諧振原理將其接收，通過輝光管轉(zhuǎn)化為原來的文字、圖表在復(fù)印紙張上復(fù)印出來． 無線電波和電磁振蕩密切聯(lián)系，不論發(fā)射和接收都和振蕩電路相聯(lián)系．，經(jīng)常使用． 【變式】一個雷達(dá)向遠(yuǎn)處發(fā)射無線電波，每次發(fā)射的時間為，兩次發(fā)射的時間間隔為，在指示器的熒光屏上呈現(xiàn)出的尖形波如圖所示，已知圖中刻度，則障礙物與雷達(dá)之間的距離是多大？ 【答案】見解析 【解析】圖中和處的尖形波是雷達(dá)向目標(biāo)發(fā)射無線電波時出現(xiàn)的，處的尖形波是雷達(dá)收到障礙物反射回來的無線電波時出現(xiàn)的，由，可知無線電波發(fā)射到返回所用時間為． 設(shè)雷達(dá)離障礙物的距離為，無線電波來回時間為，波速為c，由，得 ． 【總結(jié)升華】在熒光屏上根據(jù)波幅很容易區(qū)分發(fā)射波和反射波．根據(jù)兩個定形波距離，可直接從熒光屏上的刻度讀出障礙物的距離． 例8通過同步衛(wèi)星通話時，對方總是停一小段時間才回話，問說話后至少經(jīng)過多長時間才能聽到對方回話？（設(shè)對方聽到說話后立即回話，已知，） 【思路點撥】很好地分析題意，運用萬有引力定律和衛(wèi)星的圓周運動規(guī)律來求解． 【答案】見解析 【解析】要求出說話后聽到對方講話經(jīng)歷的時間，需要知道同步衛(wèi)星分別和兩人之間的距離，當(dāng)兩人都站在同步衛(wèi)星的正下方時，電磁波經(jīng)同步衛(wèi)星傳播的距離最短，需時最少． 設(shè)衛(wèi)星的質(zhì)量為，距地高度為，同步衛(wèi)星的角速度和地球自轉(zhuǎn)的角速度相同． 由牛頓第二定律得： ， ． 無線電傳播的最短距離為 ． 傳播的最短時間為 ． 【總結(jié)升華】這是一個典型的綜合題，它涉及了電磁學(xué)、力學(xué)中的相關(guān)知識．在解答此題時要很好地分析題意，運用萬有引力定律和衛(wèi)星的圓周運動規(guī)律來求解． 類型五、電磁波譜 例9．根據(jù)電磁波譜選出下列各組電磁波，其中頻率互相交錯重疊，且波長順序由短到長的排列是（ ）． A．微波、紅外線、紫外線 B．射線、射線、紫外線 C．紫外線、紅外線、無線電波 D．紫外線、射線、射線 【答案】B 【解析】題目給出了兩個要求，一是頻率相互交錯，需要各電磁波是相鄰的，二是波長由短到長，故B項正確． 【總結(jié)升華】熟記電磁波譜的順序是解題的關(guān)鍵，另外還要注意題目的要求． 【變式】間諜衛(wèi)星上裝有某種遙感照相機(jī)，可用來探測軍用和民用目標(biāo)．這種照相機(jī)能拍到晚上關(guān)燈行駛的汽車，即使車隊離開，也瞞不過它．這種遙感照相機(jī)敏感的電磁波屬于（ ）． A．可見光波段 B．紅外波段 C．紫外波段 D．射線波段 【答案】B 【解析】所有的物體都能發(fā)出紅外線，熱的物體的紅外線輻射比冷的物體的強(qiáng)，間諜衛(wèi)星上裝的遙感照相機(jī)，實際上是紅外線探測器，它能在較冷的背景上探測出較熱物體的紅外線輻射，這是紅外線攝影的基礎(chǔ)．再者，紅外線波長比其他波（如可見光、紫外線、射線）的長，有較好地穿透云霧的能力，故選B．而其他選項的光不具備以上特點，故A、C、D三項錯誤． 【總結(jié)升華】對與實際結(jié)合的物理問題，要從中挖掘?qū)嶋H與物理的結(jié)合點，準(zhǔn)確把握物理知識的本身含義和它 們的一些特性與作用． 例10．如圖所示為倫琴射線管示意圖，為陰極鎢絲，發(fā)射的電子初速度為零，為對陰極（陽極），當(dāng)之間加直流電壓時。電子被加速打在對陰極上，使之發(fā)出射線，設(shè)電子的動能全部轉(zhuǎn)化為倫琴射線（射線）的能量．求： （1）電子到達(dá)對陰極的速度多大？ （2）如果對陰極每吸收一個電子放出一個X射線光子，則當(dāng)之間的電流為時，每秒鐘從對陰極最多輻射出多少個射線光子？（電子質(zhì)量，電荷量） 【思路點撥】一個電子對應(yīng)一個倫琴射線光子. 【答案】見解析 【解析】（1）由動能定理，得： ， 則 。 【總結(jié)升華】題目中說明電子的動能全部轉(zhuǎn)化為倫琴射線的能量，從而告訴我們一個電子對應(yīng)一個倫琴射線光子．從題設(shè)條件中獲取信息是解題的關(guān)鍵． 【變式】下列能說明電磁波具有能量的依據(jù)是（ ）． A．可見光射人人的眼睛，人看到物體 B．放在紅外線區(qū)域的溫度計升溫很快 C．收音機(jī)調(diào)到某個臺時，調(diào)諧電路發(fā)生電諧振 D．射線具有很強(qiáng)的貫穿能力 【答案】A、B、C、D 【解析】A項，人眼看到物體，說明人眼感受到了可見光的能量；B項，紅外線具有熱作用，說明紅外線具有能量：C項。電諧振在調(diào)諧電路中的感應(yīng)電流的能量來源于空中的無線電波；D項，射線的貫穿能力說明射線具有很高的能量． 【總結(jié)升華】所謂貫穿能力指的是穿透能力，不是衍射能力．