1、3.1-3.2 麦克斯韦的电磁场理论 电磁波的发现 学习目标定位 1.了解麦克斯韦电磁场理论的两大基本论点，能从这两个基本论点出发分 析简单问题.2.知道麦克斯韦预言了电磁波的存在及其在物理学发展史上的意义.3.知道赫兹 用实验证实了电磁波的存在.4.了解什么叫电磁振荡，了解 LC 回路中电磁振荡的产生过程 及其固有周期(频率).5.了解有效发射电磁波的两个条件，知道电磁波的特点及其与机械波 的异同 1电磁感应现象中产生感应电流的条件：穿过闭合电路的磁通量发生变化 2电感对交流电有阻碍作用，交流电能通过电容器，电容器对交流电也有阻碍作用 3法拉第创造性地用“力线”和“场”的概念来描述电荷之间、
2、磁体之间以及电与磁之间 的相互作用 4电磁场理论的两大支柱：(1)变化的磁场产生电场；(2)变化的电场产生磁场 5赫兹用实验证明了麦克斯韦电磁场理论的正确性 6电磁振荡 (1)振荡电流：大小和方向都做周期性变化的电流 (2)振荡电路：能够产生振荡电流的电路图 1 就是一种基本的振荡电路，称为 LC 振荡电 路 图 1 (3)电磁振荡：在振荡电路中，电路中的电流、电容器极板上的 电荷、电容器中的电场强度 和线圈中的磁感应强度都要发生周期性的变化，这种现象叫做电磁振荡 7电磁波的特点 (1)电磁波是横波； (2)电磁波在真空中的传播速度等于光在真空中的传播速度 c，约为 3.0108 m/s； (
3、3)电磁波具有波的一般特征，波长 、频率 f、周期 T 和波速 v 之间的关系为 v f； T (4)电磁波也具有能量 一、电磁场理论的两大支柱 问题设计 1如图 2 所示，当磁棒相对一闭合线圈运动时，线圈中的电荷做定向移动，是因为受到什 么力的作用？若把闭合线圈换成一个内壁光滑的绝缘环形管，管内有直径略小于环内径的 带正电的小球，则磁棒运动过程中会有什么现象？小球受到的是什么力？ 图 2 答案 电荷受到电场力作用做定向移动当磁棒运动时，带电小球会做定向滚动，小球受 到的仍然是电场力 2以上现象说明什么问题？ 答案 空间磁场变化，就会产生电场，与有没有闭合线圈无关 3在如图 3 所示的含有电容
4、器的交流电路中，电路闭合时，电路中有交变电流，导线周围 存在磁场那么在这个闭合电路的电容器中有电流吗？电容器两极板间存在磁场吗？ 图 3 答案 电容器中无电流，两极板间存在磁场 要点提炼 1电磁场理论的两大支柱 (1)变化的磁场产生电场； (2)变化的电场产生磁场 2对麦克斯韦电磁场理论的理解 恒定的电场不产生磁场 恒定的磁场不产生电场 均匀变化的电场在周围空间产生恒定的磁场 均匀变化的磁场在周围空间产生恒定的电场 不均匀变化的电场在周围空间产生变化的磁场 不均匀变化的磁场在周围空间产生变化的电场 振荡电场产生同频率的振荡磁场 振荡磁场产生同频率的振荡电场 例 1 根据麦克斯韦电磁场理论，下列
5、说法正确的是( ) A在电场的周围空间，一定存在着和它联系着的磁场 B在变化的电场周围空间，一定存在着和它联系着的磁场 C恒定电流在其周围不存在磁场 D恒定电流周围存在着稳定的磁场 解析 电场按其是否随时间变化分为稳定电场(静电场) 和变化电场 (如运动电荷形成的电场)， 稳定电场不产生磁场，只有变化的电场周围空间才存在对应的磁场，故 B 对，A 错；恒定 电流周围存在稳定磁场，磁场的方向可由安培定则判断，D 对，C 错 答案 BD 二、电磁振荡 问题设计 把自感线圈、可变电容器、示波器、电源和单刀双掷开关按图 4 连成电路先把开关置于 电源一边，为电容器充电，稍后再把开关置于线圈一边，使电容
6、器通过线圈放电 图 4 1在示波器显示屏上看到的是电流的图像还是线圈两端电压的图像？是什么形状的图像？ 答案 示波器呈现的是线圈两端电压的图像图像呈周期性变化，类似家庭电路所用的交 流电 2调节电容器电容的大小，图像如何变化？ 答案 电容变小时，图像周期变小；电容变大时，图像周期变大 要点提炼 1电磁振荡的过程如图 5 所示，图 6 是电路中的振荡电流、电容器极板带电荷量随时间的 变化图像 图 5 图 6 2各物理量的变化情况 时刻( 时间) 工作过程 q E i B 能量 0 放电瞬间 qm Em 0 0 E 电 最大 E 磁 最小 0 T4 放电过程 qm 0 Em0 0 im 0B m
7、E 电 E 磁 T4 放电结束 0 0 i m Bm E 电 最小 E 磁 最大 T4 T2 充电过程 0 qm 0E m im0 Bm0 E 磁 E 电 T2 充电结束 q m Em 0 0 E 电 最大 E 磁 最小 T2 3T4 放电过程 qm 0 Em0 0 im 0B m E 电 E 磁 3T4 放电结束 0 0 i m Bm E 电 最小 E 磁 最大 T 3T4 充电过程 0 qm 0E m im0 Bm0 E 磁 E 电 T 充电结束 qm Em 0 0 E 电 最大 E 磁 最小 3.电磁振荡的周期和频率 周期 T2 ，频率 f .其中周期 T、频率 f、自感系数 L、电容
8、C 的单位分别是LC 12 LC 秒(s)、赫兹 (Hz)、亨(H) 、法 (F) 延伸思考 为什么放电完毕时，电流反而最大？ 答案 开始放电时，由于线圈的自感作用，放电电流不能瞬间达到最大值，而是逐渐增大， 随着线圈的阻碍作用减弱，放电电流增加变快，当放电完毕时，电流达到最大值 例 2 如图 7 所示为 LC 振荡电路中电容器的极板带电荷量随时间变化曲线，下列判断中 正确的是( ) 图 7 在 b 和 d 时刻，电路中电流最大 在 ab 时间内，电场能转变为磁场能 a 和 c 时 刻，磁场能为零 在 Oa 和 cd 时间内，电容器被充电 A只有和 B只有和 C只有 D只有和 解析 a 和 c
9、 时刻是充电结束时刻，此时刻电场能最大，磁场能最小为零，正确；b 和 d 时刻是放电结束时刻，此时刻电路中电流最大，正确；ab 是放电过程，电场能转化为 磁场能，正确；Oa 是充电过程，而 cd 是放电过程， 错误 答案 D 三、电磁波的发射 问题设计 如今在我们周围空间充满了各种频率不同、传递信息各异的电磁波，你知道这些电磁波是 如何发射出去的吗？ 答案 由巨大的开放电路发射出去的 要点提炼 1有效地向外发射电磁波时，振荡电路必须具有的两个特点： (1)利用开放电路发射电磁波 (2)提高振荡频率 2实际应用的开放电路(如图 8)，线圈的一端用导线与大地相连，这条导线叫 地线；线圈 的另一端与
10、高高地架在空中的天线相连 图 8 例 3 要提高 LC 振荡电路辐射电磁波的本领，应该采取的措施是 ( ) A增加辐射波的波长 B使振荡电容的正对面积足够小 C尽可能使电场和磁场分散开 D增加回路中的电容和电感 解析 理论证明，电磁波发射本领(功率) 与 f 成正比，电磁场应尽可能扩散到周围空间，形 成开放电路而 f ，C ，要使 f 增大，应减小 L 或 C，只有 B 符合题意 12LC S4kd 答案 B 四、电磁波及其与机械波的比较 问题设计 电磁波是电磁现象，机械波是力学现象，两者都具有波的特性，但它们具有本质的不同， 你能举例说明吗？ 答案 例如机械波的传播依赖于介质的存在，但电磁波
11、的传播则不需要介质 要点提炼 电磁波与机械波的比较 电磁波 机械波 研究对象 电磁现象 力学现象 周期性 电场强度 E 和磁感应强度 B 随时间 和空间做周期性变化 位移随时间和空间做周期性变化 传播情况 传播无需介质，在真空中波速总等于 光速 c，在介质中传播时，波速与介 质及频率都有关 传播需要介质，波速与介质有关，与 频率无关 产生机理 由电磁振荡(周期性变化的电流) 激发 由( 波源)质点的振动产生 是否横波 是 可以是 是否纵波 否 可以是 干涉现象 满足干涉条件时均能发生干涉现象 衍射现象 满足衍射条件时均能发生明显衍射 例 4 关于电磁波与声波，下列说法正确的是( ) A电磁波是
12、电磁场由发生的区域向远处传播，声波是声源的振动向远处传播 B电磁波的传播不需要介质，声波的传播有时也不需要介质 C由空气进入水中传播时，电磁波的传播速度变小，声波传播速度变大 D由空气进入水中传播时，电磁波的波长不变，声波的波长变小 解析 由电磁波和声波的概念可知 A 正确因为电磁波可以在真空中传播，而声波属于机 械波，它的传播需要介质，在真空中不能传播，故 B 错电磁波在空气中的传播速度大于 在水中的传播速度，在真空中的传播速度最大；声波在气体、液体、固体中的传播速度依 次增大，故 C 正确无论是电磁波还是声波，从一种介质进入另一种介质时频率都不变， 所以由波长 及它们在不同介质中的速度可知，由空气进入水中时，电磁波的波长变短， vf 声波的波长变长，故 D 错 答案 AC
