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(共25张PPT)
第四节　电磁波谱
[课标引领]
建构核心素养 物理观念 认识电磁波谱,通过对各种可见光、不可见光与无线电波的了解,体会电磁波的共性
科学思维 知道各个波段的电磁波的名称、特征和典型应用
科学态度与责任 通过电磁波的应用,体会科技发展的过程及对社会的推动作用
基础探究
形成概念,掌握新知
一、认识电磁波谱
1.电磁波种类
、 、 、 、X射线、γ射线等都是电磁波.
2.电磁波谱
将各种电磁波按 或 大小的顺序排列成谱,称为电磁波谱.
无线电波
红外线
可见光
紫外线
波长
频率
3.电磁波的统一性与多样性
电磁波家族中各个成员之间既有统一性,又表现出多样性.它们都是本质相同的 波,都具有电磁波的性质.它们的 和 各异.频率低的无线电波由于波长 ,较容易发生 和 现象,而频率高的X射线、γ射线由于波长 ,因此较难观察到 、 现象.
4.电磁波的产生机理
不同的电磁波,产生机理表现出多样性.无线电波是自由电子 产生的,红外线、可见光、紫外线是原子的 电子受到激发后产生的,X射线是原子的 电子受到激发后产生的,γ射线是 受激发后产生的.
电磁
频率
波长
较长
干涉
衍射
较短
干涉
衍射
振荡
外层
内层
原子核
二、电磁波家族成员的特性及其应用
1.无线电波
(1)无线电波.
波长 1 mm(频率 300 GHz)的电磁波是无线电波.它主要用于通信、广播及其他信号传输.
(2)无线电波中的微波.
①波长范围.
微波是 波中一个有限频带的简称,即波长在1 mm～1 m之间的电磁波.
大于
小于
无线电
②微波的波长特性及应用.
微波的波长比地球上很多宏观物体如飞机、舰船、导弹、卫星、建筑物等的尺寸 得多.因此微波照射到这些物体上将产生强烈的 ,利用它与几何光学相似的这一特点,可以制成 很强的微波天线,用来发射或接收微弱的微波信号,从而为雷达、卫星通信、导弹等提供必要条件.
小
反射
方向性
③微波的频率特性及应用.
微波相对一般的无线电波频率 很多,可用频带很 .微波携带的信息容量 ,因此可作为多路通信的载频.
④蓝牙技术.
蓝牙是另一种在生活中常见的无线技术,可实现固定设备、移动设备和个人域网之间的短距离数据交换,工作频率范围是2 400～2 483.5 MHz.
高
宽
大
⑤微波加热.
微波还可用于食品加工(微波炉)、工业和医疗上的加热与解冻等.
2.红外线
(1)红外线的特性.
红外线的波长范围为0.77 μm～1 mm,介于 波与 之间.红外线的频率比可见光更接近固体物质 的固有频率,更容易引起分子的 ,有明显的 ,可以用来 物体、烘干油漆和谷物.
(2)红外线遥感.
一切物体都在不断地向外辐射红外线,不同的物体或物体的 不同时,向外辐射的红外线 和 都不同.利用灵敏的红外线探测器接收物体发出的红外线,然后用电子仪器对接收到的信号进行处理以探明被探物体的特征,这种技术称为红外线遥感.
无线电
可见光
分子振动
共振
热效应
加热
温度
强度
频率
(3)红外线遥控.
各种家用电器的遥控器大多数是利用 脉冲信号来实现各种操作的.
3.可见光
能够引起人的 光只在一个很窄的波段内,通常称为可见光,它的波长范围为440～770 nm.不同频率(或波长)的可见光 不同,频率最高(波长最短)的可见光是 光,频率最低(波长最长)的可见光是 光.
4.紫外线
(1)紫外线的波长范围为5～400 nm.紫外线具有较大的 ,照射到荧光物质上时能够使分子受激而发出可见光,因此具有较强的 效应.
(2)紫外线还具有明显的 作用,因此被普遍用于 或 .但过强的紫外线也会使人的眼睛和皮肤受到伤害.
红外线
视觉的
颜色
红
紫
能量
荧光
化学
杀菌
消毒
5.X射线
X射线是一种波长比紫外线还 的电磁波,波长范围为10-3～10 nm.它的穿透能力很 ,能使包在黑纸里的照相底片 .在工业上可以用来检测部件内部有没有砂眼、裂纹或气孔;在医学上可以用来透视人体等.
6.γ射线
(1)γ射线是波长 的电磁波,波长范围为10-7～10-2 nm.γ射线穿透能力比X射线更 ,能穿过几厘米厚的铅板.因此,工业上常用它来进行 .
(2)γ射线具有很高的 ,能破坏生命物质的结构.利用这个特点,在医学上可以摧毁病变的细胞如癌细胞,因而有“γ刀”之称.
(3)利用γ射线照射农作物的种子、植株或某些器官和组织,可以促使它们产生各种 ,再从中选出所需要的可遗传的 ,经过培育成为优良的新品种.
短
强
感光
最短
强
探伤
能量
变异
优良变异
1.判断正误
(1)各种电磁波中最容易表现出干涉和衍射现象的是γ射线.(　 　)
(2)红外线有显著的热效应,紫外线有显著的荧光作用.(　 　)
(3)X射线的穿透本领比γ射线更强.(　 　)
(4)可见光中红光的波长最长,紫光的波长最短.(　 　)
√
×
√
×
2.电磁波在真空中的传播速度是多少 无线电波的波长比可见光的波长长还是短 除了无线电波和可见光之外,还有哪些电磁波
答案:3×108 m/s;无线电波的波长比可见光的波长长;还有红外线、紫外线、X射线、γ射线等.
3.人为什么不能长时间在太阳下暴晒
答案:紫外线的化学作用较强,人体适量接受太阳光里的紫外线照射,能促进钙质吸收.但过多地吸收紫外线,会对皮肤和眼睛造成伤害.
合作探究
突破要点,提升关键
探究点一　电磁波谱
如图所示是按波长由长到短(频率由小到大)顺序排列的电磁波谱.电磁波谱中的各部分有没有严格的分界线
答案:没有.
1.各种电磁波的共性
(1)在本质上都是电磁波,遵循相同的规律,各波段之间的区别并没有绝对的意义.
(2)都遵循公式c=λf,在真空中的传播速度都是c=3×108 m/s.
(3)传播都不需要介质.
(4)都具有反射、折射、衍射和干涉的特性.
2.各种电磁波的个性
(1)不同电磁波的频率或波长不同,表现出不同的特性,波长越长,越容易产生干涉、衍射现象,波长越短,穿透能力越强.
(2)同频率的电磁波在不同介质中传播速度不同.不同频率的电磁波在同一种介质中传播时,频率越大,折射率越大,速度越小.
[例1] 根据电磁波谱,下列关于各电磁波的说法正确的是(　 　)
A.可见光的波长一定比无线电波的波长短
B.各种电磁波有明显的频率和波长区域界限
C.相同条件下,电磁波谱中最难发生衍射的是X射线
D.可见光的实质也是一种电磁波,红光波长最短
解析:由电磁波谱可知,可见光的波长一定比无线电波的波长短,A正确;各种电磁波的波长和频率是连续的,没有明显的区域界限,B错误;波长越短,越难发生衍射,电磁波谱中比X射线波长短的还有γ射线,C错误;在可见光中,红光波长最长,D错误.
A
[针对训练1] 根据电磁波谱选出下列各组电磁波,其中频率互相交错重叠,且波长顺序由短到长排列的是(　 　)
A.微波、红外线、紫外线
B.γ射线、X射线、紫外线
C.紫外线、可见光、红外线
D.紫外线、X射线、γ射线
解析:红外线与紫外线在电磁波谱中不相邻,更不会频率重叠,A错误;紫外线、可见光、红外线虽相邻,但它们三者间有明确的界线,频率也不相重叠,C错误;在电磁波谱中紫外线、X射线、γ射线有重叠,γ射线波长最短,紫外线波长最长,B正确,D错误.
B
探究点二　电磁波的特性及应用
除了可见光外,红外线、紫外线、无线电波(中波、短波、微波)、X射线、γ射线,都是电磁波大家族中的成员.请在这些看不见的电磁波中,每种选一个与你关系最密切的,或者令你印象最深的实例,按照波长由长至短的顺序,列举出来.
答案:电视机接收无线电波,遥控器发出红外线,医院用于灭菌消毒的紫外线,医院透视时用的X射线,金属探伤用的γ射线.
1.不同电磁波的特性及应用
项目 无线电波 红外线 可见光
频率 由左向右,频率变化为由小到大 真空中的波长 由左向右,波长变化为由长到短 特性 波动性强 热效应强 感光性强
用途 通信、广播、 天体物理研究 遥控、遥测、 加热、红外 摄像、红外制导 照明、
照相等
项目 紫外线 X射线 γ射线
频率 由左向右,频率变化为由小到大 真空中的波长 由左向右,波长变化为由长到短 特性 化学作用、荧光效应 穿透力强 穿透力最强
用途 日光灯、杀菌、 防伪、治疗皮肤病等 检查、探测、 透视、治疗 探测、治疗
2.电磁波的能量
各种各样的仪器能够探测到许许多多电磁波,所有这些都表明电磁波能够传递能量.
[例2] 关于电磁波的特性和应用,下列说法正确的是(　 　)
A.红外线和X射线都有很高的穿透本领,常用于医学上透视人体
B.过强的紫外线照射有利于人的皮肤健康
C.电磁波谱中频率最高的为γ射线,最容易发生衍射现象
D.紫外线和X射线都可以使感光底片感光
解析:X射线具有很强的穿透本领,常用于医学上透视人体,红外线不能,选项A错误;过强的紫外线照射对人的皮肤有害,选项B错误;电磁波谱中频率最高的为γ射线,其波长最短,最不容易发生衍射现象,选项C错误;紫外线和X射线都具有明显的化学效应,都可以使感光底片感光,选项D正确.
D
[针对训练2] 气象卫星发送回地面的红外云图是由设置在卫星上具有接收云层辐射的红外线感应器完成的,云图上的黑白程度由辐射红外线的云层的温度高低决定,这是利用了红外线的(　 　)
A.不可见性 B.穿透性
C.热效应 D.化学效应
解析:红外线的最显著特性是热效应,一切物体都会向外辐射红外线,不同厚度的云层辐射出的红外线波长和强度不同.卫星上的红外线感应器接收到云层辐射出的红外线后,由于其温度不同使云图呈现不同的黑白程度,因此利用的是红外线的热效应,故选C.
C
课堂小结
自主建构 教材链接
太阳光中含有无线电波、可见光、红外线、紫外线、X射线、γ射线.太阳辐射的能量主要集中在可见光、红外线和紫外线三个区域,如图所示.
从图中可以看到,波长在5.5×10-7m的黄绿光附近,辐射的能量最强.我们的眼睛正好对这个区域的电磁辐射最敏感.眼睛把太阳在最强辐射区的辐射作为自己的接收对象,这样就能看到最多的东西,获得最丰富的信息(共39张PPT)
第二节　麦克斯韦电磁场理论
第三节　电磁波的发射、传播和接收
[课标引领]
建构核心素养 物理观念 了解电磁场和电磁波,能正确区分调制、调幅、调频、调谐、解调等概念,体会物理观念的生成过程
科学思维 通过麦克斯韦电磁场理论的两个基本假设及电磁波的发射、传播和接收的过程,体会物理模型在探索自然规律中的作用
科学探究 经历赫兹实验的验证过程,体会物理实验在物理规律形成中的重要作用
科学态度与责任 能结合生活实际,借助无线电通信在生活中的应用,培养学习的兴趣
基础探究
形成概念,掌握新知
一、麦克斯韦电磁场理论
如图所示,一闭合电路放置在竖直向上的磁场中,如果磁场的磁感应强度B不断增大,则:
(1)闭合电路中会不会产生电流 电流方向如何
答案:(1)当B增大时,穿过闭合电路的磁通量发生变化,电路中会产生感应
电流;根据楞次定律知电流方向从上往下看为顺时针.
(2)请结合的电流的相关知识,解释一下这是否能说明电路所在的空间存在电场 如果存在电场,这个电场是由什么引起的
答案:(2)电流是由电荷定向移动形成的,电荷在电场力作用下发生定向移动,说明电路周围存在电场;这个电场是由变化的磁场引起的.
(3)若空间中不放置闭合电路,B增大时空间中有没有电场存在
答案:(3)有.
1.两个基本假设
(1)麦克斯韦电磁场理论的两个基本假设.
①变化的磁场周围会产生 (如图甲所示).
②变化的电场周围会产生 (如图乙所示).
电场
磁场
(2)电磁场:变化的磁场产生电场,变化的电场产生磁场.变化的电场和磁场总是
,形成一个不可分离的 ,这就是电磁场.
相互联系
统一体
2.伟大的预言
(1)电磁波的产生.
麦克斯韦推断:如果在空间某区域有周期性变化的电场,这个变化的电场就会在周围空间产生 变化的磁场;这个变化的磁场又会在较远的空间引起 变化的电场.这样,变化的电场和磁场并不会局限于空间某个区域,而是由近及远地向周围空间 出去.由此,一个伟大的预言诞生了:空间可能存在着 .
周期性
周期性
传播
电磁波
(2)电磁波的特点.
①在电磁波传播过程中,空间中任意一点的电场强度E和磁感应强度B相互 ,并且都和电磁波的传播方向 ,因此电磁波是 .
②在电磁波传播过程中,空间中任意一点的电场强度E和磁感应强度B都随时间作 变化,电磁波的频率即为 的频率,它由 决定,与介质 .
③电磁波在真空中的传播速度等于 在真空中的传播速度,光波的本质是
.
垂直
垂直
横波
周期性
电磁振荡
波源
无关
光
电磁波
3.赫兹实验
(1)赫兹实验方案示意图.
(2)过程分析.
①把两根共轴的黄铜杆A、B接在感应圈的两极上.黄铜杆A、B间留有一个间隙,间隙两边杆的端上焊有一对磨光的黄铜球.感应圈是一个与变压器相似的装置,由两个不同匝数的线圈绕在同一铁芯上组成.当通入匝数少的线圈的电流突然断开时,在匝数多的线圈两端(即与黄铜杆连接的两极)之间会产生很高的电压.这个高电压使铜球之间的空气被击穿,产生火花放电.每跳一次火花,两球之间就形成一次 ,并向外发射 的电磁波.
高频振荡电流
同频
②接收器由一根粗铜导线弯成一个带开口的圆环,开口端各焊一个铜球,铜球之间有可作微调的空隙,这个接收器实际上可以看作是一个LC振荡电路.通过调节小铜球间隙改变接收电路的固有频率,使其与发射过来的电磁波产生共振,从而在导线环中产生足够高的感应电动势,使接收器上两个铜球的空隙间产生火花.当发射器两球间有火花产生时,接收器两球间也有 产生.这表明有 从发射器到达了接收器.
(3)实验结论:赫兹证实了 的存在.
(4)赫兹的其他贡献.
赫兹运用自己精湛的实验技术,还观察到电磁波的反射、 、干涉、 和偏振等现象,证明了电磁波在真空中的传播速度就是 ,从而证实了麦克斯韦的伟大预言,为麦克斯韦的电磁场理论奠定了坚实的实验基础.赫兹的实验也为无线电技术的发展开辟了道路.
火花
电磁波
电磁波
折射
衍射
光速
二、电磁波的发射、传播和接收
查阅相关资料后,简单说一下收音机是如何来接收电磁波的.
答案:电磁波在空间传播时,如果遇到导体,会使导体产生感应电流,感应电流的频率跟激起它的电磁波的频率相同.因此把收音机放在电磁波传播的空间中,就可以接收到电磁波了.
1.电磁波的发射
(1)要有效地发射电磁波,LC振荡电路必须具备以下两个条件.
①要有 的振荡频率.频率越高,发射电磁波的本领越大.
②要使LC振荡电路的电场和磁场分散到 的空间.
足够高
(2)开放电路.
为了满足有效发射电磁波的两个条件,应将如图a所示的LC振荡电路进行改造.如图b和图c所示,可以 电容器极板间的距离, 电容器两极板的正对面积, 自感线圈的匝数,甚至演化在成为一条导线,如图d所示,使电场和磁场扩展到电容器的 ,这样的振荡电路称为开放电路.
尽可能大
增大
减小
减少
外部
(3)无线电波.
在 中使用的电磁波称为无线电波.
(4)调制.
①定义:把低频的电信号“加载”在 上,这个过程称为调制.
无线电技术
高频振荡电流
振幅
频率
③两种调制方式的比较.
与调幅广播相比,调频广播 的能力比较强,在传递过程中不容易失真.因此, 多采用调频方式.电视信号因包含图像和声音两种信号,这两种信号如果采用相同方式调制会相互干扰,给图像与声音带来不良影响.因此,一般情况下图像采用 方式进行调制,声音采用 方式进行调制.
2.电磁波的传播
无线电波的传播方式主要有 、 和 传播.
(1)沿地球表面传播无线电波的方式称为 传播.无线电波的波长越 ,越容易绕过地面的障碍物.中、长波能绕过地球表面上多数障碍物,因此可采用地波传播方式.
抵抗干扰
音频广播
调幅
调频
地波
天波
直线
地波
长
(2)利用大气中电离层的反射来传播无线电波的方式称为 传播.短波和部分中波的波长较短,但能够在地面与电离层之间来回反射进行传播,可采用天波传播方式.
(3)沿直线传播无线电波的方式称为 传播,又叫作空间波.微波的波长较 ,能够穿透电离层,因此只能采用直线传播方式,从发射天线直接传播到接收天线.
3.电磁波的接收
(1)原理.
在空间传播的电磁波如果遇到导体,会在导体中产生微弱的 电流,感应电流的频率与激起它的电磁波的频率 .因此,可以用导体制成的天线和地线组成接收电路来接收电磁波.
天波
直线
短
感应
相同
(2)调谐与调谐电路.
当接收电路的 被调到与需要接收的无线电波的频率相同时,这个频率的无线电波在接收电路里将激起 的振荡电流,这个过程称为调谐.能够 的接收电路称为调谐电路.
(3)解调.
从高频振荡电流中“检”出它所携带的 电流的过程称为检波.检波是 的逆过程,所以又叫解调.检波之后的信号再经过放大、重现,还原成声音、文字、图片或图像.
固有频率
最强
调谐
低频信号
调制
1.判断正误
(1)电场一定产生磁场.(　 　)
(2)电磁波和光在真空中的传播速度都是3.0×108 m/s.(　 　)
(3)频率越高,振荡电路发射电磁波本领越大.(　 　)
(4)当接收电路的固有频率和无线电波频率相同时,将激起最强的振荡电流.
(　 　)
√
×
√
√
2.电台发射信号,如声音信号,为什么不直接将声音信号转化为电信号发射出去,而是放到高频信号中发射呢
答案:因为声音信号频率较低,而电台要向外发射电磁波,就要有足够高的振荡频率.实验证明,只有提高发射频率才能提高发射能量,为此要把频率较低的信号加载到高频信号上去.高频振荡信号就是那些有用的低频信号的载体,而“加载”过程就是“调制”过程.
3.有一个LC接收电路,原来接收较低频率的电磁波,现在要想接收较高频率的电磁波,应该如何调节可动电容器的动片
合作探究
突破要点,提升关键
探究点一　电磁场和电磁波的理解
如图所示,某同学正在回答航天员王亚平的问题,请问她们的通话是通过机械波进行传播的还是通过电磁波进行传播的 为什么
答案:电磁波;因为机械波的传播离不开介质,而电磁波可以在真空中传播.
1.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
2.对电磁场的理解
(1)电磁场的产生: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,周期性变化的电场、磁场相互激发,形成的电磁场一环套一环,如图所示.
(2)电磁场并非简单地将电场、磁场相加,而是相互联系、不可分割的统一整体.在电磁场示意图中,电场E和磁场B,在空间相互激发时,相互垂直,以光速c在空间传播.
3.电磁波与机械波的比较
电磁波是电磁现象,机械波是力学现象,两种波因产生机理不同,除具有波的共性外,还有不同之处.
项目 机械波 电磁波
周期性 位移随时间和空间做周期性变化 电场强度E和磁感应强度B随时间和空间做周期性变化
传播情况 传播需要介质,波速与介质有关,与频率无关 传播不需要介质,在真空中波速等于光速c,在介质中传播时,波速与介质及频率有关
产生机理 由(波源)质点的振动产生 由电磁振荡(周期性变化的电流)激发
是否为横波 可以是 是
是否为纵波 可以是 否
干涉现象 满足干涉条件时均能发生干涉现象 衍射现象 满足明显衍射条件时均能发生明显衍射现象 D
命题角度1　电磁场理论的理解
[例1] 关于电磁场理论,下列说法正确的是(　 　)
A.在电场周围一定产生磁场,磁场周围一定产生电场
B.在变化的电场周围一定产生变化的磁场,在变化的磁场周围一定产生变化的电场
C.均匀变化的电场周围一定产生均匀变化的磁场
D.周期性变化的电场周围一定产生周期性变化的磁场
解析:根据麦克斯韦电磁场理论,只有变化的电场能产生磁场,均匀变化的电场产生稳定的磁场,非均匀变化的电场才能产生变化的磁场,周期性变化的电场周围一定产生周期性变化的磁场,故D正确.
BCD
命题角度2　电磁波与机械波的比较
[例2] (多选)以下关于机械波与电磁波的说法正确的是(　 　)
A.机械波与电磁波,本质上是一致的
B.机械波的波速只与介质有关,而电磁波在介质中的波速,不仅与介质有关,而且与电磁波的频率有关
C.机械波可能是纵波,而电磁波必定是横波
D.它们都能发生反射、折射、干涉和衍射现象
解析:机械波是机械振动在介质中的传播,所以机械波的传播离不开介质,且其波速只与介质的性质有关,而与机械波的频率无关,机械波既有横波也有纵波;电磁波是电磁场范围的不断扩大,电场和磁场都可以在真空中存在,因而电磁波可以在真空中传播,由光的色散现象知,电磁波的波速由介质和波的频率共同决定,电磁波只能是横波;任何波都能产生反射、折射、干涉和衍射现象.可见,A错误,B、C、D正确.
理解电磁场和电磁波的四点注意
(1)掌握四个关键词:“恒定的”“均匀变化的”“非均匀变化的”“周期性变化的(即振荡的)”.
(2)掌握“变化的电场和变化的磁场交替产生,由近及远地向周围传播”.
(3)电磁波与机械波在产生方式、传播途径、波的形成及波速上有显著的不同,但它们都是波,都具有波动性.
(4)电磁波的特性与光相似,可以类比光的特性理解电磁波.
[题组训练]
1.用麦克斯韦电磁场理论判断如图所示的四组电场产生的磁场(或磁场产生的电场)随时间t的变化规律,其中错误的是(　 　)
解析:恒定的电场不产生磁场,选项A正确;均匀变化的电场产生恒定的磁场,选项B正确;周期性变化的磁场产生同频率周期性变化的电场,产生的电场的电场强度与磁场的磁感应强度的变化率成正比,对于正弦曲线,t=0时,磁场的磁感应强度的变化率最大,故产生的电场的电场强度最大,选项C错误,D正确.
C
2.有两部不同号码的手机A和手机B.当用A拨打B时,能听见B发出响声并且看见B上显示A的号码.若将A置于透明真空罩中,再用B拨打A,则(　 　)
A.能听见A发出响声,但看不到A上显示B的号码
B.能听见A发出响声,也能看到A上显示B的号码
C.听不见A发出响声,也看不到A上显示B的号码
D.听不见A发出响声,但能看到A上显示B的号码
解析:声音不能在真空中传播,故拨打真空罩中的手机听不见响声;手机接收的是电磁波信号,电磁波能在真空中传播,真空罩中的手机能接收到呼叫信号,故能看到A上显示B的号码,故D正确,A、B、C错误.
D
探究点二　电磁波发射和接收的理解
仔细观察下列图片,认真参与探究活动.
探究1:如图甲所示的普通LC振荡电路中,电场和磁场的分布有什么特点
答案:在普通的LC振荡电路中,电场主要集中在电容器的极板之间,磁场主要集中在线圈内部.
探究2:如图甲电路在电磁振荡的过程中,电场能和磁场能主要是在电路内互相转化,辐射出去的能量很少,乙与甲相比,哪个电路能更有效地发射电磁波呢 乙与丙相比呢
答案:乙与甲相比,乙电路电场分布更广,所以乙能更有效地发射电磁波.乙与丙相比,丙的电场分布更广,磁场分布也广,所以丙比乙能更有效地发射电磁波.
探究3:研究表明,振荡电路向外辐射能量的本领,与振荡频率有关.结合以上活动,应从哪些方面提高振荡电路发射电磁波的本领
答案:振荡频率,以及电场和磁场的分布空间.
探究4:根据电磁感应现象,考虑如何接收电磁波信号
答案:变化的磁场会使导体中产生感应电流,所以放置一个闭合导体电路,当有电磁波经过时,变化的磁场会在导体电路中产生变化的感应电流,这样就可以接收到电磁波信号.
1.“调幅”和“调频”是调制的区别
(1)高频电磁波的振幅随信号的强弱而变的调制方式叫调幅,一般电台的中波、中短波、短波广播以及电视中的图像信号,低频采用调幅波.如图所示是调幅的作用,其中图a为低频信号的波形;图b为高频等幅振荡电流的波形;图c为经过调幅的高频振荡电流的波形.
(2)高频电磁波的频率随信号的强弱而变的调制方式叫调频,电台的立体声广播和电视中的伴音信号,采用调频波.如图所示是调频的作用,其中图a为低频信号的波形;图b为高频等幅振荡电流的波形;图c为经过调频的高频振荡电流的波形.
2.解调是调制的逆过程
声音、图像等信号频率相对较低,不能转化为电信号直接发射出去,所以要将这些低频信号加载到高频电磁波信号上去.将声音、图像等信号加载到高频电磁波上的过程就是调制.而将声音、图像等信号从高频信号中还原出来的过程就是解调.
3.正确理解调谐的作用
世界上有许许多多的无线电台、电视台及各种无线电信号,如果不加选择全部接收下来,那必然是一片混乱,分辨不清.因此接收信号时,首先要从各种电磁波中把我们需要的选出来,通常叫选台.
命题角度1　无线电波的发射
[例3] (多选)下列关于无线电广播对电磁波进行调制的原因的说法正确的是(　 　)
A.经过调制后的高频电磁波向外辐射能量的本领更强
B.经过调制后的电磁波在空间传播得更快
C.经过调制后的电磁波在空间传播波长不变
D.经过调制后的高频电磁波才能把我们要告知对方的信号有效地传递出去
解析:调制是把低频信号加载到高频电磁波上增强发射能力,也就是把含有信息的低频信号加载到高频电磁波上,频率变大,即辐射能量的本领变强,易于向外发射,符合题意,选项A正确;电磁波在空气中的波速接近光速,传播速度不变,不符合题意,选项B错误;根据v=λf可知,速度不变的情况下,频率改变,则波长必然改变,不符合题意,选项C错误;要把电磁波有效地发射出去,必须有足够高的频率,经过调制之后的波具有较高频率,从而把我们要告知对方的信号有效地传递出去,符合题意,选项D正确.
AD
命题角度2　无线电波的接收
[例4] (多选)关于无线电波的接收,下列说法中正确的是(　 　)
A.当接收电路的固有频率跟接收到的无线电波频率相同时,该无线电波在接收电路中激起的振荡电流最强
B.使接收电路中产生最强振荡电流的过程叫作调谐
C.收音机的接收电路是LC振荡回路
D.从接收到的高频振荡电流中“检”出所携带的信号,叫作调谐
解析:接收电路的固有频率等于无线电波的频率时,电路中激起的振荡电流最强,选项A正确;根据调谐概念可知,选项B正确,D错误;收音机的接收电路是LC振荡回路,选项C正确.
ABC
[题组训练]
1.(多选)关于电磁波的发射和接收,下列说法中正确的是(　 　)
A.为了使振荡电路有效地向空间辐射能量,必须是闭合电路
B.音频电流的频率比较低,不能直接用来发射电磁波
C.解调其实就是调制的逆过程
D.要使电视机的屏幕上有图像,必须要有检波过程
解析:有效发射电磁波,必须采用开放电路和高频发射;一般的音频电流的频率较低,不能直接用来发射电磁波;解调其实就是调制的逆过程;电视机显示图像时,必须通过检波过程,把有效的信号从高频信号中取出来,否则就不能显示.
BCD
2.(多选)关于无线电波的接收,下列说法错误的是(　 　)
A.调谐就是把接收到的无线电波的频率调到某一特定的值
B.调谐过程与机械振动中的共振现象类似
C.当无线电波的频率与接收电路的固有频率不相等时,就不会激起振荡电流
D.检波就是从天线接收到的众多频率的无线电波中选择出某一特定频率的波
ACD
解析:调谐就是使接收电路的固有频率与无线电波频率相等,使激起的振荡电流最强,A错误;调谐过程与机械振动中的共振现象类似,B正确;当无线电波的频率与接收电路的固有频率不相等时,也会激起振荡电流,不过此时的振荡电流不是最强的,C错误;检波是将低频信号从高频信号上分离出来,D错误.
课堂小结
自主建构 教材链接
1.教材第97页“讨论与交流”提示:
变化的磁场产生的电场的电场线是闭合的.静电场是电荷在周围产生的,电场线总是开始或者终止于正负电荷,或者无穷远.相同点就是都是电场.
2.教材第107页“练习第2题”提示:(共34张PPT)
第四章　电磁振荡与电磁波
[本章学业要求]
物理观念:能初步了解麦克斯韦电磁场理论的基本思想,了解电磁振荡、电磁波、电磁波谱的内涵,知道电磁波的产生、传播和接收,知道场的统一性与多样性;能解释生产、生活中与电磁波有关的现象,能说明人们对电磁波的应用.具有与电磁波相关的物质观念、相互作用观念和能量观念.
科学思维:能用电磁振荡解释电场能与磁场能的相互转化;能分析电磁波的产生、传播和接收等问题;能通过证据说明电场与磁场的相互转化;能从不同角度综合思考电与磁的问题.
科学探究:能根据实验现象及结果提出问题;能通过实验收集关于电磁波如何发射与接收的信息;能解释赫兹实验及电磁波的发射与接收;有主动与同学交流的积极性.
科学态度与责任:能体会物理学对统一性的追求,能体会理论预言在科学发展中的作用,以及实验证据对新理论的支撑作用;能体会麦克斯韦电磁理论的基本思想,感受麦克斯韦电磁理论的美妙;能体会电磁波的应用对人类生活和社会发展的影响.
第一节　电磁振动
[课标引领]
建构核心素养 物理观念 知道电磁振荡、振荡电流、振荡电路及描述电磁振荡的周期和频率等概念,初步形成与电磁振荡相关的物理观念
科学思维 掌握LC回路中振荡电流的产生过程,通过振荡电路的分析,体会物理模型在探索自然规律中的作用
科学探究 经历电磁振荡过程的探究,体会科学探究在物理规律形成过程中的重要作用
科学态度与责任 通过电磁振荡在生活、生产中的应用,认识到物理学是基于人类有意识的探索而形成
基础探究
形成概念,掌握新知
一、振荡电流的产生
如图所示,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,使电容器通过线圈放电.电流表指针有何变化 说明什么问题
答案:指针左右摆动,表明电路中产生了变化的电流.
1.振荡电流
大小和方向都做 变化的电流.
2.振荡电路
能产生 的电路称为振荡电路.
周期性
3.LC振荡电路
由 和 组成的电路是最简单的振荡电路,称为LC振荡电路(如图所示).
4.振荡电流的特点
LC振荡电路产生的振荡电流是按 或 规律变化的.振荡电流是一种频率 的交变电流.
振荡电流
线圈
电容
正弦
余弦
很高
二、电磁振荡中能量的转化
1.LC振荡电路理想化模型中的过程分析
(1)放电瞬间.
如图a所示,当开关由a处扳向b处的瞬间,即电容器刚要放电的瞬间,电路中
电流,线圈中 磁场,电容器里的电场 ,电路里的能量全部储存在 的电场中.
没有
没有
最强
电容器
(2)放电过程.
电容器开始放电后,由于线圈的 作用,放电电流不能立刻达到最大值而是由 逐渐增大,如图b所示.放电完毕时,电容器极板上 电荷,放电电流达到 .在这个过程中,电容器里的电场逐渐 ,线圈的磁场逐渐 ,能量由 能逐渐转化为 能.在放电完毕瞬间,电场能 转化为磁场能.
(3)充电过程.
电容器放电结束时,由于线圈的 作用,电流 立刻减小为零,而是保持 的方向继续流动并 减小,由于电流继续流动,电容器在与原来
的方向上重新充电.到反方向充电结束的瞬间,电流减小为 ,电容器极板上的电量达到 ,如图c所示,能量由 能逐渐转化为 能.在反方向充电完毕瞬间,磁场能 转化为电场能.
自感
零
没有
最大值
减弱
增强
电场
磁场
全部
自感
不会
原来
逐渐
相反
零
最大值
磁场
电场
全部
(4)反向放电过程.
此后电容器又开始 放电,电路中的 能量又逐渐转变为 能量,如图d所示.电容器反向放电完毕,电场能量为 ,磁场能量达到 .
(5)再度充电过程.
接着电流给电容器再度 ,恢复到图a的状态,如图e所示.电场能量达到
,磁场能量为 .
2.电磁振荡
在LC振荡电路中充、放电过程周而复始地进行,由此产生 和 呈周期性变化的振荡电流,线圈中对应的磁场和电容器里的电场也呈 变化,电场能和磁场能 .这种现象称为电磁振荡.
反向
电场
磁场
零
最大值
充电
最大值
零
大小
方向
周期性
相互转化
3.电磁振荡过程回路中的电流i和电容器极板上带电量q随时间的周期性变化图像
三、电磁振荡的周期和频率
通过分析LC振荡电路的充、放电过程,猜想一下电磁振荡的周期和频率可能与哪些因素有关
答案:可能与线圈的自感系数L和电容器的电容C有关.
1.周期
电磁振荡完成一次 所用的时间称为电磁振荡的周期.
2.频率
电磁振荡在一段时间内做周期性变化的 与所用 之比称为电磁振荡的频率.
3.周期和频率公式
理论与实验表明,LC振荡电路的振荡周期T和频率f只与 和 有
关,与其他因素 .它们的关系式为T= ,f= .
周期性变化
次数
时间
自感系数L
电容C
无关
1.判断正误
(1)LC振荡电路的电容器放电完毕时,回路中磁场能最小.(　 　)
(2)LC振荡电路线圈的自感系数增大为原来的4倍,振荡周期增大为原来的2倍.
(　 　)
(3)提高充电电压,极板上带更多的电荷时,能使振荡周期变大.(　 　)
√
×
×
2.如图为LC回路中电流随时间变化的图像,有些同学认为“振荡电流实际上就是交变电流”,这种说法对吗
答案:对.振荡电流实际上就是交变电流,由于频率很高,习惯上称之为振荡电流.
3.某LC振荡电路中,振荡电流变化规律为i=0.14sin 1 000t(A),已知电路中线圈的自感系数L=50 mH,则电容器的电容C和该振荡电流的有效值分别是多少
答案:2.0×10-5 F　0.10 A
合作探究
突破要点,提升关键
探究点一　对电磁振荡的理解
如图甲是一个LC振荡电路,图乙为振荡电流随时间变化的图像(以图甲中的电流方向为正方向),请独立分析一个周期内电容器上所带电量q、电场强度E、电场能EE,线圈中的振荡电流i、磁感应强度B、磁场能EB的变化情况,分析完成后回答下列问题并总结一下各量的变化规律.
电路中各物理量在一个周期内的情况是:
　　　　 时刻,电容器上带电量为零;
　　　　 时刻,线圈中的磁场最强;
　　　 　 时刻,电容器两板间的电场强度值最大;
　　　　 时刻,电路中电流达到反向最大值;
　　　 　 时间内是对电容器的充电过程.
tA、tC
tA、tC
tO、tB、tD
tC　
tA～tB、tC～tD
1.用图像对应分析i、q的变化关系
2.相关量与电路状态的对应情况
3.几个关系
(1)同步同变关系.
在LC振荡回路发生电磁振荡的过程中,电容器上的物理量:电荷量q、电场强度E、电场能EE是同步变化的,即q↓→E↓→EE↓(或q↑→E↑→EE↑).
振荡线圈上的物理量:振荡电流i、磁感应强度B、磁场能EB也是同步变化的,即i↓→B↓→EB↓(或i↑→B↑→EB↑).
(2)同步异变关系.
在LC振荡过程中,电容器上的三个物理量q、E、EE增大时,线圈中的三个物理量i、B、EB减小,且它们的变化是同步的,即q、E、EE↑,同步异向变化i、B、EB↓.
AB
[例1] (多选)如图所示的振荡电路中,某时刻线圈中磁场方向向上,且电路的电流正在增大,则此时(　 　)
A.a点电势比b点低
B.电容器两极板间电场强度正在减小
C.电路中电场能正在增大
D.线圈中感应电动势正在增大
解析:结合图中的磁场的方向,根据安培定则,线圈中的电流从b到a,此时电流正在增大,表明电容器正在放电,所以下极板带正电,上极板带负电.a点电势比b点低,电容器两极板间电场强度正在减小,电场能在减小,电流放电变慢,线圈中感应电动势变小.故A、B正确,C、D错误.
电磁振荡状态分析的三点注意
(1)判断电容器是充电还是放电,一般依据电流的方向,电流由正极板流出为放电,向正极板流入为充电.
(2)判断电场能和磁场能的转化要依据电流的增减或极板上电荷量的增减.
(3)自感电动势的作用是阻碍电流的增大还是阻碍电流的减小,可依据放电电流不断增大,充电电流不断减小来判断.
[针对训练1] 如图甲所示,在LC振荡电路中,其电流变化规律如图乙所示,规定顺时针方向为电流i的正方向,则(　 　)
A.0至0.5 s时间内,电容器C在放电
B.0.5 s至1 s时间内,电场能正在减小
C.1 s至1.5 s时间内,磁场能正在减小
D.1.5 s至2 s时间内,P点的电势比Q点的电势低
解析:0至0.5 s时间内,电路中电流顺时针方向变大,则电容器C在放电,选项A正确;
0.5 s至1 s 时间内,电路中电流顺时针方向减小,则电容器正在充电,电场能正在增加,选项B错误;1 s至1.5 s时间内,电路中电流逆时针方向增加,则磁场能正在增加,选项C错误;1.5 s至2 s时间内,电路中电流逆时针方向减小,电容器正在充电,此时电容器上极板带正电,即P点的电势比Q点的电势高,选项D错误.
A
探究点二　电磁振荡的周期和频率
LC振荡电路如图所示,请思考下列问题:
(1)如果仅更换自感系数L更大的线圈,将开关S掷向1,先给电容器充电,再将开关掷向2,电容器通过线圈放电,线圈因自感现象产生的自感电动势是否更大 “阻碍”作用是否也更大 由于延缓了振荡电流的变化,振荡周期T会怎样变化
答案:(1)自感电动势更大,“阻碍”作用更大,周期变长.
(2)如果仅更换电容C更大的电容器,将开关S掷向1,先给电容器充电,电容器的带电荷量是否增大 再将开关掷向2,电容器通过线圈放电,放电时间是否相应地变长 振荡周期T是否变长
答案:(2)带电荷量增大,放电时间变长,周期变长.
3.对LC振荡电路的固有周期和固有频率的理解
(1)电感线圈L和电容器C在LC振荡电路中既是能量的转换器,又决定着这种转换的快慢,L或C越大,能量转换时间也越长,故周期也越长.
[例2] 如图所示的振荡电路中,自感系数L=300 μH,电容C的范围为25～270 pF,求:
(1)振荡电流的频率范围;
(2)若自感系数L=10 mH,要产生周期T=0.02 s 的振荡电流,应配置多大的电容
思路点拨:求解本题时应注意,电容最小时对应的振荡电流的频率最大,电容最大时,振荡电流的频率最小.
答案:(1)0.56×106～1.8×106 Hz　(2)10-3 F
[针对训练2] (多选)如图所示的电路中,自感线圈的自感系数为L,电容器的电容为C,电源电动势为E,今将开关S由1扳到2,从这一时刻起(　 　)
ACD
课堂小结
自主建构 教材链接
教材第96页“练习第1题”提示:只含有电阻器和电容器的电路,电容器放电后电流通过电阻将电能转化为内能而损耗掉,电阻器不会再给电容器充电,不能周而复始地形成振荡电流.同理只含有电阻器和自感线圈的电路也不能产生电磁振荡

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