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第1讲　电磁振荡　电磁波
一、电磁振荡(选二第四章第1节)
1.振荡电流:大小和方向都做周期性迅速变化的电流。
2.振荡电路:能产生振荡电流的电路。最简单的振荡电路为LC振荡电路。
3.电磁振荡:振荡电路中的电流i、电容器极板上的电荷量q、电容器里的电场强度E、线圈里的磁感应强度B,都在周期性地变化的现象。
4.LC电路的周期和频率公式:
T=2π,f=
二、电磁波(选二第四章第2节)
1.麦克斯韦电磁场理论的理解
(1)变化的磁场产生电场。
(2)变化的电场产生磁场。
2.电磁波的认识
(1)产生:周期性变化的电场和磁场交替产生,由近及远向周围传播,形成电磁波。
(2)电磁波是横波,如图所示。
(3)在真空中,电磁波的速度c=3.0×108 m/s。
(4)电磁波能产生反射、折射、干涉、偏振和衍射等现象。
3.电磁波具有能量
电磁场的转换就是电场能量与磁场能量的转换,电磁波的发射过程是辐射能量的过程,传播过程是能量传播的过程。
三、无线电波的发射和接收(选二第四章第3节)
1.电磁波的发射
(1)发射电磁波的振荡电路的特点:需要足够高的振荡频率和采用开放电路。
(2)电磁波的调制
调 制 在电磁波发射技术中,使载波随各种信号而改变的技术
分 类 调幅 (AM) 使高频电磁波的振幅随信号的强弱而变的调制技术
调频 (FM) 使高频电磁波的频率随信号的强弱而变的调制技术
2.电磁波的接收
(1)原理
电磁波在传播过程中如果遇到导体,会使导体中产生感应电流。因此,空中的导体可以用来接收电磁波。
(2)电谐振与调谐
①电谐振:当接收电路的固有频率跟收到的电磁波的频率相同时,接收电路中产生的振荡电流最强的现象。
②调谐(即选台):使接收电路产生电谐振的过程。
四、电磁波谱(选二第四章第4节)
1.定义
按电磁波的波长大小或频率高低的顺序把它们排列成谱。
2.电磁波谱的排列
按波长由长到短依次为:无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线。
3.不同电磁波的特性及应用
电磁波谱 特性 应用
无线电波 容易发生衍射 通信和广播
红外线 热效应 红外遥感
可见光 引起视觉 照明等
紫外线 荧光效应,能杀菌 灭菌消毒、防伪
X射线 穿透能力强 医用透视、安检
γ射线 穿透能力很强 工业探伤、医用治疗
【警示】电磁波在真空中传播速度为光速,波长越短,频率越高。
【质疑辨析】
角度1 电磁振荡、电磁波
(1)麦克斯韦预言并证实了电磁波的存在。 (　×　)
(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)振荡电场激发同频率的振荡磁场,空间将产生电磁波。 (　×　)
(4)当接收电路的固有频率和电磁波频率相同时,出现谐振现象。 (　√　)
(5)LC振荡电路的电容器放电完毕时,回路中电流为零。 (　×　)
角度2 电磁波谱及其应用
(6)电磁波按照频率由低到高依次是无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线。 (　√　)
(7)所有物体均可发射红外线,红外线的应用主要有红外遥感和红外体温计。
(　√　)
精研考点·提升关键能力
考点一　电磁振荡的过程分析　(核心共研)
【核心要点】
1.LC电磁振荡的产生过程以及振荡过程中电流i,极板上的电荷量q的变化规律
2.LC电磁振荡中各物理量随时间的变化规律与图像的变化关系
振荡电流图像
电容器极板上电荷量的周期性变化
电路状态
时刻t 0 T
电荷量q 最多 0 最多 0 最多
电流i 0 反向 最大 0 正向 最大 0
【典例剖析】
角度1 利用LC振荡电路分析物理量变化
[典例1](2023·德州模拟)乘坐火车出行,进入候车室需要对乘客进行安检。如图甲所示的金属探测仪内部的线圈与电容器构成LC振荡电路,当探测仪检测到金属物体时,探测仪线圈的自感系数发生变化,从而引起振荡电路中的电流频率发生变化,探测仪检测到这个变化就会驱动蜂鸣器发出声响。已知某时刻线圈中的磁感线如图乙所示,且电流强度正在减小,则此时 (　　)
A.电流由a流向b,且电容器正在充电
B.该时刻电容器上极板带正电荷
C.该时刻线圈的自感电动势正在变大
D.若探测仪靠近金属时其自感系数增大,则振荡电流的频率升高
【备选例题】
　　(2023·广州模拟)振荡电路在测量、自动控制、无线电通讯及遥控等许多领域有广泛应用。在LC振荡电路中,某时刻线圈中的磁场及电容器中的电场如图所示,关于振荡电路正在发生的现象,下列说法正确的是 (　　)
A.电路中的电流正在增大
B.线圈中感应电动势正在减小
C.电容器极板上的电荷量正在减小
D.振荡电路中磁场能正在向电场能转化
角度2 利用图像分析物理量变化
[典例2](2023·张家口模拟)如图甲所示的LC振荡电路中,通过P点的电流随时间变化的图线如图乙所示,若把通过P点向右规定为电流的正方向,则 (　　)
A.0.5~1 ms内,Q点比P点电势低
B.1~1.5 ms内,电容器C正在充电
C.0.5~1 ms内,电场能正在增加
D.增大电容C的值,该电路振荡频率将变大
【备选例题】
　　(2023·锦州模拟)振荡电路在测量、自动控制、无线电通讯及遥控等许多领域有广泛应用。在如图甲所示的LC振荡电路中,电容器C极板上的电荷量随时间变化的图线如图乙所示,则在1×10-6~2×10-6 s内,下列说法正确的是 (　　)
A.电容器的电容正在增大
B.电容器C正在充电
C.电场能正在向磁场能转化
D.回路中振荡电流正在逐渐增大
考点二　电磁波和电磁波谱　(核心共研)
【核心要点】
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.电磁波的理解
3.电磁波谱
【典例剖析】
角度1 麦克斯韦电磁场理论
[典例3](2023·天津红桥区模拟)根据麦克斯韦的电磁场理论,下列说法正确的是
(　　)
A.变化的电场一定产生变化的磁场
B.均匀变化的电场产生均匀变化的磁场
C.振荡电场能够产生振荡磁场
D.振荡磁场不能够产生振荡电场
角度2 电磁波的理解
[典例4](多选)(2021·福建选择考)以声波作为信息载体的水声通信是水下长距离通信的主要手段。2020年11月10日,中国载人潜水器“奋斗者”号创造了10 909米深潜纪录。此次深潜作业利用了水声通信和电磁通信等多种通信方式进行指令传输或数据交换,如图所示。下列说法正确的是(　　)
A.“奋斗者”号与“探索一号”通信的信息载体属于横波
B.“奋斗者”号与“沧海”号通信的信息载体属于横波
C.“探索一号”与通信卫星的实时通信可以通过机械波实现
D.“探索一号”与“探索二号”的通信过程也是能量传播的过程
【备选例题】
　　(2023·广州模拟)使用蓝牙耳机接听手机来电,手机与基地台及耳机的信号传输如图所示。若基地台与手机、手机与蓝牙耳机之间通信的电磁波分别为甲波、乙波,则 (　　)
A.甲波的波长比乙波短
B.真空中甲波的传播速度比乙波小
C.甲波与乙波有可能发生干涉现象
D.甲、乙波都是横波,都能在真空中传播
角度3 电磁波的应用
[典例5](2023·河源模拟)关于电磁波谱,下列说法正确的是 (　　)
A.红外体温计的工作原理是人的体温越高,发射的红外线越强,有时人体温度较低,不发射红外线,导致无法使用
B.紫外线的频率比可见光低,医学中常用于杀菌消毒,长时间照射人体可能损害健康
C.铁路、民航等安检口使用红外线对行李内物品进行检测
D.无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线都是电磁波
【备选例题】
　　太赫兹(THz)波是指频率在0.1~10 THz(波长为3 000 μm~30 μm)范围内的电磁波,利用该频段可以加深和拓展人类对物理学、化学、天文学、信息学和生命科学中一些基本科学问题的认识。通过和电磁波谱对比,下列说法正确的是
(　　)
A.太赫兹波比红光更容易发生明显衍射
B.太赫兹波比紫外线的能量更大
C.太赫兹波比短波频率更小
D.太赫兹波可以用于工业探伤
答案及解析
考点一　电磁振荡的过程分析
【典例剖析】
角度1 利用LC振荡电路分析物理量变化
[典例1](2023·德州模拟)乘坐火车出行,进入候车室需要对乘客进行安检。如图甲所示的金属探测仪内部的线圈与电容器构成LC振荡电路,当探测仪检测到金属物体时,探测仪线圈的自感系数发生变化,从而引起振荡电路中的电流频率发生变化,探测仪检测到这个变化就会驱动蜂鸣器发出声响。已知某时刻线圈中的磁感线如图乙所示,且电流强度正在减小,则此时 (　　)
A.电流由a流向b,且电容器正在充电
B.该时刻电容器上极板带正电荷
C.该时刻线圈的自感电动势正在变大
D.若探测仪靠近金属时其自感系数增大,则振荡电流的频率升高
【题眼破译】
【解析】选C。根据题图乙中磁感应强度的方向和安培定则可知,电流的方向由b流向a,且电流强度正在减弱过程中,电场能增大,磁场能减小,故自感电动势阻碍电流的增大,则该时刻线圈的自感电动势正在增大,选项A错误,C正确;电流的方向由b流向a,且电流强度正在减弱过程中,电容器充电,电容器下极板带正电,选项B错误;若探测仪靠近金属时其自感系数增大,根据公式f=可知,其自感系数L增大时振荡电流的频率降低,选项D错误。
【方法技巧】 电容器充电还是放电、自感电动势的阻碍作用的判断方法
(1)根据电流流向判断:当电流流向带正电的极板时,处于充电过程;反之,处于放电过程。
(2)根据物理量的变化趋势判断:当电容器的带电荷量q(U、E)增大时,处于充电过程;反之,处于放电过程。
(3)自感电动势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。
【备选例题】
　　(2023·广州模拟)振荡电路在测量、自动控制、无线电通讯及遥控等许多领域有广泛应用。在LC振荡电路中,某时刻线圈中的磁场及电容器中的电场如图所示,关于振荡电路正在发生的现象,下列说法正确的是 (　　)
A.电路中的电流正在增大
B.线圈中感应电动势正在减小
C.电容器极板上的电荷量正在减小
D.振荡电路中磁场能正在向电场能转化
【解析】选D。根据线圈中磁场的方向可判断线圈中电流方向由下到上,根据电容器中电场线方向判断上极板为正,则此时电容器极板上的电荷量正在增大,电容器正在充电,电流正在减小,感应电动势正在增加,磁场能正在向电场能转化,选项A、B、C错误,D正确。
角度2 利用图像分析物理量变化
[典例2](2023·张家口模拟)如图甲所示的LC振荡电路中,通过P点的电流随时间变化的图线如图乙所示,若把通过P点向右规定为电流的正方向,则 (　　)
A.0.5~1 ms内,Q点比P点电势低
B.1~1.5 ms内,电容器C正在充电
C.0.5~1 ms内,电场能正在增加
D.增大电容C的值,该电路振荡频率将变大
【题眼破译】
【解析】选C。由题图乙知0.5~1 ms内电流在减小,电容器正在充电,电容器下极板带正电,经过P点的电流方向向右,线圈相当于电源,Q点比P点电势高,磁场能在减小,电场能正在增加,选项C正确,A错误;1~1.5 ms内电流增大,为放电过程,磁场能在增加,电场能正在减小,选项B错误;增大电容C的值,该电路振荡频率f=将变小,选项D错误。
【方法技巧】 处理电磁振荡周期或频率的关键
(1)记牢两个公式
周期T=2π,频率f=。
(2)明确两个因素
①L:线圈的大小、形状、匝数、铁芯。
②C=:εr(介电常数)、两板间正对面积、两板间距离。
【备选例题】
　　(2023·锦州模拟)振荡电路在测量、自动控制、无线电通讯及遥控等许多领域有广泛应用。在如图甲所示的LC振荡电路中,电容器C极板上的电荷量随时间变化的图线如图乙所示,则在1×10-6~2×10-6 s内,下列说法正确的是 (　　)
A.电容器的电容正在增大
B.电容器C正在充电
C.电场能正在向磁场能转化
D.回路中振荡电流正在逐渐增大
【解析】选B。电容器的电容不随电容器充、放电改变,选项A错误;由图乙可知,在1×10-6~2×10-6 s内,极板上电荷量正在增加,说明电容器正在充电,选项B正确;极板上电荷量正在增加,电场能增加,故磁场能向电场能转化,选项C错误;极板上电荷量正在增加,极板上电场强度增大,回路中振荡电流在减小,选项D错误。
考点二　电磁波和电磁波谱
【典例剖析】
角度1 麦克斯韦电磁场理论
[典例3](2023·天津红桥区模拟)根据麦克斯韦的电磁场理论,下列说法正确的是
(　　)
A.变化的电场一定产生变化的磁场
B.均匀变化的电场产生均匀变化的磁场
C.振荡电场能够产生振荡磁场
D.振荡磁场不能够产生振荡电场
【解析】选C。变化的电场周围空间产生磁场,均匀变化的电场周围空间产生恒定的磁场,选项A错误;均匀变化的电场产生恒定的磁场,选项B错误;振荡电场能够产生同频率的振荡磁场,选项C正确;振荡磁场能够产生同频率的振荡电场,选项D错误。
角度2 电磁波的理解
[典例4](多选)(2021·福建选择考)以声波作为信息载体的水声通信是水下长距离通信的主要手段。2020年11月10日,中国载人潜水器“奋斗者”号创造了10 909米深潜纪录。此次深潜作业利用了水声通信和电磁通信等多种通信方式进行指令传输或数据交换,如图所示。下列说法正确的是(　　)
A.“奋斗者”号与“探索一号”通信的信息载体属于横波
B.“奋斗者”号与“沧海”号通信的信息载体属于横波
C.“探索一号”与通信卫星的实时通信可以通过机械波实现
D.“探索一号”与“探索二号”的通信过程也是能量传播的过程
【解析】选B、D。由题知,“奋斗者”号与“探索一号”通信是通过水声通信,声波属于纵波,故选项A错误;由题知,“奋斗者”号与“沧海”号通信是通过无线蓝绿光通信,电磁波属于横波,故选项B正确;因为太空中没有介质,故机械波无法传播,所以“探索一号”与通信卫星的实时通信只能通过电磁通信来实现,选项C错误;传递信息的过程也是传递能量的过程,故“探索一号”与“探索二号”的通信过程也是能量传播的过程,选项D正确。
【备选例题】
　　(2023·广州模拟)使用蓝牙耳机接听手机来电,手机与基地台及耳机的信号传输如图所示。若基地台与手机、手机与蓝牙耳机之间通信的电磁波分别为甲波、乙波,则 (　　)
A.甲波的波长比乙波短
B.真空中甲波的传播速度比乙波小
C.甲波与乙波有可能发生干涉现象
D.甲、乙波都是横波,都能在真空中传播
【解析】选D。由题图可知甲波的频率小于乙波的频率,则甲波波长比乙波长,选项A错误;所有频率的电磁波在真空中的传播速度都为3×108 m/s,选项B错误;甲波与乙波频率不同,不能发生干涉现象,选项C错误;所有频率的电磁波都是横波,且都能在真空中传播,选项D正确。
角度3 电磁波的应用
[典例5](2023·河源模拟)关于电磁波谱,下列说法正确的是 (　　)
A.红外体温计的工作原理是人的体温越高,发射的红外线越强,有时人体温度较低,不发射红外线,导致无法使用
B.紫外线的频率比可见光低,医学中常用于杀菌消毒,长时间照射人体可能损害健康
C.铁路、民航等安检口使用红外线对行李内物品进行检测
D.无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线都是电磁波
【解析】选D。人们利用红外线来测温,是利用红外线的热效应,体温越高人体发射的红外线越强,温度较低,仍发射红外线,选项A错误;紫外线的频率比可见光高,医学中常用于杀菌消毒,长时间照射人体可能损害健康,选项B错误;安检采用的是穿透力较强的X射线,红外线不能用于内部物品检测,选项C错误;无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线都是电磁波,选项D正确。
【备选例题】
　　太赫兹(THz)波是指频率在0.1~10 THz(波长为3 000 μm~30 μm)范围内的电磁波,利用该频段可以加深和拓展人类对物理学、化学、天文学、信息学和生命科学中一些基本科学问题的认识。通过和电磁波谱对比,下列说法正确的是
(　　)
A.太赫兹波比红光更容易发生明显衍射
B.太赫兹波比紫外线的能量更大
C.太赫兹波比短波频率更小
D.太赫兹波可以用于工业探伤
【解析】选A。发生明显衍射现象的条件是尺度或者孔径与波长相差不大或小于波长,太赫兹波波长比红光大,更容易发生明显衍射,选项A正确;由c=λf可知,波长越大,频率越小,太赫兹波波长比紫外线大,频率低于紫外线,根据爱因斯坦的光子说,可知它的光子的能量比紫外线光子的能量更小,选项B错误;太赫兹波波长比短波小,频率比短波大,选项C错误;由于频率越高,其穿透力越强,太赫兹波频率远低于X射线,其比X射线穿透能力更弱,不可以用于工业探伤,选项D错误。
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