资源简介

(共43张PPT)
1　电磁振荡
素养 目标定位
目标素养
1.知道什么是LC振荡电路和振荡电流
2.知道LC振荡电路中电磁振荡的产生过程,知道电磁振荡过程中能量转化情况
3.知道电磁振荡的周期和频率,知道LC振荡电路的周期和频率与哪些因素有关,并会进行相关的计算
知识概览
课前 基础认知
一、电磁振荡的产生
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:产生振荡电流的电路。最简单的振荡电路为LC振荡电路。
3.振荡过程:如图所示,将开关S掷向1,先给电容器充电,再将开关S掷向2,从此时起,电容器要对线圈放电。
(1)放电过程:由于线圈的自感作用,放电电流不能立刻达到最大值,而是由零逐渐增大,同时电容器极板上的电荷逐渐减少。放电完毕时,极板上的电荷为零,放电电流达到最大。该过程电容器储存的电场能转化为线圈的磁场能。
(2)充电过程:电容器放电完毕,由于线圈的自感作用,电流并不会立刻消失,而要保持原来的方向继续流动,并逐渐减小,电容器开始充电,极板上的电荷逐渐增加,当电流减小到零时,充电结束,极板上的电荷量达到最大。该过程线圈中的磁场能又转化为电容器的电场能。此后电容器再放电、再充电,周而复始,于是电路中就有了周期性变化的振荡电流。
4.电磁振荡:在整个过程中,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 ,都在周期性地变化着。这种现象就是电磁振荡。
微判断1 (1)LC回路电容器放电开始时,电流最大。(　　)
(2)LC回路电容器放电完毕时,线圈的磁场最强。(　　)
(3)LC回路电容器放电过程中,电容器中的电场强度逐渐减小。
(　　)
(4)LC振荡电路的电流为零时,线圈中的自感电动势最大。
(　　)
×
√
√
√
二、电磁振荡中的能量变化
1.能量变化过程。
(1)电容器刚放电时:电场最强,电场能最大。
2.等幅振荡。
振荡电路的能量会逐渐减小,适时地把能量补充到振荡电路中就可以得到振幅不变的等幅振荡。
微思考 如图为LC振荡电路某时刻的情况,回答以下问题:
(1)电容器正在充电还是放电
(2)电感线圈中磁场能正在增大还是减小
(3)此时刻自感电动势与电流方向相同还是相反
提示:(1)放电　(2)增大　(3)相反
电容器下极板带正电荷,上极板带负电荷,根据线圈中磁感线的方向可确定此时回路中电流为逆时针方向,从而说明电容器正在放电,电流增大,电感线圈中的磁场能正在增大。根据楞次定律判断,此时刻自感电动势与电流方向相反。
三、电磁振荡的周期和频率
1.周期:电磁振荡完成一次周期性变化需要的时间。
2.频率:电磁振荡完成周期性变化的次数与所用时间之比,数值等于单位时间内完成的周期性变化的次数。
4.如果振荡电路没有能量损失,也不受其他外界条件影响,这时的周期和频率叫作振荡电路的固有周期和固有频率,简称振荡电路的周期和频率。
微判断2 (1)电磁振荡的一个周期内,电场能的变化周期与电流的变化周期相同。(　　)
(2)要提高LC振荡电路的振荡频率,可以减小电容器极板的正对面积。(　　)
(3)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。(　　)
(4)提高充电电压,极板上带更多的电荷时,能使振荡周期变大。
(　　)
×
√
√
×
课堂 重难突破
一 电磁振荡的过程
问题探究
如图所示,将开关S掷向1,先给电容器充电;再将开关S掷向2,使电容器通过线圈放电。
(1)电容器通过线圈放电过程中,线圈中
的电流怎样变化 电容器的电场能转化
为什么形式的能
(2)在电容器反向充电过程中,线圈中的电流如何变化 电容器和线圈中的能量是如何转化的
(3)线圈中自感电动势的作用是什么
提示:(1)电容器放电过程中,线圈中的电流逐渐增大。电容器的电场能转化为磁场能。
(2)在电容器反向充电过程中,线圈中的电流逐渐减小。线圈中的磁场能转化为电容器的电场能。
(3)线圈中电流变化时,产生的自感电动势阻碍电流的变化。
归纳总结
1.电磁振荡过程中各物理量的变化。
2.LC电磁振荡的特点。
LC电路工作过程具有对称性和周期性,可归结为:
(1)两个物理过程。
放电过程:电场能转化为磁场能,q↓→i↑。
充电过程:磁场能转化为电场能,i↓→q↑。
(2)两个特殊状态。
充电完毕状态:磁场能向电场能转化完毕,电场能最大,磁场能最小。
放电完毕状态:电场能向磁场能转化完毕,磁场能最大,电场能最小。
3.LC电磁振荡能量变化规律。
(1)总能量=电场能+磁场能=恒量。
(2)电场能与磁场能交替转化。
4.LC电磁振荡过程中各物理量的变化图像(以本栏目1中图甲为例,从电容器放电开始计时)。
甲　以顺时针方向
电流为正
乙　图中q为上面
极板的电荷量
丙　图中E以垂直于极板
向下为正方向
丁　以竖直向上
为B正方向
戊　电场能随时间
变化的图像
己　磁场能随时间
变化的图像
典型例题
【例1】 (多选)在理想LC振荡电路中的某时刻,电容器极板间的电场强度E的方向、线圈电流产生的磁场方向如图所示,电流表电阻不计。下列说法正确的是(　　)
A.流过电流表的电流方向向左
B.电容器的电荷量正在减小
C.线圈中的磁感应强度正在增大
D.电容器两板间的电场强度正在增大
答案:AD
解析:由线圈电流产生的磁场的方向,结合右手螺旋定则,可知流过电流表的电流方向向左,选项A正确。由电容器极板间的电场强度E的方向,可知电容器上极板带正电,结合电流方向,可知电容器正在充电,电容器的电荷量正在增大,两板间的电压、电场强度都在增大,选项B错误,D正确。由LC振荡电路的规律可知线圈中的电流正在减小,线圈中的磁感应强度正在减小,选项C错误。
规律方法
LC振荡电路充、放电过程的判断方法
(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:当电容器的电荷量q(U、E)增大时,处于充电过程;反之,处于放电过程。 (3)根据能量判断:电场能增加时,充电;磁场能增加时,放电。
二 电磁振荡的周期和频率
问题探究
如图为一LC振荡电路。先将S掷向1给电容器充电,再将S掷向2,电容器放电。
(1)如果仅更换自感系数L更大的线圈,线圈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
(2)如果仅更换电容C更大的电容器,电容器的充电电荷量是否增大 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
提示:(1)自感电动势更大,“阻碍”作用更大,周期变长。
(2)电荷量增大,放电时间变长,周期变长。
归纳总结
3.对LC电路周期和频率的理解。
(1)LC电路的周期、频率都由电路本身的特性(L和C的值)决定,与电容器极板上电荷量的多少、板间电压的高低、是否接入电路中等因素无关,所以称为LC电路的固有周期和固有频率。
(2)使用周期公式时,一定要注意单位,T、L、C、f的单位分别是秒(s)、亨(H)、法(F)、赫(Hz)。
(3)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。
典型例题
【例2】 要想增大LC振荡电路中产生的振荡电流的频率,可采用的方法是(　　)
A.增大电容器两极板的间距
B.升高电容器的充电电压
C.增加线圈的匝数
D.在线圈中插入铁芯
答案:A
解析:振荡电流的频率由LC电路本身的特性决定, 。增大电容器两极板间距,电容减小,振荡频率升高,选项A正确。升高电容器的充电电压只能改变振荡电流的强弱,对振荡电流的周期和频率没有影响,选项B错误。增加线圈的匝数和在线圈中插入铁芯,都会使自感系数增大,致使频率降低,选项C、D错误。
成 果 验 收 站
1.(多选)图甲为LC振荡电路,图乙描绘的是流过电路中M点的电流随时间变化规律的图线,假设回路中电流顺时针方向为正。下列说法正确的是(　　)
A.在第1 s末到第2 s末的过程
中电容器正在向外电路放电
B.在第1 s末到第2 s末的过程
中电容器的下极板带负电
C.在第2 s末到第3 s末的过程中M点的电势比N点的电势低
D.在第2 s末到第3 s末的过程中电路中电场能正在逐渐减小
甲
乙
CD
解析:在第1 s末到第2 s末的过程中,振荡电流是充电电流,充电电流是由上极板流向下极板,则下极板带正电,选项A、B错误。在第2 s末到第3 s末的过程中,振荡电流是放电电流,电场能正在减小,磁场能正在增大,放电电流是由下极板流向上极板,由于电流为负值,所以由N流向M,则N点的电势高,选项C、D正确。
2.(多选)在LC电路产生电磁振荡的过程中,下列说法正确的是
(　　)
A.电容器放电完毕时刻,电路中的磁场能最小
B.电路中的电流最大的时刻,电路中的磁场能最大
C.电容器极板上的电荷最多时,电场能最大
D.电容器放电完毕时刻,电路中电流最大
答案:BCD
解析:电容器放电完毕时刻,电流最大,磁场能最大,选项A错误, B、D正确。电容器极板上的电荷最多时,电场强度最大,电场能最大,选项C正确。
3.(多选)某LC振荡电路中电容器极板上的电荷量q随时间t变化的曲线如图所示,由图可知(　　)
A.在t1时刻,电路中的电场能最大
B.在t1~t2时间内,电路中的电流不断变小
C.在t2~t3时间内,电容器正在充电
D.在t4时刻,电路中的磁场能最小
答案:AC
解析:在t1时刻,电容器极板上电荷量q为最大值,两板间电场能最大,线圈中磁场能最小,选项A正确。在t1~t2时间内,电容器极板上电荷量q从正的峰值降为零,电场能正在不断地转变为磁场能,电路中的电流不断增大,选项B错误。在t2~t3时间内,电容器极板上电荷量q在不断增大,表明电容器正在反向充电,选项C正确。在t4时刻,电容器放电结束,极板上电荷量为零,电场能也为零,已全部转化为磁场能,磁场能最大,选项D错误。
4.LC振荡电路运用了电容跟电感的储能特性,让电、磁两种能量交替转化,也就是说电能跟磁能都会有一个最大值和最小值,也就有了振荡。如图所示的振荡电路,规定回路中顺时针电流方向为正。
下列说法正确的是(　　)
A.1~2 ms内电容器正在充电
B.2~3 ms内电容器中的电场能增大
C.电路的振荡周期为2 ms
D.若在线圈中插入铁芯,振荡频率增大
答案:A

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