高三下册物理 电磁波 逐字稿-4,014字
师:同学们,今天我们来复习电磁波。这部分内容多且杂,需要全神贯注理解和记忆。我们先看第一个例题,应用麦克斯韦的电磁场理论判断,图中展示了电场产生磁场、磁场产生电场,每个选项上图表示变化的场,下图表示变化的场产生的另一个场。a选项中,磁场不变,电场也不变。恒定不变的磁场会产生不变的电场吗?不对,麦克斯韦告诉我们,变化的磁场才产生电场,不变化的不能产生,所以a答案错。
b答案,一个均匀变化的电场产生了一个恒定的磁场,b答案没问题,均匀变化产生恒定的。c选项,一个正弦变化的磁场产生了一个余弦变化的电场,也没问题。原因是根据法拉第电磁感应定律,e = ΔΦ/Δt ,若b是正弦变化求导,e就是余弦变化,方向用正负值表示即可。d选项,一个正弦变化的产生了一个正弦变化的,显然这题d答案错误,所以选bc。
接着,麦克斯韦电磁理论,是英国物理学家在总结前人研究电磁现象成果基础上,定性表述为变化的磁场产生电场,变化的电场产生磁场。麦克斯韦对电磁波的预言,若空间某区域有周期性变化的电场,就会在空间引起周期性变化的磁场,这个变化的磁场又引起新的变化电场,于是变化的磁场和电场交替产生,由近及远向周围传播,形成电磁波。电磁波中的电场强度与磁感应强度互相垂直,书上有图,两者均与波的传播方向垂直,因此电磁波是横波,电磁波速度等于光速,光的本质就是电磁波。赫兹通过实验证实了电磁波的存在,他还有很多实验成果,通过一系列实验观察到了电磁波的反射、折射、干涉、衍射、偏振,测量还证明电磁波在真空中具有与光相同的速度,证实了麦克斯韦关于光的电磁理论。我们用赫兹的名字作为频率的单位。
对麦克斯韦理论深化认识,左边是电场产生磁场,右边是磁场产生电场。恒定的不产生,均匀变化的产生恒定的,不均匀变化的产生变化的,振荡的电场产生同频率振荡的磁场。振荡指大小和方向都做周期性迅速变化,就像刚才的正弦、余弦那样快速变化。比如一个LC振荡电路的电流变化图像是正弦图像,我们来分析T1、T2时刻电压、电场、电荷量的情况。电流正弦变化,那么电荷量变化情况呢?当电流等于0时,电荷量应该最大。我们画个同时间轴,电流正弦变化,与之对应的磁场也是正弦变化,磁场能也是正弦变化。而电荷量q与电流正好相反,电流最小时,电荷量q最大。与电荷量对应的电压u,以及与电压对应的电场能,这三者变化完全一样。那T1时刻电感线圈两端电压情况怎么样呢?实线表示电流,虚线表示电量,T1时刻电流最大,电荷量最小,此刻电压就是最小,所以a答案错误。T2时刻,两极间电压为0吗?错,T2时刻电流最小,电荷量最大,电容器两端电压就应该最大。T1时刻电路中只有电场能吗?T1时刻电流最大,应该是磁场能最大,电场能为0,带电量为0,所以选d,T1时刻就是放电正好结束的位置。
电磁振荡的产生,刚才的例题让我们回忆起很多。什么是振荡电流和振荡电路呢?大小和方向都做周期性迅速变化的电流就是振荡电流,产生振荡电流的电路就是振荡电路,最简单的振荡电路就是LC振荡电路,其中L是电感线圈,C是电容。
放电过程,由于线圈自感作用,放电电流由0逐渐增大,电容器两极板上电荷逐渐减少,电容器的电场逐渐减弱,电场能逐渐转变成磁场能,振荡电流逐渐增大,放电完毕,电流到最大,电场能全部转化为磁场能。充电过程,电容器放电完毕后,由于自感作用,电流保持原来方向逐渐减少,电容器将进行充电,线圈的磁场逐渐减弱,电容器的电场逐渐增强,磁场能逐渐转化为电场能,振荡电流逐渐减小,充电完毕,电流为零,磁场能全部转化为电场能。
我们通过整个关系找找规律,q、电压u、电场强度e、电场能是同步的,I、磁场能、磁感应强度B是同步的。q上升,I减少;e上升,B减少;电场能上升,磁场能减少,这就是同步异变关系。
下面来看典例演示。高频振荡器产生高频等幅振荡,如图甲所示,人对着话筒说话产生低频振荡,如图乙所示,发射出去的电磁波图像应该是图中哪一个呢?高频载波就是高频等幅振荡电流,乙是振幅有变化的信号信息,把乙的信息加在甲上面,乙振幅不断变化,加到甲上,就形成高频载波的振幅随着信号改变的调幅波,所以选b,a不对,a只有上半部分振幅受影响,振幅应该都受影响;c不对;d几乎没变化也不对。
高频电磁波振幅随信号强弱而改变的调制方式叫做调幅,一般电台的中波、中短波广播以及电视中的图像信号都采用调幅波,就是收音机上的AM。调频波是频率随信号强弱而改变,叫调频波,就是收音机上的FM,电台的立体声,广播电视中的伴音信号都是调频波。无线电波的发射,用振荡器LC振荡电路产生迅速变化的高频电磁波由近及远传播开去,通过传送信号调制到振荡电流上,耦合到开放电路中,激发出无线电波向四周散发出去。
典例演示三,关于电磁波谱,什么叫电磁波谱呢?在背景上把各种波长的电磁波按照波长从大到小、频率从小到大依次排列,就形成了电磁波。电磁波中波长最大的是无线电波,无线电波分成了长波、中波、短波,然后是微波,接着是红外线、可见光(红橙黄绿蓝靛紫)、紫外线、X射线、伽马射线,这也是频率从小到大的顺序。a选项,真空中各种电磁波的传播速度都相同,没错,都和光速一样是c。b选项,伽马射线是波长最短的电磁波,伽马射线比X射线频率还高,没问题。c选项,紫外线比紫光更容易发生干涉和衍射吗?上节课学了干涉和衍射,从光的波动性来说,波长越大越容易产生波动性,紫外线比紫光频率大,波长小,不容易出现干涉和衍射,所以该答案错误。d选项,在电磁波谱中最容易发生衍射的是伽马错,应该是最不容易,伽马频率最大,波动性最差,3 - 5的学习告诉我们伽马射线粒子性最好,穿透本领最强。