人教版 (2019)选择性必修 第二册电磁振荡表格教学设计及反思

这是一份人教版 (2019)选择性必修 第二册电磁振荡表格教学设计及反思，共8页。教案主要包含了电磁振荡中的能量变化，电磁振荡的周期和频率，课堂小结等内容，欢迎下载使用。
课程基本信息
学科
物理
年级
高二年级
学期
春季
课题
电磁振荡
教科书
书 名：物理 选择性必修 第二册
出版社：人民教育出版社 出版日期：2020年5月
教学目标
1. 初步了解电磁振荡、振荡电流、振荡电路的概念。
2. 通过实验与分析，了解电磁振荡。知道LC振荡电路中电荷、电场、电流、磁场的动态变化情况及电场能与磁场能的转化情况。
3. 知道电磁振荡的周期与频率，会用其分析、解释有关的简单问题。
4. 经历从机械振动到电磁振荡的类比过程，体会类比推理的方法；经历分析电磁振荡周期与L、C关系的过程，体会定性分析推理的方法。
教学内容
教学重点：
1. 电磁振荡、振荡电流、振荡电路的概念。
2. LC振荡电路中电荷、电场、电流、磁场的动态变化情况及电场能与磁场能的转化情况。
3. 知道电磁振荡的周期与频率。
教学难点：
1. 分析LC振荡电路中电荷、电场、电流、磁场的动态变化情况及电场能与磁场能的转化情况。
教学过程
引入
水波是由机械振动形成的。一颗石子投入水面会激起一阵涟漪，但是要形成持续的水波，则需要不断地击打水面。
电视、广播接收的是电磁波，要产生持续的电磁波，需要持续变化的电流。怎样才能产生这样的电流呢？
要产生持续变化的电流，我们可以通过线圈和电容器组成的电路实现。
电磁振荡的产生
1、观察振荡电路中电压的波形
演示实验：观察振荡电路中电压的波形
把线圈、电容器、电源和单刀双掷开关按照图连成电路。把电压传感器（或示波器）的两端连在电容器的两个极板上。
先把开关置于电源一侧，为电容器充电；稍后再把开关置于线圈一侧，使电容器通过线圈放电。观察电脑显器显示的电压波形。
现象：电路的电压发生周期性的变化。
推测：电路的电流也发生周期性的变化。
振荡电流：像这种大小和方向都做周期性迅速变化的电流，叫做振荡电流。
振荡电路：产生振荡电流的电路叫作振荡电路。
2、振荡电路的概念
振荡电流：大小和方向都做周期性迅速变化的电流。
想一想：与交流电有何区别？
交变电流：方向做周期性变化的电流。
振荡电流：大小和方向都做周期性迅速变化的电流。
振荡电路：能够产生振荡电流的电路。
LC振荡电路：由电感线圈L和电容C组成的电路，是最简单的振荡电路。
3、振荡电路的工作原理
那么，振荡电路是如何产生这种大小和方向都做周期性迅速变化的振荡电流的呢？
视频：振荡电路充放电过程的动画演示。
状态1：电容器充电结束，两极板上的电荷量最多，回路中无电流。
阶段①：电容器开始放电，由于线圈的自感作用，放电电流不能立刻达到最大值，而是从0开始逐渐增到最大，同时电容器两极板电荷量从最大减为0。
状态2：电容器放电结束，两极板上无电荷，回路电流最大。
阶段②：回路有电流，说明电荷仍在定向移动，给电容器充电，电容器两极板带上与原来相反的电荷，由于线圈的自感作用，电流并不会立即减小到0，而是保持原来的方向继续流动，并逐渐减小到0。
状态3：电容器充电结束，两极板上的电荷量最多，回路中无电流。
阶段③：电容再次放电，回路中电流从0开始逐渐增到最大，两极板电荷量从最大减为0。
状态4：电容器放电结束，两极板上无电荷，回路电流最大。
阶段④：自感线圈给电容器充电，回路中电流从最大减为0，两极板电荷量从0变回最大。
状态5：电容器充电结束，两极板上的电荷量最多，回路中无电流。于是整个电路回到最开始状态。
此后电容器再放电、再充电，这样不断地充电和放电，电流中就出现了大小、方向都在变化的电流，也就是振荡电流。
3、振荡电路的图像分析
总结回路电流和电容器电荷量的变化：
根据分析画出电路的i-t图像和q-t图像。
在整个过程中，电路中的电流i、电荷量q、电场强度E、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。
从表格和图像可以看出，在一个周期内，电路电流的方向变化了两次，电容器经历了两次充放电过程。
三、电磁振荡中的能量变化
思考与讨论：
电磁振荡与机械振动虽然有着本质的不同，但它们还是具有一些共同的特点。在机械振动中，例如在单摆的振动中，位移x、速度v、加速度a这几个物理量周期性地变化。在电磁振荡中，电荷量q、电流i、电场强度E、磁感应强度B这几个物理量也在周期性地变化。
在机械振动中，动能与势能周期性地相互转化。那么，在电磁振荡中，能量是如何转化的？
1、电磁振荡中的能量转化
我们将电荷量q、电流i、电场强度E、磁感应强度B随时间变化的图像画出来。
从能量的观点来看，电容器刚要放电时，其储存的电荷量最大，两极板电势差最大，电容器里的电场最强，电路里的能量全部储存在电容器的电场中；
电容器开始放电后，其储存的电荷量逐渐减小，两极板电势差减小，电容器里的电场逐渐减弱，储存的电场能逐渐减少，同时线圈电流逐渐增加，线圈产生的磁场逐渐增加，线圈磁场能逐渐增多，电场能逐渐转化为磁场能；
放电完毕的瞬间，电容器电荷量为0，电场为0，其储存的电场能减小为0，同时线圈电流最大，产生的磁场最强，磁场能最大，此时电场能已全部转化为磁场能；
之后，线圈电流逐渐减小，磁场逐渐减弱，磁场能减小，电容器的电荷量增多，电场逐渐增强，电场能增多，磁场能逐渐转化为电场能；
到反向充电完毕的瞬间，电容器电荷量最多，电场最大，电场能最多，线圈电流为0，磁场为0，磁场能为0，磁场能全部转化为电场能。
此后电容器再放电（电场能转化为磁场能）、再充电（磁场能转化为电场能），这样电路中电场能和磁场能就会发生周期性的转化。
2、等幅振荡
如果没有能量损耗，振荡可以永远持续下去，振荡电流的振幅保持不变。但是，任何电路都有电阻，电路中总会有一部分能量转化为内能；另外，还会有一部分能量以电磁波的形式辐射出去。这样，振荡电路中的能量就会逐渐减少，振荡电流的振幅也就逐渐减小，直到最后停止振荡。
如果能够适时地把能量补充到振荡电路中，以补偿能量损耗，就可以得到振幅不变的等幅振荡。实际电路中由电源通过电子器件为LC电路补充能量。
四、电磁振荡的周期和频率
周期：电磁振荡完成一次周期性变化所需的时间。
频率：一秒钟内完成周期变化的次数叫做频率。
思考与讨论：
电容较大时，电容器充电、放电的时间会长些还是短些？
线圈的自感系数较大时，电容器充电、放电的时间会长些还是短些？
实验：探究振荡电路的周期T与电容C、电感L的关系。
实验结果：
电容越大，电容器充放电时间变长，LC电路周期变大；
电感越大，电容器充放电时间变长，LC电路周期变大。
理论分析表明，LC电路的周期T与电感L、电容C的关系是T=2πLC
由于周期和频率互为倒数，因此LC电路的频率f=1T=1T=2πLC
其中，各物理量周期T、频率f、电感L、电容C的单位分别是秒s、赫兹Hz、亨利H、法拉F。
由LC电路的周期和频率公式可知，适当地选择电容器和线圈，可使振荡电路路周期和频率符合我们的需要。
比如，我们可以通过调整线圈的大小、形状、匝数、铁芯，来改变线圈的自感系数L，进而调整振荡电路的周期和频率；或者利用电容的决定式C=εS4πkd，通过调整电容器的介电常数、正对面积、两极板间距，来改变电容器的电容C，进而调整振荡电路的周期和频率。
如果没有能量损耗，也不受其他外界条件的影响，此时的周期和频率只由振荡回路本身特性所决定，叫做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。
现代的实际电路中使用的振荡器多数是晶体振荡器，其工作原理与LC振荡电路的原理基本相同。
五、课堂小结
学完这节课后，请你简单介绍一下什么是电磁振荡。