人教版（2019）高中物理选修二第4章 电磁振荡与电磁波综合与测试教学课件PPT

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知识导学第4章 电磁振荡与电磁波 水波是由机械振动形成的，要形成持续的水波，则需要不断击打水面。电视、手机接收的是电磁波，要产生持续的电磁波，需要什么样的电流？ 问题？需要持续变化的电流。4.1电磁振荡演示LC振荡电路一、电磁振荡的产生振荡电流：大小和方向都做周期性迅速变化的电流。振荡电路：产生振荡电流的电路。图乙中，当开关置于线圈一侧时，由电感线圈L和电容C组成的电路，就是最简单的振荡电路，称为LC振荡电路。电磁振荡过程中各物理量的变化q E E电i B B磁电磁振荡的实质电容器不断地充电和放电，电路中就出现了大小、方向都在变化的电流，即出现了振荡电流。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。二、电磁振荡中的能量变化二、电磁振荡中的能量变化LC电路中各量间的变化规律及对应关系1.机械波有周期和频率，周期性变化的电磁振荡也有周期和频率。由振荡电路的结构猜想：电磁振荡的周期T与什么因素有关？2.如图甲、乙是观察电容器放电的实验电路及其结果，研究表明，电容C越大，放电、充电越慢，由此猜想电容C越大，振荡电路的周期应越大还是越小？振荡电路中只有电感线圈和电容器两个元件，所以电磁振荡的周期T应与线圈的自感系数L和电容器的电容C有关。放电、充电慢即电荷量变化慢，可猜想C越大，振荡电路的周期T越大。三、电磁振荡的周期和频率3.如图丙、丁是观察电感线圈对电流影响的实验电路及其结果，实验表明，线圈自感系数L越大，电流变化越慢。由此猜想线圈自感系数L越大，振荡电路的周期T应越大还是越小？4.由以上活动，可猜想振荡电路电磁振荡的周期T的表达式有什么特点？可猜想L越大，振荡电路的周期T越大。L越大，C越大，T越大。三、电磁振荡的周期和频率LC电路的周期和频率公式T＝2π ，f＝ 。说明：(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)、亨利(H)、法拉(F)、赫兹(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，电感L或电容C越大，能量转换时间也越长，周期也越大。(4)电路中的电流i、线圈中的磁感应强度B、电容器极板间的电场强度E的变化周期就是LC电路的周期T＝2π ，在一个周期内上述各量方向改变两次；电容器极板上所带的电荷量的变化周期也是LC电路的周期T＝2π ，极板上电荷的电性在一个周期内改变两次；电场能、磁场能也在做周期性变化，但是它们的变化周期是LC电路的周期的一半，即T′＝ ＝ 。注意人教版2019版选择性必修第二册4.2电磁场与电磁波课堂引入 电磁振荡电路中的能量有一部分要以电磁波的形式辐射到周围空间中去，那么，这些电磁波是怎样产生的？问题：？课堂引入电磁学之父：麦克斯韦简介 詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell，1831年6月13日〜1879年11月5日），出生于苏格兰爱丁堡，英国物理学家、数学家。经典电动力学的创始人，统计物理学的奠基人之一。1847年进入爱丁堡大学学习数学和物理，毕业于剑桥大学。他成年时期的大部分时光是在大学里当教授，最后是在剑桥大学任教。1873年出版的《论电和磁》，也被尊为继牛顿《自然哲学的数学原理》之后的一部最重要的物理学经典。麦克斯韦被普遍认为是对物理学最有影响力的物理学家之一。没有电磁学就没有现代电工学，也就不可能有现代文明。一、电磁场变化的磁场产生电场 这是一个普遍规律，跟闭合电路是否存在无关。变化的电场产生磁场 电场就像运动的电荷，也会在空间产生磁场。变化的磁场周围产生电场变化的电场周围产生磁场1、麦克斯韦假设的两大观点：一、电磁场 思考：如右图,交流电产生了周期变化的磁场,上面的线圈中产生电流使灯泡发光1、如果用不导电的塑料线绕制线圈,线圈中还有电流电场吗?有电场,无电流2、线圈不存在时,线圈所处的空间还有电场吗?有3、若改成恒定的直流电,还有电场吗?无电磁场理论的理解——变化的磁场产生电场一、电磁场 麦克斯韦认为在变化的磁场周围产生电场,是一种普遍存在的现象,跟闭合电路是否存在无关,导体环只是用来显示电流的存在。说明:1、在变化的磁场中所产生的电场的电场线是闭合的 (涡旋电场)。2、变化的磁场产生电场”，这实际上是个假设。这个假设基于电磁感应现象，是很自然的。一、电磁场电磁场理论的理解——变化的电场产生磁场理解: (1) 电场均匀变化产生稳定磁场 (2) 非均匀变化产生变化磁场说明：1、根据麦克斯韦理论,在给电容器充电的时候,不仅导体中的电流要产生磁场,而且在电容器两极板间变化着的电场周围也要产生磁场。2、“变化的电场产生磁场”，这是另一个假设。这个假设没有直接的实验做基础，它出于对自然规律的洞察力，是很大胆的，但却更具有创造性。一、电磁场 根据麦克斯韦的上述两个观点可以得出，变化的电场和磁场总是相互联系的，形成一个不可分割的统一的电磁场。如果在空间某区域有周期性变化的电场，就会在周围引起变化的磁场，变化的电场和磁场又会在较远的空间引起新的变化的电场和磁场。这样变化的电场和磁场由近及远地向周围传播，形成了电磁波。2、电磁场与电磁波的概念一、电磁场3、对麦克斯韦电磁场理论的理解:1、恒定的电场不产生磁场；2、恒定的磁场不产生电场；3、均匀变化的电场在周围空间产生恒定的磁场；4、均匀变化的磁场在周围空间产生恒定的电场；5、振荡电场产生同频率的振荡磁场；6、振荡磁场产生同频率的振荡电场。二、电磁波4、电磁波的形成过程麦克斯韦预言光也是电磁波 麦克斯韦从理论上预见，电磁波在真空中的传播速度等于光速c，由此，麦克斯韦预言了光是电磁波！他说：“我们有充分的理由断定，光本身是……按电磁波规律传播的一种电磁振动。”。二、电磁波二、电磁波5、电磁波的特点：１、电磁波是横波，在电磁波中，每处的电场强度和磁感强度的方向总是相互垂直，且与电磁波的传播方向垂直．２、电磁波的传播不需要介质，波速V取决于传播介质，任何频率的电磁波在真空中的传播速度都等于真空中的光速，电磁波的频率在传播过程中不会发生变化。随着介质的不同波长会发生变化。C＝3.0×108m/s二、电磁波6、电磁波与机械波的区别二、电磁波 海因里希·鲁道夫·赫兹（Heinrich Rudolf Hertz，1857年2月22日－1894年1月1日），德国物理学家，于1888年首先证实了电磁波的存在。并对电磁学有很大的贡献，故频率的国际单位制单位赫兹以他的名字命名。 赫兹是一个短命的物理学家。他于1894年逝世时，年仅37岁，这无疑是物理学界的巨大损失。他从21岁考人柏林大学直到不幸去世，进行科学研究不足15年，然而却建立了永垂青史的功绩。赫兹证实电磁波存在的实验装置实验现象：当感应圈两个金属球间有火花跳过时，导线环两个小球间也跳过了火花。实验原理：当与感应圈相连的两个金属球间产生电火花时，周围空间出现了迅速变化的电磁场。这种变化的电磁场以电磁波的形式在空间传播。当电磁波到达导线环时，它在导线环中激发出感应电动势，使得导线环的空隙中也产生了火花，说明这个导线环接收到了电磁波。二、电磁波7、赫兹的电火花实验 微弱的电火花闪烁着麦克斯韦理论的光辉，赫兹向全世界宣告：电磁波发现了。检波器二、电磁波7、赫兹的电火花实验电磁波成果　　无线电报(1901)——广播(1906)——电话(1916)——传真(1923)——电视(1929)——微波(1933)——雷达(1935)——卫星通讯——电子计算机因特网等都与电磁波理论相关。二、电磁波1、在以后的一系列实验中，赫兹观察到了电磁波的反射、折射、干涉、偏振和衍射等现象。他还测得电磁波在真空中的速度等于光速c，证明了电磁波与光的统一性。这样，赫兹证实了麦克斯韦的电磁场理论。赫兹的实验为无线电技术的发展开拓了道路，后人为了纪念他，把频率的单位定为赫兹。2、物质存在两种形式，一种是由原子和分子构成的实物，另一种则是以电磁场为代表的场。二、电磁波赫兹的成就科学漫步麦克斯韦电磁场理论的建立 法拉第发现电磁感应现象那年，麦克斯韦在苏格兰爱丁堡附近诞生了。他从小热爱科学，喜欢思考。1854年从剑桥大学毕业以后，他精心研读了法拉第的著作。麦克斯韦被法拉第关于“场”和“力线”的思想深深吸引，但他也看到了法拉第定性表述的弱点。因此，这位初出茅庐的科学家下定决心，要把法拉第的物理思想用数学公式定量化地表达出来。 1860年初秋，麦克斯韦特意去拜访法拉第。两人虽然在年龄上相差40岁，在性情、爱好、特长方面也迥然各异，可是对物质世界的看法却产生了共鸣。法拉第鼓励麦克斯韦：“你不应停留在用数学解释我的观点，而应该突破它！ 在麦克斯韦研究电磁现象的时候，科学家的研究已经从静止的、恒定的特殊情形扩展到运动变化的普遍情形；从孤立的电作用、磁作用扩展到彼此的联系。在这些研究的基础上，麦克斯韦历时10年终于建立了普遍的电磁场理论。科学漫步麦克斯韦电磁场理论的建立 麦克斯韦首先从类比研究入手，借用适当的数学工具表述法拉第的“力线”；后来，为了进一步说明“力线”的分布和性质，他转而建立新的模型并提出位移电流与电磁波的概念；最后，他把电磁场作为客体放在核心位置，总结出麦克斯韦方程组建立了完整的电磁场理论。麦克斯韦方程组课堂总结麦克斯韦假设的两大观点电磁场与电磁波的概念对麦克斯韦电磁场理论的理解电磁波的形成过程电磁波的特点电磁波与机械波的区别赫兹的电火花实验§4、3 电磁波的发射和接收无线电波的发射无线电波的接收无线电波的传播第十四章 电磁波无线电波的发射要有效地发射电磁波，振荡电路必须具有如下特点1、要有足够高的振荡频率；2、振荡电路的电场和磁场必须分散到尽可能大的空间。声音信号的调制过程：无线电波的发射调制1调幅调制2调频声音信号的传送话筒前的人振荡器信号发射机房电视信号发射塔上的信号发射天线无线电信号发射塔无线电波的传播长波:波长较长，容易产生衍射现象;长波容易被电离层吸收；无线电波的传播短波较短，容易被电离层反射；无线电波的传播微波: 频率很高；直线传播；微波容易穿过电离层。。无线电波的传播1、接收无线电波的装置：收音机的调谐电路 图示为收音机的简单的调谐电路，通过可变电容改变调谐电路的固有频率，使其与接收电台的电磁波频率相同，这个频率的电磁波就在调谐电路里激起较强的感应电流，这样就选出了电台。无线电波的接收声音信号的解调过程无线电波的接收彩塔接收天线电报大楼上的接收天线目录典型例题紫外线4.4 电磁波谱 太空中的太阳动力学观测台（SDO）可以拍摄到紫外线波段的太阳图像。通过这些图像可以观察到被可见光模糊或者遮挡的日冕等太阳活动。对比波长为211 nm的紫外线和可见光的图像可以看出，它与我们常见的太阳大不相同。除了可见光和紫外线，你还知道太阳能发出哪些波段的电磁波吗？ 我们知道电磁波包括无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、y射线等。太阳辐射中就包含了波长不同的各种各样的电磁波。从左向右频率逐渐增大，波长逐渐减小电磁波谱:按电磁波的波长大小或频率高低的顺序把它们排列成谱。①可见光只是电磁波中的一小部分②不同的电磁波由于具有不同的频率，才具有不同的特性。无线电波电磁振荡与电磁波技术上把波长大于1mm（频率低于300GHz）的电磁波称作无线电波。 按波长（频率）可以把无线电波划分为若干波段。不同波段的无线电波的传播特点不一样，发射、接收所用的设备和技术也不尽相同，因此各有不同的用途。1.移动电话2.雷达【拓展】中国天眼 射电望远镜，由中国科学院国家天文台主导建设，是具有我国自主知识产权、世界最大单口径、最灵敏的射电望远镜。简单来说就是将无线电波进行接收和输出。连接蓝牙后，移动电话的上网速度会不会受到影响 上网速度明显变慢。由于Wi-Fi和蓝牙使用了相同频段的无线电波，两者互相干扰。红外线电磁振荡与电磁波红外线：波长约为760nm～1mm特点：①波长介于无线电波和可见光之间②所有物体都会发射红外线③物体的红外辐射跟温度有关。热物体的红外辐射比冷物体的红外辐射强。应用：红外夜视议、红外摄影、红外遥感、红外体温计。注意:烤箱中的红光,不是红外线,红外线是看不见的.应用：红外夜视议、红外摄影、红外遥感、红外体温计。 利用红外线检测人体的健康状态，本图片是人体的背部热图，透过图片可以根据不同颜色判断病变区域．　 　红外线卫星云图显示一九九九年九月十六日台风约克于清晨靠近香港时,中心的风眼清晰可见． 红外线检视器是利用红外线能穿透颜料的特性，揭示顏料层下隐藏的资料．利用红外线发射器、接收器及屏幕显示器，油画上炭笔初稿稿及已往曾经进行过的修复工作都能一一呈现于眼前．　有些动物具有发达的红外感受器官，因此在夜间也可以"看到"物体。 响尾蛇毒性很大,它的眼睛对可见光几乎失去了作用。但是它有“热眼”它能够接收小动物身上发出来的红外辐射,并把外界温差和红外线通过神经反映给大脑,大脑发出相应的“命令”,引导毒蛇去猎取食物。可见光电磁振荡与电磁波波长为400〜760nm。能使人的眼睛产生视觉效应的电磁波，称为可见光。波长（频率）范围不同的光表现为不同的颜色。 阳光进入大气时，波长较长的色光，如红光，透射力大，能透过大气射向地面；而波长短的紫、蓝、青色光，碰到大气分子、冰晶、水滴等时，就很容易发生散射现象。被散射了的紫、蓝、青色光布满天空，就使天空呈现出一片蔚蓝了。波长较短的光比波长较长的光容易被散射。天空为什么是蓝色的？早晨或傍晚的天空为什么会出现彩霞？朝霞晚霞 傍晚和早晨，太阳斜射大气，光线在大气中的运行距离变长，蓝紫光在大气中已散射完，剩余的红、橙光较多，红、橙光占优势，因此傍晚时天空呈橙红色。紫外线电磁振荡与电磁波在紫光之外，波长范围为5〜370nm的电磁波是紫外线具有较高的能量，可破坏细胞 德国物理学家里特于1801年首先发现的，一切高温物体发出的光中，都有紫外线。作用：荧光、化学作用、杀菌消毒。应用：灭菌消毒、促进钙的吸收、防伪紫外线使皮肤老化产生皱纹、产生斑点、造成皮肤粗糙、造成皮肤炎、造成皮肤癌X射线和γ射线电磁振荡与电磁波 X射线波长范围在0.001nm到10nm之间，γ射线波长小于0.001nm。X射线特点：①波长比紫外线更短应用：拍片、机场安检②具有较高的能量，可穿透物质γ射线特点：应用：治疗癌症，金属缺陷探测波长很短，频率很高；穿透力强，能量高X射线应用：拍片、机场安检γ射线应用：治疗癌症，金属缺陷探测寻找地外文明 射电望远镜越大，会聚的无线电波越多，于是就能观察更弱的射电源。望远镜越大，分辨能力也越高。射电望远镜可以造得很大，几十米直径的射电望运在技术上也能够实现。建造很多小射电望远镜来接收宇宙信号。不同电磁波的特点及应用波动性强通讯、广播、导航热作用强加热、遥感、红外线制导等人类视觉效应化学作用、荧光效应穿透力强穿透力最强照明、照相等杀菌消毒、验钞等检查、探测、透视等探测、治疗等C金属探伤不带电，电离作用最弱波长最短的电磁波，不易发生衍射被誉为“神刀”的γ刀在治疗脑肿瘤的时候不需要对患者实施麻醉，手术时间短。用γ刀治疗脑肿瘤主要是利用了( )A. γ射线具有很强的穿透能力B. γ射线很强的电离能力C. γ射线具有很高的能量D. γ射线很容易绕过障碍物继续向前传播必备知识电场磁场电磁场电场磁场光速赫兹课前自主预习高振幅频率课前自主预习频率电谐振高频电流课前自主预习课前自主预习 知识点四：电磁波谱无线电波可见光波长频率课前自主预习能量红外线紫外线红绿课堂巩固练习课堂巩固练习课后巩固练习，教材P80习题讲解课后巩固练习，教材P86习题讲解乙丙丁能产生电场；乙丁能产生电磁波cd段课后巩固练习，教材P86习题讲解知识导学第4章 电磁振荡与电磁波小结