高中物理人教版 (2019)选择性必修 第二册电磁场与电磁波导学案

这是一份高中物理人教版 (2019)选择性必修 第二册电磁场与电磁波导学案，共8页。学案主要包含了模块一 学习导航，模块二 知识铺垫，模块三 深度研习，案例分析，模块四 典例精析，模块五 实战演练，模块六 参考解答，模块七 学后反思等内容，欢迎下载使用。
一、我能说出LC振荡电路中电流、电荷量、电场能、磁场能的变化规律
二、我能写出电磁振荡的周期和频率公式，并代入数据进行计算
三、我能判断麦克斯韦电磁场理论中"变化的电场产生磁场、变化的磁场产生电场"的具体情形
四、我能区分电磁波和机械波的传播特性，说出电磁波谱各波段的典型应用
五、我能梳理无线电波发射和接收的完整流程，辨别调制、调谐、解调三个环节的作用
【模块二 知识铺垫】
一、思维导图框架
请在课前观看微课视频《电磁振荡与电磁波全章串讲》，边看边在笔记本上绘制本章知识思维导图。主干分支建议包含：电磁振荡、电磁场理论、电磁波产生、电磁波谱、无线电波应用。每个分支下至少补充3个具体知识点。
二、核心问题
带着以下三个问题观看微课，把你的思考记录在预习本上：
1. LC振荡电路中，电流最大的时刻和电荷量最大的时刻，分别对应哪种能量形式占主导？
2. 麦克斯韦预言的电磁波，为什么直到二十多年后才被赫兹用实验证实？
3. 同样是电磁波，为什么可见光可以被人眼看到，而无线电波却看不到？
三、预习检测
看完微课后，独立完成以下3道检测题，检验预习效果：
1. 判断对错：电磁波在真空中的传播速度与频率有关。
2. 填空：LC振荡电路的周期公式是，单位分别是。
3. 选择：下列不属于电磁波的是（ ）
A. 红外线 B. 超声波 C. X射线 D. 微波
【模块三 深度研习】
一、核心概念对比
【图像说明：电磁振荡与机械振动对比表格】
我们先来看一组对比。左边是大家熟悉的弹簧振子，右边是刚学的LC振荡电路。弹簧振子里，动能和势能来回转化；LC电路里，磁场能和电场能来回转化。两者都是周期性的能量转换过程，数学表达式也惊人地相似。周期公式一个是T=2π√(m/k)，一个是T=2π√(LC)。说白了，电感L对应质量m，电容C的倒数对应劲度系数k。这样一类比，是不是好记多了？
【提醒】这里容易踩坑。很多同学把振荡电流和弹簧振子的速度对应，把电荷量和位移对应，这个思路是对的。但要注意，电流最大的时候对应速度最大，也就是平衡位置，此时位移为零、电荷量为零。反过来，电流为零的时候对应速度为零，也就是最大位移处，此时电荷量最大。这个对应关系一定要搞清楚，不然后面做题全乱。
二、电磁波与机械波对比
【图像说明：电磁波与机械波特性对比表格】
再来看另一组重要对比。机械波传播需要介质，电磁波不需要，真空中也能传。机械波有横波纵波之分，电磁波只有横波。机械波的波速由介质决定，电磁波在真空中速度都是光速c。机械波传递的是机械能，电磁波传递的是电磁能。
【小结】这两组对比是本章的灵魂。学物理不能死记硬背，要善于找联系、找区别。把新学的知识和旧知识挂起钩来，理解就深了，记也记得牢。
三、【案例分析】
案例：1887年，赫兹在实验室里做了一个著名的实验。他用一个感应线圈连接两个金属球，中间留有小缝隙。当线圈通电时，缝隙间产生电火花。奇怪的是，旁边另一个没有连接电源的类似装置，缝隙间也出现了微弱的火花。
小组讨论任务（4人一组，5分钟）：
1. 为什么没有电源的装置也会产生火花？能量从哪里来？
2. 这个实验证明了什么？为什么说它是物理学史上的里程碑？
3. 如果把两个装置之间放一块金属板，会发生什么现象？为什么？
讨论结束后，每组派代表发言，其他组可以补充或质疑。
四、【重点】
学生在学LC振荡电路的能量转化时，最常出现的问题是搞反电流和电荷量的变化趋势。比如看到电流在增大，就以为电荷量也在增大，电场能也在增大，这就完全错了。实际上，电流增大的过程是放电过程，电荷量在减小，电场能在减小，磁场能在增大。为什么会犯这个错？因为大家习惯了"电流大就意味着电荷多"的直觉，但在振荡电路里，电流是电荷流动的速率，不是电荷的多少。就像水管里的水流，流速大不代表水管里存的水多，反而可能是水箱里的水在快速减少。
突破这个难点，课堂上可以做一个"手势游戏"。老师说"放电"，同学们就一只手比"减小"（手掌向下压）代表电荷量，另一只手比"增大"（手掌向上抬）代表电流，嘴里还要喊"电场能变磁场能"。反复练几遍，肌肉记忆形成了，就不容易搞混了。这个活动3分钟就能做完，效果比讲十遍都好。
五、【难点】
麦克斯韦电磁场理论是本章最难理解的部分。"变化的电场产生磁场，变化的磁场产生电场"，这句话每个字都认识，放在一起就抽象了。学生最常问的问题是："电场和磁场怎么就互相产生了？不需要导线吗？不需要电荷吗？"这说明学生还停留在"场是物质的附属品"的认知阶段，没有理解场本身就是一种物质。
突破方法：课堂上用5分钟做一个"场的接力"思维实验。第一步，想象空间里有一个静止的电荷，周围有静电场。第二步，让这个电荷突然动起来，电场发生变化，根据麦克斯韦理论，变化的电场会在周围产生磁场。第三步，这个新产生的磁场也是变化的（因为电场在变化），变化的磁场又会在更远的地方产生电场。第四步，这样一环套一环，电场和磁场就像接力赛跑一样，一圈一圈向外传播，形成了电磁波。讲的时候配合手势，用两只手交替向前推，模拟电场和磁场交替激发向前传播的样子。讲完让学生也跟着做一遍，抽象的概念就具象化了。
【模块四 典例精析】
一、例题1
题目：一个LC振荡电路，电感L=2.0mH，电容C=5.0μF。求：（1）振荡电路的固有周期和固有频率；（2）如果电容增大到原来的4倍，周期变为多少？
解答：
（1）根据周期公式T=2π√(LC)
代入数据：L=2.0×10⁻³H，C=5.0×10⁻⁶F
T=2×3.14×√(2.0×10⁻³×5.0×10⁻⁶)
=2×3.14×√(1.0×10⁻⁸)
=2×3.14×1.0×10⁻⁴
=6.28×10⁻⁴s
频率f=1/T=1/(6.28×10⁻⁴)≈1.59×10³Hz≈1.6kHz
（2）周期与√C成正比，C变为4倍，√C变为2倍，所以周期变为2倍
T'=2T=2×6.28×10⁻⁴s=1.26×10⁻³s
方法总结：LC振荡的周期频率问题，核心就是T=2π√(LC)和f=1/(2π√(LC)这两个公式。记住周期和频率都与√L、√C有关，L或C越大，周期越长、频率越低。做题时注意单位换算，mH要换成H，μF要换成F。
二、例题2
题目：关于电磁波，下列说法正确的是（ ）
A. 电磁波在真空中的传播速度与频率有关
B. 变化的电场一定产生变化的磁场
C. 电磁波是横波，可以发生偏振现象
D. 电磁波的传播需要介质
解答：
我们来逐一分析。
A选项：电磁波在真空中的传播速度都是光速c，约3×10⁸m/s，与频率无关。所以A错。
B选项：变化的电场产生磁场，但不一定是变化的磁场。如果电场是均匀变化的，产生的磁场就是恒定的。只有周期性变化的电场才产生周期性变化的磁场。所以B错。
C选项：电磁波是横波，电场方向和磁场方向都与传播方向垂直，因此可以发生偏振现象。这个是对的。
D选项：电磁波的传播不需要介质，真空中也能传播，这是电磁波和机械波的重要区别。所以D错。
答案：C
方法总结：电磁波的基本概念题，考查的都是细节。记住几个关键区分：真空中速度都等于光速、均匀变化产生恒定场、周期性变化产生周期性变化的场、电磁波是横波不需要介质。这些点搞清楚了，选择题就不容易丢分。
三、例题3
题目：LC振荡电路中，某时刻电容器上极板带正电，且电流正在增大。则此时刻（ ）
A. 电容器正在充电
B. 电场能正在转化为磁场能
C. 线圈中的磁场能正在减小
D. 电流方向是从下极板流向上极板
解答：
先看已知条件：上极板带正电，电流正在增大。
电流增大说明什么？说明是放电过程，因为放电时电流从0开始增大到最大值。充电时电流是从最大值减小到0。所以A选项说充电，不对。
放电过程中，电荷量减少，电场能减少，电流增大，磁场能增大，也就是电场能转化为磁场能。所以B选项是对的。
C选项说磁场能减小，正好说反了，不对。
再看电流方向。上极板带正电，放电时正电荷从上极板流出，经过线圈流向下极板。所以电流方向是从上极板流向下极板，D选项说反了，不对。
答案：B
方法总结：LC振荡过程分析题，关键是抓住"电流增大=放电=电场能转磁场能"和"电流减小=充电=磁场能转电场能"这两个对应关系。判断电流方向时，记住充电时电流流向正极板，放电时电流流出正极板。多画几次电路图，对着图分析，慢慢就熟练了。
【模块五 实战演练】
1. 关于麦克斯韦电磁场理论，下列说法正确的是（ ）
A. 恒定的电场产生恒定的磁场
B. 变化的磁场一定产生变化的电场
C. 均匀变化的电场产生恒定的磁场
D. 周期性变化的电场产生周期性变化的磁场
2. 某LC振荡电路的固有频率为f，若将电感线圈的铁芯抽出，则振荡频率将（ ）
A. 增大 B. 减小 C. 不变 D. 无法确定
3. 电磁波和机械波相比较，下列说法正确的是（ ）
A. 两者都能发生反射、折射、干涉、衍射现象
B. 两者在真空中都能传播
C. 两者都是横波
D. 两者在介质中的传播速度都由介质决定，与频率无关
4. 在LC振荡电路中，当电容器充电完毕的瞬间，下列说法正确的是（ ）
A. 电路中的电流最大
B. 电容器两极板间的电压为零
C. 电场能全部转化为磁场能
D. 磁场能全部转化为电场能
5. 无线电波发射过程中，把低频信号加载到高频电磁波上的过程叫做（ ）
A. 调谐 B. 调制 C. 解调 D. 检波
6. 已知LC振荡电路中电感L=4.0mH，电容C=9.0pF，求该电路的振荡周期和频率。
7. 某电磁波在真空中的波长为300m，求它的频率是多少？属于电磁波谱中的哪个波段？
【模块六 参考解答】
1. 【答案】CD
【解析】A选项，恒定的电场不产生磁场，A错。B选项，变化的磁场产生电场，但不一定是变化的电场，均匀变化的磁场产生恒定的电场，B错。C选项，均匀变化的电场产生恒定的磁场，正确。D选项，周期性变化的电场产生周期性变化的磁场，正确。故选CD。
2. 【答案】A
【解析】抽出铁芯后，电感线圈的自感系数L减小。根据频率公式f=1/(2π√(LC))，L减小则√(LC)减小，频率f增大。故选A。
3. 【答案】A
【解析】A选项，反射、折射、干涉、衍射是所有波的共性，电磁波和机械波都能发生，正确。B选项，机械波传播需要介质，真空中不能传播，电磁波可以，B错。C选项，机械波有横波和纵波，比如声波是纵波，电磁波只有横波，C错。D选项，机械波在介质中的速度由介质决定，与频率无关；电磁波在介质中的速度与频率有关，会发生色散，D错。故选A。
4. 【答案】D
【解析】充电完毕的瞬间，电荷量最大，电流为零，电场能最大，磁场能为零，磁场能全部转化为电场能。A选项电流最大是放电完毕时，错。B选项电压为零也是放电完毕时，错。C选项电场能转磁场能是放电过程，错。D选项正确。故选D。
5. 【答案】B
【解析】调制是把低频信号加载到高频电磁波上的过程。调谐是选择特定频率电磁波的过程。解调（也叫检波）是从高频信号中取出低频信号的过程，是调制的逆过程。故选B。
6. 【解答】
根据周期公式T=2π√(LC)
代入数据：L=4.0×10⁻³H，C=9.0×10⁻¹²F
T=2×3.14×√(4.0×10⁻³×9.0×10⁻¹²)
=2×3.14×√(3.6×10⁻¹⁴)
=2×3.14×1.9×10⁻⁷
≈1.19×10⁻⁶s
频率f=1/T≈1/(1.19×10⁻⁶)≈8.4×10⁵Hz≈840kHz
7. 【解答】
电磁波在真空中速度c=3×10⁸m/s
由c=λf得f=c/λ=3×10⁸/300=1×10⁶Hz=1MHz
这个频率属于无线电波中的中波波段。
【模块七 学后反思】
一、对比总结表
【图像说明：本章核心概念对比总结表】
1. LC振荡 vs 弹簧振子：都是周期性能量转换，一个是电磁能，一个是机械能；周期公式形式相似，物理意义不同。
2. 电磁波 vs 机械波：都具有波的共性，但电磁波不需要介质、是横波、真空中速度为光速；机械波需要介质、有横纵波之分、速度由介质决定。
3. 电场能 vs 磁场能：电场能对应电容器、与电荷量有关；磁场能对应电感器、与电流有关。两者此消彼长，总和守恒。
4. 调制 vs 解调：调制是发射端把信号"装"到载波上，解调是接收端把信号从载波上"取"下来，互为逆过程。
二、注意事项清单
1. 周期频率公式里的L和C都是平方根关系，不是线性关系，C变4倍周期才变2倍，别算错了。
2. 判断充放电时，看电流变化趋势：电流增大是放电，电流减小是充电，不要看电流方向就下结论。
3. 麦克斯韦理论里，"变化"是关键词。恒定的场不产生新的场，均匀变化的场产生恒定的场，周期性变化的场才产生周期性变化的场，这三个层次要分清楚。
4. 电磁波谱是连续的，各个波段之间没有绝对的界限，不要把分界线记得太死，知道各波段的典型应用就行。
5. 无线电波的发射和接收流程：发射端是"振荡→调制→发射"，接收端是"接收→调谐→解调"，顺序别搞混了。