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电磁波知能整合与专题突破-电磁振荡过程分析详细信息
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第十四章知能整合与专题突破

电磁波知能整合与专题突破,电磁振荡过程分析 


综合讲解·各个击破
专题1 机械波与电磁波
机械波、电磁波都是波就应有很多共同规律,它们由于产生机理不同,也应有各自的特点。
相同点:1、都有波的的一切特性,如:都能产生反射、折射、干涉、衍射等现象。2、波速、波长、频率之间具有同样的关系。
不同点:1、产生机理不同,机械波是由机械振动产生的;电磁波产生机理也不同,有电子的周期性运动产生(无线电波);有原子的外层电子受激发后产生(红外线、可见光、紫外线);有原子的内层电子受激发后产生(伦琴射线);有原子核受激发后产生(射线)。2、介质对传播速度的影响不同①机械波的传播速度由介质决定,与频率无关,即同种介质不同频率的机械波传播速度相同。如声波在温度15时的空气中传播速度为340m/s,温度不同时传播速度不同,但与频率无关。②电磁波在真空中传播速度相同,均为3×108m/s。在同种介质中不同频率的电磁波传播速度不同,频率越大传播速度越小,如:红光和紫光在同种介质中折射率n红小于n紫.③机械波不能在真空中传播,电磁波能在真空中传播,其原因是:机械波传播的是振动形式,通过振动形式传递能量,其本身不是物质,故不能在真空中传播;而电磁波是电磁场在空间的传播,本身就是物质,在真空中可以传播,而在介质中传播速度反而受影响。
 注意: 光波是在真空中速度一样在水 玻璃 空气等介质中是不一样的 波在介质中传播时介质决定波长 而速度等于波长与频率的乘积 因各色光自身频率不同 故而此乘积就不一样了 此外 介质的折设率就是用真空和介质中光速的比值求得的。
【例1】一列横波沿直线在空间传播,某时刻直线上相距dA、B两点均在平衡位置,且AB间仅有一个波峰,经时间t,质点B第一次到达波峰的位置,则这列波的波速为多少?
解析:满足题给条件有以下如答图四种情况:
  1. 若波A→B,

若波由B→A,
(2)若波A→B,
B→A,
(3)A→B,
B→A,
(4)A→B,
B→A,
综上分析,速度可能值为:
电磁波与机械波的最大区别有两点:①电磁波可以在真空中传播.②电磁波的速度大小还跟频率有关,同一介质中,频率越高波速越小.

自我测评·及时反馈

1. 某同学对机械波和电磁波进行类比,总结出下列内容,其中不正确的是( )
A.机械波的频率、波长和波速三者满足的关系,对电磁波也适用
B.机械波和电磁波都能产生干涉和衍射现象
C.机械波的传播依赖于介质,而电磁波可以在真空中传播
D.机械波既有横波又有纵波,而电磁波只有纵波

 

1、D.解析:波长、波速、频率的关系对任何波都是成立的,对电磁波当然成立,故A选项正确;干涉和衍射是波的特性,机械波、电磁波都是波,这些特性都具有,故B项正确;机械波是机械振动在介质中传播形成的,所以机械波的传播需要介质而电磁波是交替变化的电场和磁场由近及远的传播形成的,所以电磁波传播不需要介质,故C项正确;机械波既有横波又有纵波,但是电磁波只www.ks5u.com能是横波,其证据就是电磁波能够发生偏振现象,而偏振现象是横波才有的, D项错误。故正确答案应为D。

专题2 电磁振荡的电路分析
1.LC回路的电磁振荡过程中阻碍电流变化的是自感电动势而非电阻,而自感电动势,只是阻碍电流的变化,但不能阻止电流的变化,在振荡过程中,欧姆定律I=U/R不成立。
2.要从能量转化角度理解振荡过程中物理过程的变化及关系。
3.对于振荡过程中,电流随时间变化的图像i—t,电量随时间变化的图的图像e—t,要结合振荡过程深刻理解并能应用处理问题。
【例2】在LC振荡电路中,如已知电容C,并测得振荡的固有周期为T,即可求得电感L,为提高测量精度,需多次测量C值并测得相应的T值。现将测得的六组数据在以C为横坐标,T2为纵坐标的坐标纸,即下图左图中用“·”表示的点。
(1)T、L、C的关系为_________。
(2)根据图中给出的数据点作出T2与C的关系图线。
(3)求得L值得_______。
   
解析:(1)T=2π   
(2)由T=2π   得T2=4π2LC,由此可知T2-C图线应是一条直线,斜率k=4π2L,如图3右图,作直线,使数据尽可能靠近直线且均匀分布在直线两侧。
(3)在直线上选取相距较远的两点(1.00×10-7,14.5×10-8)(3.50×10-7,51.0×10-8则L=  =0.0371H。

(1)在LC振荡电路中,处于对电容器充电进程有如下特征:电流I大小变小,并且流向电容的正极板,磁感应强度B随I同步变小,磁场能转化为电场能。而两极板间的电压U、电场强度E、电容所带电量Q却逐步变大,线圈两端的自感电动势e也同步变大(因为充电过程中ΔI/Δt变大)。对于电容器的放电过程则有与上述相反的结论。要注意的是i、B、U、E、Q、e的周期是相等的。
(2)在LC振荡电路中,伴随着电磁振荡,会有电磁波向外辐射。对一般的LC电路,辐射的电磁波能量很少,常常忽略。但对于开放式LC电路,伴随电磁振荡,明显有电磁波向外辐射。
(3)LC振荡电路的周期T=2π   ,频率f=   。与单摆的振动周期T=2π   、弹簧振子的周期T=2π   相比较,不难发现共性的地方,一是周期由振动系统决定,与外在的因素无关;二是都含有2π和根号   的形式。


2.在LC振荡电路中,某一时刻电容器C两极板间的电场线方向和穿过线圈L的磁感线方向,如图1所示,这时有(  )
A、电容器正在放电。
B、电路中电流强度在减少。
C、磁场能正在转化为电场能。
D、线圈中产生的自感电动势正在增加。
   


2、BCD。解析:根据线圈中磁感线的方向,由安培定则容易判断出电流方向是顺时针方向。又电容两极板间的电场方向竖直向下,表明上极板带正电荷,所以此时电路正对电容充电,电流强度将逐渐变小,线圈中的磁场能正逐渐转化为电容间的电场能。若电路中的电流i随时间t的变化关系如图2所示(规定顺时针方向的电流为正),那么本题的状态相当于i-t中的A点,可见A处的斜率(   )正在增大,线圈中产生的自感电动势也在增加。本题正确答案为B、C、D。

思想方法 思想归纳 高屋建瓴


领悟思想·游刃有余
一、分析电磁振荡问题的基本方法
对电磁振荡问题的分析,如能按照以下的方法进行,将会使你思路清晰,分析准确而迅速。具体方法是:
一、分清两类物理量及电磁振荡过程中两类量各自的同步关系,二者间的互补关系。
一类是与电容器相联系的物理量:极板带电荷量q、板间电场强度E、电压U、电场能εe,这些物理量的变化具有同步关系,即电容器充电时q↑→E↑→U↑→εe↑,放电时q↓→E↓→U↓→εe↓。另一类是与电感线圈相联系的物理量,线圈中电流i、磁感应强度B、磁通量Φ、磁场能εB,这些物理量之间仍具有同步关系,即i↑→B↑→Φ↑→εB↑和i↓→B↓→Φ↓→εB↓。
并且这两类量之间具有异步互补关系,如图1所示,各量反映各物理量的变化关系;
放电时q↓→E↓→U↓→εe↓,减少的电场能转化成了磁场能,所以i↑→B↑→Φ↑→εB↑。

放电完毕瞬间,q、E、U、εe最小值为零,电场能全部转化成了磁场能,所以,此时i、B、Φ、εB最大。
充电时,i↓→B↓→Φ↓→εB↓减少的磁场能转化成了电场能,所以q↑→E↑→U↑→εe↑。
充电完毕瞬间,i、B、Φ、εB最小值为零,磁场能全部转化成了电场能,此时q、E、U、εe最大。
两类量的变化由上分析可知,一类物理量增大的同时,另一类物理量必在减小,当一类量达到最大值时另一类量必最小为零。
二、结合振荡过程中电场能和磁场能总量守恒(忽略损失)且不停地相互转化。
电磁振荡过程,实质上是电场能和磁场能相互转化的过程。若LC回路中没有能量损失,那么在电磁振荡的过程中,电容器的电场能εe和自感线圈中的磁场能εB相互往复转化,能量守恒,即εe+εB=恒量。
三、结合q-t、E-t、U-t、 εe-t、i-t、B-t、 Φ-t、 εB-t图像及LC电路分析,变抽象为具体,根据图1的分析,可做出q-t、E-t、U-t、 εe-t、i-t、B-t、 Φ-t、 εB-t图线如图2所示。

图2
从上图中可以清晰地看出在 时间内,电容器放电,q↓→E↓→U↓→εe↓电场能向磁场能转化,i↑→B↑→Φ↑→εB↑,在 时刻,q、E、U、εe最小为零,i、B、Φ、εB最大。请同学们自己分析, 时间内两类物理量的变化和 时刻两类量的状态值。
【例1】如图所示,a为LC振荡电路,通过P点的电流如图b,规定向左的方向为正方向,下列说法正确的是( )
A 0到t1,电容器正在充电,上极板带正电
B t1 到t2电容器正在放电,上极板带负电
C 在t3时刻,线圈中的自感电动势最大,且P为正极
D 在t4 时刻,线圈中的自感电动势最大,且P为正极

P i

L C
0 t1 t2 t3 t4 t

Q

a b

解析: 0到t1电流为正,且在减小,,即电流为逆时针减小,说明电容器正在充电,电流方向为正电荷的运动方向,所以上极板为负电荷;t1 到t2电流为负且在增大,即电流为顺时针方向增大,说明电容器在放电,上极板为负电荷;在t3时刻,电流的变化率(△i/△t)最大,,所以自感电动势(E=L△i/△t)最大,而t3之前的为负减小,即顺时针减小,线圈中的感应电动势阻碍电流的减小,,如能产生电流,则与原电流同向,即P点为正极;在t4 时刻,电流最大,电流的变化率为零,自感电动势为零。
答案: B和C正确
点评: 解决此类问题的关键是搞清在LC振荡电路中,各物理量变化的关系,特别是电流的变化与充、放电关系;充、放电时,电流的流向的与电容器的极性的关系;电流的变化率与电动势的关系等等。
近年来对LC振荡电路的要求有所降低,但对于基本的充、放电的过程中个物理量的变化规律还应掌握。

方法实践·学练结合

1.
如图所示为LC振荡电路中电容器极板上的电量q随时间t变化的曲线,由图可知( )

1、ACD。解析:在LC振荡电路中,电容器极板上的电量与两板间电压、电场强度成正比,电量q多的时候,两板间电场的电场能也随之增多;电量q少的时候,两板间电场弱,相应的电场能量也随之减少。忽略LC电路振荡过程中线圈电阻发热以及向空间辐射电磁波,那么线圈中的磁场能与电容器两极板之间的电场能互相转换过程中,总的电磁场能量应保持不变。
(1)在t1时刻,电容器极板上电量q为最大值,两板间电场能为最大,线圈中磁场能应是最小值。选项A正确。
(2)从t1~t2时刻,电容器极板上电量q从正的峰值降为零值,电场能正在不断地转变为磁场能,与磁场能相应的电路中的电流强度正在不断增强,选项B错误。
(3)从t2~t3时刻,电容器极板上电量q又不断增大,表明电容器正在反向充电。选项C正确。
(4)在t4时刻,电容器放电结束,极板上电量为零,电场能也为零,已全部转化为磁场能。选项D正确。

拓展阅读 厚积薄发 成就梦想


防紫外线太阳伞
防紫外线的原理主要是减少它的透射部分,使紫外线尽量被反射掉或吸收掉。目前主要有两种方法:
第一种是使它反射或散射掉。其中又包括两种情况,一是镀金属膜,这属于镜反射、规则反射;还有一种珠光效果的面料,如某些伞面,能把紫外线向反射的方向散射开。
第二种方法是在织物纤维的内部掺入吸收紫外线的材料,或是在织物完成以后做后期整理,渗入一些吸收紫外线的材料,如纳米级的氧化锌或二氧化钛等。
选择防紫外线伞主要看伞的面料。研究表明,伞面厚的布料比薄的抗紫外线性能好,一般来说,棉、丝、尼龙、粘胶等面料的防紫外线效果较差,而涤纶较好;有些消费者认为,伞面越厚防紫外线性能越好,其实不然,如天堂伞系列开发出一种轻薄但十分紧密的面料,防护性能远优于一般织物;此外,防紫外线性能颜色越深越好,以缎纹织物最佳,其次依次是斜纹、平纹。
有关专家还提醒消费者认清防紫外线性能标识。目前,国内外的标准对纺织品的防紫外线性能一般都使用UPF值,即紫外线防护系数值进行评定。UPF值是紫外线对未防护的皮肤的平均辐射量的比值,UPF值越大,表明防紫外线性能越好。即将出台的国家标准规定:只有当UPF>30时,并且UVA的透过率小于5%时,才能称为防紫外线产品,防护等级标识为UPF30+;而当UPF>50时,则表明该产品的紫外线防护性能极佳,防护等级标识为UPF50+。

 


 

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