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电磁波.doc

电磁波

小蜻蜓的春天
2011-01-24 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《电磁波doc》,可适用于高中教育领域

选修选修第十四章、电磁波一、本章知识脉络二、知识要点及典型例题(一)电磁波的发现一、麦克斯韦电磁理论.变化的磁场能在周围空间产生电场变化的电场能在周围空间产生磁场。.均匀变化的磁场(B是t的一次函数)只能产生恒定的电场均匀变化的电场产生恒定的磁场。恒定的磁场不能产生电场恒定的电场也不能产生磁场。.非均匀变化的磁场才能产生变化的电场非均匀变化的电场才能产生变化的磁场。振荡(按正弦规律变化)的磁场产生同频率振荡的电场反之也然。【例】右图中内壁光滑、水平放置的玻璃圆环内有一直径略小于环口径的带正电的小球正以速率v沿逆时针方向匀速转动。若在此空间突然加上竖直向上、磁感应强度B随时间成正比例增加的变化磁场设小球运动过程中的电量不变那么()A.小球对玻璃环的压力不断增大B.小球受到的磁场力不断增大C.小球先沿逆时针方向做减速运动过一段时间后沿顺时针方向做加速运动D.磁场力一直对小球不做功分析:因为玻璃环所处有均匀变化的磁场在周围产生稳定的涡旋电场对带正电的小球做功由楞次定律判断电场方向为顺时针在电场力的作用下小球先沿逆时针方向做减速运动过一段时间后沿顺时针方向做加速运动。小球在水平面内沿轨迹半径方向受两个力:环的弹力N和磁场的洛仑兹力f而且两个力的矢量和始终提供向心力考虑到小球速度大小的变化和方向的变化以及磁场强弱的变化弹力和洛仑兹力不一定始终在增大。洛仑兹力始终和运动方向垂直所以磁场力不做功。正确为CD。二.电磁波.麦克斯韦预言:非均匀变化的电场和非均匀变化的磁场交替产生、由近及远在空间传播时在周围空间存在电磁波。.赫兹第一个证实并观察到了电磁波的存在。.特点:()电磁波是横波()电磁波在空间传播不需要介质可以在真空中传播()在真空中电磁波传播的速度为光速C=×ms()电磁波在空间传播时在任一位置(或时刻)E、B和V三者两两垂直且E和B这两个物理量随时间和空间做周期性的变化()电磁波传播的过程也是电磁场能量的传播过程。(二)电磁振荡.振荡电流: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:能产生振荡电流的电路叫做振荡电路。LC振荡电路是最简单的振荡电路它是由线圈L和电容C组成的电路。.LC回路的电磁振荡过程:可以用图象来形象分析电容器充、放电过程中各物理量的变化规律如图所示。.振荡过程中各物理量的变化:()放电过程:Q变小E变小E电变小I变大B变大E磁变大能量由电场能向磁场能转化。()放电完毕(也即反向充电开始):Q=E=E电=I最大B最大E磁最大电场能全部转变成磁场能。()反向充电过程:Q变大E变大E电变大E方向改变I变小B变小E磁变小能量由磁场能向电场能转化。()充电完毕:Q最大E最大E电最大I=B=E磁=磁场能全部转变成电场能。.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需要的时间叫做周期。公式:影响因素:电容器的正对面积、板间距离、电介质电感线圈的大小、形状、匝数以及有无铁心。()频率:s内完成的周期性变化的次数叫做频率。公式:()在一个周期内电容器充、放电各一次E、B、I方向各改变一次。注意:()LC回路的T、f只与电路本身性质L、C有关()电磁振荡的周期很小频率很高这是振荡电流与普通交变电流的区别。分析电磁振荡要掌握以下三个要点(突出能量守恒的观点):⑴理想的LC回路中电场能E电和磁场能E磁在转化过程中的总和不变。⑵回路中电流越大时L中的磁场能越大(磁通量越大)。⑶极板上电荷量越大时C中电场能越大(板间场强越大、两板间电压越高、磁通量变化率越大)。LC回路中的电流图象和电荷图象总是互为余函数(见右图)。.等幅振荡:如果没有能量损失振荡可以永远持续下去振荡的振幅保持不变这样的电磁振荡称为等幅振荡。实际的振荡电路都有电阻电路中有一部分能量会转化为内能另外一部分能量以电磁波的形式向外辐射能量。因此振荡电路中的能量会逐渐减少直到停止。如果适时通过晶体管等电子器件为LC电路补充能量可得到等幅振荡。【例】某时刻LC回路中电容器中的电场方向和线圈中的磁场方向如右图所示。则这时电容器正在(充电还是放电)电流大小正在(增大还是减小)。解:用安培定则可知回路中的电流方向为逆时针方向而上极板是正极板所以这时电容器正在充电因为充电过程电场能增大所以磁场能减小电流在减小。【例】右边两图中电容器的电容都是C=×F电感都是L=×-H左图中电键K先接a充电结束后将K扳到b右图中电键K先闭合稳定后断开。两图中LC回路开始电磁振荡t=×-s时刻C的上极板正在电(充电还是放电),带电(正电还是负电)L中的电流方向向(左还是右)磁场能正在(增大还是减小)。解:先由周期公式求出=π×-st=×-s时刻是开始振荡后的。再看与左图对应的qt图象(以上极板带正电为正)和与右图对应的it图象(以LC回路中有逆时针方向电流为正)图象都为余弦函数图象。在时刻从左图对应的qt图象看出上极板正在充正电从右图对应的it图象看出L中的电流向左正在增大所以磁场能正在增大。(三)无线电波的发射和接收.电磁波的发射()有效发射电磁波的条件:)要有足够高的振荡频率。频率越高发射电磁波的本领越大。)电路必须开放使振荡电路的电场和磁场分散到尽可能大的空间。()实际的开放电路:线圈的一端用导线与大地相连叫做地线线圈的另一端与高高架在空中的天线相连。()调制:使电磁波随各种信号(如:声音、图象等)而改变的技术叫做调制。调幅:使高频电磁波的振幅随信号的强弱而改变这种调制叫做调幅(AM)。调频:使高频电磁波的频率随信号的强弱而改变这种调制叫做调频(FM)。.电磁波的接收()接收原理:电磁波在传播时如果遇到导体(接收天线)会使导体中感应出电流。()电谐振:调节接收电路的固有频率跟收到的电磁波的频率相同时接收电路中产生的振荡电流最强这种现象叫做电谐振。相当于机械振动中的共振。调谐:使接收电路产生电谐振的过程叫做调谐。解调:从接收到的高频信号中还原出所携带的声音或图像信号的过程。调幅波的解调叫做检波。()接收过程:调谐→解调→放大→显示器(扬声器)(四)电磁波的应用1.电视在电视发射端由摄像管摄取景物并将景物反射过来的光转化为电信号。在电视接收端由电视接收机的显像管把电信号还原成景物的像。.雷达雷达是利用无线电波来测定物体的位置的无线电设备。原理:电磁波遇到障碍物时要发生反射被雷达接收。工作过程:雷达向某一方向发射无线电波时在显示器的荧光屏上呈现发射的尖形波无线电波遇到障碍物反射回来被雷达接收在显示器的荧光屏上出现第二个尖形波。根据两个尖形波间的距离。可得到障碍物到雷达站的距离再根据发射无线电波的方向和仰角便可判定障碍物的位置。.移动电话.因特网【例】一台收音机把它的调谐电路中的可变电容器的动片从完全旋入到完全旋出仍然收不到某一较高频率的电台信号。要想收到该电台信号应该(增大还是减小)电感线圈的匝数。解:调谐电路的频率和被接受电台的频率相同时发生电谐振才能收到电台信号。由公式可知L、C越小f越大。当调节C达不到目的时肯定是L太大所以应减小L因此要减小匝数。【例】某防空雷达发射的电磁波频率为f=×MHZ屏幕上尖形波显示从发射到接受经历时间Δt=ms那么被监视的目标到雷达的距离为km。该雷达发出的电磁波的波长为m。解:由s=cΔt=×m=km。这是电磁波往返的路程所以目标到雷达的距离为km。由c=fλ可得λ=m【例】“神州五号”载人飞船成功发射如果你想通过同步卫星转发的无线电话与杨利伟通话则在你讲完话后至少要等多长时间才能听到对方的回话?(已知地球的质量为M=×kg地球半径为R=×m万有引力恒量G=×-Nmkg)解:同步卫星是相对于地面静止的它的运动周期T=×s设卫星离地面距离为h它绕地球转动的向心力是它对地球的万有引力即代入h=×m。最短通信距离是发话人和听话人均在同步卫星的正下方这时电磁波传播的最短距离为s=h所以最短时间为t=×hc=s。(五)电磁波谱.电磁波谱:按电磁波的波长或频率大小的顺序排列成谱叫电磁波谱。.不同电磁波的产生机理、特性和用途

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