第三章 电磁振荡 电磁波
一、电磁振荡
教学目标
1．理解LC回路中产生振荡电流的过程．了解电容器的充电、放电作用及电感阻碍电流变化的作用．
2．会分析振荡电流变化过程中，电场能和磁场能的相互转化的规律，并会分析振荡电流在一个周期变化过程中，电容器上电荷的变化情况及电感线圈中电流的大小和方向的变化情况．
3．知道阻尼振荡和无阻尼振荡的区别，以及振幅减小的原因．
4．通过观察演示实验，概括出电磁振荡等概念，培养学生的观察能力、类比推理能力，以及理解和概括能力．
重点难点
重点：电磁振荡过程中电场能与磁场能的相互转化规律
难点：LC回路振荡过程中电场强度和磁感应强度的相互转化规律
设计思想
本章在电场、磁场、电磁感应等章的基础上，论述电磁振荡和电磁波的理论和实践知识，而本节既是本章的基础内容，又是本章的一个重要组成部分，具有比较特殊的地位。分析LC电路中震荡电流的产生过程是本节的重点和难点，电磁振荡产生的物理过程比较抽象，所以重点放在电路中电场能和磁场能的相互转化规律。此外，本节内容的掌握程度直接影响本章的学习，因此本节的重点在于培养学生的观察能力和分析能力，为以后的学习铺平道路，真正体现“以学生发展为本”的教学理念，致力于改变以传授为主的传统教学模式。
在教学过程中，由于涉及到很多抽象的概念及规律，所以在教学手段上考虑采用：举例、提问、演示、实验、讨论、类比等教学方法，并使用多媒体手段，使实验中难以体现的内容和实质得以充分的展示，让学生有足够的时间去思考，去发现。
教学资源 LC振荡电路演示仪、课件
教学设计
【课堂引入】
问题：在我们乘飞机旅行时，空中小姐请我们系上安全带的同时，会特别强调：为了您和飞机的安全，请把手机、手提电脑关闭，这是为什么呢？
这是因为手机发射的电磁波会对飞机的雷达系统、导航系统形成干扰，使这些设备不能正常工作。实际上，无线电广播、电视、人造卫星、导弹、宇宙飞船等，传递信息和跟地面的联系都要利用电磁波．现代社会的各个部门，几乎都离不开“电磁波”，可以说“电”作为现代文明的标志，“电磁波”就是现代文明的神经中枢，或者叫现代化的代名词．
那么，电磁波是什么？它是怎样产生的？就要从电磁振荡开始学习．
【课堂学习】
学习活动一：振荡电流的产生 电磁振荡
问题1：什么是振荡电流？请同学们观察实验后思考回答。
实验1：按右图连接成实验电路。接着把开关扳到电池组一边，给电容器充电，稍后再把开关扳到线圈一侧，让电容器放电。（提醒学生注意观察电流表指针的变化）
现象：电流表指针左右摆动几次后停止。
表明：电路中产生了周期性变化的电流，由于存在能量损失，电路中电流表逐渐减小。
5
实验2：将晶体管振荡器接入LC电路，将振荡电流信号接入示波器观察波形。
现象：波形按正弦规律变化。
表明：振荡电流实质就是高频的交变电流。
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：能够产生振荡电流的电路叫做振荡电路。由线圈L和电容器C组成的最简单的振荡电路称为LC回路。理想的LC振荡电路：只考虑电感、电容的作用，而忽略各种能量损耗。
问题2： LC回路中与电场能有关的因素有哪些？
电场能↑→电场线密度↑→电场强度E↑→ 电容器极板间电压u↑→ 电容器带电量q↑
问题3： LC回路中与磁场能有关的因素有哪些？
磁场能↑→磁感线密度↑→磁感强度B↑→线圈中电流i↑
问题4：充电后的电容器通过电阻放电过程中，各物理量是如何变化的？
充电后的电容器，两极板带电量最多，电压最大，储存的电场能最大。通过电阻放电时，电荷逐渐中和，两板间电压逐渐减小，放电电流随之逐渐减小，电路中只存在短暂的放电电流。
模拟演示：用课件模拟电磁振荡的产生过程，分析振荡电路中电容、电感在电路中的作用及相关各量的变化情况。着重分析前半个周期，后半个周期引导学生分析。
放电过程：在放电过程中，q↓、u↓、E电场能↓→i↑、B↑、E磁场能↑，电容器的电场能逐渐转变成线圈的磁场能。由于线圈的自感作用，电流i是按正弦规律逐渐增大的，电流不会立刻达到最大值。放电结束时，q=0， E电场能=0，i最大，E磁场能最大，电场能完全转化成磁场能。
充电过程：放电结束时，由于L的自感作用，电路中移动的电荷不会立即停止运动，仍保持原方向流动。在充电过程中，q↑、u↑、E电场能↑→I↓、B↓、E磁场能↓，线圈的磁场能向电容器的电场能转化。充电结束时，q、E电场能增为最大，i、E磁场能均减小到零，磁场能向电场能转化结束。
反向放电过程: q↓、u↓、E电场能↓→i↑、B↑、E磁场能↑，电容器的电场能转化为线圈的磁场能。放电结束时，q=0， E电场能=0，i最大，E磁场能最大，电场能向磁场能转化结束。
反向充电过程: q↑、u↑、E电场能↑→i↓、B↓、E磁场能↓，线圈的磁场能向电容器的电场能转化。充电结束时，q、E电场能增为最大，i、E磁场能均减小到零，磁场能向电场能转化结束。
在理想情况下将如此循环下去。
电磁振荡：在振荡电路产生振荡电流的过程中，电容器极板上的电荷、通过线圈的电流，以及跟电荷和电流相联系的电场和磁场都发生周期性的变化，这种现象叫电磁振荡。
问题5：作出回路中的电流 i 和电荷 q 随时间做周期性变化的图象。（选取顺时针方向为正方向）
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学习活动二：无阻尼振荡和阻尼振荡
4．无阻尼振荡和阻尼振荡
问题1：什么叫无阻尼振荡？什么叫阻尼振荡？
学生阅读课本后回答
无阻尼振荡：振荡电路中，若没有能量损耗，则振荡电流的振幅将不变，叫做无阻尼振荡（或等幅振荡），如图所示。
阻尼振荡：任何振荡电路中，总存在能量损耗，使振荡电流的振幅逐渐减少，叫做阻尼振荡（或减幅振荡），如图所示。
学习活动三：电磁振荡的周期和频率
问题1：如何理解电磁振荡的周期和频率？
电磁振荡完成一次周期性变化所需的时间叫周期，用T表示.一秒钟完成周期性变化的次数叫频率，用f表示.
问题2：电磁振荡的周期和频率跟哪些因素有关呢？
电容表示电容器两极加单位电压时所带电量的多少，对于一定的充电电压，电容越大，电容器所带电荷量越多，则电容器充满和放完电荷所用时间越长，因此电容越大，振荡周期越大.
线圈的自感系数的大小反映线圈对电流变化的阻碍作用的大小，线圈的自感系数越大，它对电流变化的阻碍作用越大，振荡电流的变化越慢，完成一次周期性变化的时间越长，因此，线圈自感系数越大，振荡周期越大.
严格的理论推导，得出LC回路的周期、频率公式如下：
T=2π
f=
5
公式中各量对应的单位：T（S) ，f(Hz) ，L(H) ，C(F)
注意：LC回路的周期和频率只与电容和自感系数有关，叫做振荡电路的固有周期和固有频率。
【课堂小结】
问题1：什么是LC回路？
问题2：在LC回路中，振荡电流、极板上的电量、电场能和磁场能是怎样随时间变化的？
问题3：LC回路的振荡周期公式和频率公式？
【板书设计】
第一节 电磁振荡
1．振荡电流与电磁振荡放电
充电
同步变化
同步变化
电场能 磁场能
电容器电压ｕ
电容器带电量ｑ 电路中电流ｉ
(1)
(2)
步 调 相 反
2．无阻尼振荡和阻尼振荡
3．电磁振荡的周期和频率：T=2π
f=
课堂反馈
C
L
1．如图所示的LC振荡电路正处在振荡过程中，某时刻L中的磁场和C中的电场如图所示，可知（ A ）
A、电容器中的电场强度正在增大
B、线圈中磁感强度正在增大
C、该时刻电容器带电量最多
D、该时刻振荡电流达最大值
o
q
t
t1
t2
t3
t4
2．LC振荡电路中电容器极板上电量q 随时间t变化的图线如图，由图可知（ACD）
A、在t1时刻电路中的磁场能最小
B、从t1到t2，电路中的电流值不断变小
C、从t2到t3，电容器不断充电
D、在t4时刻电容器的电场能最小
C
L
+ + + +
―― ―－
(思考：q—t图线中各点切线斜率的物理意义是什么？)
3．LC振荡电路中某时的状态如图，试作出从该时刻起一个周期内的q—t和i—t 图线。
4.LC回路中线圈的自感系数是2 μH，要产生7.5 MHz的振荡电流，应选用多大电容的电容器？
解：L=2×10-6 H，f=7.5×106 Hz
由f=得：
5
C==2.25×1010 F=225 pF
课后测评
1．在LC回路产生电磁振荡的过程中，下列说法中正确的是( BC )
A．电容器放电完毕时刻，回路中磁场能最小
B．回路中电流值最大时刻，回路中磁场能最大
C．电容器极板上电荷量最多时，电场能最大
D．回路中电流值最小时刻，电场能最小
2．在LC电路中发生电磁振荡时，以下说法正确的是( D )
A．电容器的某一极板，从带最多的正电荷放电到这一极板充满负电荷为止，这一段时
间为一个周期
B．当电容器放电完毕瞬间，回路中的电流为零
C．提高充电电压，极板上带更多的电荷时，能使振荡周期变大
D．要提高振荡频率，可减小电容器极板间的正对面积
3．当LC振荡电路中的电流达到最大值时，电感L中磁场的磁感应强度B和电容器C
中电场的场强E是( C )
A．B和E都达到最大值
B．B和E都为零
C．B达到最大值而E为零
D．B为零而E达到最大值
4.图中的LC振荡电路，先把开关S掷到1处给电容器C充电，充好电后再将开关S掷到2处(组成LC振荡电路)，这时电容器开始放电，但电流不能立刻达到最大值，而是直到电容器C放电完毕时电流才达到最大值，造成此现象的原因是( A )
A．线圈的自感作用
B．电容器的本身特点
C．电子做定向移动需要一定的时间
D．以上答案都错误
5．在LC振荡电路中，由容器极板上的电荷量从最大值变化到零所需的最短时间( B )
A. B.
C．π D．2π
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