普通高中物理选择性必修二 第四章第1节 电磁振荡

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• 普通高中物理选择性必修二 第四章第1节 电磁振荡
• 内容来源|普通高中教科书 物理 选择性必修第二册 人民教育出版社 软件|亿图脑图MindMaster
• 他（麦克斯韦）从这组公式里算出了电磁波的速度，发现跟那时已知的光波的速度是一样的，所以他肯定：光就是电磁波。这是1860年的一个重大贡献，这一发现把物理中关于电、磁、光之间的关系整个地改观了。——杨振宁
• 水波是由机械振动形成的。一颗石子投入水面会激起一阵涟漪，但是要形成持续的水波，则需要不断地击打水面。电视、广播接收的是电磁波，要产生持续的电磁波，需要持续变化的电流。怎样才能产生这样的电流呢？
• 电磁振荡的产生
• 要产生持续变化的电流，可以通过线圈和电容器组成的电路实现。
• 演示
  • 振荡电路中电压的波形
    • 实验电路
      • 把线圈、电容器、电源和单刀双掷开关按图连成电路。
      • 把电压传感器（或示波器）的两端连在电容器的两个极板上。
    • 实验观察
      • 先把开关置于电源一侧，为电容器充电；稍后再把开关置于线圈一侧，使电容器通过线圈放电。
      • 观察计算机显示器（或示波器）显示的电压的波形。
• 振荡电流
  • 大小和方向都做周期性迅速变化的电流，叫作振荡电流。
    • 振荡电流实际上就是交变电流，习惯上指频率很高的交变电流。
• 振荡电路
  • 产生振荡电流的电路，叫作振荡电路。
    • 最简单的振荡电路即LC振荡电路。
• 电磁振荡
  • 电磁振荡过程
    • • 开关掷向线圈一侧的瞬间，即电容器刚要放电的瞬间，电路里没有电流，电容器两极板上的电荷最多。
    • • 电容器开始放电后，由于线圈的自感作用，放电电流不能立刻达到最大值，而是由0逐渐增大，同时电容器极板上的电容逐渐减少。到放电完毕时，放电电流达到最大值，电容器极板上没有电荷。
    • • 电容器放电完毕时，由于线圈的自感作用，电流并不会立即减小为0，而要保持原来的方向继续流动，并逐渐减小。由于电流继续流动，电容器充电，电容器两极板带上与原来相反的电荷，且电荷逐渐增多。充电完毕的瞬间，电流减小为0，电容器极板上的电荷最多。
    • • 电容器再放电。
    • • 电容器再充电。
  • 振荡电路电流的周期性变化
  • 电容器极板上电荷量的周期性变化
  • 整个过程，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。
• 电磁振荡中的能量变化
• 思考与讨论 在电磁振荡中，电荷量q、电流i、电场强度E、磁感应强度B这几个量在周期性的变化。那么，在电磁振荡中，能量是如何转化的？
• 电磁振荡中的能量转化
  • • 电容器刚要放电时，电容器里的电场最强，电路里的能量全部储存在电容器的电场中。
  • • 电容器开始放电后，电容器里的电场逐渐减弱，线圈的磁场逐渐增强，电场能逐渐转化为磁场能。在放电完毕的瞬间，电场能全部转化为磁场能。
  • • 电容器反向充电，线圈中的磁场逐渐减弱，电容器里的电场逐渐增强，磁场能逐渐转化为电场能，到反方向充电完毕的瞬间，磁场能全部转化为电场能。
  • 在电磁振荡的过程中，电场能和磁场能会发生周期性的转化。
  • 如果没有能量损耗，振荡可以永远持续下去，振荡电流的振幅保持不变。
• 电磁振荡中的能量变化
  • 能量损耗
    • 任何电路都有电阻，电路中总会有一部分能量会转化为内能。
    • 会有一部分能量以电磁波的形式辐射出去。
    • 振荡电路中的能量会逐渐减少，振荡电流的振幅也就逐渐减小，直到最后停止振荡。
  • 等幅振荡
    • 如果能够适时地把能量补充到振荡电路中，以补偿能量损耗，就可以得到振幅不变的等幅振荡。
    • 实际电路中由电源通过电子器件为LC电路补充能量。
• 电磁振荡的周期和频率
• 思考与讨论 电容较大时，电容器充电、放电的时间会长些还是短些？线圈的自感系数较大时，电容器充电、放电的时间会长些还是短些？
• 电磁振荡 周期和频率
  • 定义
    • 周期
      • 电磁振荡完成一次周期性变化需要的时间叫作周期。
    • 频率
      • 电磁振荡完成周期性变化的次数与所用时间之比叫作它的频率。
        • 频率数值等于单位时间内完成的周期性变化的次数。
  • 计算式
    • L表示电感，C表示电容，单位分别为亨利（H）和法拉（F）。
  • 固有周期固有频率
    • 如果没有能量损耗，也不受其他外界条件影响，这时的周期和频率叫作振荡电路的固有周期和固有频率，简称振荡电路的周期和频率。
  • 应用
    • 用可调电容器或可调电感的线圈组成电路，改变电容器的电容或线圈的电感，振荡电路的周期和频率就会随着改变。
    • 适当地选择电容器和电感线圈，可以使振荡电路的周期和频率符合我们的需要。
    • 现代的实际电路中使用的振荡器多数是晶体振荡器，其工作原理与LC振荡电路的原理基本相同。
• 例题 在LC振荡电路中，线圈L的自感系数为30mHz，可调电容器C的可调范围为1.2~270pF。求振荡电路的频率范围。
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