人教版 (2019)選擇性必修 第二冊1 電磁振蕩精品學(xué)案

這是一份人教版 (2019)選擇性必修 第二冊1 電磁振蕩精品學(xué)案，共11頁。
[學(xué)習(xí)目標(biāo)] 1.知道什么是振蕩電流和振蕩電路。2.知道LC振蕩電路中振蕩電流的產(chǎn)生過程，知道電磁振蕩過程中的能量轉(zhuǎn)化情況(重難點(diǎn))。3.知道LC電路的周期和頻率公式，并會進(jìn)行相關(guān)的計(jì)算。
一、電磁振蕩的產(chǎn)生及能量變化
1．振蕩電流：大小和方向都做周期性迅速變化的電流。
2．振蕩電路：產(chǎn)生振蕩電流的電路。
3．LC振蕩電路：由電感線圈L和電容C組成的最簡單的振蕩電路。
4．電磁振蕩：在LC振蕩電路中，電路的電流i、電容器極板上的電荷量q、電容器里的電場強(qiáng)度E、線圈里的磁感應(yīng)強(qiáng)度B，都在周期性地變化。這種現(xiàn)象就是電磁振蕩。
如圖所示，將開關(guān)S擲向1，先給電容器充電，再將開關(guān)擲向2。以逆時(shí)針方向?yàn)殡娏髡较?，以S接通2接線柱這一刻為t＝0時(shí)刻。完成下列表格。
例1 (多選)(2023·南京金陵中學(xué)期末)如圖所示的LC振蕩電路中，某時(shí)刻電容器上下極板帶電情況和線圈L中的磁場方向如圖所示，則此時(shí)( )
A．線圈中的自感電動勢在增大
B．電容器兩端電壓正在減小
C．磁場能正在轉(zhuǎn)化為電場能
D．LC回路中的電流正在增大
答案 BD
解析 根據(jù)線圈L中的磁場方向，由安培定則可知，電路中的電流是逆時(shí)針方向，則電容器處于放電過程，電容器電荷量逐漸減小，則電容器兩端電壓正在減小，故B正確；由于放電過程LC回路中的電流慢慢增大，電流的變化率正在減小，故線圈中的自感電動勢在減小，故A錯誤，D正確；根據(jù)LC振蕩電路中能量關(guān)系可知，電場能正在轉(zhuǎn)化為磁場能，故C錯誤。
1．在LC振蕩電路發(fā)生電磁振蕩的過程中，與電容器有關(guān)的物理量：電荷量q、電場強(qiáng)度E、電場能EE是同步變化的，即q↓→E↓→EE↓(或q↑→E↑→EE↑)。
與線圈有關(guān)的物理量：振蕩電流i、磁感應(yīng)強(qiáng)度B、磁場能EB也是同步變化的，即i↓→B↓→EB↓(或i↑→B↑→EB↑)。
2．在LC振蕩過程中，電容器上的三個物理量q、E、EE增大時(shí)，線圈中的三個物理量i、B、EB減小，即q、E、EE↑eq \(―――→,\s\up7(異向變化))i、B、EB↓。
例2 如圖甲所示，在LC振蕩電路中，其電流變化規(guī)律如圖乙所示，規(guī)定順時(shí)針方向?yàn)殡娏鱥的正方向，則( )
A．0至0.5 s時(shí)間內(nèi)，電容器C在放電
B．0.5 s至1 s時(shí)間內(nèi)，電場能正在減小
C．1 s至1.5 s時(shí)間內(nèi)，磁場能正在減小
D．1.5 s至2 s時(shí)間內(nèi)，P點(diǎn)的電勢比Q點(diǎn)的電勢低
答案 A
解析 0至0.5 s時(shí)間內(nèi)，電路中電流順時(shí)針變大，則電容器C在放電，選項(xiàng)A正確；0.5 s至1 s時(shí)間內(nèi)，電路中電流順時(shí)針減小，則電容器正在充電，電場能正在增加，選項(xiàng)B錯誤；1 s至1.5 s時(shí)間內(nèi)，電路中電流逆時(shí)針增加，則磁場能正在增加，選項(xiàng)C錯誤；1.5 s至2 s時(shí)間內(nèi)，電路中電流逆時(shí)針減小，電容器正在充電，此時(shí)電容器上極板帶正電，即P點(diǎn)的電勢比Q點(diǎn)的電勢高，選項(xiàng)D錯誤。
針對訓(xùn)練 1 在如圖甲所示的振蕩電路中，電容器極板間電壓隨時(shí)間變化的規(guī)律如圖乙所示，規(guī)定電路中振蕩電流沿逆時(shí)針方向?yàn)檎较?，則電路中振蕩電流隨時(shí)間變化的圖像是( )
答案 D
解析 電容器極板間電壓U＝eq \f(Q,C)，隨電容器極板上電荷量的增大而增大，隨電荷量的減小而減小。從題圖乙可以看出，在0～eq \f(T,4)這段時(shí)間內(nèi)是充電過程，且UAB＞0，即φA＞φB，A板應(yīng)帶正電，只有順時(shí)針方向的電流才能使A板被充電后帶正電，同時(shí)考慮到t＝0時(shí)刻電壓為零，電容器極板上的電荷量為零，電流最大，即t＝0時(shí)刻，電流為負(fù)向最大，D正確。
LC振蕩電路充、放電過程的判斷方法：
(1)根據(jù)電流流向判斷，當(dāng)電流流向帶正電的極板時(shí)，處于充電過程；反之，處于放電過程。
(2)根據(jù)物理量的變化趨勢判斷：當(dāng)電容器的帶電荷量q(U、E)增大時(shí)，處于充電過程；反之，處于放電過程。
(3)根據(jù)能量判斷：電場能增加時(shí)，處于充電過程；磁場能增加時(shí)，處于放電過程。
二、電磁振蕩的周期和頻率
1．周期：電磁振蕩完成一次周期性變化需要的時(shí)間。
2．頻率：電磁振蕩完成周期性變化的次數(shù)與所用時(shí)間之比，數(shù)值上等于單位時(shí)間內(nèi)完成的周期性變化的次數(shù)。
3．LC電路的周期和頻率公式：T＝2πeq \r(LC)，f＝eq \f(1,2π\(zhòng)r(LC))。
說明：(1)LC電路的周期、頻率都由電路本身的特性(L和C的值)決定，與電容器極板上電荷量的多少、板間電壓的高低、是否接入電路中等因素?zé)o關(guān)。
(2)電路中的電流i、線圈中的磁感應(yīng)強(qiáng)度B、電容器極板間的電場強(qiáng)度E的變化周期就是LC電路的振蕩周期T＝2πeq \r(LC)，在一個周期內(nèi)上述各量方向改變兩次；電容器極板上所帶的電荷量，其變化周期也是振蕩周期T＝2πeq \r(LC)；而電場能、磁場能變化周期是振蕩周期的一半，即T′＝eq \f(T,2)＝πeq \r(LC)。
如圖所示的電路，
(1)如果僅更換電感L更大的線圈，將開關(guān)S擲向1，先給電容器充電，再將開關(guān)擲向2，電容器通過線圈放電，線圈因自感現(xiàn)象產(chǎn)生的自感電動勢是否更大？“阻礙”作用是否也更大？由于延緩了振蕩電流的變化，振蕩周期T會怎樣變化？
(2)如果僅更換電容C更大的電容器，將開關(guān)S擲向1，先給電容器充電，電容器的帶電荷量是否增大？ 再將開關(guān)擲向2，電容器通過線圈放電，放電時(shí)間是否變長？振蕩周期是否變長？
答案 (1)自感電動勢更大，“阻礙”作用更大，周期變長。
(2)帶電荷量增大，放電時(shí)間變長，周期變長。
例3 要想增大LC振蕩電路中產(chǎn)生的振蕩電流的頻率，可采用的方法是( )
A．增大電容器兩極板的間距
B．升高電容器的充電電壓
C．增加線圈的匝數(shù)
D．在線圈中插入鐵芯
答案 A
解析 LC振蕩電路中產(chǎn)生的振蕩電流的頻率f＝eq \f(1,2π\(zhòng)r(LC))，要想增大頻率，應(yīng)該減小電容C或減小線圈的電感L，再根據(jù)C＝eq \f(εrS,4πkd)，增大電容器兩極板的間距，電容減小，A正確；升高電容器的充電電壓，電容不變，B錯誤；增加線圈的匝數(shù)、在線圈中插入鐵芯，自感系數(shù)均增大，故C、D錯誤。
例4 某個智能玩具的聲響開關(guān)與LC電路中的電流有關(guān)，如圖所示為玩具內(nèi)的LC振蕩電路部分。已知線圈自感系數(shù)L＝2.5×10－3 H，電容器電容C＝4 μF，在電容器開始放電時(shí)(取t＝0)，上極板帶正電，下極板帶負(fù)電，則( )
A．LC振蕩電路的周期T＝π×10－4 s
B．當(dāng)t＝π×10－4 s時(shí)，電容器上極板帶正電
C．當(dāng)t＝eq \f(π,3)×10－4 s時(shí)，電路中電流方向?yàn)轫槙r(shí)針
D．當(dāng)t＝eq \f(2π,3)×10－4 s時(shí)，電場能正轉(zhuǎn)化為磁場能
答案 C
解析 LC振蕩電路的周期T＝2πeq \r(LC)＝2π×eq \r(2.5×10－3×4×10－6) s＝2π×10－4 s，選項(xiàng)A錯誤；當(dāng)t＝π×10－4 s＝eq \f(T,2)時(shí)，電容器反向充滿電，所以電容器上極板帶負(fù)電，選項(xiàng)B錯誤；當(dāng)t＝eq \f(π,3)×10－4 s時(shí)，即0