选择性必修二 · 第4章 电磁振荡与电磁波

人教版高中物理 · 辽宁高考复习专用
本章建立电与磁的统一图景:LC电磁振荡(T=2π√(LC))、 麦克斯韦电磁场理论、电磁波的发射接收与传播(c=λf)、电磁波谱及应用。本章以定性理解和简单计算为主。
辽宁新高考 · 物理(黑吉辽蒙卷)电磁振荡+电磁波谱

① 本章辽宁高考重点概览

考点辽宁常见考法热度标签
LC振荡电路与周期T=2π√(LC);充放电过程量判断★★★★必考重点
振荡中能量转化电场能↔磁场能;各物理量变化★★★★模型难点
麦克斯韦电磁场理论变化的磁场产生电场等四句话辨析★★★必考重点
电磁波产生、发射接收开放电路;调制/调谐/解调★★★了解
电磁波传播、c=λf真空中c=3×10⁸m/s;波长频率换算★★★★必考重点
电磁波谱及应用各波段排序、特性与科技应用★★★★科技热点

② 章节学习目标

物理观念

  • 形成统一的电磁场观念,认识电磁波是一种客观存在的物质,具有能量、可以在真空中传播

科学思维

  • 会分析LC振荡一个周期内充放电过程中q、i、电场能、磁场能的变化
  • 会用T=2π√(LC)、c=λf进行计算
  • 能辨析麦克斯韦理论命题,比较电磁波与机械波
  • 熟记电磁波谱顺序及各波段特性、应用

科学态度与责任

  • 了解5G/6G通信、北斗导航、射电望远镜(FAST"中国天眼")、航天测控等都依托电磁波

本章物理模型清单

  1. LC电磁振荡模型(阻尼可忽略时等幅振荡)
  2. 电磁场传播模型(变化的场互相激发、传播)
  3. 电磁波发射—接收模型(调制—调谐—解调)
  4. 电磁波谱分类应用模型

③ 情景回顾

情景一·收音选台

转动收音机调谐旋钮就能从众多电台中选出一个,调节的其实是机内LC回路的固有频率。
→ LC振荡与电谐振

情景二·手机通信

没有电线连接,声音、视频却能在手机与基站间传递,信号"载体"是什么?
→ 电磁波

情景三·红外测温

疫情期间红外测温仪不接触人体就能测体温;遥控器、夜视仪也靠它。
→ 红外线(电磁波谱)

情景四·中国天眼

FAST射电望远镜接收宇宙深处天体发出的无线电波,500米口径世界最大。
→ 无线电波/电磁波

④ 核心知识点讲解

4.1 电磁振荡

  • 振荡电流:大小和方向随时间做周期性迅速变化的电流(高频交流电);产生振荡电流的电路叫振荡电路,最简单的是LC回路(自感线圈L与电容器C组成)。
  • 振荡过程(无阻尼):先给电容器充电(带电量最多、极板间电场能最大,此时电流为0),接通LC回路后:
过程电容器电量q电流i电场能磁场能
放电过程(1/4周期)最多→00→最大最大→00→最大
反向充电(1/4周期)0→反向最多最大→00→最大最大→0
反向放电(1/4周期)反向最多→00→反向最大最大→00→最大
正向充电(1/4周期)0→最多反向最大→00→最大最大→0
T = 2π√(LC)  f = 1 / [2π√(LC)]
规律:①LC振荡的周期(频率)由L、C本身决定,叫固有周期(频率),与充电多少无关;L越大、C越大,T越长(f越低);②一个周期内电容器充放电各两次、电流方向改变两次;③q最大时i=0、i最大时q=0——q(及电场能)与i(及磁场能)变化相差1/4周期;④无阻尼时总能量守恒:电场能+磁场能=恒量(实际有电阻会衰减为阻尼振荡,需不断补充能量)。
C L ti T=2π√(LC)
图4-1 LC振荡电路与振荡电流(等幅正弦式,实际有阻尼需补能)

4.2 麦克斯韦电磁场理论

变化的磁场产生电场;变化的电场产生磁场
  • 恒定的场不产生另一种场(稳定磁场不产生电场);
  • 均匀变化的场(变化率恒定)产生稳定的另一种场(稳定电场不能再继续产生磁场,不能传播);
  • 周期性(振荡)变化的场产生同频率周期性变化的另一种场——电场和磁场交替产生、由近及远传播,形成电磁波。
  • 麦克斯韦预言电磁波存在并提出光也是一种电磁波;赫兹用实验首次证实电磁波存在(电火花实验,测定其速度等于光速,能发生反射、折射、干涉、衍射)。
【辨析】"变化"四命题
命题判断
变化的磁场一定产生电场✓
变化的电场一定产生磁场✓
恒定的磁场(电场)也产生电场(磁场)✗
均匀变化的磁场产生均匀变化的电场✗(产生稳定电场)

4.3 电磁波的发射、传播与接收

发射

  • 有效发射条件:①开放电路(电场和磁场分散到空间,而非封闭在LC回路内);②采用高频振荡电流(频率越高越易向外辐射能量)。实际用天线、地线构成开放电路并通过互感与高频LC回路耦合。
  • 调制:把要传递的信号(声音、图像等低频信号)"加"到高频电磁波(载波)上。调幅(AM):使高频载波振幅随信号变化;调频(FM):使载波频率随信号变化。

传播

  • 电磁波是横波(电场、磁场振动方向都垂直于传播方向且互相垂直);传播不需要介质,在真空中传播速度等于光速。
真空中 c = 3.0×10⁸m/s  c = λ f (介质中v=c/n,f不变)

接收

  • 调谐:调节接收电路(LC)的固有频率,使与某一电台发射的电磁波频率相同,发生电谐振(类似机械共振),该频率信号在接收回路激起的振荡电流最强——"选台"。调谐条件:f固=1/(2π√(LC))=外来频率。
  • 解调(检波):从接收到的高频调幅电流中把所需信号电流"取出来"(调制的逆过程),再经放大、耳机/扬声器还原声音。
对比电磁波机械波
产生周期性变化的电磁场机械振动(振源+介质)
传播介质不需要,真空可传必须有弹性介质,真空不能传
波型横波横波/纵波
共同点都能发生反射、折射、衍射、干涉、多普勒效应;都传能量信息、v=λf;都不需要质点/场随波迁移

4.4 电磁波谱

按电磁波波长(频率)依次排列构成电磁波谱。按频率由低到高(波长由长到短):

无线电波 → 红外线 → 可见光 → 紫外线 → X射线 → γ射线
波段特性主要应用
无线电波波长最长、衍射能力强广播、电视、移动通信、雷达、导航(北斗)、射电天文
红外线热效应显著、不可见、任何物体都辐射红外测温、遥控、红外遥感、夜视仪、热成像
可见光人眼可见(红橙黄绿蓝靛紫)照明、摄影、光通信;红光波长最长、紫光最短
紫外线化学作用、荧光效应、杀菌消毒灭菌、验钞(荧光)、促进维生素D合成;防晒防过量
X射线穿透能力较强医用透视/CT、工业探伤、安检
γ射线频率最高、能量最大、穿透最强金属探伤、放射治疗(放疗)、原子核研究;注意防护
规律:①从无线电波到γ射线:频率↑、波长↓、光子能量↑(与选必三衔接)、穿透能力总体↑;②它们本质都是电磁波、在真空中速度都是c,区别只在频率(波长)和产生机理;③波长越长衍射越明显、越易绕过障碍物;频率越高直线性、穿透性越强。
身边的电磁波
5G手机(约GHz微波/无线电波)、微波炉(微波使水分子高频振动生热)、蓝牙Wi-Fi、卫星与空间站通信、北斗授时——都靠电磁波传递信息,且电磁波传播不需要介质,故航天器可在太空与地面通信。FAST"中国天眼"接收的是天体发出的无线电波。

⑤ 模型陷阱 VS 物理真相

❌ 错误直觉

LC回路中电容器极板电量最大时电流也最大。

✅ 物理真相

q最大时刻是放电(或充电结束)瞬间,电流i=0(i=dq/dt为零);放电完毕q=0时电流最大。q与i相差1/4周期:电场能最大时磁场能为零,反之亦然,总能量守恒。

❌ 错误直觉

增大电容器初始充电电压,LC振荡频率就变大。

✅ 物理真相

固有频率f=1/(2π√(LC))只由L、C决定,与充电电压、极板初始电量无关;充电多只使振幅(电流峰值、能量)变大,频率不变(类同单摆周期与振幅无关)。

❌ 错误直觉

均匀变化的磁场产生均匀变化的电场,电场又生磁场一直传下去。

✅ 物理真相

均匀变化(变化率恒定)的磁场只产生稳定的电场,稳定电场不再产生磁场,不能形成电磁波;只有周期性(振荡)变化的场才能交替激发、传播。

❌ 错误直觉

电磁波和声波一样必须靠空气等介质才能传播。

✅ 物理真相

电磁波传播不需要介质,真空中以c=3.0×10⁸m/s传播(故太阳光、航天器信号能穿过真空到达地球);机械波(声波)必须有介质,真空中不能传播。

❌ 错误直觉

调谐就是把声音信号加载到电磁波上。

✅ 物理真相

把信号加到载波上叫调制(发射端);调谐是接收端调节LC回路固有频率与某电台频率发生电谐振以"选台";从高频电流中取出信号叫解调(检波)。三者环节与方向不要混。

❌ 错误直觉

红外线是红色的光、紫外线是紫色的光。

✅ 物理真相

红外线、紫外线都不可见:红外线在红光之外(波长比红光更长),紫外线在紫光之外(波长比紫光更短)。可见光只有红橙黄绿蓝靛紫七种色波段。

⑥ 本章重难点总结

逻辑主线

电磁振荡:LC回路T=2π√(LC),电场能⇌磁场能 → 理论:麦克斯韦(变化场互生、预言电磁波、光也是电磁波)赫兹证实 → 应用:调制发射、c=λf传播、调谐解调接收 → 电磁波谱:波段特性与应用

必背清单

  1. LC周期T=2π√(LC),固有频率与充电多少无关
  2. q最大时i=0;i最大时q=0;电场能+磁场能守恒
  3. 变化场互生;均匀变化→稳定场;振荡变化→同频振荡场→电磁波
  4. 电磁波横波、不需介质、真空中c=3×10⁸m/s、c=λf
  5. 调制(调幅/调频)发射;调谐(电谐振选台)、解调接收
  6. 谱序:无线电波→红外→可见→紫外→X→γ(f↑λ↓能量↑)
  7. 红外热效应、紫外荧光杀菌、X/γ穿透;红长紫短
【综合命题视角】

辽宁选择题常考:LC振荡过程四量(q、i、E电、E磁)同步变化判断;改变L或C(如调台、可变电容)后频率变化;麦克斯韦四命题辨析;给频率求波长或给波段判应用(如5G频率、红外测温、γ探伤)。注意与机械波章节对比命题、与选必三光的波粒二象性、γ射线衔接。

⑦ 易错点辨析

说法判断说明
q最大时i最大✗q最大时i=0(差1/4周期)
充电电压高频率高✗f由L、C决定
均匀变化磁场产生均匀变化电场✗产生稳定电场
电磁波要靠介质传播✗真空可传,速度为c
红外线是红色可见光✗红外线不可见
调谐=调制✗调谐在接收端选台
【审题坑清单】
  • 过程时刻坑:看清问"放电开始/完毕""充电过程中"——q、i增减方向相反
  • L、C单位坑:mH、μH、μF、pF先换H、F再代入根号
  • 波长频率坑:c=λf中f用Hz(MHz×10⁶);介质中f不变v、λ变
  • 谱序方向坑:题目按"频率"还是"波长"排序方向相反
  • 调制方式坑:调幅改变振幅、调频改变频率,别互换
  • 能量表述坑:无阻尼振荡能量守恒;实际发射/电阻存在时能量减少需补充

⑧ 科学探究板块

科学历程与探究:从麦克斯韦预言到赫兹实验

1. 理论预言(麦克斯韦,1865)

麦克斯韦在法拉第场思想基础上建立电磁场理论,预言:变化的电场与磁场交替产生并传播形成电磁波,推算电磁波速度等于光速,进而大胆提出光的电磁说(光本质上是按电磁规律传播的电磁波)。

2. 实验证实(赫兹,1887—1888)

  • 装置:感应圈与两个金属杆(端部分别带金属球,构成开放的振荡偶极子)作为发射端;带金属球缺口的环形导线作为接收端。
  • 现象:发射端两球间产生高频电火花时,接收端缺口处也出现微弱火花——尽管没有导线连接,能量通过空间传播过去,首次在实验上证实电磁波存在。
  • 赫兹还通过驻波等方法测出电磁波波长与频率、算得其速度等于光速,并观察到电磁波与光一样发生反射、折射、干涉、衍射、偏振,全面证实了麦克斯韦理论。

3. 思想方法

科学预言—实验检验(理论先于实验)、类比法(麦克斯韦把电磁现象与机械波动类比)、转换法(看不见的电磁波用接收端火花显示)。

【注意】
  • 赫兹实验中接收端产生火花是因为电磁波在接收环中激发了高频振荡高压,使空气击穿;
  • "科学理论需要实验检验"是本题材常考的科学方法选项;马可尼随后实现无线电报通信,把科学发现转化为技术。
【辽宁高考变式】
  • 给发射偶极子与接收环,分析改变L或C对发射/接收频率的影响(调谐原理);
  • 用可拆LC电路演示:增大电容(插入介质/增大正对面积)或电感(插入铁芯)→振荡周期变长;
  • 结合手机/广播频率数值(如FM 100MHz)计算波长(约3m)并判断属于无线电波;
  • 多选题考物理史实配对:麦克斯韦预言、赫兹证实、法拉第电磁感应、马可尼通信。

⑨ 配套习题

【例1】LC振荡周期频率基础巩固必考重点

一个LC振荡电路,线圈自感系数L=0.10mH,电容器电容C=1.0μF。求电路的固有周期T和频率f(π取3.14)。

查看答案与解析

答案:T≈6.28×10⁻⁵s,f≈1.6×10⁴Hz(约16kHz)

换单位:L=0.10mH=0.10×10⁻³H=1.0×10⁻⁴H;C=1.0μF=1.0×10⁻⁶F。
周期:LC=1.0×10⁻⁴×1.0×10⁻⁶=1.0×10⁻¹⁰,√(LC)=1.0×10⁻⁵s。
T=2π√(LC)=2×3.14×1.0×10⁻⁵=6.28×10⁻⁵s。
频率:f=1/T=1/(6.28×10⁻⁵)≈1.59×10⁴Hz≈1.6×10⁴Hz(约16kHz)。
常见错因:①mH、μF不换算(10⁻³、10⁻⁶漏写);②√(10⁻¹⁰)算成10⁻¹⁰或10⁻².⁵(应为10⁻⁵);③T与f关系颠倒;④误以为频率与充电电压有关。
【例2】电磁波波长与传播中档综合必考重点

某调频广播电台发射频率f=100MHz的电磁波。求:(1)该电磁波在真空中的波长λ;(2)该电磁波从地面传到地球同步卫星(信号单程约走3.6×10⁴km)所需时间(真空按c计)。

查看答案与解析

答案:(1)λ=3.0m;(2)t=0.12s

(1):c=λf,λ=c/f=3.0×10⁸/(100×10⁶)=3.0×10⁸/1.0×10⁸=3.0m(属米波/无线电波,FM广播波段)。
(2):s=3.6×10⁴km=3.6×10⁷m,t=s/c=3.6×10⁷/3.0×10⁸=0.12s。
常见错因:①MHz没乘10⁶;②km没换m;③把波长算成c·f;④误认为电磁波在真空中速度与频率有关(都等于c)。
【例3】LC振荡过程分析高考难度模型难点

(多选)某LC振荡电路在某一时刻电容器极板上电量q恰好为零,下列说法正确的是(不计能量损耗)(   )

A. 此时刻回路中振荡电流最大
B. 此时刻电容器中电场能为零,线圈中磁场能最大
C. 此后一小段时间内电流将增大、极板电量继续增大
D. 振荡过程中电场能与磁场能周期性相互转化,二者之和保持不变
查看答案与解析

答案:ABD

A:q=0对应放电完毕瞬间,极板电荷释放完,电流达到最大值(随后开始反向充电),A正确。
B:q=0→极板间电场消失,电场能为零;电流最大→线圈磁场能最大;无阻尼时总能量此刻全部为磁场能,B正确。
C:q=0之后进入反向充电阶段:电流从最大值开始减小,极板上(反向)电量由0开始增大。选项说"电流将增大"错误,C错。
D:无阻尼LC振荡中电场能与磁场能周期性转化、总和守恒(等于初始能量),D正确。
常见错因:①认为q=0时电流也为零(二者差1/4周期);②放电完毕后下一阶段判错(是反向充电,电流减小、电量反向增大);③把电场能、磁场能最大值时刻判成同时出现;④忽略"无损耗"条件直接套守恒。
【例4】麦克斯韦理论与电磁波谱中档综合科技热点

(多选)关于电磁场、电磁波与电磁波谱,下列说法正确的是(   )

A. 周期性变化的电场在周围空间产生同频率周期性变化的磁场,它们交替产生传播形成电磁波
B. 赫兹通过实验首次证实了电磁波的存在,并测得电磁波在真空中速度等于光速
C. 红外线测温仪利用红外线热效应显著的特点;医院用紫外线消毒、用X射线进行透视检查
D. 电磁波与机械波都需要介质才能传播,在真空中都不能传播
查看答案与解析

答案:ABC

A:周期性(振荡)变化的电场产生同频率周期性变化的磁场,磁场又产生电场,交替激发由近及远形成电磁波,A正确。
B:1887—1888年赫兹用振荡偶极子电火花实验首次证实电磁波存在,并测出其速度等于光速、验证其有反射折射干涉衍射等性质,B正确。
C:红外线热效应强用于测温/热成像;紫外线能破坏微生物结构用于消毒;X射线穿透较强用于医用透视,C正确。
D:电磁波传播不需要介质,真空中以c传播;机械波才必须有介质、真空不能传播,D错。
常见错因:①把电磁波与机械波传播条件混为一谈;②物理史人物张冠李戴(预言—麦克斯韦、证实—赫兹);③红外线与紫外线特性、应用记反;④忽略"周期性变化"与"均匀变化"产生场的区别。

⑩ 章节思维导图

电磁振荡与电磁波
  • 电磁振荡
    • LC回路,T=2π√(LC)
    • q最大i=0;i最大q=0
    • 电场能⇌磁场能(守恒)
  • 电磁场理论
    • 变化磁场生电场、变化电场生磁场
    • 均匀变化→稳定场;振荡变化→电磁波
    • 麦克斯韦预言、赫兹证实、光是电磁波
  • 电磁波
    • 横波、不需介质、c=λf=3×10⁸m/s
    • 调制(调幅/调频)发射
    • 调谐选台、解调接收
  • 电磁波谱
    • 无线电→红外→可见→紫外→X→γ
    • f↑λ↓能量↑穿透↑

⑪ 复习自检清单

4.1 电磁振荡

4.2-4.3 理论与电磁波

4.4 电磁波谱

典型模型

高考陷阱识别

已掌握 0 / 25 项