选择性必修二 · 第4章 电磁振荡与电磁波

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

• 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：

• 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）。

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。

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。

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）：

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

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）。