（选必2：核心素养）4.1 电磁振荡（教案3）

skybamboo · 发表于 10 小时前

4.1电磁振荡
〖教材分析〗
本节课程是本章的重难点内容，要理解好振荡电路的产生过程为下面的电磁波的产生和传播做铺垫。本节课要知道在电磁振荡过程中回路中的由流变化规律及申量变化规律，要知道在整个振荡周期内，能量的转化过程，为进一步认识由磁波的产生奠定基础。
〖教学目标与核心素养〗
物理观念∶理解电磁振荡的概念，体会物理观念产生的过程。
科学思维∶通过振荡电路的分析，体会物理模型在探索自然规律中的作用。
科学探究：培养学生实验探求知识的意识，增强求知欲望。
科学态度与责任∶通过结合生活中各种相应现象及常识，理解电磁振荡在人们生活中的地位。认识到物理学是基于人类有意识的探索而形成的对自然现象的描述与解释。
〖教学重难点〗
教学重点：振荡电路中能量的转化和守恒。
教学难点：振荡电路的变化过程中电流、电量、能量的变化规律。
〖教学准备〗
多媒体课件、音叉，一盆水等。
〖教学过程〗

图片展示：旅行者一号和拍摄的地球图片
时至今日，我们仍然能够接收到200亿千米之外旅行者1号发来的信息。电磁波的发现和使用带来了通信技术的发展，极大地改变了人们的生活，开阔了我们的视野。
一、新课引入

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?

演示实验：用小锤敲打音叉，然后放入水中。播放动图：不断击打的水面。
要产生持续变化的电流由两种一种是交流发电机，和电容器的充放电的过程。我们现在用电容器来产生持续变化的电流。
二、新课教学
演示：观察振荡电路中电压的波形

把线圈、电容器、电源和单刀双掷开关按照图甲连成电路。把电压传感器（或示波器）的两端连在电容器的两个极板上。
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。观察电脑显器显示的电压波形。
（一）电磁振荡的产生

1.概念
在前面的实验中电路的电压发生周期性的变化，电流也发生周期性的变化。并且由于周期很短也就变化很迅速，导致频率就很高，所以在物理上把这种高频交流电流称为震荡电流。即
①大小和方向都做周期性迅速变化的电流，叫振荡电流。
想一想与交流电有何区别？
振荡电流实际上就是交变电流，不过习惯上指频率很高的交变电流。所以我们采用电容器来提供变化的电流，如果用发电机，那么它的转速要达到3000转以上，这对设备将会是一个很大的考验。
②振荡电路：能够产生振荡电流的电路。
当开关置于线圈一侧时，由电感线圈L和电容C组成的电路，就是最简单的振荡电路，称为LC振荡电路。像现在的这个那就是一个最简单的振荡电路。

2.振荡电路的工作原理
a.电容器充电结束，两极板上的电荷最多。
b.电容器开始放电，回路中电流从0开始逐渐增到最大。两极板电荷量从最大减为0。
那放电过程结束后，电流会从最大值直接变为零吗？
c.当然不会啦，因为线圈有自感效应，它会阻碍电路中的电流变小。所以电流会保持原来的流向，并逐渐减小到零。所以当自感线圈给电容器反向充电结束，回路中电流从最大减为0，两极板电荷量从0变回最大。
d.电容开始反向放电。
e.自感线圈给电容器反向充电，于是整个电路回到最开始状态。完成了一个变化周期之后不断的重复。

刚才我们已经知道了电磁振荡的过程，那么他们的电量、电流、电压、电场强度和磁感应强度是如何变化的呢？
3.电流、电量的变化图像
首先电容刚开始放电时，极板上的电荷是上正，下负。若以逆时针方向为电流正方向，那在正向放电的这个过程中，上极板的电量由正向最大减少到零。而回路中的电流，则由零增加到正向最大，放电结束。
然后由于线圈的自感作用，电流不会立马变成0，对应图像是从最大慢慢变成0。而这也是电路中电容一直在反向充电，电荷上负下正，所以图像是从零慢慢变为反向最大，充电结束。
接着电路中充满反向电荷的电容又要放电了。但是电流方向相反这种图像中电流就是零增加到反向最大，相应电荷就从反向最大减小为零，放电结束。但之后又由于线圈的自感作用，反向电流一样不会立马为0，对应图像中电流是从反向最大减少为零，而此时电路中，电容一直被正向充电电荷上正下负，所以图像是从零慢慢变为正向最大，充电结束。
至此在一个周期内，电容器经历两次充电和两次方面，并且电容器上的电压，电场强度和电场能跟电量一样，图像同步变化，而线圈的磁感应强度磁场能的跟电流一样图像同步变化。而两组之间对比下图像，变化正好相反。
在整个过程中，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。
思考与讨论

电磁振荡与机械振动虽然有着本质的不同，但它们还是具有一些共同的特点。在机械振动中，例如在单摆的振动中，位移x、速度v、加速度a这几个物理量周期性地变化。在电磁振荡中，电荷量q、电流i、电场强度E、磁感应强度B这几个物理量也在周期性地变化。
在机械振动中，动能与势能周期性地相互转化。那么，在电磁振荡中，能量是如何转化的?
分析：动图播放单摆中势能和动能的变化。
（二）电磁振荡中的能量变化

电场能→磁场能→电场能→磁场能→电场能。所以，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。只不过变化的步调相反。

如果没有能量损失，振荡可以永远持续下去，振荡电流的振幅保持不变。这是种理想情况。
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。另外，还会有一部分能量以电磁波的形式辐射出去。这样，振荡电路中的能量就会逐渐减少，振荡电流的振幅也就逐渐减小，直到最后停止振荡。
实际电路中：由电源通过电子器件为LC电路补充能量。

（三）电磁振荡的周期和频率

周期：电磁振荡完成一次周期性变化所需的时间。

频率：一秒钟内完成周期变化的次数叫做频率。

我们知道电磁振荡一次，电路中的电流i和极板上的电量q也变化一个周期。不仅如此，线圈中的磁感应强度B，极板间的电压U，电场强度E他们的变化周期也是这么多。此外频率就是周期的倒数，所以这些量的频率也是相同的。振荡电路的周期和频率可以应用于哪些量？是他们受什么因素影响呢？
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?根据讨论结果，定性分析LC电路的周期（频率）与电容 C、电感L的关系。
分析：如果增大电压就看到振幅变大了，但变化周期并没有改变，看来周期和外部电压无关。在换个因素是是增大电容，这次的周期被拉长啦，看来电容会影响周期。除了电容还有电感，如果自感系数变大，变化周期也被拉长啦，看来自感系数也会影响周期。你还可以做更多实验。事实上，周期和频率是跟电容和电感有关。至于电流、电量、电压以及外部电路的乱七八糟的物理量都影响不了周期，所以周期和频率也被称为LC振荡电路固有周期和固有频率。
周期：<Object: word/embeddings/oleObject1.bin>
频率：<Object: word/embeddings/oleObject2.bin>
①式中各物理量T、L、C、f的单位分别是s、H、F、Hz。
②适当地选择电容器和线圈，可使振荡电路物周期和频率符合我们的需要。
问题：如果想让周期变大，有什么方法呢？
容易看出在只要让自感系数L，或者电容c变大就行啦，至于在俩变大的方法，咱们以前其实都说过。L：线圈的大小、形状、匝数、铁芯。<Object: word/embeddings/oleObject3.bin>。
注意：在一个周期内，振荡电流的方向改变两次；电场能（或磁场能）完成两次周期性变化。因为电场能和磁场能这两种能量没有方向和正负的变化，只有大小变化，所以他俩的周期是震荡周期的一半儿，这样的频率也就是震荡频率的两倍。
课本练习
在LC振荡电路中，线圈L的自感系数为30μH，可调电容器C的可调范围为1.7-270pF。求振荡电路的频率范围。
解：根据LC振荡电路的频率公式
<Object: word/embeddings/oleObject4.bin>
<Object: word/embeddings/oleObject5.bin>
此振荡电路的频率范围是1.77×106—2.65×107Hz。
课堂练习
例1：（多选）对振荡电路，下列说法正确的是（）
A．振荡电路中、电容器充电或放电一次所用的时间为 <Object: word/embeddings/oleObject6.bin>
B．振荡电路中，电场能与磁场能的转化周期为 <Object: word/embeddings/oleObject7.bin>
C．振荡过程中，电容器极板间电场强度的变化周期为 <Object: word/embeddings/oleObject8.bin>
D．振荡过程中，线圈内磁感应强度的变化周期为 <Object: word/embeddings/oleObject9.bin>
解：在一个周期内，电容器充电、放电各两次，每次充电或放电所用的时间为振荡周期的1/4。电场能与电场强度的方向无关，磁场能与磁感应强度的方向无关，因此在电磁振荡的一个周期内各出现两次最大值，即电场能或磁场能的变化周期为 <Object: word/embeddings/oleObject10.bin>。电场、磁场、电荷的变化周期跟电流的变化周期相同，均为<Object: word/embeddings/oleObject11.bin>　。
〖板书设计〗
4.1电磁振荡
1.振荡电流∶ 大小和方向都做周期性迅速变化的电流
2.振荡电路∶能够产生振荡电流的电路。
3.LC振荡电路∶当开关置于线圈一侧时，由电感线圈L和电容C组成的电路，就是最简单的振荡电路。
4.在整个过程中，电路中的电流i、电荷量q、电场强度E、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。
5.电磁振荡的周期和频率<Object: word/embeddings/oleObject12.bin>，<Object: word/embeddings/oleObject13.bin>
〖教学反思〗
电磁振荡是比较抽象的内容，所以开始就用形象的机械波引入。电磁振荡也是一个难点，它在生活中无处不在，就像是最熟悉的陌生人。在课堂的教学还是从最熟悉的物理量入手慢慢揭开电磁振荡的面纱。

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[人教版] （选必2：核心素养）4.1 电磁振荡（教案3）