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1、第十二章 电磁振荡电磁波 相对论第一节 电磁振荡 电磁波基础知识 一、电磁振荡在振荡电路里产生振荡电流的过程中，由容器极板上的电荷，通过线圈的电流，以及跟电流和电荷相联系的磁场和电场都发生周期性变化的现象，叫做电磁振荡。1. LC振荡电路由自感线圈和电容器组成的电路就是最简单的振荡电路，简称LC回路。 在LC回路里，产生的大小和方向都做周期性变化的电流，叫做振荡电流。 如图所示，先将电键S和1接触，电键闭合后电源给电容器C充电，然后S和2接触，在LC回路中就出现了振荡电流。大小与方向都做同期性变化的电流叫振荡电流2电磁振荡 在产生振荡电流的过程中，电容器上极板上的电荷q，电路中的电流i，电容器
2、内电场强度E，线圈中磁感应强度B都发生周期性的变化，这种现象叫做电磁振荡（1）从振荡的表象上看：LC振荡过程实际上是通过线圈L对电容器C充、放电的过程。（2）从物理本质上看：LC振荡过程实质上是磁场能和电场能之间通过充、放电的形式相互转化的过程。3振荡的周期和频率电磁振荡完成一次周期性变化需要的时间叫做周期。一秒钟内完成的周期性变化的次数叫做频率。在电磁振荡发生时，如果不存在能量损失，也不受外界其它因素的影响，这时的振荡周期和频率叫做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。理论研究表明，周期T和频率f跟自感系数L和电容C的关系： 注意：当电路定了，该电路的周期与频率就是定值，与
3、电路中电流的大小，电容器上带电量多少无关4LC振荡过程中规律的表达。（1）定性表达。在LC振荡过程中，磁场能及与磁场能相关的物理量（如线圈中电流强度、线圈电流周围的磁场的磁感强度、穿过线圈的磁通量等）和电场能及与电场能相关的物理量（如电容器的极板间电压、极板间电场的电场强度、极板上电量等）都随时间做周期相同的周期性变化。这两组量中，一组最大时，另一组恰最小；一组增大时，另一组正减小。这一特征正是能的转化和守恒定律所决定的。 （2）定量表达。在LC振荡过程中，尽管磁场能和电场能的变化曲线都比较复杂，但与之相关的其他物理量和变化情况却都可以用简单的正（余）弦曲线给出定量表达。以LC振荡过程中线圈L
4、中的振荡电流i（与磁场能相关）和电容器C的极板间交流电压u（与电场能相关）为例，其变化曲线分别如图中所示。注意：分析电磁振荡要掌握以下三个要点（突出能量守恒的观点）：充电充电放电放电充电放电t1t1t2t2t3t3t4t4t5t5理想的LC回路中电场能E电和磁场能E磁在转化 过程中的总和不变。回路中电流越大，L中的磁场能越大（磁通量越大）。极板上电荷量越大，C中电场能越大（板间场强越大、两板间电压越高、磁通量变化率越大）。因此LC回路中的电流图象和电荷图象总是互为余函数。5LC振荡过程的阶段分析和特殊状态如图所示，在O、t2、t4时刻，线圈中振荡电流i为0，磁场能最小，而电容器极板间电压u恰好
5、达到最大值，电场能最多，在t1、t3时刻则正相反，振荡电流、磁场能均达到最大值，而电压为0，电场能最少。在Ot1和t2t3阶段，电流增强，磁场能增多，而电压降低，电场能减小，这是电容器放电把电场能转化为磁场能的阶段；在t1t2和t3t4阶段，电流减弱，磁场能减小，而电压升高，电场能增多，这是电容器充电把磁场能转化为电场能的阶段。例1在如图所示的L振荡电路中，当线圈两端MN间电压为零时，对电路情况的叙述正确的是（ ） A电路中电流最大 B线圈内磁场能为零 C电容器极板上电量最多 D电容器极板间场强为零 例2如图所示电路，K先接通a触点，让电容器充电后再接通b触点设这时可变电容器电容为C，线圈自感
6、系数为L，（1）经过多长时间电容 C上电荷第一次释放完？（2）这段时间内电流如何变化？两端电压如何变化？（3）在振荡过程中将电容C变小，与振荡有关的物理量中哪些将随之改 变？哪些将保持变化？C L例3 某时刻LC回路中电容器中的电场方向和线圈中的磁场方向如右图所示。则这时电容器正在_（充电还是放电），电流大小正在_（增大还是减小）。二电磁场、电磁波1麦克斯韦电磁场理论的要点：（1）变化的磁（电）场将产生电（磁）场。（2）变化的磁（电）场所产生的电（磁）场取决于磁（电）场的变化率。具体地说，均匀变化的磁（电）场将产生恒定的电（磁）场，非均匀变化的磁（电）场将产生变化的电（磁）场，周期性变化的磁（
7、电）场将产生周期相同的周期性变化的电（磁）场。（3）变化的磁场和变化的电场互相联系着，形成一个不可分离的统一体电磁场。变化的电场，其周围产生磁场，变化的磁场其周围产生电场 注意：均匀变化的电场（或磁场）其周围产生稳定的磁场（或电场）2电磁场：变化的电场磁场形成一个不可分割的统一体叫电磁场3电磁波：变化的电场和变化的磁场交替产生，由近及远地向周围传播，形成了电磁波电磁波是怎样产生的：如果在空间某处发生了周期性变化的电场，就会在空间引起周期性变化的磁场，这个周期性变化的磁场又会在较远的空间引起新的周期性变化的电场，新的周期性变化的电场又会在更远的空间引起新的周期性变化的磁场这样，电磁场就由近及远向
8、周围空间传播开去，形成了电磁波。电磁波的特点： a.电磁波的传播不需要介质，但可以在介质中传播。b.电磁波是横波。E与B的方向彼此垂直，而且都跟波的传播方向垂直，因此电磁波是横波。电磁波的传播不需要靠别的物质作介质，在真空中也能传播。 c.电磁波的波速等于光速，实际上，光就是特定频率范围内的电磁波。 电磁波的波长、频率、波速三者之间的关系是：=C/f。 此式为真空中传播的电磁波各物理量之间的关系式。d场是能量贮存的场所，电磁波贮存电磁能e赫兹用实验证明了电磁波的存在，还测定了电磁波的波长和频率，得到了电磁波的传播速度注意：要深刻理解和应用麦克斯韦电磁场理论的两大支柱：变化的磁场产生电场，变化的
9、电场产生磁场。可以证明：振荡电场产生同频率的振荡磁场；振荡磁场产生同频率的振荡电场。 按照麦克斯韦的电磁场理论，变化的电场和磁场总是相互联系的，形成一个不可分离的统一的场，这就是电磁场。电场和磁场只是这个统一的电磁场的两种具体表现。4.无线电波的发射和接收无线电技术中使用的电磁波叫做无线电波。 无线电波的波长从几毫米到几十千米。 根据波长(或频率)，通常将无线电波分成几个波段，每个波段的无线电波分别有不同的用途。无线电波的发射： 无线电波的发射必须采用开放电路，如图所示，开放电路由振荡器、互感线圈、天线、地线等几部分组成。说明：有效地发射电磁波的条件是：频率足够高（单位时间内辐射出的能量Pf
10、4）；形成开放电路（把电场和磁场分散到尽可能大的空间离里去）。在发射用于通信等无线电波时，必须让电磁波随各种信号而改变，这一过程叫调制。 使高频振荡的振幅随信号而改变叫做调幅，使高频振荡的频率随信号而改变叫做调频。无线电波的接收： 无线电波的接收必须采用调谐电路，如图所示，调谐电路由可变电容器、电感线圈、天线、地线等几部分组成。 当接收电路的固有频率跟接收到的电磁波的频率相同时，接收电路产生的振荡电流最强，这种现象叫电谐振。使接收电路产生电谐振的过程叫做调谐。另外，要还原为原始的信号，还必须有检波等解调过程。5.电视和雷达电视：在电视的发射端，用摄像管将光信号转换为电信号，利用电信号对高频振荡
11、进行调制然后通过天线把带有信号的电磁波发射出去; 在电视的接收端，通过调谐、检波、解调等过程将电信号送到显像管，再由显像管将电信号还原成图象。雷达：雷达是利用无线电波来测定物体位置的无线电设备，是利用电磁波遇到障碍物后发生反射的现象工作的。 例4关于电磁场的理论，下列说法中正确的是（ ） A变化的电场周围产生的磁场一定是变化的 B变化的电场周围产生的磁场不一定是变化的 C均匀变化的磁场周围产生的电场也是均匀变化的 D振荡电场在周围空间产生同样频率的振荡磁场例5LC振荡电路中线圈的电感为210-6Hz，欲使它发射出长波长为15 m的电磁波，电容器的电容应多大？ 例6. 一台收音机，把它的调谐电路
12、中的可变电容器的动片从完全旋入到完全旋出，仍然收不到某一较高频率的电台信号。要想收到该电台信号，应该_（增大还是减小）电感线圈的匝数。图1-116 例8 电子感应加速器是利用变化磁场产生的电场来加速电子的。如图所示，在圆形磁铁的两极之间有一环形真空室，用交变电流励磁的电磁铁在两极间产生交变磁场，从而在环形室内产生很强的电场，使电子加速被加速的电子同时在洛伦兹力的作用下沿圆形轨道运动。设法把高能电子引入靶室，就能进一步进行实验工作。已知在一个轨道半径为r=0.84m的电子感应加速器中，电子在被加速的4.2ms内获得的能量为120MeV设在这期间电子轨道内的高频交变磁场是线性变化的，磁通量的最小值
13、为零，最大值为1.8Wb，试求电子在加速器中共绕行了多少周？分析：根据法拉第电磁感应定律，环形室内的感应电动势为E= 429V，设电子在加速器中绕行了N周，则电场力做功NeE应该等于电子的动能EK，所以有N= EK/Ee，带入数据可得N=2.8105周。第二节 传感器1光敏电阻光敏电阻的材料是一种半导体无光照射时，导电性能不好；随着光照的增强，导电性能变好所似光敏电阻的电阻值随着光照的增强而减小 光敏电阻在被光照射时电阻发生变化，这样光敏电阻就可以把光照强弱转换为电阻大小这个电学量图10-3-1例9如图10-3-1所示为光敏电阻自动计数器的示意图其中R1为光敏电阻，R2 为定值电阻，此光电计数
14、器的基本工作原理是（ ）A当有光照射R1时信号处理系统获得高电压B当有光照射R1时，信号处理系统获得低电压C信号处理系统每获得一次低电压就计数一次D信号处理系统每获得一次高电压就计数一次2热敏电阻和金属热电阻 热敏电阻是由半导体材料制成的，其电阻随温度变化明显，导电能力随温度的升高而增强 某些金属材料的电阻率随温度的升高而增大，用这样的金属可以制作成温度传感器，称为热电阻有一种常用的金属热电阻是用金属铂制作的 热敏电阻或金属热电阻能够把温度这个热学量转换为电阻这个电学董，但相比而言，金属热电阻的化学稳定性好，测温范围大而热敏电阻的灵敏度较好3电容式位移传感器 它是利用运动物体附带的电介质板在电
15、容器内部插入的多少来改变电容器的电容，从而把物体的位移这个力学量转换为电容这个电学量4霍尔元件霍尔元件：在一个很小的矩形半导体（如砷化铟）薄片上，制作四个电极E、F、M、N，当该半导体中的电流方向与磁场方向垂直时，它在当磁场、电流方向都垂直的方向上出现了电势差这种现象称为霍尔效应，利用霍尔效应制成的元件称为霍尔元件如图10-3-3所示图10-3-3霍尔元件能够把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量霍尔元件的原理图10-3-4 外部磁场使运动的载流子受到洛伦兹力，在导体板的一侧聚集，在导体板的另一侧会出现多余的另一种电荷，从而形成横向电场；横向电场对电子施加与洛伦兹力方向相反的静电力，当静电力与洛伦兹力达到平衡时，导体板左右两例会形成稳定的电压，被称为霍尔电势差或霍尔电压例10如图10-3-4所示，有电流流过长方体金属块，金属块宽度为，高度为，
