2014届高三物理复习能力提升：第13章第3课时电感、电容对交流电的影响电磁场与电磁波

2014届高三物理复习能力提升：第13章第3课时电感、电容对交流电的影响电磁场与电磁波 . 第3课时 电感、电容对交流电的影响 电磁场与电磁波 考纲解读1.掌握电感、电容在直流和交流电路中的不同特点.2.掌握麦克斯韦电磁场理论的两个要点，理解电磁波的概念.3.掌握电磁波的产生及其传播、发射和接收，掌握电磁波谱( 1([电感和电容对交流电的影响]如图1所示，三个灯泡是 相同的，而且耐压足够，电源内阻忽略(当单刀双掷开 关S接时，三个灯亮度相同，那么S接时 ( ) AB A(三个灯亮度相同 图1 B(甲灯最亮，丙灯不亮 C(甲灯和乙灯亮度相同，丙灯不亮 D(只有丙灯不亮，乙灯最亮 D 2([电磁场和电磁波]麦克斯韦关于电磁场理论的主要论点是什么,请用麦克斯韦的电磁场理 论说明电磁波是怎样产生的( 答案 麦克斯韦关于电磁场理论的两大支柱是:(1)变化的磁场产生电场((2)变化的电场 产生磁场( 根据这两个基本论点，麦克斯韦进一步推断:如果在空间某区域有周期性变化的电场，那 么这个变化的电场就在空间产生周期性变化的磁场; 这个变化的磁场又会引起新的变化 的电场的产生，如此下去，变化的电场和变化的磁场交替产生，从而形成由近及远传播的 电磁波( 由于家庭用的是正弦交流电，电场会不断变化，故使用时将会产生电磁波( 考点梳理 1(电感:通直流，阻交流;通低频，阻高频( 2(电容:通交流，隔直流;通高频，阻低频( 3(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( 4(电磁场 变化的电场在周围空间产生磁场，变化的磁场在周围空间产生电场，变化的电场和磁场成 为一个完整的整体，这就是电磁场( . . 5(电磁波 电磁场(电磁能量)由近及远地传播形成电磁波( (1)电磁波是横波，在空间传播不需要介质( 8(2)真空中电磁波的速度为3×10 m/s. 6(发射电磁波的条件 (1)要有足够高的振荡频率; (2)电路必须开放，使振荡电路的电场和磁场分散到尽可能大的空间( 7(调制有调幅和调频两种方式，解调是调制的逆过程. 考点一 电感与电容对交变电流的作用 电感与电容的比较 电感电容 对电流的作直流电不能通过，交流电能通 只对交变电流有阻碍作用 用过但有阻碍作用 自感系数越大，交变电流的频电容越大，交变电流的频率越 影响因素率越高，阻碍作用越大，即感高，阻碍作用越小，即容抗越 抗越大 小 低频扼流圈:通直流、阻交流隔直电容:通交流、隔直流 应用 高频扼流圈:通低频、阻高频 旁路电容:通高频、阻低频 例1 如图2所示，把电阻R、电感线圈L、电容器C并联到一 交流电源上，三个电流表的示数相同(若保持电源电压大小 不变，而将频率降低，则三个电流表的示数I、I、I的关 123 系是 ( ) 图2 A(I,I,I B(I>I>I 123123 C(I>I>I D(I>I>I 213312 解析 在交流电路中，当频率减小时，电阻对交流的阻碍作用不变，电感对交流的阻碍作 用(感抗)减小，电容对交流的阻碍作用(容抗)增大(电流与电压、电阻(感抗、容抗)的关 系符合欧姆定律(所以R支路电流I不变，L支路电流I增大，C支路电流I减小，选项123 C正确( 答案 C 突破训练1 如图3甲所示电路中，A、A、A为相同的电流表，C为电容器，电阻R、R、R123123. . 的阻值相同，线圈L的电阻不计(在某段时间内理想变压器原线圈内磁场的变化如图乙所 示，则在t,t时间内 ( ) 12 图3 A(电流表A的示数比A的小 12 B(电流表A的示数比A的小 23 C(电流表A和A的示数相同 12 D(电流表的示数都不为零 答案 C 解析 理想变压器原、副线圈的磁场变化情况相同，由图乙知副线圈的磁场均匀变化，根 nΔΦnΔB据法拉第电磁感应定律E,,?S知副线圈中产生恒定电流，线圈对直流电无阻ΔtΔt 碍作用，直流电不能通过电容器，所以电流表A、A的示数相同，A的示数为零，C正确( 123 考点二 对麦克斯韦电磁场理论与电磁波的理解 1(对麦克斯韦电磁场理论的理解 2(对电磁波的理解 (1)电磁波的传播不需要介质，可在真空中传播，在真空中不同频率的电磁波传播速度是 相同的(都等于光速)( (2)不同频率的电磁波，在同一介质中传播，其速度是不同的，频率越高，速度越小( 1(3),λ，是电磁波的频率，即为发射电磁波的振荡电路的频率,，改变vffLCf2πLC L或C即可改变f，从而改变电磁波的波长λ. . . 例2 (1)某空间出现了如图4所示的一组闭合的电场线，这可能是( ) A(沿AB方向磁场在迅速减弱 B(沿AB方向磁场在迅速增强 C(沿方向磁场在迅速增强 图4 BA D(沿方向磁场在迅速减弱 BA (2)目前雷达发射的电磁波频率多在200 MHz至1 000 MHz的范围内(请回答下列关于雷达和电磁波的有关问题( ?雷达发射电磁波的波长范围是多少, ?能否根据雷达发出的电磁波确定雷达和目标间的距离, 解析 (1)根据电磁感应理论，闭合回路中磁通量变化时，使闭合回路中产生感应电流，该电流可用楞次定律判断，其中感应电流的方向和电场线方向一致，根据麦克斯韦电磁场理论，这是因为闭合回路中电荷受到电场力的作用，而变化的磁场产生电场，与是否有闭合回路无关，故空间中磁场变化产生的电场方向，仍可用楞次定律判断(故正确答案为A、C. 8c 3.0×10(2)?由c,λf可得:λ,, m,1.5 m， 16200×101f 8c3.0×10λ,, m,0.3 m. 261 000×102f ?电磁波测距的原理就是通过发射和接收的时间间隔来确定距离，所以可根据x,vt确定雷达和目标间的距离( 答案 (1)AC (2)?0.3 m,1.5 m ?能 突破训练2 某电路中电场随时间变化的图象如下图所示，能产生电磁波的电场是( ) 答案 D 解析 由麦克斯韦电磁场理论知，当空间出现恒定的电场时(如A图)，由于其不激发磁场，故无电磁波产生;当出现均匀变化的电场时(如B图、C图)，会激发出磁场，但磁场恒定，不会再在较远处激发起电场，故也不会产生电磁波;只有周期性变化的电场(如D图)，才会激发出周期性变化的磁场，其又激发出周期性变化的电场„„，如此不断激发，便会形成电磁波( . . 1((2012?浙江?20)为了测量储罐中不导电液体的高度，将与储罐外壳 绝缘的两块平行金属板构成的电容器置于储罐中，电容器可通 C 过开关S与线圈L或电源相连，如图5所示(当开关从a拨到b 时，由L与C构成的回路中产生周期T,2πLC的振荡电流(当 罐中的液面上升时 ( ) A(电容器的电容减小 B(电容器的电容增大 图5 C(LC回路的振荡频率减小 D(LC回路的振荡频率增大 答案 BC 解析 当罐中液面上升时，电容器极板间的介电常数变大，则电容器的电容C增大，根据 1T,2πLC，可知LC回路的振荡周期T变大，又f,，所以振荡频率变小，故选项B、CT 正确，选项A、D错误( 2((2009?北京?15)类比是一种有效的学习方法，通过归类和比较，有助于掌握新知识，提高学习效率，在类比过程中，既要找出共同之处，又要抓住不同之处(某同学对机械波和电磁波进行类比，总结出下列内容，其中不正确的是 ( ) A(机械波的频率、波长和波速三者满足的关系，对电磁波也适用 B(机械波和电磁波都能产生干涉和衍射现象 C(机械波的传播依赖于介质，而电磁波可以在真空中传播 D(机械波既有横波又有纵波，而电磁波只有纵波 答案 D 模拟题组 3(关于电磁场理论下列说法中不正确的是 ( ) 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(振荡电场周围产生的磁场也是振荡的 答案 AC 解析 根据麦克斯韦电磁场理论，如果电场(或磁场)的变化是均匀的，则产生的磁场(或电场)是稳定的;如果电场(或磁场)的变化是不均匀的，那么产生的磁场(或电场)就会是 . . 变化的，因而B、D是正确的，题目要求选出不正确的，故A、C符合题意( 4(对于机械波和电磁波的比较，下列说法中正确的是 ( ) A(它们都能发生反射、折射、干涉和衍射现象 B(它们在本质上是相同的，只是频率不同而已 C(它们可能是横波，也可能是纵波 D(机械波的传播速度只取决于介质，跟频率无关;电磁波的传播速度与介质无关，只跟 频率有关 答案 A 解析 机械波与电磁波都具有波的一切特性，故A正确;机械波是机械振动在介质中的传播，可以是横波，也可以是纵波，电磁波是电磁场在空间的传播，是横波，二者的本质不同，B、C错误;机械波的传播速度由介质唯一决定，电磁波的传播不需要介质，但在介质中的传播速度与介质有关，也与频率有关，故D错误( 5(如图6所示是一电子感应加速器的示意图，实线表示通电螺线管的横截面， 螺线管中通以图示方向的电流，线圈内产生匀强磁场，电子在该磁场中做 匀速圆周运动，如虚线所示( (1)指出电子运转方向; 图6 (2)当螺线管中电流i增大时，电子的动能如何变化, 答案 见解析 解析 (1)由安培定则知，螺线管中电流产生的磁场方向垂直于纸面向里，而电子运转的向心力由洛伦兹力提供，由左手定则可判断，电子的运转方向是顺时针的，即电子的运转方向与螺线管中电流的方向相同( (2)当电流i增大时，产生的感应电场方向是逆时针方向，与电子运转方向相反，对电子做正功，电子的动能增大( 6(如图7所示，甲、乙是规格相同的灯泡，接线柱a、b接电压为U 的直流电源时，无论电源的正极与哪一个接线柱相连，甲灯均能正 常发光，乙灯完全不亮(当a、b接电压的有效值为U的交流电源 时，甲灯发出微弱的光，乙灯能正常发光，则下列判断正确的是( ) 图7 A(与甲灯串联的元件x是电容器，与乙灯串联的元件y是电感线圈 B(与甲灯串联的元件x是电感线圈，与乙灯串联的元件y是电容器 C(与甲灯串联的元件x是二极管，与乙灯串联的元件y是电容器 D(与甲灯串联的元件x是电感线圈，与乙灯串联的元件y是二极管 答案 B 7(“二分频”音箱内有两个不同口径的扬声器，它们的固有频率分别处于高音、低音频段，分别称为高音扬声器和低音扬声器，音箱要将扩音机送来的含有不同频率的混和音频电流 . . 按高、低频段分离出来，送往相应的扬声器，以便使电流所携带的音频信息按原比例还原成高、低频的机械振动，图8为音箱的电路图，高、低频混和电流由a、b输入，L和L12是线圈，C和C是电容器，则 ( ) 12 图8 A(甲扬声器是高音扬声器 B(的作用是阻碍高频电流通过乙扬声器 C2 C(的作用是阻碍低频电流通过甲扬声器 L1 D(L的作用是减弱乙扬声器的低频电流 2 答案 D (限时:30分钟) ?题组1 电感和电容对交流电的影响 1(对于扼流圈的以下说法中正确的是 ( ) A(扼流圈是利用电感阻碍交变电流的作用制成的 B(低频扼流圈用来“通低频，阻高频” C(高频扼流圈用来“通直流，阻交流” D(高频扼流圈对低频交变电流的阻碍作用较小，对高频交变电流的阻碍作用较大 答案 AD (如图1所示，A、B、C是三个相同的灯泡( 2 闭合开关S后，三个灯的亮度相同(问:(1)电源一定是交流电 源吗,(2)若保持交流电源输出电压的有效值不变，升高交流电 源的频率，那么三个灯的亮度如何变化, 答案 见解析 图1 解析 (1)电容是“隔直”元件，B灯发光说明电源一定是交流电源( U(2)C灯和电阻R串联后接在电源上，因电阻中的电流I,，即电流有效值大小I由电压R 有效值大小U和电阻值R决定，与交变电流的频率无关(若保持电压有效值不变，升高交 . . 流电源的频率，C灯亮度不变( 升高交流电源的频率，电容器的容抗减小，流过与电容器串联的B灯的电流将增大，B灯变亮( 升高交流电源的频率，电感的感抗增大，流过与电感串联的A灯的电流将减小，A灯变暗( ?题组2 电磁场和电磁波的特点 3(下列关于电磁波的说法正确的是 ( ) A(电磁波必须依赖介质传播 B(电磁波可以发生衍射现象 C(电磁波不会发生偏振现象 D(电磁波无法携带信息传播 答案 B 解析 根据电磁波的产生机理及传播特性可知，电磁波的传播不需要介质，选项A错误;干涉、衍射是电磁波和所有波都具有的共同特性，选项B正确;由于电磁波是横波，故能发生偏振现象，选项C错误;电磁波能够携带图象、声音等信息进行传播，选项D错误( 4(电磁波与声波比较 ( ) A(电磁波的传播不需要介质，声波的传播需要介质 B(由空气进入水中时，电磁波速度变小，声波速度变大 C(由空气进入水中时，电磁波波长变小，声波波长变大 D(电磁波和声波在介质中的传播速度，都是由介质决定，与频率无关 答案 ABC 解析 可以根据电磁波的特点和声波的特点进行分析，选项A、B均与事实相符，所以A、 vB项正确;根据λ,，电磁波速度变小，频率不变，波长变小;声波速度变大，频率不变，f 波长变大，所以选项C正确;电磁波在介质中的速度与介质有关，也与频率有关，所以选项D错误( 5(用麦克斯韦的电磁场理论判断，图中表示电场(或磁场)产生磁场(或电场)的正确图象是 ( ) 答案 C . . 解析 周期性变化的磁场，产生周期性变化的电场，它们变化的频率相同但步调不一样，是互余关系，选C. 6(下列关于电磁波的说法正确的是 ( ) A(均匀变化的磁场能够在空间产生电场 B(电磁波在真空和介质中传播速度相同 C(只要有电场和磁场，就能产生电磁波 D(电磁波在同种介质中只能沿直线传播 答案 A 解析 根据电磁波的特性和麦克斯韦电磁理论，均匀变化的磁场能够在空间产生恒定的电场，但不能形成电磁波( (关于电磁波，下列说法正确的是 ( ) 7 A(雷达是用X光来测定物体位置的设备 B(使电磁波随各种信号而改变的技术叫做解调 C(用红外线照射时，大额钞票上用荧光物质印刷的文字会发出可见光 D(周期性变化的电场可以产生周期性变化的磁场 答案 D 解析 雷达是利用微波来定位的，A项错误;使电磁波随各种信号而改变的技术叫调制，B项错误;钞票利用的是紫外线的荧光作用，C错误;根据麦克斯韦电磁场理论，周期性变化的电场会产生周期性变化的磁场，D项正确( 8(关于电磁场和电磁波，下列说法中不正确的是 ( ) A(变化的电场周围产生变化的磁场，变化的磁场周围产生变化的电场，两者相互联系， 统称为电磁场 B(电磁场从发生区域由近及远的传播就形成了电磁波 C(电磁波是一种物质，可在真空中传播(所以说真空中没有实物粒子，但有“场”这种 特殊物质 8D(电磁波在真空中的传播速度是3×10 m/s 答案 A 解析 根据麦克斯韦电磁理论，均匀变化的电场产生稳定的磁场，A错误( 9(如图2所示，一个带正电的离子在垂直于匀强磁场的平面内做匀速 圆周运动，当磁场的磁感应强度均匀增大时，有关离子某些情况的 变化描述，正确的内容是 ( ) A(动能不变 B(动能增大 图2 C(动能减小 . . D(动能的变化不确定 答案 B 解析 根据麦克斯韦电磁场理论，磁感应强度均匀增大时，在空间会产生稳定的电场，由法拉第电磁感应定律判断出所产生的电场方向沿逆时针方向，与离子的运动方向一致，由于离子带正电，所以激发电场的电场力对离子做正功，离子的动能增大( (1864年，英国科学家麦克斯韦在总结前人研究电磁现象的基础上，建立了完整的电磁波10 理论，他断定电磁波的存在，推导出电磁波与光具有同样的传播速度.1887年德国物理学家赫兹用实验证实了电磁波的存在(下列有关电磁波传播过程的叙述中正确的是 ( ) A(电磁波在真空中的传播速度等于真空中的光速 B(电磁波和机械波一样依赖于介质传播 C(电磁波中每一处电场强度方向和磁感应强度方向总是相互垂直，并且与波的传播方向 也垂直 D(只要空间中某个区域有变化的电场或变化的磁场，就一定能产生电磁波 答案 AC 解析 电磁波是电磁场由近及远在空间传播形成的，电磁波可以不依赖介质而独立传播，在真空中的传播速度等于真空中的光速，A正确、B错误;电磁波是横波，传播过程中电场强度和磁感应强度总是相互垂直的，且与波的传播方向垂直，C正确;均匀变化的电场或磁场不能产生电磁波，D错误( ?题组3 电磁波的发射和接收 11(目前雷达发射的电磁波频率多在200 MHz至1 000 MHz的范围内，下列关于雷达和电磁波说法正确的是 ( ) A(真空中上述雷达发射的电磁波的波长范围在0.3 m至1.5 m之间 B(电磁波是由恒定不变的电场或磁场产生的 C(测出从发射电磁波到接收反射波的时间间隔可以确定雷达和目标的距离 D(波长越短的电磁波，反射性能越强 答案 ACD c解析 据λ,，电磁波频率在200 MHz至1 000 MHz的范围内，则电磁波的波长范围在f 0.3 m至1.5 m之间，故A正确(雷达是利用电磁波的反射原理，电磁波的产生是依据麦克斯韦的电磁场理论，变化的磁场产生电场，变化的电场产生磁场，故B错误，C正确( 12(过强的电磁辐射对人体有很大危害，影响人的心血管系统，使人心悸、失眠、白细胞减少、免疫功能下降等(按照有关规定，工作场所的电磁辐射强度(单位时间内垂直通过单 2位面积的电磁辐射能量)不得超过0.5 W/m.一个人距离无线电通讯装置50 m，为保证此 . . 人的安全，无线电通讯装置的电磁辐射功率至多是 ( ) A(4.51 kW B(3.14 kW C(15.7 kW D(0.78 kW 答案 C 2解析 根据题意，要使此人是安全的，则此处的辐射功率小于或者等于0.5 W/m，则可 P222得,0.5 W/m，所以P,4πR×0.5 W,4×3.14×50×0.5 W,15.7 kW，所以C正24πR 确( 13(雷达是用来对目标进行定位的现代化定位系统(海豚也具有完善的声呐系统，它能在黑暗中准确而快速地捕捉食物，避开敌害( (1)海豚的定位是利用了自身发射的 ( ) A(电磁波 B(红外线 C(次声波 D(超声波 (2)雷达的定位是利用自身发射的 ( ) A(电磁波 B(红外线 C(次声波 D(光线 答案 (1)D (2)A 4解析 (1)海豚能发射超声波，它是一种频率高于2×10 Hz的声波，它的波长非常短，因而能定向发射，而且在水中传播时因能量损失小，要比无线电波和光波传得远(海豚就是靠自身发出的超声波的回声来在混浊的水里准确确定远处的小鱼位置，选项D正确( (2)雷达是一个电磁波的发射和接收系统(因而是靠发射电磁波来定位的，选项A正确( 14(某机械扫描式雷达工作时，发射电磁波的波长λ,20 cm，每秒脉冲数n,5 000个;每个脉冲持续的时间t,0.02 μs，则电磁波的振荡频率为______，最大的侦察距离________( 94 1.5×10 Hz 3×10 m 答案 解析 电磁波在空中的传播速度可认为等于真空中的光速c，由波速、波长和频率三者间的关系可求得频率，根据雷达荧光屏上发射波形和反射波形间的时间间隔，即可求得侦察距离(为此反射波必须在后一个发射波发射前到达雷达接收器(可见，雷达的最大侦察距离应等于电磁波在相邻两个脉冲间隔时间内传播距离的一半，由c,λf可得电磁波 c9的振荡频率f, Hz电磁波在雷达发射相邻两个脉冲间隔时间内传播的距离,1.5×10λ 118,64为s,cΔt,c(,t),3×10×(,0.02×10) m?6×10 m n5 000 s4所以雷达的最大侦察距离s′, m. ,3×102 .