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2019-2020年高中物理 《電磁波的發(fā)現(xiàn)》教案 滬科版選修3-4 新課標(biāo)要求 （一）知識與技能 1．知道麥克斯韋電磁場理論的重要地位。 2．知道麥克斯韋電磁場理論的主要內(nèi)容。 3．知道電磁波的特點(diǎn)。 4．知道赫茲實驗及其重要意義。 （二）過程與方法 通過對電磁波發(fā)現(xiàn)過程的了解，認(rèn)識規(guī)律的普遍性與特殊性，培養(yǎng)學(xué)生的邏輯推理和類比推理能力。 （三）情感、態(tài)度與價值觀 培養(yǎng)學(xué)生崇尚科學(xué)、獻(xiàn)身科學(xué)的精神。 教學(xué)重點(diǎn)：變化的磁場產(chǎn)生電場。 教學(xué)難點(diǎn)：變化的電場產(chǎn)生磁場。 教學(xué)方法：演示推理和類比推理 教學(xué)用具：學(xué)生電源一臺，電磁鐵一塊，多匝線圈、燈座、小燈泡各一個，導(dǎo)線若干，多媒體課件 教學(xué)過程 （一）引入新課 （導(dǎo)入畫面） 師：大家看到的畫面是“神舟六號”發(fā)射場面?！吧裰哿枴鄙咸旌?，人們是怎樣知道它到達(dá)預(yù)定的地點(diǎn)呢？ 生：無線電波。 師：無線電廣播、電視、人造衛(wèi)星、導(dǎo)彈、宇宙飛船等，傳遞信息和跟地面的聯(lián)系都要利用電磁波。現(xiàn)代社會的各個部門，幾乎都離不開“電磁波”，可以說“電”作為現(xiàn)代文明的標(biāo)志，“電磁波”就是現(xiàn)代文明的神經(jīng)中樞，或者叫現(xiàn)代化的代名詞。 那么，電磁波是什么？它是怎樣產(chǎn)生的？它有什么性質(zhì)？怎樣利用它傳遞信號？這一章就要討論這些問題。今天我們就從電磁波的發(fā)現(xiàn)開始學(xué)習(xí)。 （二）進(jìn)行新課 1．偉大的預(yù)言 （教師首先向?qū)W生介紹麥克斯韋的生平簡介，激發(fā)學(xué)生的好奇心和求知欲。） 麥克斯韋（James Clark Mexwell，1831~1879）是英國的理論物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家。1831年6月13日生于英國愛丁堡。他的父親是一個科學(xué)家，他從小就受到科學(xué)的熏陶，15歲時向英國皇家學(xué)會遞交數(shù)學(xué)論文，發(fā)表在《愛丁堡皇家學(xué)會學(xué)報》上，第一次顯露出他出眾的才華。1847年，考入愛丁堡大學(xué)學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)和物理學(xué)。1850年轉(zhuǎn)入劍橋大學(xué)，1854年畢業(yè)后留校工作，1856~1865年，他先后在阿丁見大學(xué)和倫敦皇家學(xué)院任教。1871年，麥克斯韋任劍橋物理實驗室主任，1874年，他主持建立的卡文迪許實驗室竣工，任該實驗室首任主任。1879年11月5日，麥克斯韋在劍橋逝世。 麥克斯韋在電磁場理論方面的工作深受法拉第的影響.他信服法拉第的思想，決心為法拉第的場的概念提供數(shù)學(xué)方法的基礎(chǔ)。尤其是他在倫敦皇家學(xué)院任教期間，有機(jī)會拜訪了法拉第以后，更加強(qiáng)了他的這種信念.年輕的麥克斯韋以他卓越的數(shù)學(xué)才能和嚴(yán)密的邏輯推理，對法拉第的直觀形象的電磁場理論加以高度概括，并總結(jié)了當(dāng)時電磁學(xué)的研究成果，建立了電磁場方程，確立了電磁場理論。 師：我們現(xiàn)在粗略地介紹一下麥克斯韋的電磁場理論。 ● 變化的磁場產(chǎn)生電場 演示實驗 裝置如圖所示，當(dāng)穿過螺線管的磁場隨時間變化時，上面的線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，引起感應(yīng)電流使燈泡發(fā)光。 ［提出問題］小燈泡為什么能發(fā)光？ ［學(xué)生回答］由于交變電流產(chǎn)生的磁場在不斷變化，所以穿過線圈的磁通量不斷變化，在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，形成感應(yīng)電流，小燈泡發(fā)光。 ［繼續(xù)提問］電路（線圈）中的電荷為什么能夠定向移動呢？ ［學(xué)生回答］受電場力。 ［教師總結(jié)］上述實驗表明，變化的磁場在線圈里形成電場。 ［教師提問］若線圈斷開，線圈中有電流、電場嗎？ ［學(xué)生回答］有電場，無電流。 ［繼續(xù)提問］若線圈被拿走，它原來所處的空間有電場嗎？ 學(xué)生對此問題可能難以回答，但這時提出變化的磁場能在其空間產(chǎn)生電場已是水到渠成的時候。 師：由上面的電磁感應(yīng)現(xiàn)象，我們可以很自然的提出一個假設(shè)：變化的磁場產(chǎn)生電場。 麥克斯韋認(rèn)為線圈只不過用來顯示電場的存在，線圈不存在時，變化的磁場同樣在周圍空間產(chǎn)生電場，這是一個普遍規(guī)律，跟閉合電路是否存在無關(guān)（如圖甲、乙所示）。 ● 變化的電場產(chǎn)生磁場 師：麥克斯韋根據(jù)電現(xiàn)象與磁現(xiàn)象的相似性和變化的磁場能產(chǎn)生電場的現(xiàn)象，提出了另一個大膽的假設(shè)：變化的電場也能產(chǎn)生磁場。 師：總結(jié)上述兩個結(jié)論，麥克斯韋認(rèn)為，變化的電場和磁場是互相聯(lián)系的，形成一個統(tǒng)一的電磁場。 麥克斯韋根據(jù)自己的理論進(jìn)一步預(yù)言，如果在空間某區(qū)域中有周期性變化的電場，那么，這個變化的電場就在它周圍空間產(chǎn)生周期性變化的磁場，這個變化的磁場又在它周圍空間產(chǎn)生新的周期性變化的電場……可見，變化的電場和變化的磁場是相互聯(lián)系的，形成一個不可分離的統(tǒng)一體，這就是電磁場。電場和磁場只是這個統(tǒng)一的電磁場的兩種具體表現(xiàn)。這種變化的電場和變化的磁場總是交替產(chǎn)生，并且由發(fā)生的區(qū)域向周圍空間傳播。于是一個偉大的預(yù)言誕生了――空間可能存在電磁波。 ［課件演示：電磁場由發(fā)生區(qū)域向遠(yuǎn)處的傳播――電磁波］ 2．電磁波 師：機(jī)械波有橫波和縱波之分，且能夠傳遞能量；能發(fā)生反射、折射、干涉和衍射；靠介質(zhì)傳播，波速v=λf。 類比機(jī)械波的特點(diǎn)，我們可以得出電磁波的特點(diǎn)： （1）電磁波中的電場和磁場互相垂直，并且都與波的傳播方向垂直，即電磁波是橫波。光是一種電磁波。在前面學(xué)習(xí)的光的偏振現(xiàn)象已經(jīng)證明了這一點(diǎn)。如上圖所示。 ［課件演示：電磁場方向間的關(guān)系］ （2）電磁波可以在真空中傳播，向周圍空間傳播電磁能，在傳播過程中，電磁波能發(fā)生反射、折射、干涉和衍射。 （3）三個特征量的關(guān)系：v=λf。在真空中v=3.0108 m/s。 師：麥克斯韋電磁場理論的建立具有偉大的歷史意義，足以根牛頓力學(xué)體系相媲美，它是物理學(xué)發(fā)展史中的一個劃時代的里程碑。 3．赫茲的電火花 師：麥克斯韋的電磁場理論還只是一個預(yù)言。還有待于科學(xué)實驗的證明。是赫茲把這個天才的預(yù)言變成了世人公認(rèn)的真理。 （引導(dǎo)學(xué)生閱讀教材，了解赫茲證實電磁波存在的探索歷程） 教師可以向?qū)W生介紹赫茲的生平簡介（見附錄），激發(fā)學(xué)生求知上進(jìn)的熱情，對學(xué)生進(jìn)行物理情感教育。 （三）課堂總結(jié)、點(diǎn)評 本節(jié)主要學(xué)習(xí)了麥克斯韋電磁場理論的主要內(nèi)容。知道了麥克斯韋電磁場理論的兩大支柱：變化的磁場產(chǎn)生電場，變化的電場產(chǎn)生磁場。還知道了變化的電場和磁場相互聯(lián)系，形成一個統(tǒng)一的場，即電磁場。電磁場由發(fā)生區(qū)域向遠(yuǎn)處的傳播形成電磁波。電磁波中的電場與磁場相互垂直，且二者均與波的傳播方向垂直，即電磁波是橫波。 ★課余作業(yè) 完成P85“問題與練習(xí)”的題目。 附：備課資料 赫茲生平（Heinrich Rudolf Hertz 1857~1894） 赫茲是德國物理學(xué)家，1857年2月22日出生于漢堡。在求學(xué)時代，他就被光學(xué)和力學(xué)實驗所吸引。1878年轉(zhuǎn)入柏林大學(xué)，1879年在物理競賽中成績出眾，獲金質(zhì)獎?wù)?，第二年獲博士學(xué)位，當(dāng)了亥姆霍茲的助手。1885年任卡爾斯魯高等工業(yè)學(xué)院物理學(xué)教授，1889年接替克勞修斯任波恩大學(xué)理論物理學(xué)教授，同年當(dāng)選為柏林科學(xué)院通訊院士。 赫茲在物理學(xué)上最主要的貢獻(xiàn)是用實驗成功地證明了電磁波的存在，并且完善了麥克斯韋的電磁場理論。 1888年10月，赫茲在卡爾斯魯高等工業(yè)學(xué)院物理實驗室用放電線圈做火花放電實驗，偶然發(fā)現(xiàn)和放電線圈靠得很近的另一個開口的絕緣線圈中有電火花跳過。這引起了他的注意，立即想起以前亥姆霍茲曾提出讓他研究驗證麥克斯韋電磁場理論的問題。他設(shè)計了一個裝置來進(jìn)行實驗.他在感應(yīng)圈C的兩個電極上各接一根30 cm長的銅棒A、B，每根銅棒一頭各接一個黃銅小球，另一頭接邊長為40 cm的正方形黃銅板，讓兩個黃銅小球相對著，組成發(fā)生器。當(dāng)通電時，發(fā)生器的銅球間產(chǎn)生高頻振蕩火花。另外，他用一段導(dǎo)線彎成環(huán)狀，兩端各接一個銅球作為檢波器（如上圖），檢波器距離電磁波發(fā)生器10 m. 發(fā)生器的兩個銅球間產(chǎn)生電火花時，他在檢波器的兩個銅球間隙也看到了電火花。赫茲用這樣簡單的儀器成功地證明了電磁波的存在。赫茲的實驗報告轟動了科學(xué)界。 之后，赫茲又設(shè)計實驗，利用一塊鋅板反射電磁波，并利用入射波和反射波疊加后產(chǎn)生的駐波波長和發(fā)生器振蕩頻率計算出電磁波的波速。最后的計算結(jié)果與麥克斯韋預(yù)料的完全相同——等于光速。赫茲還通過實驗確認(rèn)電磁波是橫波，具有光波的一切特征：能產(chǎn)生反射、折射、衍射、干涉和有偏振性，從而全面驗證了光的電磁理論的正確性。1890年以后，赫茲整理了麥克斯韋的理論，進(jìn)一步完善了麥克斯韋方程組，使其更加優(yōu)美、對稱，成為麥克斯韋方程組的現(xiàn)代形式。 赫茲還首先發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)現(xiàn)象，這一發(fā)現(xiàn)后來成為愛因斯坦建立光量子理論的實驗基礎(chǔ)。 赫茲因骨癌于1894年元旦過早地逝世，年僅37歲.他的導(dǎo)師亥姆霍茲贊揚(yáng)他“才華橫溢、性格堅毅，用自己短暫的一生解決了一個世紀(jì)以來許多科學(xué)家所沒有解決的一系列重要的問題”。赫茲的實驗為無線電技術(shù)的發(fā)展開辟了新的道路，他被譽(yù)為無線電通訊的先軀。后人為了紀(jì)念他，用他的名字命名頻率的單位。