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2019-2020年高中物理 《麥克斯韋的電磁場理論》教案 滬科版選修3-4 【教學(xué)目標(biāo)】 （一）知識(shí)與技能 1．了解法拉第的對物理學(xué)貢獻(xiàn)。 2．知道麥克斯韋電磁場理論的主要內(nèi)容。 3．麥克斯韋關(guān)于電磁波的預(yù)言，了解麥克斯韋電磁場理論在物理學(xué)發(fā)展史上的意義。 （二）過程與方法 （1） 通過對麥克斯韋電磁場理論基本思想形成過程的學(xué)習(xí)，體會(huì)在科學(xué)探究中如何充分利用已有的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)和理論，展開大膽的猜想與假設(shè)，進(jìn)行強(qiáng)有力的邏輯理論思維，建立新理論，預(yù)言新現(xiàn)象。 （2） 通過麥克斯韋電磁場理論的成功，感受運(yùn)用數(shù)學(xué)工具進(jìn)行推理論證對物理學(xué)發(fā)展的意義。 （3） 通過“磁生電與電生磁的相似之處”的討論與交流，進(jìn)一步掌握類比法，初步形成“對稱”的思想方法。 （三）情感、態(tài)度與價(jià)值觀 （4） 感悟科學(xué)家的創(chuàng)造性思維，體驗(yàn)科學(xué)家獻(xiàn)身科學(xué)的精神；體驗(yàn)物理學(xué)的研究方法以及數(shù)學(xué)在物理學(xué)中的特殊地位。 （5） 通過對麥克斯韋電磁場理論基本思想形成過程的學(xué)習(xí)，感受物理學(xué)的和諧之美、對稱之美、有序之美。 （6） 通過對電磁場理論建立過程的學(xué)習(xí)，體會(huì)物理學(xué)發(fā)展經(jīng)歷了“實(shí)踐――理論――實(shí)踐”的艱辛過程。 【學(xué)情分析】 這部分知識(shí)是選修3-1、3-2中電場、磁場、電磁感應(yīng)等基本電場學(xué)知識(shí)的延伸和發(fā)展。在學(xué)習(xí)了選修3-1、3-2后學(xué)習(xí)這部分知識(shí)，可以說學(xué)生有一定的基礎(chǔ)，但是這部分知識(shí)介紹的麥克斯韋關(guān)于電磁場理論提出的思路，以及他獨(dú)特的創(chuàng)造性思維，學(xué)生理解起來確有一定的難度，教學(xué)中應(yīng)重視思維過程以及思維方法的介紹，不可急于求成。 【教學(xué)思路】 注意介紹科學(xué)家的思維起點(diǎn)以及獨(dú)特的創(chuàng)造性思維方法，同時(shí)要遵循學(xué)生的思維規(guī)律，從學(xué)生已知的電磁現(xiàn)象推理、歸納出相關(guān)結(jié)論。 【教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)】 理解：1、變化的磁場產(chǎn)生電場。 2、變化的電場產(chǎn)生磁場。 【教學(xué)方法、學(xué)習(xí)方法】 1教法：理論分析、邏輯推理和類比推理。 2學(xué)法：閱讀、思考、討論交流。 【教學(xué)流程】 【教學(xué)過程及知識(shí)要點(diǎn)】 一、法拉第的貢獻(xiàn) 學(xué)生閱讀：P.56 1、法拉第創(chuàng)造性地引入“場”的概念，并用“力線”用來描述抽象的“場”（電場和磁場）。這種方法對電磁現(xiàn)象的描述形象直觀，是牛頓時(shí)代以來在物理學(xué)概念方面最重要的變革。愛因斯坦認(rèn)為法拉第這一方面的貢獻(xiàn)要比電磁感應(yīng)的發(fā)現(xiàn)高出許多。 2、場的概念使人們對物質(zhì)概念提升到一個(gè)新的高度：“實(shí)物”形態(tài)和“場”形態(tài)。 二、電磁場理論的兩大支柱（兩個(gè)假設(shè)） u 1、變化的磁場產(chǎn)生電場 演示實(shí)驗(yàn)：電磁感應(yīng)（如右） 現(xiàn)象分析： 麥克斯韋從電磁感應(yīng)現(xiàn)象的規(guī)律出發(fā)，分析得到：正由于變化的磁場產(chǎn)生了電場，才使閉合線圈中形成了電流。 ［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(dòng)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(dòng)呢？ ［學(xué)生回答］受電場力。 ［教師總結(jié)］上述實(shí)驗(yàn)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(shí)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(shí)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(gè)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(shí)，變化的磁場同樣在周圍空間產(chǎn)生電場，這是一個(gè)普遍規(guī)律，跟閉合電路是否存在無關(guān)（如圖甲、乙所示）。 從而得到結(jié)論:變化的磁場產(chǎn)生電場 u 2、變化的電場產(chǎn)生磁場 演示實(shí)驗(yàn)： 在電容器兩級接上交流電源，我們可以看到電流表有一定的示數(shù)。 麥克斯韋的創(chuàng)造性思維： 麥克斯韋在交流電路中，引入“位移電流”的概念： 電容器中雖然沒有電荷通過，但兩極板的電量及極板之間的電場在發(fā)生變化。他認(rèn)為，電路中的電流應(yīng)該是閉合的，兩極板之間變化的電場應(yīng)該具有電流的特征，并稱之為“位移電流”。 既然變化的電場具有電流的特征，所以在其周圍應(yīng)該有磁場產(chǎn)生。 從而得的結(jié)論：變化從電場產(chǎn)生磁場 u 3、電磁場理論——偉大的豐碑 麥克斯韋根據(jù)上述兩個(gè)假設(shè)和電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)事實(shí)，用一組方程描述電場和磁場，得到了系統(tǒng)而完整的電磁場理論。 麥克斯韋電磁理論可以形象的表述為： 變化的磁場產(chǎn)生電場 變化從電場產(chǎn)生磁場 磁場的變化是均勻的，產(chǎn)生的電場是穩(wěn)定的 電場的變化是均勻的，產(chǎn)生的磁場是穩(wěn)定的 磁場的變化是不均勻的，產(chǎn)生的電場是變化的 電場的變化是不均勻的，產(chǎn)生的磁場是變化的 三、麥克斯韋的偉大預(yù)言： 1、麥克斯韋進(jìn)一步推斷： 變化的磁場和變化的電場相互耦連，形成一個(gè)不可分離的統(tǒng)一體——電磁場。 變化的電場（振蕩的），會(huì)在其周圍產(chǎn)生變化的磁場，這個(gè)變化的磁場又會(huì)在其周圍產(chǎn)生電場。電場與磁場互相激發(fā)，由近及遠(yuǎn)地向周圍空間傳播，形成電磁波。 他由此預(yù)言了電磁波的存在。 2、麥克斯韋從他的方程組還得到： 電場和磁場的方向相互垂直，并都垂直于傳播方向——即電磁波是橫波。 電磁波在真空中的傳播速度恰好等于光速，并預(yù)言光是電磁波。 3、麥克斯韋提出的電磁場理論，是19世紀(jì)的科學(xué)史上的一件大事，是物理學(xué)的有一座偉大豐碑。在當(dāng)時(shí)，麥克斯韋被公認(rèn)為是“自牛頓之后世界上最偉大的數(shù)學(xué)、物理學(xué)家”。 【典例分析】 【例1】根據(jù)麥克斯韋電磁理論，下述正確的有 【 】 A.在電場周圍一定產(chǎn)生磁場，磁場周圍一定產(chǎn)生電場。 B.在變化的電場周圍一定產(chǎn)生變化的磁場，變化的磁場周圍一定產(chǎn)生變化的電場。 C.均勻變化的電場周圍一定產(chǎn)生均勻變化的磁場。 D.振蕩的電場一定產(chǎn)生同頻率振蕩的磁場。 【答案】D 【感悟】解決這類題的關(guān)鍵：緊緊抓住麥克斯電磁場理論的要點(diǎn)，并深刻理解。 v0 B 【例2】如圖，內(nèi)壁光滑、水平放置的玻璃圓環(huán)內(nèi)，有一直徑略小于環(huán)口徑的帶正電的小球，正以速率v0沿逆時(shí)針方向勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。若在此空間突然加上豎直向上、磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨時(shí)間成正比例增加的變化磁場，設(shè)小球運(yùn)動(dòng)過程中的電量不變，那么 【 】 A．小球?qū)ΣＡЛh(huán)的壓力不斷增大 B．小球受到的磁場力不斷增大 C．小球先沿逆時(shí)針方向做減速運(yùn)動(dòng)，過一段時(shí)間后，沿順時(shí)針方向做加速運(yùn)動(dòng) D．磁場力一直對小球不做功 【分析】因?yàn)椴ＡЛh(huán)所處有均勻變化的磁場，在周圍產(chǎn)生穩(wěn)定的渦旋電場，對帶正電的小球做功，由楞次定律，判斷電場方向?yàn)轫槙r(shí)針，在電場力的作用下，小球先沿逆時(shí)針方向做減速運(yùn)動(dòng)，過一段時(shí)間后，沿順時(shí)針方向做加速運(yùn)動(dòng)。小球在水平面內(nèi)沿軌跡半徑方向受兩個(gè)力：環(huán)的彈力N和磁場的洛侖茲力f，而且兩個(gè)力的矢量和始終提供向心力，考慮到小球速度大小的變化和方向的變化以及磁場強(qiáng)弱的變化，彈力和洛侖茲力不一定始終在增大。洛侖茲力始終和運(yùn)動(dòng)方向垂直，所以磁場力不做功。正確為CD。 【課堂練習(xí)】 1.下列有關(guān)電磁場的說法中，正確的是 A． 變化的磁場一定產(chǎn)生變化的電場 B． 變化的電場一定產(chǎn)生磁場 C． 變化的磁場一定產(chǎn)生周期性變化的電場 D． 周期性變化的電場一定產(chǎn)生周期性變化的磁場 2．下面說法正確的是 A． 恒定電流能夠在周圍空間產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場 B． 均勻變化的電場能夠在周圍空間產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場 C． 靜止電荷能夠在周圍空間產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場 D． 變化的電場和磁場互相激發(fā)，形成由近及遠(yuǎn)傳播的電磁場 3．關(guān)于電磁場的下列說法中正確的是 A． 任何變化的電場都會(huì)在周圍空間產(chǎn)生變化的磁場 B． 任何變化的磁場都會(huì)在周圍空間產(chǎn)生變化的電場 C． 只有非均勻變化的磁場才會(huì)在周圍空間產(chǎn)生變化的電場 D． 只有非均勻變化的電場才會(huì)在周圍空間產(chǎn)生變化的磁場 4．空間某處存在一個(gè)變化的磁場，正確的是 A． 在變化的磁場周圍一定能產(chǎn)生變化的電場 B． 在磁場中放一個(gè)閉合線圈，線圈一定有感應(yīng)電流 C． 在磁場中放一個(gè)閉合線圈，線圈不一定有感應(yīng)電流 D． 變化的磁場周圍產(chǎn)生電場，跟閉合線圈的存在與否沒有關(guān)系 參考答案：1.BD 2.BD 3.CD 4.CD 【課堂小結(jié)】 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(gè)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。 【家庭作業(yè)與活動(dòng)】 1、 閱讀教材P. 56~58，理解麥克斯韋的思維過程和他提出的獨(dú)特的見解。 2、 思考—討論—練習(xí)：P.58 〖家庭作業(yè)與活動(dòng)〗1、2、3