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2019-2020年《劃時代的發(fā)現》教學設計WORD版 教學目標： 知識與技能 知道奧斯特實驗、電磁感應現象 過程與方法 自然現象之間的相互聯系和相互轉化；其他科學家在探究過程中的失敗和貢獻 情感、態(tài)度與價值觀 體會人類探究自然規(guī)律的科學態(tài)度和科學精神 教學重點、難點 探索電磁感應現象的歷史背景；體會人類探究自然規(guī)律的科學態(tài)度和科學精神 教學方法：講授 教學過程： 新課教學：康德等哲學家提出：各種自然現象之間的相互聯系和相互轉化的思想。 （一）奧斯特夢圓“電生磁” 由于受康德哲學與謝林的自然哲學的影響，堅信自然力是可以相互轉化的，長期探索電與磁之間的聯系。1820年4月終于發(fā)現了電流對磁針的作用，即電流的磁效應。同年7月21日以《關于磁針上電沖突作用的實驗》為題發(fā)表了他的發(fā)現。這篇短短的論文使歐洲物理學界產生了極大震動，導致了大批實驗成果的出現，由此開辟了物理學的新領域──電磁學。1820年因電流磁效應這一杰出發(fā)現獲英國皇家學會科普利獎章。1829年起任哥本哈根工學院院長。 （二）法拉第心系“磁生電” 1820年奧斯特發(fā)現電流的磁效應，受到科學界的關注，促進了科學的發(fā)展。1821年英國《哲學年鑒》的主編約請戴維撰寫一篇文章，評述奧斯特發(fā)現以來電磁學實驗的理論發(fā)展概況。戴維把這一工作交給了法拉第。法拉第在收集資料的過程中，對電磁現象的研究產生了極大的熱情，并開始轉向電磁學的研究。他仔細地分析了電流的磁效應等現象，認為既然電流能產生磁，磁能否產生電呢?1822年他在日記中寫下了自己的思想：“磁能轉化成電”。他在這方面進行了系統的研究。起初，他試圖用強磁鐵靠近閉合導線或用強電流使另一閉合導線中產生電流，做了大量的實驗，都失敗了。經過歷時十年的失敗、再試驗，直到1831年8月29日才取得成功。他接連又做了幾十個這類實驗。1831年11月24日的論文中，他把產生感應電流的情況概括成五類：變化著的電流；變化著的磁場；運動的恒定電流；運動的磁場；在磁場中運動的導體。他指出：感應電流與原電流的變化有關，而不是與原電流本身有關。他將這一現象與導體上的靜電感應類比，把它取名為“電磁感應”。為了解釋電磁感應現象，法拉第曾提出過“電張力”的概念。后來在考慮了電磁感應的各種情況后，認為可以把感應電流的產生歸因于導體“切割磁力線”。在電磁感應現象發(fā)現二十年后，直到1851年才得出了電磁感應定律。經過大量實驗后，他終于實現了“磁生電”的夙愿，宣告了電氣時代的到來。 作為19世紀偉大實驗物理學家的法拉第。他并不滿足于現象的發(fā)現，還力求探索現象后面隱藏著的本質；他既十分重視實驗研究，又格外重視理論思維的作用。1832年3月12日他寫給皇家學會一封信，信封上寫有“現在應當收藏在皇家學會檔案館里的一些新觀點”。那時的法拉第已經孕育著電磁波的存在以及光是一種電磁振動的杰出思想，盡管還帶有一定的模糊性。為解釋電磁感應現象，他提出“電致緊張態(tài)”與“磁力線”等新概念，同時對當時盛行的超距作用說產生了強烈的懷疑：“一個物體可以穿過真空超距地作用于另一個物體，不要任何一種東西的中間參與，就把作用和力從一個物體傳遞到另一個物體，這種說法對我來說，尤其荒謬。凡是在哲學方面有思考能力的人，決不會陷人這種謬論之中”。他開始向長期盤踞在物理學陣地的超距說宣戰(zhàn)。與此同時，他還向另一種形而上學觀點──流體說進行挑戰(zhàn)。1833年，他總結了前人與自己的大量研究成果，證實當時所知摩擦電、伏打電、電磁感應電、溫差電和動物電等五種不同來源的電的同一性。他力圖解釋電流的本質，導致他研究電流通過酸、堿、鹽溶液，結果在1833～1834年發(fā)現電解定律，開創(chuàng)了電化學這一新的學科領域。他所創(chuàng)造的大量術語沿用至今。電解定律除本身的意義外，也是電的分立性的重要論據。 　　1837年他發(fā)現電介質對靜電過程的影響，提出了以近距“鄰接”作用為基礎的靜電感應理論。不久以后，他又發(fā)現了抗磁性。在這些研究工作的基礎上，他形成了“電和磁作用通過中間介質、從一個物體傳到另一個物體的思想。”于是，介質成了“場”的場所，場這個概念正是來源于法拉第。正如愛因斯坦所說，引入場的概念，是法拉第的最富有獨創(chuàng)性的思想，是牛頓以來最重要的發(fā)現。牛頓及其他學者的空間，被視作物體與電荷的容器；而法拉第的空間，是現象的容器，它參與了現象。所以說法拉第是電磁場學說的創(chuàng)始人。他的深邃的物理思想，強烈地吸引了年輕的麥克斯韋。麥克斯韋認為，法拉第的電磁場理論比當時流行的超距作用電動力學更為合理，他正是抱著用嚴格的數學語言來表述法拉第理論的決心闖入電磁學領域的。 　　法拉第堅信：“物質的力借以表現出的各種形式，都有一個共同的起源”，這一思想指導著法拉第探尋光與電磁之間的聯系。1822年，他曾使光沿電流方向通過電解波，試圖發(fā)現偏振面的變化，沒有成功。這種思想是如此強烈，執(zhí)著的追求使他終于在1845年發(fā)現強磁場使偏振光的偏振面發(fā)生旋轉。他的晚年，盡管健康狀況惡化，仍從事廣泛的研究。他曾分析研究電纜中電報信號遲滯的原因，研制照明燈與航標燈。 　　他的成就來源于勤奮，他的主要著作《日記》由16041則匯編而成；《電學實驗研究》有3362節(jié)之多。 他生活簡樸，不尚華貴，以致有人到皇家學院實驗室作實驗時錯把他當作守門的老頭。1857年，皇家學會學術委員會一致決議聘請他擔任皇家學會會長。對這一榮譽職務他再三拒絕。他說：“我是一個普通人。如果我接受皇家學會希望加在我身上的榮譽，那么我就不能保證自己的誠實和正直，連一年也保證不了?！蓖瑯拥睦碛?，他謝絕了皇家學院的院長職務。當英王室準備授予他爵士稱號時，他多次婉言謝絕說：“法拉第出身平民，不想變成貴族”。他的好友J.Tyndall對此作了很好的解釋：“在他的眼中看去，宮廷的華麗，和布來屯（Brighton）高原上面的雷雨比較起來，算得什么；皇家的一切器具，和落日比較起來，又算得什么？其所以說雷雨和落日，是因為這些現象在他的心里，都可以挑起一種狂喜。在他這種人的心胸中，那些世俗的榮華快樂，當然沒有價值了”?！耙环矫婵梢缘玫绞迦f鎊的財產，一方面是完全沒有報酬的學問，要在這兩者之間去選擇一種。他卻選定了第二種，遂窮困以終?！边@就是這位鐵匠的兒子、訂書匠學徒的鄭重選擇。1867年8月25日逝世，墓碑上照他的遺愿只刻有他的名字和出生年月。 　　后世的人們，選擇了法拉作為電容的國際單位，以紀念這位物理學大師。 （三）科拉頓的“失敗” 1820年，奧斯特的磁效應發(fā)表后，在科學界引起極大反響，科學家想既然“電能生磁”，反過來“磁也能生電”?？梢哉f，想實現“磁生電”是當時許多科學家的愿望，例如，安培、科拉頓等人都曾為之努力過，但是都失敗了。在這個問題上，最遺憾的莫過于科拉頓。 1825年，科拉頓做了這樣一個實驗，他將一個磁鐵插入連有靈敏電流計的螺旋線圈，來觀察在線圈中是否有電流產生。但是在實驗時，科拉頓為了排除磁鐵移動時對靈敏電流計的影響，他通過很長的導線把接在螺旋線圈上的靈敏電流計放到另一間房里他想，反正產生的電流應該是“穩(wěn)定”的（當時科學界都認為利用磁場產生的電應該是“穩(wěn)定”的），插入磁鐵后，如果有電流，跑到另一間房里觀察也來得及就這樣，科拉頓開始了實驗。然而，無論他跑得多快，他看到的電流計指針都是指在“0”刻度的位置?？评D失敗了?？评D的這個失敗，是一個什么樣的失敗呢？后人有各種各樣的議論。 有人說這是一次“成功的失敗”。因為科拉頓的實驗裝置設計得完全正確，如果磁鐵磁性足夠強，導線電阻不大，電流計十分靈敏，那么在科拉頓將磁鐵插入螺旋線圈時，電流計的指針確實是擺動了的。也就是說，電磁感應的實驗是成功了，只不過科拉頓沒有看見，他跑得還是“太慢”，連電流計指針往回擺也沒看見， 有人說，這是一次“遺憾的失敗”。因為科拉頓如果有個助手在另外那間房里，或者科拉頓就把電流計放在同一間房里看得見的地方，那么成功的桂冠肯定是屬于科拉頓的。 有人說，這是一次“真正的失敗”。因為科拉頓沒能轉變思想，沒有從“穩(wěn)態(tài)”的猜想轉變到“暫態(tài)”的考慮上來，所以他想不到請個助手幫一下忙、或者把電流計拿到同一間房里來。事實也正是如此，法拉第總結了別人和他自己以前失敗的教訓，他決定不再固守“穩(wěn)態(tài)”的猜想，終于在1831年8月，觀察到了電磁感應現象?？评D只能留下永遠的遺憾。 小結 教后記： 學生對于課外知識很感興趣，有些同學有一定的知識基礎，也能提出一些有建設性的問題，激發(fā)了他們學物理的興趣。