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2019-2020年高中物理 《麥克斯韋的電磁場(chǎng)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(duì)物理學(xué)貢獻(xiàn)。 2．知道麥克斯韋電磁場(chǎng)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(chǎng)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(duì)麥克斯韋電磁場(chǎng)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(chǎng)理論的成功，感受運(yùn)用數(shù)學(xué)工具進(jìn)行推理論證對(duì)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(duì)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(duì)麥克斯韋電磁場(chǎng)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(duì)稱之美、有序之美。 （6） 通過對(duì)電磁場(chǎng)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(chǎng)、磁場(chǎng)、電磁感應(yīng)等基本電場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)。 2、變化的電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)。 【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(chǎng)”的概念，并用“力線”用來描述抽象的“場(chǎng)”（電場(chǎng)和磁場(chǎng)）。這種方法對(duì)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(chǎng)的概念使人們對(duì)物質(zhì)概念提升到一個(gè)新的高度：“實(shí)物”形態(tài)和“場(chǎng)”形態(tài)。 二、電磁場(chǎng)理論的兩大支柱（兩個(gè)假設(shè)） u 1、變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng) 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(chǎng)產(chǎn)生了電場(chǎng)，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(chǎng)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(shì)，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(chǎng)力。 ［教師總結(jié)］上述實(shí)驗(yàn)表明，變化的磁場(chǎng)在線圈里形成電場(chǎng)。 ［教師提問］若線圈斷開，線圈中有電流、電場(chǎng)嗎？ ［學(xué)生回答］有電場(chǎng)，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(chǎng)嗎？ 學(xué)生對(duì)此問題可能難以回答，但這時(shí)提出變化的磁場(chǎng)能在其空間產(chǎn)生電場(chǎng)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(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)。 麥克斯韋認(rèn)為線圈只不過用來顯示電場(chǎng)的存在，線圈不存在時(shí)，變化的磁場(chǎng)同樣在周圍空間產(chǎn)生電場(chǎng)，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(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng) u 2、變化的電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng) 演示實(shí)驗(yàn)： 在電容器兩級(jí)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)具有電流的特征，所以在其周圍應(yīng)該有磁場(chǎng)產(chǎn)生。 從而得的結(jié)論：變化從電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng) u 3、電磁場(chǎng)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(chǎng)和磁場(chǎng)，得到了系統(tǒng)而完整的電磁場(chǎng)理論。 麥克斯韋電磁理論可以形象的表述為： 變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng) 變化從電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng) 磁場(chǎng)的變化是均勻的，產(chǎn)生的電場(chǎng)是穩(wěn)定的 電場(chǎng)的變化是均勻的，產(chǎn)生的磁場(chǎng)是穩(wěn)定的 磁場(chǎng)的變化是不均勻的，產(chǎn)生的電場(chǎng)是變化的 電場(chǎng)的變化是不均勻的，產(chǎn)生的磁場(chǎng)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(chǎng)和變化的電場(chǎng)相互耦連，形成一個(gè)不可分離的統(tǒng)一體——電磁場(chǎng)。 變化的電場(chǎng)（振蕩的），會(huì)在其周圍產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，這個(gè)變化的磁場(chǎng)又會(huì)在其周圍產(chǎn)生電場(chǎng)。電場(chǎng)與磁場(chǎng)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(chǎng)和磁場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)周圍一定產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)周圍一定產(chǎn)生電場(chǎng)。 B.在變化的電場(chǎng)周圍一定產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，變化的磁場(chǎng)周圍一定產(chǎn)生變化的電場(chǎng)。 C.均勻變化的電場(chǎng)周圍一定產(chǎn)生均勻變化的磁場(chǎng)。 D.振蕩的電場(chǎng)一定產(chǎn)生同頻率振蕩的磁場(chǎng)。 【答案】D 【感悟】解決這類題的關(guān)鍵：緊緊抓住麥克斯電磁場(chǎng)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(chǎng)，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(chǎng)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(chǎng)力一直對(duì)小球不做功 【分析】因?yàn)椴ＡЛh(huán)所處有均勻變化的磁場(chǎng)，在周圍產(chǎn)生穩(wěn)定的渦旋電場(chǎng)，對(duì)帶正電的小球做功，由楞次定律，判斷電場(chǎng)方向?yàn)轫槙r(shí)針，在電場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)力不做功。正確為CD。 【課堂練習(xí)】 1.下列有關(guān)電磁場(chǎng)的說法中，正確的是 A． 變化的磁場(chǎng)一定產(chǎn)生變化的電場(chǎng) B． 變化的電場(chǎng)一定產(chǎn)生磁場(chǎng) C． 變化的磁場(chǎng)一定產(chǎn)生周期性變化的電場(chǎng) D． 周期性變化的電場(chǎng)一定產(chǎn)生周期性變化的磁場(chǎng) 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(chǎng) B． 均勻變化的電場(chǎng)能夠在周圍空間產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場(chǎng) C． 靜止電荷能夠在周圍空間產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場(chǎng) D． 變化的電場(chǎng)和磁場(chǎng)互相激發(fā)，形成由近及遠(yuǎn)傳播的電磁場(chǎng) 3．關(guān)于電磁場(chǎng)的下列說法中正確的是 A． 任何變化的電場(chǎng)都會(huì)在周圍空間產(chǎn)生變化的磁場(chǎng) B． 任何變化的磁場(chǎng)都會(huì)在周圍空間產(chǎn)生變化的電場(chǎng) C． 只有非均勻變化的磁場(chǎng)才會(huì)在周圍空間產(chǎn)生變化的電場(chǎng) D． 只有非均勻變化的電場(chǎng)才會(huì)在周圍空間產(chǎn)生變化的磁場(chǎng) 4．空間某處存在一個(gè)變化的磁場(chǎng)，正確的是 A． 在變化的磁場(chǎng)周圍一定能產(chǎn)生變化的電場(chǎng) B． 在磁場(chǎng)中放一個(gè)閉合線圈，線圈一定有感應(yīng)電流 C． 在磁場(chǎng)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(chǎng)周圍產(chǎn)生電場(chǎng)，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(chǎng)理論的主要內(nèi)容。 知道了麥克斯韋電磁場(chǎng)理論的兩大支柱：變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)，變化的電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)。還知道了變化的電場(chǎng)和磁場(chǎng)相互聯(lián)系，形成一個(gè)統(tǒng)一的場(chǎng)，即電磁場(chǎng)。電磁場(chǎng)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(chǎng)與磁場(chǎng)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