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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(shí)與技能 1．知道麥克斯韋電磁場(chǎng)理論的重要地位。 2．知道麥克斯韋電磁場(chǎng)理論的主要內(nèi)容。 3．知道電磁波的特點(diǎn)。 4．知道赫茲實(shí)驗(yàn)及其重要意義。 （二）過(guò)程與方法 通過(guò)對(duì)電磁波發(fā)現(xiàn)過(guò)程的了解，認(rèn)識(shí)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(jià)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(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)。 教學(xué)難點(diǎn)：變化的電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)。 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(tái)，電磁鐵一塊，多匝線圈、燈座、小燈泡各一個(gè)，導(dǎo)線若干，多媒體課件 教學(xué)過(guò)程 （一）引入新課 （導(dǎo)入畫(huà)面） 師：大家看到的畫(huà)面是“神舟六號(hào)”發(fā)射場(chǎng)面?！吧裰哿?hào)”上天后，人們是怎樣知道它到達(dá)預(yù)定的地點(diǎn)呢？ 生：無(wú)線電波。 師：無(wú)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?，F(xiàn)代社會(huì)的各個(gè)部門，幾乎都離不開(kāi)“電磁波”，可以說(shuō)“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(hào)？這一章就要討論這些問(wèn)題。今天我們就從電磁波的發(fā)現(xiàn)開(kāi)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(jiǎn)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(guó)的理論物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家。1831年6月13日生于英國(guó)愛(ài)丁堡。他的父親是一個(gè)科學(xué)家，他從小就受到科學(xué)的熏陶，15歲時(shí)向英國(guó)皇家學(xué)會(huì)遞交數(shù)學(xué)論文，發(fā)表在《愛(ài)丁堡皇家學(xué)會(huì)學(xué)報(bào)》上，第一次顯露出他出眾的才華。1847年，考入愛(ài)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(jiàn)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(shí)驗(yàn)室主任，1874年，他主持建立的卡文迪許實(shí)驗(yàn)室竣工，任該實(shí)驗(yàn)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(chǎng)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(chǎng)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(huì)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(duì)法拉第的直觀形象的電磁場(chǎng)理論加以高度概括，并總結(jié)了當(dāng)時(shí)電磁學(xué)的研究成果，建立了電磁場(chǎng)方程，確立了電磁場(chǎng)理論。 師：我們現(xiàn)在粗略地介紹一下麥克斯韋的電磁場(chǎng)理論。 ● 變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng) 演示實(shí)驗(yàn) 裝置如圖所示，當(dāng)穿過(guò)螺線管的磁場(chǎng)隨時(shí)間變化時(shí)，上面的線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，引起感應(yīng)電流使燈泡發(fā)光。 ［提出問(wèn)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(guò)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(wèn)］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(wèn)］若線圈斷開(kāi)，線圈中有電流、電場(chǎng)嗎？ ［學(xué)生回答］有電場(chǎng)，無(wú)電流。 ［繼續(xù)提問(wèn)］若線圈被拿走，它原來(lái)所處的空間有電場(chǎng)嗎？ 學(xué)生對(duì)此問(wèn)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(guò)用來(lái)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(wú)關(guān)（如圖甲、乙所示）。 ● 變化的電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng) 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(chǎng)能產(chǎn)生電場(chǎng)的現(xiàn)象，提出了另一個(gè)大膽的假設(shè)：變化的電場(chǎng)也能產(chǎn)生磁場(chǎng)。 師：總結(jié)上述兩個(gè)結(jié)論，麥克斯韋認(rèn)為，變化的電場(chǎng)和磁場(chǎng)是互相聯(lián)系的，形成一個(gè)統(tǒng)一的電磁場(chǎng)。 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(chǎng)，那么，這個(gè)變化的電場(chǎng)就在它周圍空間產(chǎn)生周期性變化的磁場(chǎng)，這個(gè)變化的磁場(chǎng)又在它周圍空間產(chǎn)生新的周期性變化的電場(chǎng)……可見(jiàn)，變化的電場(chǎng)和變化的磁場(chǎng)是相互聯(lián)系的，形成一個(gè)不可分離的統(tǒng)一體，這就是電磁場(chǎng)。電場(chǎng)和磁場(chǎng)只是這個(gè)統(tǒng)一的電磁場(chǎng)的兩種具體表現(xiàn)。這種變化的電場(chǎng)和變化的磁場(chǎng)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(gè)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(chǎng)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(chǎng)和磁場(chǎng)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(chǎng)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(guò)程中，電磁波能發(fā)生反射、折射、干涉和衍射。 （3）三個(gè)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(chǎng)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(gè)劃時(shí)代的里程碑。 3．赫茲的電火花 師：麥克斯韋的電磁場(chǎng)理論還只是一個(gè)預(yù)言。還有待于科學(xué)實(shí)驗(yàn)的證明。是赫茲把這個(gè)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(shí)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(jiǎn)介（見(jiàn)附錄），激發(fā)學(xué)生求知上進(jìn)的熱情，對(duì)學(xué)生進(jìn)行物理情感教育。 （三）課堂總結(jié)、點(diǎn)評(píng) 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。 ★課余作業(yè) 完成P85“問(wèn)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(guó)物理學(xué)家，1857年2月22日出生于漢堡。在求學(xué)時(shí)代，他就被光學(xué)和力學(xué)實(shí)驗(yàn)所吸引。1878年轉(zhuǎn)入柏林大學(xué)，1879年在物理競(jìng)賽中成績(jī)出眾，獲金質(zhì)獎(jiǎng)?wù)拢诙戢@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(shí)驗(yàn)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(chǎng)理論。 1888年10月，赫茲在卡爾斯魯高等工業(yè)學(xué)院物理實(shí)驗(yàn)室用放電線圈做火花放電實(shí)驗(yàn)，偶然發(fā)現(xiàn)和放電線圈靠得很近的另一個(gè)開(kāi)口的絕緣線圈中有電火花跳過(guò)。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(yàn)證麥克斯韋電磁場(chǎng)理論的問(wèn)題。他設(shè)計(jì)了一個(gè)裝置來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn).他在感應(yīng)圈C的兩個(gè)電極上各接一根30 cm長(zhǎng)的銅棒A、B，每根銅棒一頭各接一個(gè)黃銅小球，另一頭接邊長(zhǎng)為40 cm的正方形黃銅板，讓兩個(gè)黃銅小球相對(duì)著，組成發(fā)生器。當(dāng)通電時(shí)，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(gè)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(gè)銅球間產(chǎn)生電火花時(shí)，他在檢波器的兩個(gè)銅球間隙也看到了電火花。赫茲用這樣簡(jiǎn)單的儀器成功地證明了電磁波的存在。赫茲的實(shí)驗(yàn)報(bào)告轟動(dòng)了科學(xué)界。 之后，赫茲又設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，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(zhǎng)和發(fā)生器振蕩頻率計(jì)算出電磁波的波速。最后的計(jì)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(guò)實(shí)驗(yàn)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(yàn)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(duì)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(lái)成為愛(ài)因斯坦建立光量子理論的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。 赫茲因骨癌于1894年元旦過(guò)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(jiān)毅，用自己短暫的一生解決了一個(gè)世紀(jì)以來(lái)許多科學(xué)家所沒(méi)有解決的一系列重要的問(wèn)題”。赫茲的實(shí)驗(yàn)為無(wú)線電技術(shù)的發(fā)展開(kāi)辟了新的道路，他被譽(yù)為無(wú)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。