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2019-2020年《劃時代的發(fā)現(xiàn)》教學(xué)設(shè)計WORD版 教學(xué)目標(biāo)： 知識與技能 知道奧斯特實驗、電磁感應(yīng)現(xiàn)象 過程與方法 自然現(xiàn)象之間的相互聯(lián)系和相互轉(zhuǎn)化；其他科學(xué)家在探究過程中的失敗和貢獻(xiàn) 情感、態(tài)度與價值觀 體會人類探究自然規(guī)律的科學(xué)態(tài)度和科學(xué)精神 教學(xué)重點、難點 探索電磁感應(yīng)現(xiàn)象的歷史背景；體會人類探究自然規(guī)律的科學(xué)態(tài)度和科學(xué)精神 教學(xué)方法：講授 教學(xué)過程： 新課教學(xué)：康德等哲學(xué)家提出：各種自然現(xiàn)象之間的相互聯(lián)系和相互轉(zhuǎn)化的思想。 （一）奧斯特夢圓“電生磁” 由于受康德哲學(xué)與謝林的自然哲學(xué)的影響，堅信自然力是可以相互轉(zhuǎn)化的，長期探索電與磁之間的聯(lián)系。1820年4月終于發(fā)現(xiàn)了電流對磁針的作用，即電流的磁效應(yīng)。同年7月21日以《關(guān)于磁針上電沖突作用的實驗》為題發(fā)表了他的發(fā)現(xiàn)。這篇短短的論文使歐洲物理學(xué)界產(chǎn)生了極大震動，導(dǎo)致了大批實驗成果的出現(xiàn)，由此開辟了物理學(xué)的新領(lǐng)域──電磁學(xué)。1820年因電流磁效應(yīng)這一杰出發(fā)現(xiàn)獲英國皇家學(xué)會科普利獎?wù)隆?829年起任哥本哈根工學(xué)院院長。 （二）法拉第心系“磁生電” 1820年奧斯特發(fā)現(xiàn)電流的磁效應(yīng)，受到科學(xué)界的關(guān)注，促進(jìn)了科學(xué)的發(fā)展。1821年英國《哲學(xué)年鑒》的主編約請戴維撰寫一篇文章，評述奧斯特發(fā)現(xiàn)以來電磁學(xué)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(xiàn)象的研究產(chǎn)生了極大的熱情，并開始轉(zhuǎn)向電磁學(xué)的研究。他仔細(xì)地分析了電流的磁效應(yīng)等現(xiàn)象，認(rèn)為既然電流能產(chǎn)生磁，磁能否產(chǎn)生電呢?1822年他在日記中寫下了自己的思想：“磁能轉(zhuǎn)化成電”。他在這方面進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。起初，他試圖用強(qiáng)磁鐵靠近閉合導(dǎo)線或用強(qiáng)電流使另一閉合導(dǎo)線中產(chǎn)生電流，做了大量的實驗，都失敗了。經(jīng)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(chǎn)生感應(yīng)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(dǎo)體。他指出：感應(yīng)電流與原電流的變化有關(guān)，而不是與原電流本身有關(guān)。他將這一現(xiàn)象與導(dǎo)體上的靜電感應(yīng)類比，把它取名為“電磁感應(yīng)”。為了解釋電磁感應(yīng)現(xiàn)象，法拉第曾提出過“電張力”的概念。后來在考慮了電磁感應(yīng)的各種情況后，認(rèn)為可以把感應(yīng)電流的產(chǎn)生歸因于導(dǎo)體“切割磁力線”。在電磁感應(yīng)現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)二十年后，直到1851年才得出了電磁感應(yīng)定律。經(jīng)過大量實驗后，他終于實現(xiàn)了“磁生電”的夙愿，宣告了電氣時代的到來。 作為19世紀(jì)偉大實驗物理學(xué)家的法拉第。他并不滿足于現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，還力求探索現(xiàn)象后面隱藏著的本質(zhì)；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(xué)會一封信，信封上寫有“現(xiàn)在應(yīng)當(dāng)收藏在皇家學(xué)會檔案館里的一些新觀點”。那時的法拉第已經(jīng)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(yīng)現(xiàn)象，他提出“電致緊張態(tài)”與“磁力線”等新概念，同時對當(dāng)時盛行的超距作用說產(chǎn)生了強(qiáng)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(xué)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(xué)陣地的超距說宣戰(zhàn)。與此同時，他還向另一種形而上學(xué)觀點──流體說進(jìn)行挑戰(zhàn)。1833年，他總結(jié)了前人與自己的大量研究成果，證實當(dāng)時所知摩擦電、伏打電、電磁感應(yīng)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(zhì)，導(dǎo)致他研究電流通過酸、堿、鹽溶液，結(jié)果在1833～1834年發(fā)現(xiàn)電解定律，開創(chuàng)了電化學(xué)這一新的學(xué)科領(lǐng)域。他所創(chuàng)造的大量術(shù)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(jù)。 　　1837年他發(fā)現(xiàn)電介質(zhì)對靜電過程的影響，提出了以近距“鄰接”作用為基礎(chǔ)的靜電感應(yīng)理論。不久以后，他又發(fā)現(xiàn)了抗磁性。在這些研究工作的基礎(chǔ)上，他形成了“電和磁作用通過中間介質(zhì)、從一個物體傳到另一個物體的思想?！庇谑?，介質(zhì)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(xiàn)。牛頓及其他學(xué)者的空間，被視作物體與電荷的容器；而法拉第的空間，是現(xiàn)象的容器，它參與了現(xiàn)象。所以說法拉第是電磁場學(xué)說的創(chuàng)始人。他的深邃的物理思想，強(qiáng)烈地吸引了年輕的麥克斯韋。麥克斯韋認(rèn)為，法拉第的電磁場理論比當(dāng)時流行的超距作用電動力學(xué)更為合理，他正是抱著用嚴(yán)格的數(shù)學(xué)語言來表述法拉第理論的決心闖入電磁學(xué)領(lǐng)域的。 　　法拉第堅信：“物質(zhì)的力借以表現(xiàn)出的各種形式，都有一個共同的起源”，這一思想指導(dǎo)著法拉第探尋光與電磁之間的聯(lián)系。1822年，他曾使光沿電流方向通過電解波，試圖發(fā)現(xiàn)偏振面的變化，沒有成功。這種思想是如此強(qiáng)烈，執(zhí)著的追求使他終于在1845年發(fā)現(xiàn)強(qiáng)磁場使偏振光的偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)。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(biāo)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(xué)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(xué)院實驗室作實驗時錯把他當(dāng)作守門的老頭。1857年，皇家學(xué)會學(xué)術(shù)委員會一致決議聘請他擔(dān)任皇家學(xué)會會長。對這一榮譽職務(wù)他再三拒絕。他說：“我是一個普通人。如果我接受皇家學(xué)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(xué)院的院長職務(wù)。當(dāng)英王室準(zhǔn)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(xiàn)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(dāng)然沒有價值了”?！耙环矫婵梢缘玫绞迦f鎊的財產(chǎn)，一方面是完全沒有報酬的學(xué)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(xué)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(jì)念這位物理學(xué)大師。 （三）科拉頓的“失敗” 1820年，奧斯特的磁效應(yīng)發(fā)表后，在科學(xué)界引起極大反響，科學(xué)家想既然“電能生磁”，反過來“磁也能生電”?？梢哉f，想實現(xiàn)“磁生電”是當(dāng)時許多科學(xué)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(chǎn)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(dǎo)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(chǎn)生的電流應(yīng)該是“穩(wěn)定”的（當(dāng)時科學(xué)界都認(rèn)為利用磁場產(chǎn)生的電應(yīng)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(shè)計得完全正確，如果磁鐵磁性足夠強(qiáng)，導(dǎo)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(yīng)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(zhuǎn)變思想，沒有從“穩(wěn)態(tài)”的猜想轉(zhuǎn)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(jié)了別人和他自己以前失敗的教訓(xùn)，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(yīng)現(xiàn)象?？评D只能留下永遠(yuǎn)的遺憾。 小結(jié) 教后記： 學(xué)生對于課外知識很感興趣，有些同學(xué)有一定的知識基礎(chǔ)，也能提出一些有建設(shè)性的問題，激發(fā)了他們學(xué)物理的興趣。