资源简介

教学设计
课程基本信息
学科 高中物理 年级 高二 学期 春季
课题 电磁场与电磁波
教学目标
1.进一步了解麦克斯韦电磁场理论的基本思想。知道电磁波概念。初步了解电磁场是物质的一种形式。会从电磁场的物质性与能量传播的观点解释电磁波的发射与接受。 2.领会在发现电磁波的过程中所蕴含的科学精神和科学研究方法，体会赫兹实验证明电磁波存在的重点意义。 3.了解发现电磁波的历史背景，知道麦克斯韦对电磁波的伟大贡献。领会物理实验对物理学发展的基础意义。
教学内容
教学重点： 1. 电磁波的概念及其形成的条件； 2. 麦克斯韦发现电磁波的过程中所蕴含的科学精神和科学研究方法，赫兹实验证明电磁波存在的重点意义。 教学难点： 电磁场的概念和麦克斯韦电磁场理论
教学过程
【教学环节1】 【情境问题引入】：回顾第1节“电磁振荡”实验：“观察振荡电路电压的波形” 回顾：电磁振荡电路中的能量有一部分要以电磁波的形式辐射到周围空间中去。 [问题]：如何证实电磁波的存在？ 【实验1】 电磁波的发射器+放大接收器（通过电磁波接收将声音放大） [实验过程]：采用一个改装后的LC 振荡电路装置，上面插板是一个高频振荡器，实验发射装置选择音乐模式，自带喇叭播放音乐；打开实验发射装置选择音乐模式，打开自带喇叭播放音乐，打开接收装置，隔空接收，音乐显化了电磁波的存在，关闭发射装置自带喇叭，与接受装置喇叭音乐进行对比。 [问题]：这些电磁波是怎样产生的？ 【教学环节2】 【实验2】隔空亮灯 按照图示实验装置进行实验演示（螺线管接入交流电） [问题链]+ [实验模型化、抽象化处理] [问题链]： [问题1]：实验中二极管发光，说明线圈中有电流，该电流是如何产生的？ [问题2]：根据电流的定义进一步分析，电流是如何形成的？ [问题3]：线圈中的自由电荷是为什么会定向移动的呢？ [问题4]：该感应电场是如何产生的？ [问题5]：在此基础上，如果把线圈换成塑料圈（延伸追问：直接拿掉线圈），线圈所处的空间还有电流和电场吗？ [结论]：麦克斯韦认为：线圈只不过是用来探知和显示电场的存在，无论有没有线圈，周围空间都产生电场，麦克斯韦实质上揭露了电磁感应现象的本质：变化的磁场产生电场。但实际上麦克斯韦将这种用场描述电磁感应现象的观点，推广到不存在闭合电路的情形，是一种假设，该假设基于电磁感应现象，是很自然的。 [小结]：麦克斯韦提出“电磁场理论”核心之一：变化的磁场产生电场 【教学环节3】 【假设基础1】: [基于事实证据] 对称统一：电现象和磁现象的相似性/对称性/和谐性 举例：自然界中两种电荷（正电荷、负电荷），自然界中两种磁极（N极、S极）；电场的描述：电场强度E、电场线，磁场的描述：磁感应强度B、磁感线；尤其是奥斯特的“电生磁”与法拉第的“磁生电”的对称统一。 【假设基础2】: [基于前辈研究] [基于事实证据+前辈研究]：科学推理+大胆假设 科学思维：[对称性与类比方法]+ 大胆的创造性假设。 麦克斯韦提出“变化的磁场产生电场”之后，发现电与磁之间有着紧密的对称性与和谐性，大胆的确信，电与磁之间是对称统一的，既然变化的磁场产生电场，那么麦克斯韦提出了另外一种假设：变化的电场也相当于一种电流，然后在空间产生磁场，即变化的电场在空间产生磁场，提出了第二个假设：变化的电场产生磁场，该假设没有直接的实验作为基础，是麦克斯韦的大胆的、具有创造性的假设，在当时无法用实验证明。 【实验3】 [实验内容]：根据麦克斯韦理论，在给电容器充电的时候，不仅导体中的电流要产生磁场，而且在电容器两极板间变化着的电场周围也要产生磁场，当电容器两极板反复充放电过程中，产生磁场使得小磁针N极和S极往复转动，观察实验过程尤其要关注小磁针的偏转情况。 【教学环节4】 在“变化的磁场产生电场”和“变化的电场产生磁场”两个假设的基础上，麦克斯韦进一步推测预言：在空间某域中周期性变化的电场和周期性变化的磁场交替相互产生，麦克斯韦把变化的电场和变化的磁场相互联系而形成一个不可分离的统一体称之为“电磁场”。在变化的电场和变化的磁场交替产生的过程，由发生区域向周围空间由近及远地传播，形成“电磁波”。 【实验4】 [问题]：在空间某域中传播的电磁波，是否只沿着某一特定的方向传播呢？ [实验内容]：把接收装置调节到音乐外放，在发射装置周围空间转动，发现都可以传播电磁波，而不是只沿着某一特定的方向传播。 [问题]：对比我们之前所学的机械波，电磁波有何特点呢？ 1.[电磁波和机械波的比较研究]： 机械波传播需要介质，电磁波可以在真空中传播； 2.由麦克斯韦电磁场理论，电磁波是横波； [预言]：麦克斯韦从理论上预见，电磁波在真空中的传播速度等于光速c。 麦克斯韦的电磁场理论建立小结： 【教学环节5】 科学理论都必须经过科学论证，遗憾的是，麦克斯韦英年早逝，没有看到科学实验对电磁场理论的证实。把天才的预言变成世人公认的真理的人，是德国科学家赫兹。 问题：假如让你证实电磁波的存在，你会如何设计？如何证实呢？ 【实验5】赫兹证实电磁波的存在 实验现象： 我们可以看到：当感应圈连接发射杆上两个金属球间有火花跳过时，接收杆两个小球间的氖泡被点亮。 [问题]：产生该实验现象什么原因呢？ 当与感应圈相连的发射杆两个金属球间产生电火花时，周围空间出现了迅速变化的电磁场。这种变化的电磁场以电磁波的形式在空间传播。当电磁波到达接收杆时，它在导线杆中激发出感应电动势，使得接收杆的氖泡被点亮，说明接收到了电磁波。 赫兹在证明电磁波存在后，进一步研究电磁波的反射、折射、干涉、偏振和衍射等现象，测量得到电磁波在真空中的传播速度等于光速c，和麦克斯韦理论预言结果一致。 赫兹的实验有力证明了电磁波是一种客观存在，证明麦克斯韦电磁场理论的正确性。为纪念赫兹，人们将频率的单位命名为“赫兹(Hz)”。 [问题]：从麦克斯韦电磁场理论预言到赫兹证实理性的正确性，请你谈谈对科学探究的理解。 【教学环节6】 [实验6]: [问题]：如何证实电磁波的发射具有能量？ [实验现象]：电磁波发射装置发射的电磁波在接受装置中感应出了电流，有电流就有能量。 电磁场的物质性的理解： 从能量角度明确电磁场的物质性：电磁场的转换就是电场能量和磁场能量的转换，因而电磁波的发射过程就是辐射能量的过程，传播过程就是能量传播的过程，电磁波具有能量是电磁场物质性的有力证据之一。 加深对场的多样性与统一性的认识，使人们认识到物质存在两种形式：一种是原子和分子构成的实物，另一种是以电磁场代表的场。 【课堂小结】

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