资源简介

10—5 电磁场和电磁波
一、教学目的：
1．了解麦克斯韦电磁场理论大意
2．理解电磁场的产生，掌握电磁波的特性及其波长、波速的关系
二、教学重点、难点：
重点：电磁波的特性 波长、波速和周期、频率的关系 LC电路的周期和频率
难点：麦克斯韦电磁场理论
三、教学建议：
教法建议：多媒体教学、讲授
教学设计方案：
（一）引入新课
人类认识客观世界，发现新的事物，常有二种方式，一种是从生产实践、科学实验中观察分析后发现新的事物。另一种是从科学理论出发，预言新的事物存在。电磁波的发现，属于后一种。麦克斯韦从电磁理论出发，运用了较为深奥的数学工具，得到了描述电磁场特性的规律，并预言了电磁波的存在。10年后，他的学生赫兹用实验方法证实了麦克斯韦的伟大预言，发射并接收了电磁波，从而开创了无线电技术的新时代。
我们现在粗略地介绍了一下麦克斯韦的这个理论。
(二) 新课内容
1．麦克斯韦电磁理论
（1）变化的磁场产生电场
演示实验装置如图1所示，当穿过螺线管的磁场随时间变化时，线圈中产生感应电动势，引起感应电流使灯泡发光。
图1 变化的磁场产生电场
麦克斯韦认为变化的磁场在线圈中产生电场，正是这种电场(涡旋电场)在线圈中驱使自由电子做定向移动，引起了感应电流。
如果用不导电的塑料线绕制线圈，线圈中还会有电场和电流吗？引导学生思考后得到正确答案：有电场、无电流。
想象连塑料线绕制的线圈也不存在时，线圈所在处的空间还有电场吗？
麦克斯韦认为线圈只不过用来显示电场的存在，线圈不存在时，变化的磁场同样在周围空间产生电场，跟闭合电路是否存在无关。
（2）变化的电场产生磁场
图2 变化的电场产生磁场
我们知道，电流周围存在着磁场，麦克斯韦研究了电现象和磁现象的相似和联系。经过反复思考提出一个假设：变化的电场产生磁场。
根据麦克斯韦的理论，在给电容器充电时，不仅导体中电流要产生磁场，而且在电容器两极板间变化着的电场周围也会产生磁场。这已为实验所证实。
3．电磁场
麦克斯韦根据自己的理论进一步预言，如果在空间某区域中有周期性变化的电场，那么，这个变化的电场就在它周围空间产生周期性变化的磁场，变化的磁场又在它周围空间产生新的周期性变化的电场……。可见，变化的电场和变化的磁场是相互联系的，形成一个不可分离的统一体，这就是电磁场，这种变化的电场和变化的磁场总是交替产生，并且由发生的区域向周围空间传播。（见课本插图）
4．电磁波
电磁场由发生区域向远处的传播就是电磁波。
电磁波的特点
（1）电磁波是横波。
（2）电磁波真空中、在介质中都能传播。这一点与与机械波不同。
（3）电磁波具有反射、折射、干涉、衍射等波的一切特性。
（4）波长、波速和周期、频率的关系
=/T
式中：c为电磁波在真空中的速度，电磁波在真空中的速度等于光速。、f、T分别为电磁波的波长、频率和周期。
无线电技术中使用的电磁波称为无线电波，见课本表格介绍。
4．电磁振荡
要产生电磁波，需要在一个区域内有周期性变化的电场和磁场。由线圈L和电容器C
组成的振荡LC电路就能产生周期性变化的电场和磁场，因而能作为电磁波的波源。
振荡电路产生振荡电流的过程，也就是电场能和磁场能相互转化的过程。电容器充电后储存了电场能，电路中电流为零[如图3（a）所示]。电容器通过线圈放电时，电容器中的电场能逐渐转化为线圈中的磁场能。由于线圈的自感作用，电路中的电流只能逐渐增大。当电容器放电结束时，电流达到最大，电场能全部转化为磁场能[如图3（b）]。电容器放电结束后，由于线圈的自感作用，电路中的电流并不停止，而是按原来的方向继续流动，给电容器反向充电，这时电容器两极板间电场反向，磁场能逐渐转化为电场能。反向充电结束时，电路中电流变为零，磁场能全部转化为电场能[如图3（c）所示]。此后电容器又反向放电，线圈中磁场反向，反向电流逐渐增大，电场能逐渐转化为磁场能。反向放电结束时，电流达到最大值，电场能又全部转化为磁场能[如图3（d）所示]然后再接着给电容器（正向）充电，使磁场能再转化为电场能，再回到图（a）所示的情况，电路完成一次全振荡。在LC电路中，电场与磁场，电场能与磁场能周期性的交替变化，这种现象称为电磁振荡。
图3 电磁振荡过程
在振荡过程中，如果没有任何能量耗散，它会永远振荡下去。实际上，能量耗散是不可避免的。振荡电流的振幅会逐渐减小，直至消失。在无线电技术中，人们通过振荡器把电源的能量补充到振荡电路中去，使电磁振荡一直持续下去。把LC电路产生的周期性交替变化的电场、磁场通过天线发射出去，就是无线电技术中的电磁波—无线电波。
LC振荡电路的周期和频率
（三）小结
1．变化的磁场能够在周围空间产生电场，变化的电场能够在周围空间产生磁场。
2．均匀变化的磁场，产生稳定的电场；均匀变化的电场，产生稳定的磁场。周期性变化的磁场产生周期性变化的电场，周期性变化的电场产生周期性变化的磁场。
3．变化的电场和变化的磁场总是相互联系着，形成一个不可分离的统一体，这就是电磁场。电磁场向周围空间传播形成电磁波。
4．波长、波速和周期、频率的关系 =/T
LC振荡电路的周期和频率
（四）作业布置
p.111 1、2、4、5题 《技术物理练习册》（第3版）相关习题
（五）教学建议
1．“变化的磁场产生电场”，可采用逐步抽象的方法来帮助学生理解麦克斯韦的想法。
2．“变化的电场产生磁场”，可以用哲学中事物之间是相互联系的，可以互相转化来帮助理解。

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