2019-2020年高中物理 《電磁波的發(fā)現(xiàn)》教案 滬科版選修3-4.doc

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）知識與技能1知道麥克斯韋電磁場理論的重要地位。2知道麥克斯韋電磁場理論的主要內(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）過程與方法通過對電磁波發(fā)現(xiàn)過程的了解，認(rèn)識規(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)：變化的磁場產(chǎn)生電場。教學(xué)難點(diǎn)：變化的電場產(chǎn)生磁場。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，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)過程（一）引入新課（導(dǎo)入畫面）師：大家看到的畫面是“神舟六號”發(fā)射場面?！吧裰哿枴鄙咸旌?，人們是怎樣知道它到達(dá)預(yù)定的地點(diǎn)呢？生：無線電波。師：無線電廣播、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。現(xiàn)代社會的各個(gè)部門，幾乎都離不開“電磁波”，可以說“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？這一章就要討論這些問題。今天我們就從電磁波的發(fā)現(xiàn)開始學(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介，激發(fā)學(xué)生的好奇心和求知欲。）麥克斯韋（James Clark Mexwell，18311879）是英國的理論物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家。1831年6月13日生于英國愛丁堡。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)向英國皇家學(xué)會遞交數(shù)學(xué)論文，發(fā)表在愛丁堡皇家學(xué)會學(xué)報(bào)上，第一次顯露出他出眾的才華。1847年，考入愛丁堡大學(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，18561865年，他先后在阿丁見大學(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，對法拉第的直觀形象的電磁場理論加以高度概括，并總結(jié)了當(dāng)時(shí)電磁學(xué)的研究成果，建立了電磁場方程，確立了電磁場理論。師：我們現(xiàn)在粗略地介紹一下麥克斯韋的電磁場理論。 變化的磁場產(chǎn)生電場演示實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示，當(dāng)穿過螺線管的磁場隨時(shí)間變化時(shí)，上面的線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，引起感應(yīng)電流使燈泡發(fā)光。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)電動勢，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呢？學(xué)生回答受電場力。教師總結(jié)上述實(shí)驗(yàn)表明，變化的磁場在線圈里形成電場。教師提問若線圈斷開，線圈中有電流、電場嗎？學(xué)生回答有電場，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嗎？學(xué)生對此問題可能難以回答，但這時(shí)提出變化的磁場能在其空間產(chǎn)生電場已是水到渠成的時(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)：變化的磁場產(chǎn)生電場。麥克斯韋認(rèn)為線圈只不過用來顯示電場的存在，線圈不存在時(shí)，變化的磁場同樣在周圍空間產(chǎn)生電場，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）。 變化的電場產(chǎn)生磁場師：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能產(chǎn)生電場的現(xiàn)象，提出了另一個(gè)大膽的假設(shè)：變化的電場也能產(chǎn)生磁場。師：總結(jié)上述兩個(gè)結(jié)論，麥克斯韋認(rèn)為，變化的電場和磁場是互相聯(lián)系的，形成一個(gè)統(tǒng)一的電磁場。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，那么，這個(gè)變化的電場就在它周圍空間產(chǎn)生周期性變化的磁場，這個(gè)變化的磁場又在它周圍空間產(chǎn)生新的周期性變化的電場可見，變化的電場和變化的磁場是相互聯(lián)系的，形成一個(gè)不可分離的統(tǒng)一體，這就是電磁場。電場和磁場只是這個(gè)統(tǒng)一的電磁場的兩種具體表現(xiàn)。這種變化的電場和變化的磁場總是交替產(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=f。類比機(jī)械波的特點(diǎn)，我們可以得出電磁波的特點(diǎn)：（1）電磁波中的電場和磁場互相垂直，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=f。在真空中v=3.0108 m/s。師：麥克斯韋電磁場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介（見附錄），激發(fā)學(xué)生求知上進(jìn)的熱情，對學(xué)生進(jìn)行物理情感教育。（三）課堂總結(jié)、點(diǎn)評本節(jié)主要學(xué)習(xí)了麥克斯韋電磁場理論的主要內(nèi)容。知道了麥克斯韋電磁場理論的兩大支柱：變化的磁場產(chǎn)生電場，變化的電場產(chǎn)生磁場。還知道了變化的電場和磁場相互聯(lián)系，形成一個(gè)統(tǒng)一的場，即電磁場。電磁場由發(fā)生區(qū)域向遠(yuǎn)處的傳播形成電磁波。電磁波中的電場與磁場相互垂直，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“問題與練習(xí)”的題目。附：備課資料赫茲生平（Heinrich Rudolf Hertz 18571894）赫茲是德國物理學(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年在物理競賽中成績出眾，獲金質(zhì)獎?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)開口的絕緣線圈中有電火花跳過。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)證麥克斯韋電磁場理論的問題。他設(shè)計(jì)了一個(gè)裝置來進(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，另一頭接邊長為40 cm的正方形黃銅板，讓兩個(gè)黃銅小球相對著，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)后來成為愛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)以來許多科學(xué)家所沒有解決的一系列重要的問題”。赫茲的實(shí)驗(yàn)為無線電技術(shù)的發(fā)展開辟了新的道路，他被譽(yù)為無線電通訊的先軀。后人為了紀(jì)念他，用他的名字命名頻率的單位。