高中人教物理選擇性必修二(教案)電磁場與電磁波

1、5/5電磁場與電磁波【教學(xué)目標(biāo)】1初步了解麥克斯韋電磁場理論的基本思想。2了解電磁波的產(chǎn)生和電磁波的特點(diǎn)。3了解電磁場的物質(zhì)性。4了解麥克斯韋電磁場理論在物理學(xué)發(fā)展史上的意義。【教學(xué)重難點(diǎn)】1電磁振蕩中電場能和磁場能的轉(zhuǎn)化。2麥克斯韋電磁場理論的基本內(nèi)容?！窘虒W(xué)過程】一、新課導(dǎo)入1打開收音機(jī)的開關(guān)，轉(zhuǎn)動選臺旋鈕，旋到使收音機(jī)收不到電臺的頻道，然后開大音量。在收音機(jī)附近，將電池盒的兩根引線反復(fù)碰撞，你會聽到收音機(jī)中發(fā)出“喀喀”的響聲。為什么會產(chǎn)生這種現(xiàn)象呢？打開電扇，將它靠近收音機(jī)，看看又會怎樣。提示：電磁波是由電磁振蕩產(chǎn)生的，在收音機(jī)附近，將電池盒兩引線反復(fù)碰觸，變化的電流產(chǎn)生變化的磁場，變化

2、的磁場產(chǎn)生變化的電場，這樣會發(fā)出電磁波，從而導(dǎo)致收音機(jī)中發(fā)出“喀喀”聲。若將轉(zhuǎn)動的電扇靠近收音機(jī)，因?yàn)殡娚戎须妱訖C(jī)內(nèi)通有交變電流，電動機(jī)的運(yùn)行同樣會引起收音機(jī)發(fā)出“喀喀”聲。2復(fù)習(xí)電磁振蕩的周期和頻率：（1）電磁振蕩的周期T：電磁振蕩完成一次周期性變化所用的時間。（2）電磁振蕩的頻率f：1s內(nèi)完成周期性變化的次數(shù)。（3）LC回路的周期公式。周期公式：T=2LC。其中：周期T、自感系數(shù)L、電容C的單位分別是秒（s）、亨利（H）、法拉（F）。二、新課教學(xué)（一）電磁場1變化的磁場產(chǎn)生電場即使在變化的磁場中沒有閉合電路，也同樣要在空間產(chǎn)生電場。2變化的電場產(chǎn)生磁場逐步深入講解：1均勻變化的磁場產(chǎn)生穩(wěn)定

3、的電場；非均勻變化的磁場產(chǎn)生變化的電場。周期性變化的磁場產(chǎn)生同頻率周期性變化的電場。2均勻變化的電場產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場；非均勻變化的電場產(chǎn)生變化的磁場。周期性變化的電場產(chǎn)生同頻率周期性變化的磁場。英國物理學(xué)家麥克斯韋在總結(jié)前人研究電磁現(xiàn)象成果的基礎(chǔ)上，建立了完整的電磁場理論?？啥ㄐ员硎鰹樽兓拇艌霎a(chǎn)生電場，變化的電場產(chǎn)生磁場，變化的電場和磁場總是相互聯(lián)系的，形成一個不可分離的統(tǒng)一場，這就是電磁場。（二）電磁波緊接著電磁場進(jìn)行講述：1電磁波的產(chǎn)生：變化的電場和磁場由近及遠(yuǎn)地向周圍傳播，形成了電磁波。由于電磁波的傳播靠的是電場和磁場的相互“激發(fā)”，所以不需要介質(zhì)，可以在真空中傳播。全局講解電磁波的形成

4、：2電磁波的特點(diǎn)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）三個特征量的關(guān)系：v=f。在真空中v=3.0108m/s。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)展史中的一個劃時代的里程

5、碑。3電磁波的證實(shí)麥克斯韋的電磁場理論還只是一個預(yù)言。還有待于科學(xué)實(shí)驗(yàn)的證明。是赫茲把這個天才的預(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，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。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)?，第二年獲博士學(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

6、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)了一個裝置來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。他在感應(yīng)圈C的兩個電極上各接一根30cm長的銅棒A、B，每根銅棒一頭各接一個黃銅小球，另一頭接邊長為40cm的正方形黃銅板，讓兩個黃銅小球相對著，組成發(fā)生器。當(dāng)通電時，發(fā)生器的銅球間產(chǎn)生高頻振蕩火花。另外

7、，他用一段導(dǎo)線彎成環(huán)狀，兩端各接一個銅球作為檢波器（如上圖），檢波器距離電磁波發(fā)生器10m。發(fā)生器的兩個銅球間產(chǎn)生電火花時，他在檢波器的兩個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

8、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。（三）拓展學(xué)習(xí)：機(jī)械波與電磁波的比較機(jī)械波電磁波對象研究力學(xué)現(xiàn)象研究電磁現(xiàn)象周期性變化的物理量位移隨時間和空間做周期性變化電場強(qiáng)度E和磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨時間和空間做周期性變化傳播傳播需要

9、介質(zhì),波速與介質(zhì)有關(guān),與頻率無關(guān)傳播無需介質(zhì),在真空中波速總是c,在介質(zhì)中傳播時,波速與介質(zhì)及頻率都有關(guān)系產(chǎn)生由質(zhì)點(diǎn)（波源）的振動產(chǎn)生振蕩電流（電磁振蕩）激發(fā)干涉可以發(fā)生可以發(fā)生衍射可以發(fā)生可以發(fā)生橫波可以是是縱波可以是否三、鞏固練習(xí)1下列說法正確的是（ ）A恒定電流能夠在周圍空間產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場B穩(wěn)定電場能夠在周圍空間產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場C均勻變化的電場能夠在周圍空間產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場D均勻變化的電場和磁場相互激發(fā)，形成由近及遠(yuǎn)的電磁波2當(dāng)電磁波的頻率增加時，它在真空中的速度將（ ）A減小B增大C不變D減小、增大和不變均有可能3為了使發(fā)射的電磁波的波長增為原來的2倍，可以將振蕩電路的電容（ ）A變?yōu)樵瓉淼?倍B變?yōu)樵瓉淼?倍C減為原來的一半D減為原來的1/44關(guān)于電磁波的傳播速度，以下敘述正確的是（ ）A波長越長，傳播速度越快B頻率越高，傳播速度越快C發(fā)射量越大，傳播速度越快D所有電磁波在真空中的傳播速度都一樣大5關(guān)于麥克斯韋電磁場理論，下面幾種說法正確的是（