人教版 (2019)选择性必修 第二册2 电磁场与电磁波教学设计

电磁场与电磁波

【教学目标】

1．初步了解麦克斯韦电磁场理论的基本思想。

2．了解电磁波的产生和电磁波的特点。

3．了解电磁场的物质性。

4．了解麦克斯韦电磁场理论在物理学发展史上的意义。

【教学重难点】

1．电磁振荡中电场能和磁场能的转化。

2．麦克斯韦电磁场理论的基本内容。

【教学过程】

一、新课导入

1．打开收音机的开关，转动选台旋钮，旋到使收音机收不到电台的频道，然后开大音量。在收音机附近，将电池盒的两根引线反复碰撞，你会听到收音机中发出“喀喀”的响声。为什么会产生这种现象呢？打开电扇，将它靠近收音机，看看又会怎样。

提示：电磁波是由电磁振荡产生的，在收音机附近，将电池盒两引线反复碰触，变化的电流产生变化的磁场，变化的磁场产生变化的电场，这样会发出电磁波，从而导致收音机中发出“喀喀”声。若将转动的电扇靠近收音机，因为电扇中电动机内通有交变电流，电动机的运行同样会引起收音机发出“喀喀”声。

2．复习电磁振荡的周期和频率：

（1）电磁振荡的周期T：电磁振荡完成一次周期性变化所用的时间。

（2）电磁振荡的频率f：1s内完成周期性变化的次数。

（3）LC回路的周期公式。

周期公式：。其中：周期T、自感系数L、电容C的单位分别是秒（s）、亨利（H）、法拉（F）。

二、新课教学

（一）电磁场

1．变化的磁场产生电场

即使在变化的磁场中没有闭合电路，也同样要在空间产生电场。

2．变化的电场产生磁场

逐步深入讲解：

1．均匀变化的磁场产生稳定的电场；非均匀变化的磁场产生变化的电场。

周期性变化的磁场产生同频率周期性变化的电场。

2．均匀变化的电场产生稳定的磁场；非均匀变化的电场产生变化的磁场。

周期性变化的电场产生同频率周期性变化的磁场。

英国物理学家麦克斯韦在总结前人研究电磁现象成果的基础上，建立了完整的电磁场理论。可定性表述为变化的磁场产生电场，变化的电场产生磁场，变化的电场和磁场总是相互联系的，形成一个不可分离的统一场，这就是电磁场。

（二）电磁波

紧接着电磁场进行讲述：

1．电磁波的产生：变化的电场和磁场由近及远地向周围传播，形成了电磁波。

由于电磁波的传播靠的是电场和磁场的相互“激发”，所以不需要介质，可以在真空中传播。

全局讲解电磁波的形成：

2．电磁波的特点

机械波有横波和纵波之分，且能够传递能量；能发生反射、折射、干涉和衍射；靠介质传播，波速v=λf。

类比机械波的特点，我们可以得出电磁波的特点：

（1）电磁波中的电场和磁场互相垂直，并且都与波的传播方向垂直，即电磁波是横波。光是一种电磁波。在前面学习的光的偏振现象已经证明了这一点。如图所示。

［课件演示：电磁场方向间的关系］

（2）电磁波可以在真空中传播，向周围空间传播电磁能，在传播过程中，电磁波能发生反射、折射、干涉和衍射。

（3）三个特征量的关系：v=λf。在真空中v=3.0×108m/s。

麦克斯韦电磁场理论的建立具有伟大的历史意义，足以根牛顿力学体系相媲美，它是物理学发展史中的一个划时代的里程碑。

3．电磁波的证实

麦克斯韦的电磁场理论还只是一个预言。还有待于科学实验的证明。是赫兹把这个天才的预言变成了世人公认的真理。

（引导学生阅读教材，了解赫兹证实电磁波存在的探索历程）

教师可以向学生介绍赫兹的生平简介，激发学生求知上进的热情，对学生进行物理情感教育。

赫兹生平（Heinrich Rudolf Hertz 1857~1894）

赫兹是德国物理学家，1857年2月22日出生于汉堡。在求学时代，他就被光学和力学实验所吸引。1878年转入柏林大学，1879年在物理竞赛中成绩出众，获金质奖章，第二年获博士学位，当了亥姆霍兹的助手。1885年任卡尔斯鲁高等工业学院物理学教授，1889年接替克劳修斯任波恩大学理论物理学教授，同年当选为柏林科学院通讯院士。

赫兹在物理学上最主要的贡献是用实验成功地证明了电磁波的存在，并且完善了麦克斯韦的电磁场理论。

1888年10月，赫兹在卡尔斯鲁高等工业学院物理实验室用放电线圈做火花放电实验，偶然发现和放电线圈靠得很近的另一个开口的绝缘线圈中有电火花跳过。这引起了他的注意，立即想起以前亥姆霍兹曾提出让他研究验证麦克斯韦电磁场理论的问题。他设计了一个装置来进行实验。他在感应圈C的两个电极上各接一根30cm长的铜棒A、B，每根铜棒一头各接一个黄铜小球，另一头接边长为40cm的正方形黄铜板，让两个黄铜小球相对着，组成发生器。当通电时，发生器的铜球间产生高频振荡火花。另外，他用一段导线弯成环状，两端各接一个铜球作为检波器（如上图），检波器距离电磁波发生器10m。发生器的两个铜球间产生电火花时，他在检波器的两个铜球间隙也看到了电火花。赫兹用这样简单的仪器成功地证明了电磁波的存在。赫兹的实验报告轰动了科学界。

之后，赫兹又设计实验，利用一块锌板反射电磁波，并利用入射波和反射波叠加后产生的驻波波长和发生器振荡频率计算出电磁波的波速。最后的计算结果与麦克斯韦预料的完全相同——等于光速。赫兹还通过实验确认电磁波是横波，具有光波的一切特征：能产生反射、折射、衍射、干涉和有偏振性，从而全面验证了光的电磁理论的正确性。1890年以后，赫兹整理了麦克斯韦的理论，进一步完善了麦克斯韦方程组，使其更加优美、对称，成为麦克斯韦方程组的现代形式。

赫兹还首先发现了光电效应现象，这一发现后来成为爱因斯坦建立光量子理论的实验基础。

赫兹因骨癌于1894年元旦过早地逝世，年仅37岁。他的导师亥姆霍兹赞扬他“才华横溢、性格坚毅，用自己短暂的一生解决了一个世纪以来许多科学家所没有解决的一系列重要的问题”。赫兹的实验为无线电技术的发展开辟了新的道路，他被誉为无线电通讯的先躯。后人为了纪念他，用他的名字命名频率的单位。

（三）拓展学习：机械波与电磁波的比较

三、巩固练习

1．下列说法正确的是（    ）

A．恒定电流能够在周围空间产生稳定的磁场

B．稳定电场能够在周围空间产生稳定的磁场

C．均匀变化的电场能够在周围空间产生稳定的磁场

D．均匀变化的电场和磁场相互激发，形成由近及远的电磁波

2．当电磁波的频率增加时，它在真空中的速度将（    ）

A．减小

B．增大

C．不变

D．减小、增大和不变均有可能

3．为了使发射的电磁波的波长增为原来的2倍，可以将振荡电路的电容（    ）

A．变为原来的4倍

B．变为原来的2倍

C．减为原来的一半

D．减为原来的1/4

4．关于电磁波的传播速度，以下叙述正确的是（    ）

A．波长越长，传播速度越快

B．频率越高，传播速度越快

C．发射量越大，传播速度越快

D．所有电磁波在真空中的传播速度都一样大

5．关于麦克斯韦电磁场理论，下面几种说法正确的是（     ）

A．在电场周围空间一定产生变化的磁场

B．任何变化电场周围空间一定产生变化的磁场

C．均匀变化的电场周围空间能产生变化的磁场

D．振荡电场在它的周围空间一定能产生同频率的振荡磁场

6．在以下几种反映电场随时间变化的图像中，能够产生磁场的是（    ）；能够形成电磁波的是（    ）

答案：

1．AC

2．C

3．A

4．D

5．D

6．BCDE    CE