資源簡(jiǎn)介

教學(xué)設(shè)計(jì)
課程基本信息
學(xué)科 高中物理 年級(jí) 高二 學(xué)期 春季
課題 電磁場(chǎng)與電磁波
教學(xué)目標(biāo)
1.進(jìn)一步了解麥克斯韋電磁場(chǎng)理論的基本思想。知道電磁波概念。初步了解電磁場(chǎng)是物質(zhì)的一種形式。會(huì)從電磁場(chǎng)的物質(zhì)性與能量傳播的觀點(diǎn)解釋電磁波的發(fā)射與接受。 2.領(lǐng)會(huì)在發(fā)現(xiàn)電磁波的過(guò)程中所蘊(yùn)含的科學(xué)精神和科學(xué)研究方法，體會(huì)赫茲實(shí)驗(yàn)證明電磁波存在的重點(diǎn)意義。 3.了解發(fā)現(xiàn)電磁波的歷史背景，知道麥克斯韋對(duì)電磁波的偉大貢獻(xiàn)。領(lǐng)會(huì)物理實(shí)驗(yàn)對(duì)物理學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)意義。
教學(xué)內(nèi)容
教學(xué)重點(diǎn)： 1. 電磁波的概念及其形成的條件； 2. 麥克斯韋發(fā)現(xiàn)電磁波的過(guò)程中所蘊(yùn)含的科學(xué)精神和科學(xué)研究方法，赫茲實(shí)驗(yàn)證明電磁波存在的重點(diǎn)意義。 教學(xué)難點(diǎn)： 電磁場(chǎng)的概念和麥克斯韋電磁場(chǎng)理論
教學(xué)過(guò)程
【教學(xué)環(huán)節(jié)1】 【情境問(wèn)題引入】：回顧第1節(jié)“電磁振蕩”實(shí)驗(yàn)：“觀察振蕩電路電壓的波形” 回顧：電磁振蕩電路中的能量有一部分要以電磁波的形式輻射到周圍空間中去。 [問(wèn)題]：如何證實(shí)電磁波的存在？ 【實(shí)驗(yàn)1】 電磁波的發(fā)射器+放大接收器（通過(guò)電磁波接收將聲音放大） [實(shí)驗(yàn)過(guò)程]：采用一個(gè)改裝后的LC 振蕩電路裝置，上面插板是一個(gè)高頻振蕩器，實(shí)驗(yàn)發(fā)射裝置選擇音樂(lè)模式，自帶喇叭播放音樂(lè)；打開(kāi)實(shí)驗(yàn)發(fā)射裝置選擇音樂(lè)模式，打開(kāi)自帶喇叭播放音樂(lè)，打開(kāi)接收裝置，隔空接收，音樂(lè)顯化了電磁波的存在，關(guān)閉發(fā)射裝置自帶喇叭，與接受裝置喇叭音樂(lè)進(jìn)行對(duì)比。 [問(wèn)題]：這些電磁波是怎樣產(chǎn)生的？ 【教學(xué)環(huán)節(jié)2】 【實(shí)驗(yàn)2】隔空亮燈 按照?qǐng)D示實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示（螺線管接入交流電） [問(wèn)題鏈]+ [實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ突⒊橄蠡幚韂 [問(wèn)題鏈]： [問(wèn)題1]：實(shí)驗(yàn)中二極管發(fā)光，說(shuō)明線圈中有電流，該電流是如何產(chǎn)生的？ [問(wèn)題2]：根據(jù)電流的定義進(jìn)一步分析，電流是如何形成的？ [問(wèn)題3]：線圈中的自由電荷是為什么會(huì)定向移動(dòng)的呢？ [問(wèn)題4]：該感應(yīng)電場(chǎng)是如何產(chǎn)生的？ [問(wèn)題5]：在此基礎(chǔ)上，如果把線圈換成塑料圈（延伸追問(wèn)：直接拿掉線圈），線圈所處的空間還有電流和電場(chǎng)嗎？ [結(jié)論]：麥克斯韋認(rèn)為：線圈只不過(guò)是用來(lái)探知和顯示電場(chǎng)的存在，無(wú)論有沒(méi)有線圈，周圍空間都產(chǎn)生電場(chǎng)，麥克斯韋實(shí)質(zhì)上揭露了電磁感應(yīng)現(xiàn)象的本質(zhì)：變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)。但實(shí)際上麥克斯韋將這種用場(chǎng)描述電磁感應(yīng)現(xiàn)象的觀點(diǎn)，推廣到不存在閉合電路的情形，是一種假設(shè)，該假設(shè)基于電磁感應(yīng)現(xiàn)象，是很自然的。 [小結(jié)]：麥克斯韋提出“電磁場(chǎng)理論”核心之一：變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng) 【教學(xué)環(huán)節(jié)3】 【假設(shè)基礎(chǔ)1】: [基于事實(shí)證據(jù)] 對(duì)稱統(tǒng)一：電現(xiàn)象和磁現(xiàn)象的相似性/對(duì)稱性/和諧性 舉例：自然界中兩種電荷（正電荷、負(fù)電荷），自然界中兩種磁極（N極、S極）；電場(chǎng)的描述：電場(chǎng)強(qiáng)度E、電場(chǎng)線，磁場(chǎng)的描述：磁感應(yīng)強(qiáng)度B、磁感線；尤其是奧斯特的“電生磁”與法拉第的“磁生電”的對(duì)稱統(tǒng)一。 【假設(shè)基礎(chǔ)2】: [基于前輩研究] [基于事實(shí)證據(jù)+前輩研究]：科學(xué)推理+大膽假設(shè) 科學(xué)思維：[對(duì)稱性與類比方法]+ 大膽的創(chuàng)造性假設(shè)。 麥克斯韋提出“變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)”之后，發(fā)現(xiàn)電與磁之間有著緊密的對(duì)稱性與和諧性，大膽的確信，電與磁之間是對(duì)稱統(tǒng)一的，既然變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)，那么麥克斯韋提出了另外一種假設(shè)：變化的電場(chǎng)也相當(dāng)于一種電流，然后在空間產(chǎn)生磁場(chǎng)，即變化的電場(chǎng)在空間產(chǎn)生磁場(chǎng)，提出了第二個(gè)假設(shè)：變化的電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)，該假設(shè)沒(méi)有直接的實(shí)驗(yàn)作為基礎(chǔ)，是麥克斯韋的大膽的、具有創(chuàng)造性的假設(shè)，在當(dāng)時(shí)無(wú)法用實(shí)驗(yàn)證明。 【實(shí)驗(yàn)3】 [實(shí)驗(yàn)內(nèi)容]：根據(jù)麥克斯韋理論，在給電容器充電的時(shí)候，不僅導(dǎo)體中的電流要產(chǎn)生磁場(chǎng)，而且在電容器兩極板間變化著的電場(chǎng)周圍也要產(chǎn)生磁場(chǎng)，當(dāng)電容器兩極板反復(fù)充放電過(guò)程中，產(chǎn)生磁場(chǎng)使得小磁針N極和S極往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)，觀察實(shí)驗(yàn)過(guò)程尤其要關(guān)注小磁針的偏轉(zhuǎn)情況。 【教學(xué)環(huán)節(jié)4】 在“變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)”和“變化的電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)”兩個(gè)假設(shè)的基礎(chǔ)上，麥克斯韋進(jìn)一步推測(cè)預(yù)言：在空間某域中周期性變化的電場(chǎng)和周期性變化的磁場(chǎng)交替相互產(chǎn)生，麥克斯韋把變化的電場(chǎng)和變化的磁場(chǎng)相互聯(lián)系而形成一個(gè)不可分離的統(tǒng)一體稱之為“電磁場(chǎng)”。在變化的電場(chǎng)和變化的磁場(chǎng)交替產(chǎn)生的過(guò)程，由發(fā)生區(qū)域向周圍空間由近及遠(yuǎn)地傳播，形成“電磁波”。 【實(shí)驗(yàn)4】 [問(wèn)題]：在空間某域中傳播的電磁波，是否只沿著某一特定的方向傳播呢？ [實(shí)驗(yàn)內(nèi)容]：把接收裝置調(diào)節(jié)到音樂(lè)外放，在發(fā)射裝置周圍空間轉(zhuǎn)動(dòng)，發(fā)現(xiàn)都可以傳播電磁波，而不是只沿著某一特定的方向傳播。 [問(wèn)題]：對(duì)比我們之前所學(xué)的機(jī)械波，電磁波有何特點(diǎn)呢？ 1.[電磁波和機(jī)械波的比較研究]： 機(jī)械波傳播需要介質(zhì)，電磁波可以在真空中傳播； 2.由麥克斯韋電磁場(chǎng)理論，電磁波是橫波； [預(yù)言]：麥克斯韋從理論上預(yù)見(jiàn)，電磁波在真空中的傳播速度等于光速c。 麥克斯韋的電磁場(chǎng)理論建立小結(jié)： 【教學(xué)環(huán)節(jié)5】 科學(xué)理論都必須經(jīng)過(guò)科學(xué)論證，遺憾的是，麥克斯韋英年早逝，沒(méi)有看到科學(xué)實(shí)驗(yàn)對(duì)電磁場(chǎng)理論的證實(shí)。把天才的預(yù)言變成世人公認(rèn)的真理的人，是德國(guó)科學(xué)家赫茲。 問(wèn)題：假如讓你證實(shí)電磁波的存在，你會(huì)如何設(shè)計(jì)？如何證實(shí)呢？ 【實(shí)驗(yàn)5】赫茲證實(shí)電磁波的存在 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象： 我們可以看到：當(dāng)感應(yīng)圈連接發(fā)射桿上兩個(gè)金屬球間有火花跳過(guò)時(shí)，接收桿兩個(gè)小球間的氖泡被點(diǎn)亮。 [問(wèn)題]：產(chǎn)生該實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象什么原因呢？ 當(dāng)與感應(yīng)圈相連的發(fā)射桿兩個(gè)金屬球間產(chǎn)生電火花時(shí)，周圍空間出現(xiàn)了迅速變化的電磁場(chǎng)。這種變化的電磁場(chǎng)以電磁波的形式在空間傳播。當(dāng)電磁波到達(dá)接收桿時(shí)，它在導(dǎo)線桿中激發(fā)出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，使得接收桿的氖泡被點(diǎn)亮，說(shuō)明接收到了電磁波。 赫茲在證明電磁波存在后，進(jìn)一步研究電磁波的反射、折射、干涉、偏振和衍射等現(xiàn)象，測(cè)量得到電磁波在真空中的傳播速度等于光速c，和麥克斯韋理論預(yù)言結(jié)果一致。 赫茲的實(shí)驗(yàn)有力證明了電磁波是一種客觀存在，證明麥克斯韋電磁場(chǎng)理論的正確性。為紀(jì)念赫茲，人們將頻率的單位命名為“赫茲(Hz)”。 [問(wèn)題]：從麥克斯韋電磁場(chǎng)理論預(yù)言到赫茲證實(shí)理性的正確性，請(qǐng)你談?wù)剬?duì)科學(xué)探究的理解。 【教學(xué)環(huán)節(jié)6】 [實(shí)驗(yàn)6]: [問(wèn)題]：如何證實(shí)電磁波的發(fā)射具有能量？ [實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象]：電磁波發(fā)射裝置發(fā)射的電磁波在接受裝置中感應(yīng)出了電流，有電流就有能量。 電磁場(chǎng)的物質(zhì)性的理解： 從能量角度明確電磁場(chǎng)的物質(zhì)性：電磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)換就是電場(chǎng)能量和磁場(chǎng)能量的轉(zhuǎn)換，因而電磁波的發(fā)射過(guò)程就是輻射能量的過(guò)程，傳播過(guò)程就是能量傳播的過(guò)程，電磁波具有能量是電磁場(chǎng)物質(zhì)性的有力證據(jù)之一。 加深對(duì)場(chǎng)的多樣性與統(tǒng)一性的認(rèn)識(shí)，使人們認(rèn)識(shí)到物質(zhì)存在兩種形式：一種是原子和分子構(gòu)成的實(shí)物，另一種是以電磁場(chǎng)代表的場(chǎng)。 【課堂小結(jié)】

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