13.4 电磁波的发现及应用（表格式）课时教案-2025--2026年人教版高中物理必修第三册

13.4 《电磁波的发现及应用》课时教案
学科 物理 年级册别 高二上册 共1课时
教材 人教版（2019）高中物理必修第三册 授课类型 新授课 第1课时
教材分析
教材分析
本节内容位于人教版高中物理必修第三册第十三章第四节，是电磁学知识体系的重要收尾环节。教材通过回顾麦克斯韦电磁场理论的建立过程，系统阐述了电磁波的预言、赫兹实验的验证及其基本特性，最后拓展到电磁波谱与现代应用。内容逻辑清晰，从理论到实验再到应用，体现了物理学“提出假说—实验验证—技术转化”的科学范式，具有极强的科学史价值和现实意义。
学情分析
高二学生已掌握静电场、恒定电流和磁场的基础知识，具备一定的抽象思维能力，但对变化的电磁场耦合产生电磁波这一概念仍感抽象。学生对手机、Wi-Fi、微波炉等电磁波应用有生活经验，但缺乏系统认知。其认知障碍主要在于难以理解“无需介质也能传播”的波动本质。突破措施是借助类比法（如机械波与电磁波对比）、可视化动画和实验视频，帮助学生建立直观模型，辅以情境任务驱动探究。
课时教学目标
物理观念
1. 理解麦克斯韦电磁场理论的核心观点：变化的电场产生磁场，变化的磁场产生电场，二者相互激发形成电磁波。
2. 掌握电磁波的基本特性：横波、传播不需要介质、在真空中传播速度为光速c。
科学思维
1. 通过分析麦克斯韦理论的逻辑推导过程，体会“理论预言—实验验证”的科学方法，提升逻辑推理与模型建构能力。
2. 能够对比机械波与电磁波的异同，运用类比与归纳思维深化对波动本质的理解。
科学探究
1. 通过模拟赫兹实验的关键步骤，设计简单探究方案，体验科学发现的过程。
2. 能够基于电磁波谱图表，分析不同波段电磁波的特性与典型应用，发展信息提取与综合分析能力。
科学态度与责任
1. 感受科学家追求真理的执着精神，理解科学发现对人类文明的深远影响。
2. 辩证认识电磁波在现代生活中的双面性，增强合理使用技术、防范电磁污染的社会责任感。
教学重点、难点
重点
1. 麦克斯韦电磁场理论的基本观点及其对电磁波的预言。
2. 赫兹实验的原理与意义，电磁波的基本特性。
难点
1. 理解“变化的电场产生磁场，变化的磁场产生电场”这一抽象概念。
2. 建立电磁波无需介质传播的物理图景，克服“波必有介质”的前概念干扰。
教学方法与准备
教学方法
情境探究法、讲授法、合作探究法、议题式教学法
教具准备
多媒体课件、赫兹实验动画视频、电磁波谱挂图、简易LC振荡电路演示仪
教学环节 教师活动 学生活动
情景导入：闪电与收音机
【5分钟】 一、创设真实情境，激发认知冲突 （一）、播放视频：雷雨天收音机杂音
教师播放一段真实视频：乌云密布的雷雨天，远处电闪雷鸣，室内收音机突然传出强烈的“咔嚓”杂音，随后恢复正常。播放完毕后，教师提出驱动性问题：“同学们，你们是否注意到这个现象？闪电（光）和雷声（声波）都来自远处的雷暴，但为什么收音机里的杂音似乎‘瞬间’就出现了，而雷声却要等几秒才传来？这说明了什么？”
引导学生思考：声音需要空气传播，有延迟；而收音机接收的信号似乎不受距离影响地快速到达。这暗示了存在一种不同于声波的“东西”在空间中快速传播。
（二）、引出核心议题：看不见的“信使”
教师继续引导：“这种看不见、摸不着，却能穿越空间传递信息的‘信使’，就是我们今天要探索的主角——电磁波。它不仅是现代通信的基石，更是19世纪最伟大的科学预言之一。那么，它是如何被‘发现’的？是谁‘看见’了它？它的本质又是什么？”通过这一连串问题，构建“电磁波是如何被发现和证实的”这一核心探究议题，激发学生的求知欲和探索兴趣。
（三）、回顾旧知，搭建认知桥梁
教师提问：“在学习电磁波之前，我们已经掌握了哪些相关的电磁学知识？”引导学生回忆并回答：静止电荷产生静电场，电流产生磁场，变化的磁场能产生感应电流（法拉第电磁感应定律）。教师在黑板上简要板书这些关键点，为后续引入麦克斯韦的理论突破做好铺垫。 1. 观看视频，描述现象。
2. 思考并回答教师提出的驱动性问题。
3. 回忆并说出已学的电磁学基础知识。
4. 对“电磁波”产生好奇与探究欲望。
评价任务 现象描述：☆☆☆
问题回应：☆☆☆
知识回忆：☆☆☆
设计意图 以生活中真实且富有冲突感的现象切入，迅速抓住学生注意力。通过“闪电与收音机”的对比，凸显电磁波传播的瞬时性与非介质依赖性，制造认知冲突，激发探究动机。以“看不见的信使”为隐喻，赋予抽象概念以形象，同时引出贯穿全课的核心议题，使后续学习有明确方向。
新知探究一：理论的预言——麦克斯韦的头脑风暴
【12分钟】 一、突破思维定势，构建电磁统一图景 （一）、展示麦克斯韦画像与名言
教师在屏幕上展示英国物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦的画像，并引用其名言：“我看到的世界，不是粒子，而是振动的场。”引导学生感受科学家宏大的物理视野。随后提出：“在19世纪60年代，当所有人都认为电和磁是两种独立的现象时，麦克斯韦却坚信它们是统一的。他基于已有的实验定律，进行了一场伟大的思想实验。”
（二）、深度剖析麦克斯韦方程组的核心思想
教师结合动画演示，逐步讲解麦克斯韦理论的两大核心补充：
1. **位移电流假说**：教师指出，麦克斯韦发现安培环路定律在非稳恒电流情况下不闭合。为了解决这一矛盾，他大胆提出“位移电流”的概念——即使在电容器两极板间没有电荷流动（传导电流为零），但变化的电场（如充电过程中极板间电场增强）等效于一种电流，即“位移电流”。它同样能激发磁场。教师用动画展示电容器充放电过程中，极板间电场变化如何“产生”环绕的磁场，强调“变化的电场产生磁场”。
2. **对称性推理**：教师引导：“既然变化的磁场能产生电场（法拉第定律），那么根据自然界的对称美，变化的电场是否也能产生磁场呢？麦克斯韦坚信是的。”由此，他预言了电场和磁场可以相互激发，形成一个自维持的波动过程，即电磁波。教师用动态图示展示一个振荡的电荷如何产生交替变化的电场和磁场，并以波的形式向外传播，形象地解释“电磁波是变化的电磁场在空间的传播”。 二、理解电磁波的基本特性 （一）、分析电磁波的横波特性
教师展示电磁波传播的三维动态模型：电场E、磁场B和传播方向v三者相互垂直，构成右手螺旋关系。强调电磁波是横波，其振动方向（E和B）垂直于传播方向。
（二）、阐明电磁波的传播速度
教师指出，麦克斯韦从他的方程组中推导出电磁波在真空中的传播速度v=1/F＝，计算结果恰好等于当时已知的光速c。他由此大胆预言：“光就是一种电磁波！”这一预言将光学与电磁学统一起来，是物理学史上最伟大的统一之一。教师强调，这一理论预言是纯粹基于数学推导和逻辑自洽，当时尚无实验证据。 1. 观察画像，感受科学精神。
2. 跟随动画理解“位移电流”概念。
3. 思考并认同电场与磁场的相互激发关系。
4. 观察模型，理解电磁波的横波特性与传播速度。
评价任务 概念理解：☆☆☆
模型解读：☆☆☆
逻辑推理：☆☆☆
设计意图 通过讲述科学史，将抽象理论人格化，增强学习的代入感。利用动画和动态模型，将“变化的电场产生磁场”这一抽象概念可视化，突破教学难点。强调麦克斯韦基于对称性与数学美的深刻洞察进行理论创新，培养学生的科学审美和创新思维。通过“光即电磁波”的预言，展现理论物理的强大预测能力，提升学生对物理规律普适性的认识。
新知探究二：实验的验证——赫兹的“看见”
【15分钟】 一、重现赫兹实验，见证科学奇迹 （一）、介绍赫兹与实验背景
教师介绍：“麦克斯韦的理论在当时并未被广泛接受，因为它太过超前。直到1887年，德国物理学家海因里希·赫兹设计并完成了著名的实验，首次在实验室中产生并检测到了电磁波，从而证实了麦克斯韦的预言。赫兹曾说：‘我所看到的，不过是麦克斯韦方程组的影子。’”
（二）、详细解析赫兹实验装置与原理
教师利用高清动画分步演示赫兹实验：
1. **发射端（振荡偶极子）**：展示一个由感应线圈供电的、带有两个金属小球的直导线（偶极子）。当感应线圈产生高压，使两球间空气击穿产生火花放电时，电荷在导线中高速振荡，形成一个高频振荡的电偶极子，从而辐射出电磁波。
2. **接收端（共振环）**：展示一个带有微小间隙的圆形铜环（谐振环）。教师解释，这个环具有特定的固有频率。当发射的电磁波频率与之匹配时，环中会产生共振，间隙处出现微弱的火花。
3. **实验现象与结论**：动画播放，当发射端产生火花时，远处的接收环间隙也闪烁出微小火花。教师强调，这微小的火花就是“看见”电磁波的直接证据！它证明了：
（1）电磁波可以被人工产生；
（2）电磁波可以在空间中传播并被检测；
（3）电磁波具有能量（能激发火花）。
教师进一步指出，赫兹还通过实验测量了电磁波的波长和频率，计算出其速度等于光速，完美验证了麦克斯韦的预言。 二、模拟探究：设计你的“赫兹实验” （一）、小组合作任务
教师将学生分成小组，提出合作探究任务：“假设你是1887年的科学家，手头有电池、导线、开关、电容器、线圈、金属环等基础元件，如何设计一个最简单的装置来尝试产生和检测电磁波？请画出你的实验草图，并说明工作原理。”
（二）、教师巡视指导
教师在各小组间巡视，引导学生思考：如何产生快速变化的电流（振荡源）？如何构成一个有效的辐射天线？如何设计一个灵敏的检测器（利用共振原理）？鼓励学生大胆想象，即使方案不完美，也肯定其科学探究精神。 1. 了解赫兹的贡献与实验意义。
2. 观看动画，理解实验装置与工作原理。
3. 小组合作，设计简易电磁波实验方案。
4. 展示并讲解本组的设计思路。
评价任务 实验理解：☆☆☆
方案设计：☆☆☆
合作交流：☆☆☆
设计意图 赫兹实验是本节课的高潮。通过高质量的动画还原历史场景，让学生“亲历”这一伟大发现，感受实验科学的魅力。将“看见”电磁波这一抽象目标具象化为“看到火花”，极大地增强了说服力。合作探究任务将学生置于科学家的角色，通过设计实验，深化对振荡源、天线、共振检测等核心概念的理解，培养工程思维和创新能力，实现从“听科学”到“做科学”的转变。
新知探究三：应用的画卷——电磁波谱与生活
【10分钟】 一、构建电磁波谱，认识广阔天地 （一）、展示电磁波谱全图
教师在屏幕上展示完整的电磁波谱图，从波长最长的无线电波到波长最短的γ射线，依次列出：无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线。强调所有这些都是电磁波，本质相同，区别仅在于频率（或波长）不同。
（二）、分组探究不同波段的应用
教师将学生分为七个小组，每组负责一个波段。发放任务卡，要求各组结合生活经验和教材内容，讨论并列举该波段电磁波的至少两个典型应用。例如：
- 无线电波组：广播、电视、手机通信。
- 微波组：微波炉、雷达、卫星通信。
- 红外线组：遥控器、夜视仪、热成像。
- 可见光组：照明、摄影、光纤通信。
- 紫外线组：杀菌消毒、验钞、促进维生素D合成。
- X射线组：医学影像、安检、晶体结构分析。
- γ射线组：癌症放疗、食品辐照保鲜、天文观测。
二、辩证看待，强化社会责任 （一）、讨论电磁波的双面性
教师引导：“电磁波极大地便利了我们的生活，但它有没有潜在的危害？”组织学生讨论：如高强度微波可能造成组织损伤，紫外线过度照射会伤害皮肤，X射线和γ射线具有电离辐射风险等。
（二）、树立科学使用观念
教师总结：“科技是一把双刃剑。我们要学会科学、合理地使用电磁波技术，如避免长时间使用手机贴耳通话、正确使用微波炉、在医生指导下接受X光检查等。同时，支持国家制定电磁辐射安全标准，保护环境和公众健康。” 1. 观察电磁波谱图，了解波段划分。
2. 小组合作，探究并汇报各波段应用。
3. 参与讨论，认识电磁波的潜在危害。
4. 树立合理使用技术的社会责任感。
评价任务 信息提取：☆☆☆
应用关联：☆☆☆
辩证思考：☆☆☆
设计意图 通过电磁波谱图，将零散的应用知识系统化，帮助学生建立宏观认知框架。分组探究任务调动全体学生参与，将物理知识与日常生活紧密联系，体现“从生活走向物理，从物理走向社会”的理念。通过讨论双面性，引导学生进行辩证思考，将科学学习与社会责任相结合，落实“科学态度与责任”的核心素养目标，实现情感态度价值观的升华。
课堂总结：从预言到改变世界
【3分钟】 一、结构化回顾知识脉络 （一）、梳理本课核心内容
教师带领学生回顾：“今天我们沿着科学发现的足迹，共同探索了电磁波的奥秘。我们首先学习了麦克斯韦的伟大理论预言——变化的电磁场相互激发，形成以光速传播的电磁波。接着，我们见证了赫兹如何用精巧的实验‘看见’了这看不见的波，为理论提供了坚实证据。最后，我们打开了电磁波谱的画卷，看到了从广播到手机，从微波炉到X光机，电磁波如何深刻地改变了人类的通信、医疗、生活和认知方式。”
二、升华式总结：科学之光，照亮未来 （一）、致敬科学精神
教师深情总结：“麦克斯韦用笔和纸‘看见’了未来，赫兹用火花‘点燃’了真理。他们的故事告诉我们，人类最强大的力量，不是肌肉，而是思想。一个伟大的理论，可以穿越时空，改变整个文明的进程。今天，当我们轻松地刷着视频、打着电话，享受着信息时代的便利时，请不要忘记，这一切都源于一百多年前，两位科学家在书桌前和实验室里，对自然规律的执着探索。”
（二）、寄语未来
“希望同学们能从这节课中汲取力量，保持对世界的好奇心，锻炼严谨的科学思维。也许未来的某一天，你们中就会有人提出下一个‘麦克斯韦方程组’，或者完成下一个‘赫兹实验’，用科学之光，继续照亮人类前行的道路。” 1. 跟随教师回顾知识主线。
2. 倾听总结，感受科学精神的力量。
3. 思考个人与科学发展的关系。
4. 获得学习物理的激励与动力。
评价任务 知识梳理：☆☆☆
情感共鸣：☆☆☆
未来展望：☆☆☆
设计意图 采用“结构化+升华式”双总结模式。先清晰梳理“理论预言—实验验证—广泛应用”的知识逻辑链，帮助学生构建系统认知。再通过富有诗意的语言，将科学史升华为对科学精神的礼赞，强调思想的力量和科学对文明的推动作用。最后寄语学生，将个人成长与科学发展相联系，激发其内在学习动力和使命感，实现情感、态度与价值观的深度升华。
作业设计
一、基础巩固：概念辨析
1. 判断下列说法是否正确，错误的请说明理由：
（1）电磁波只能在真空中传播，在空气中无法传播。（ ）
（2）赫兹实验中，接收器产生火花是因为电磁波的能量被转化为电能。（ ）
（3）无线电波、可见光、X射线的本质都是电磁波，它们在真空中传播速度相同。（ ）
（4）麦克斯韦通过实验发现了电磁波。（ ）
（5）变化的电场周围一定存在磁场，变化的磁场周围一定存在电场。（ ）
二、能力提升：应用探究
2. 假设你是一名科普作家，请选择电磁波谱中的一个波段（如微波或紫外线），写一段150字左右的科普短文，向普通市民介绍它的基本特性和至少两项与生活密切相关的应用，并提醒一项使用时的注意事项。
三、拓展延伸：科学史话
3. 查阅资料，简要了解中国在电磁波应用领域的一项重大成就（如“中国天眼”FAST射电望远镜、北斗卫星导航系统、5G通信技术等），写出其名称、主要功能和你认为它最重要的意义（不少于50字）。
【答案解析】
一、基础巩固：概念辨析
1. （1）错误。电磁波可以在空气、真空等多种介质中传播。
（2）正确。电磁波的能量在接收器中激发电流，产生火花。
（3）正确。所有电磁波在真空中的速度均为光速c。
（4）错误。麦克斯韦是理论预言，赫兹通过实验发现。
（5）正确。这是麦克斯韦电磁场理论的核心观点。
二、能力提升：应用探究
示例（微波）：微波是波长介于红外线与无线电波之间的电磁波。其最广为人知的应用是微波炉，利用微波使食物中的水分子共振发热来加热食物。此外，微波还广泛应用于雷达探测和卫星通信。使用微波炉时，请勿使用金属容器，以免产生电火花，引发危险。
板书设计
13.4 电磁波的发现及应用
【左板】
一、理论预言——麦克斯韦
核心思想：
变化的电场 → 磁场
变化的磁场 → 电场
相互激发 → 电磁波
传播速度 v = c（光速）
预言：光是一种电磁波
【中板】
二、实验验证——赫兹
发射器：振荡偶极子（火花）
↓ 辐射
电磁波 → 空间传播 →
↑ 检测
接收器：共振环（火花）
结论：电磁波存在！速度=c！
【右板】
三、广泛应用——电磁波谱
[图示：从左到右波长递减]
无线电波 → 微波 → 红外线 → 可见光 → 紫外线 → X射线 → γ射线
应用：通信、加热、遥控、照明、杀菌、成像、治疗
双面性：便利生活 辐射风险
科学使用，承担责任
教学反思
成功之处
1. 以“闪电与收音机”的生活现象导入，有效激发了学生兴趣，成功构建了“电磁波是如何被发现”的核心探究议题，使整节课主线清晰。
2. 充分利用动画和模拟实验，将麦克斯韦的“位移电流”和赫兹实验等抽象、历史性内容生动直观地呈现，显著降低了认知难度，学生反馈理解度高。
3. 设计了“模拟赫兹实验”的合作探究任务，学生参与度高，讨论热烈，有效培养了科学探究能力和创新思维，课堂氛围活跃。
不足之处
1. 在讲解麦克斯韦方程组时，部分数学推导略显简略，对于物理基础特别扎实的学生，可能感觉意犹未尽，未来可考虑为学有余力者提供拓展阅读材料。
2. 小组讨论电磁波应用时，时间略显紧张，个别小组未能充分展示，下次可适当压缩前段讲授时间，或采用更高效的汇报形式。
3. 对电磁波双面性的讨论深度还可加强，可引入更多具体案例（如手机辐射争议），引导学生进行更深入的辩证分析。