3.1 电磁波的产生 教案 (2)

3.1
电磁波的产生
教案3（鲁科版选修3-4）
（第二课时）麦克斯韦的预言
赫兹实验
新课标要求
（一）知识与技能
1．知道麦克斯韦电磁场理论的重要地位。
2．知道麦克斯韦电磁场理论的主要内容。
3．知道电磁波的特点。
4．知道赫兹实验及其重要意义。
（二）过程与方法
通过对电磁波发现过程的了解，认识规律的普遍性与特殊性，培养学生的逻辑推理和类比推理能力。
（三）情感、态度与价值观
培养学生崇尚科学、献身科学的精神。
教学重点
变化的磁场产生电场。
教学难点
变化的电场产生磁场。
教学方法
演示推理和类比推理
教学用具：
学生电源一台，电磁铁一块，多匝线圈、灯座、小灯泡各一个，导线若干，多媒体课件
教学过程
（一）引入新课
（导入画面）
师：大家看到的画面是“神舟九号”发射场面。“神舟九号”上天后，人们是怎样知道它到达预定的地点呢？
生：无线电波。
师：无线电广播、电视、人造卫星、导弹、宇宙飞船等，传递信息和跟地面的联系都要利用电磁波。现代社会的各个部门，几乎都离不开“电磁波”，可以说“电”作为现代文明的标志，“电磁波”就是现代文明的神经中枢，或者叫现代化的代名词。
那么，电磁波是什么？它是怎样产生的？它有什么性质？怎样利用它传递信号？这一章就要讨论这些问题。今天我们就从电磁波的发现开始学习。
（二）进行新课
1．伟大的预言
（教师首先向学生介绍麦克斯韦的生平简介，激发学生的好奇心和求知欲。）
麦克斯韦（James
Clark
Mexwell，1831~1879）是英国的理论物理学家、数学家。1831年6月13日生于英国爱丁堡。他的父亲是一个科学家，他从小就受到科学的熏陶，15岁时向英国皇家学会递交数学论文，发表在《爱丁堡皇家学会学报》上，第一次显露出他出众的才华。1847年，考入爱丁堡大学学习数学和物理学。1850年转入剑桥大学，1854年毕业后留校工作，1856~1865年，他先后在阿丁见大学和伦敦皇家学院任教。1871年，麦克斯韦任剑桥物理实验室主任，1874年，他主持建立的卡文迪许实验室竣工，任该实验室首任主任。1879年11月5日，麦克斯韦在剑桥逝世。
麦克斯韦在电磁场理论方面的工作深受法拉第的影响.他信服法拉第的思想，决心为法拉第的场的概念提供数学方法的基础。尤其是他在伦敦皇家学院任教期间，有机会拜访了法拉第以后，更加强了他的这种信念.年轻的麦克斯韦以他卓越的数学才能和严密的逻辑推理，对法拉第的直观形象的电磁场理论加以高度概括，并总结了当时电磁学的研究成果，建立了电磁场方程，确立了电磁场理论。
师：我们现在粗略地介绍一下麦克斯韦的电磁场理论。
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变化的磁场产生电场
演示实验
装置如图所示，当穿过螺线管的磁场随时间变化时，上面的线圈中产生感应电动势，引起感应电流使灯泡发光。
［提出问题］小灯泡为什么能发光？
［学生回答］由于交变电流产生的磁场在不断变化，所以穿过线圈的磁通量不断变化，在线圈中产生感应电动势，形成感应电流，小灯泡发光。
［继续提问］电路（线圈）中的电荷为什么能够定向移动呢？
［学生回答］受电场力。
［教师总结］上述实验表明，变化的磁场在线圈里形成电场。
［教师提问］若线圈断开，线圈中有电流、电场吗？
［学生回答］有电场，无电流。
［继续提问］若线圈被拿走，它原来所处的空间有电场吗？
学生对此问题可能难以回答，但这时提出变化的磁场能在其空间产生电场已是水到渠成的时候。
师：由上面的电磁感应现象，我们可以很自然的提出一个假设：变化的磁场产生电场。
麦克斯韦认为线圈只不过用来显示电场的存在，线圈不存在时，变化的磁场同样在周围空间产生电场，这是一个普遍规律，跟闭合电路是否存在无关（如图甲、乙所示）。
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变化的电场产生磁场
师：麦克斯韦根据电现象与磁现象的相似性和变化的磁场能产生电场的现象，提出了另一个大胆的假设：变化的电场也能产生磁场。
师：总结上述两个结论，麦克斯韦认为，变化的电场和磁场是互相联系的，形成一个统一的电磁场。
麦克斯韦根据自己的理论进一步预言，如果在空间某区域中有周期性变化的电场，那么，这个变化的电场就在它周围空间产生周期性变化的磁场，这个变化的磁场又在它周围空间产生新的周期性变化的电场……可见，变化的电场和变化的磁场是相互联系的，形成一个不可分离的统一体，这就是电磁场。电场和磁场只是这个统一的电磁场的两种具体表现。这种变化的电场和变化的磁场总是交替产生，并且由发生的区域向周围空间传播。于是一个伟大的预言诞生了――空间可能存在电磁波。
［课件演示：电磁场由发生区域向远处的传播――电磁波］
2．电磁波
师：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。如上图所示。
［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=3.0×108
m/s。
师：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．赫兹的电火花
师：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（见附录），激发学生求知上进的热情，对学生进行物理情感教育。
（三）课堂总结、点评
本节主要学习了麦克斯韦电磁场理论的主要内容。知道了麦克斯韦电磁场理论的两大支柱：变化的磁场产生电场，变化的电场产生磁场。还知道了变化的电场和磁场相互联系，形成一个统一的场，即电磁场。电磁场由发生区域向远处的传播形成电磁波。电磁波中的电场与磁场相互垂直，且二者均与波的传播方向垂直，即电磁波是横波。
教学体会
思维方法是解决问题的灵魂，是物理教学的根本；亲自实践参与知识的发现过程是培养学生能力的关键，离开了思维方法和实践活动，物理教学就成了无源之水、无本之木。学生素质的培养就成了镜中花，水中月。
附：备课资料
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30
cm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40
cm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10
m.
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。