自我小测
1某电路中电场随时间变化的图像如图所示，能发射电磁波的电场是( )
2通过实验验证了电磁波存在的科学家是( )
A．法拉第 B．奥斯特
C．赫兹 D．麦克斯韦
3关于电磁场的理论，下列说法正确的是( )
A．变化的电场周围产生的磁场一定是变化的
B．均匀变化的磁场周围产生的电场也是均匀变化的
C．变化的电场周围产生的磁场一定是稳定的
D．周期性变化的电场周围产生的磁场也是周期性变化的
4如图所示，两个荷质比相同的带正电荷的粒子a和b以相同的动能在匀强磁场中运动，a从B1区运动到B2区，已知B1A．a不变，b增加 B．a不变，b变小
C．a、b都变小 D．a、b都变大
5如图所示是某一固定平面内的磁通量的变化图像，在它周围空间产生的电场中的某一点的场强E应( )
A．逐渐增强 B．逐渐减弱
C．稳定不变 D．无法判断
6如图所示，圆形区域内有垂直于纸面的匀强磁场，场外有一带正电的粒子(重力不计)静止在某点处，当磁场均匀增强时，该粒子的运动情况是 ( )
A．仍静止在某点处 B．将做匀速运动
C．将做加速运动 D．以上说法均不对
7手机A的号码为13345670002，手机B的号码为13345670008，用手机A拨打手机B时，手机B发出响声并且显示屏上显示手机A的号码为13345670002。若将手机A置于一透明真空罩中，用手机B拨打手机A，则手机A( )
A．发出响声，并显示B的号码为13345670008
B．不发出响声，但显示B的号码为13345670008
C．不发出响声，但显示B的号码为13345670002
D．既不发响声，也不显示号码
8关于电磁波，下列说法中正确的是( )
A．电磁波是横波
B．电磁波的传播需要介质
C．电磁波能产生干涉和衍射现象
D．电磁波中的电场和磁场方向处处互相垂直
9如图所示，电子感应加速器是利用变化磁场产生的电场来加速电子的。在圆形磁铁的两极之间有一环形真空室，用交变电流励磁的电磁铁在两极间产生交变磁场，从而在环形室内产生很强的电场，使电子加速。被加速的电子同时在洛伦兹力的作用下沿圆形轨道运动，设法把高能电子引入靶室，能使其进一步加速。在一个半径为r＝0.84 m的电子感应加速器中，电子在被加速的4.2 ms内获得的能量为 120 MeV。这期间电子轨道内的高频交变磁场是线性变化的，磁通量从零增到1.8 Wb，求电子共绕行了多少周？
10甲、乙两地进行无线电通信，把太平洋上空的通信卫星作为中继站。若甲、乙两地到达卫星的距离都是4.2×107 m，那么甲地发射的电磁波要经过多长时间到达乙地？
答案
1解析：由麦克斯韦电磁场理论，当空间出现恒定的电场时(如A图)，由于其不激发磁场，故无电磁波产生；当出现均匀变化的电场(如B图、C图)，会激发出磁场，但磁场恒定，不会再在较远处激发出电场，故也不会产生电磁波，只有周期性变化的电场(如D图)，才会激发出周期性变化的磁场，其又激发出周期性变化的电场……如此不断激发，便会形成电磁波。
答案：D
2解析：麦克斯韦首先预言了电磁波的存在，赫兹证实了预言的正确性。
答案：C
3解析：均匀变化的磁场产生稳定的电场，均匀变化的电场产生稳定的磁场，故A、B、C选项错误；周期性变化的电场产生周期性变化的磁场，故D选项正确。
答案：D
4解析：a粒子在静磁场中运动，洛伦兹力不对电荷做功，粒子的动能不变化；b粒子运动中磁场发生变化，周围空间产生电场。由楞次定律知产生的电场方向跟粒子的运动方向一致，对粒子做正功，动能增加。
答案：A
5解析：由题图知，磁通量均匀变化，而面积一定，故磁感应强度B均匀变化，故在其周围产生稳定的电场。
答案：C
6解析：当磁场均匀增强时，在磁场周围的空间将产生一个涡旋电场，带正电的粒子就处在涡旋电场中，在电场力作用下做加速运动，选项C正确，A、B、D错误。
答案：C
7解析：电磁波可以在真空中传播，而声波的传播则需要介质，当手机B拨打手机A时(A置于一透明真空罩中)，A能显示B的号码，不能发出响声，即选项B正确。
答案：B
8解析：由电磁场和电磁波的相关知识可知电磁波是横波，A正确；电磁波的传播与机械波不同，电磁波不需要介质，B错误；由于干涉和衍射是波所特有的现象，因此电磁波能产生干涉和衍射现象，C正确；根据电磁场的产生理论可以知道，电磁波中电场和磁场方向是互相垂直的，D正确。
答案：ACD
9解析：根据法拉第电磁感应定律，环形室内的感应电动势为E＝＝429 V，设电子在加速器中绕行了N周，则电场力做功NeE应该等于电子的动能Ek，所以有N＝Ek/Ee，代入数据可得N＝2.8×105周。
答案：2.8×105周
10解析：甲地发射的电磁波要经卫星后再传播到乙地，电磁波在真空中的传播速度为光速，故t＝＝ s＝0.28 s。
答案：0.28 s
§3.1 麦克斯韦的电磁场理论
【学习目标】
（一）知识与技能
1．了解法拉第的对物理学贡献。
2．知道麦克斯韦电磁场理论的主要内容。
3．麦克斯韦关于电磁波的预言，了解麦克斯韦电磁场理论在物理学发展史上的意义。
（二）过程与方法
通过对麦克斯韦电磁场理论基本思想形成过程的学习，体会在科学探究中如何充分利用已有的实验基础和理论，展开大胆的猜想与假设，进行强有力的逻辑理论思维，建立新理论，预言新现象。
通过麦克斯韦电磁场理论的成功，感受运用数学工具进行推理论证对物理学发展的意义。
通过“磁生电与电生磁的相似之处”的讨论与交流，进一步掌握类比法，初步形成“对称”的思想方法。
（三）情感、态度与价值观
感悟科学家的创造性思维，体验科学家献身科学的精神；体验物理学的研究方法以及数学在物理学中的特殊地位。
通过对麦克斯韦电磁场理论基本思想形成过程的学习，感受物理学的和谐之美、对称之美、有序之美。
通过对电磁场理论建立过程的学习，体会物理学发展经历了“实践――理论――实践”的艰辛过程。
【学情分析】
这部分知识是选修3-1、3-2中电场、磁场、电磁感应等基本电场学知识的延伸和发展。在学习了选修3-1、3-2后学习这部分知识，可以说学生有一定的基础，但是这部分知识介绍的麦克斯韦关于电磁场理论提出的思路，以及他独特的创造性思维，学生理解起来确有一定的难度，教学中应重视思维过程以及思维方法的介绍，不可急于求成。
【教学思路】
注意介绍科学家的思维起点以及独特的创造性思维方法，同时要遵循学生的思维规律，从学生已知的电磁现象推理、归纳出相关结论。
【教学重点、难点】
理解：1、变化的磁场产生电场。
2、变化的电场产生磁场。
【教学方法、学习方法】
1教法：理论分析、逻辑推理和类比推理。
2学法：阅读、思考、讨论交流。
【教学流程】
【教学过程及知识要点】
一、法拉第的贡献
学生阅读：P.56
1、法拉第创造性地引入“场”的概念，并用“力线”用来描述抽象的“场”（电场和磁场）。这种方法对电磁现象的描述形象直观，是牛顿时代以来在物理学概念方面最重要的变革。爱因斯坦认为法拉第这一方面的贡献要比电磁感应的发现高出许多。
2、场的概念使人们对物质概念提升到一个新的高度：“实物”形态和“场”形态。
二、电磁场理论的两大支柱（两个假设）
1、变化的磁场产生电场
演示实验：电磁感应（如右）
现象分析：
麦克斯韦从电磁感应现象的规律出发，分析得到：正由于变化的磁场产生了电场，才使闭合线圈中形成了电流。
［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）。
从而得到结论:变化的磁场产生电场
2、变化的电场产生磁场
演示实验：
在电容器两级接上交流电源，我们可以看到电流表有一定的示数。
麦克斯韦的创造性思维：
麦克斯韦在交流电路中，引入“位移电流”的概念：
电容器中虽然没有电荷通过，但两极板的电量及极板之间的电场在发生变化。他认为，电路中的电流应该是闭合的，两极板之间变化的电场应该具有电流的特征，并称之为“位移电流”。
既然变化的电场具有电流的特征，所以在其周围应该有磁场产生。
从而得的结论：变化从电场产生磁场
3、电磁场理论——伟大的丰碑
麦克斯韦根据上述两个假设和电磁学实验事实，用一组方程描述电场和磁场，得到了系统而完整的电磁场理论。
麦克斯韦电磁理论可以形象的表述为：
变化的磁场产生电场
变化从电场产生磁场
磁场的变化是均匀的，产生的电场是稳定的
电场的变化是均匀的，产生的磁场是稳定的
磁场的变化是不均匀的，产生的电场是变化的
电场的变化是不均匀的，产生的磁场是变化的
三、麦克斯韦的伟大预言：
1、麦克斯韦进一步推断：
变化的磁场和变化的电场相互耦连，形成一个不可分离的统一体——电磁场。
变化的电场（振荡的），会在其周围产生变化的磁场，这个变化的磁场又会在其周围产生电场。电场与磁场互相激发，由近及远地向周围空间传播，形成电磁波。
他由此预言了电磁波的存在。
2、麦克斯韦从他的方程组还得到：
电场和磁场的方向相互垂直，并都垂直于传播方向——即电磁波是横波。
电磁波在真空中的传播速度恰好等于光速，并预言光是电磁波。
3、麦克斯韦提出的电磁场理论，是19世纪的科学史上的一件大事，是物理学的有一座伟大丰碑。在当时，麦克斯韦被公认为是“自牛顿之后世界上最伟大的数学、物理学家”。
【典例分析】
【例1】根据麦克斯韦电磁理论，下述正确的有 【 】
A.在电场周围一定产生磁场，磁场周围一定产生电场。
B.在变化的电场周围一定产生变化的磁场，变化的磁场周围一定产生变化的电场。
C.均匀变化的电场周围一定产生均匀变化的磁场。
D.振荡的电场一定产生同频率振荡的磁场。
【答案】D
【感悟】解决这类题的关键：紧紧抓住麦克斯电磁场理论的要点，并深刻理解。
【例2】如图，内壁光滑、水平放置的玻璃圆环内，有一直径略小于环口径的带正电的小球，正以速率v0沿逆时针方向匀速转动。若在此空间突然加上竖直向上、磁感应强度B随时间成正比例增加的变化磁场，设小球运动过程中的电量不变，那么 【 】
A．小球对玻璃环的压力不断增大
B．小球受到的磁场力不断增大
C．小球先沿逆时针方向做减速运动，过一段时间后，沿顺时针方向做加速运动
D．磁场力一直对小球不做功
【分析】因为玻璃环所处有均匀变化的磁场，在周围产生稳定的涡旋电场，对带正电的小球做功，由楞次定律，判断电场方向为顺时针，在电场力的作用下，小球先沿逆时针方向做减速运动，过一段时间后，沿顺时针方向做加速运动。小球在水平面内沿轨迹半径方向受两个力：环的弹力N和磁场的洛仑兹力f，而且两个力的矢量和始终提供向心力，考虑到小球速度大小的变化和方向的变化以及磁场强弱的变化，弹力和洛仑兹力不一定始终在增大。洛仑兹力始终和运动方向垂直，所以磁场力不做功。正确为CD。
【课堂练习】
1.下列有关电磁场的说法中，正确的是
变化的磁场一定产生变化的电场
变化的电场一定产生磁场
变化的磁场一定产生周期性变化的电场
周期性变化的电场一定产生周期性变化的磁场
2．下面说法正确的是
恒定电流能够在周围空间产生稳定的磁场
均匀变化的电场能够在周围空间产生稳定的磁场
静止电荷能够在周围空间产生稳定的磁场
变化的电场和磁场互相激发，形成由近及远传播的电磁场
3．关于电磁场的下列说法中正确的是
任何变化的电场都会在周围空间产生变化的磁场
任何变化的磁场都会在周围空间产生变化的电场
只有非均匀变化的磁场才会在周围空间产生变化的电场
只有非均匀变化的电场才会在周围空间产生变化的磁场
4．空间某处存在一个变化的磁场，正确的是
在变化的磁场周围一定能产生变化的电场
在磁场中放一个闭合线圈，线圈一定有感应电流
在磁场中放一个闭合线圈，线圈不一定有感应电流
变化的磁场周围产生电场，跟闭合线圈的存在与否没有关系
参考答案：1.BD 2.BD 3.CD 4.CD
【课堂小结】
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。
【家庭作业与活动】
阅读教材P. 56~58，理解麦克斯韦的思维过程和他提出的独特的见解。
思考—讨论—练习：P.58 〖家庭作业与活动〗1、2、3
