第四节 麦克斯韦电磁场理论
学 习 目 标
知 识 脉 络
1.知道什么是电磁波．了解麦克斯韦电磁场理论的基本思想，体会其在物理学发展中的意义．(重点、难点)
2．了解赫兹证实电磁波存在的实验，体会实验验证在物理理论发展中的地位和作用.
[自 主 预 习·探 新 知]
[知识梳理]
一、电磁场理论的建立及验证
1．电磁场理论
英国物理学家麦克斯韦在研究了法拉第电磁感应现象之后，提出了电磁场理论：变化的磁场产生电场，变化的电场产生磁场，变化的电场和变化的磁场相互联系，形成一个不可分割的统一体——电磁场．电场和磁场只是电磁场这个统一体的两种具体表现形式．
2．电磁波的形成
如果在空间某处产生了变化的电场，就会在空间引起变化的磁场；而这变化的电场和磁场又在较远的空间引起新的变化的电场和磁场．这个过程反复进行，使变化的电场和磁场由近及远地向周围空间传播出去，形成电磁波．
3．验证
1888年，德国物理学家赫兹用实验验证了电磁波的存在，证明电磁波与光一样，具有反射、折射、衍射和干涉等波动特性，并发现电磁波的传播速度等于光速，证实了光是一种电磁波．
二、电磁场的物质性
1．电磁场可以使电荷移动，即可以对电荷做功，这说明电磁场具有能量．
2．俄国物理学家列别捷夫测量到光对被照射物体的压力，表明电磁场具有与其他物质相互作用的属性．所以说，电磁场是物质存在的基本形态之一．
[基础自测]
1．思考判断
(1)有电场的空间一定存在磁场，有磁场的空间也一定能产生电场．(×)
(2)均匀变化的电场周围一定产生均匀变化的磁场．(×)
(3)周期性变化的磁场周围空间一定产生周期性变化的电场．(√)
(4)变化的电场和磁场由近及远地向四周空间传播形成电磁波．(√)
(5)麦克斯韦用实验验证了电磁波的存在．(×)
(6)电磁场是客观存在的物质．(√)
[提示] (1)稳恒的电场不产生磁场，稳恒的磁场不产生电场．
(2)均匀变化的电场产生恒定的磁场．
(5)赫兹用实验验证了电磁波的存在．
2．关于电磁场理论，下列说法正确的是( )
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变化的磁场
D．周期性变化的电场周围一定产生周期性变化的磁场
D [根据麦克斯韦的电磁场理论，只有变化的电场周围才产生磁场，所以A错；非均匀变化的电场产生变化的磁场，均匀变化的电场周围产生恒定的磁场，所以B、C错，故选D.]
3．(多选)关于电磁场和电磁波，下列说法正确的有( )
A．电磁波不能在真空中传播
B．变化的电场一定能产生变化的磁场
C．电磁波在真空中传播的速度是3×108 m/s
D．变化的电场和磁场由近及远地向周围空间传播，形成电磁波
CD [电磁波可以在真空中传播，A错误；均匀变化的电场产生恒定磁场，B错误；电磁波在真空中传播的速度是3×108 m/s，C正确；由电磁波的定义可知D正确．]
[合 作 探 究·攻 重 难]
对麦克斯韦电磁场理论及电磁波的理解
1．麦克斯韦电磁场理论
2．电磁场
如果在空间某处产生了周期性变化的电场，就会在周围空间引起周期性变化的磁场，而这个周期性变化的磁场又在较远的空间引起新的周期性变化的电场．变化的电场和变化的磁场相互联系，形成了一个不可分割的统一体——电磁场．麦克斯韦电磁场理论中的“均匀变化”指的是在相等的时间内磁感应强度或电场强度的变化量相同；“振荡”是指周期性变化并且变化是不均匀的．
3．电磁波
(1)在真空中电磁波的传播速度等于光速，光是一种电磁波．
(2)电磁场中以电场和磁场的形式贮存着能量——电磁能．电磁波的传播过程就是能量传递的过程．
(3)麦克斯韦预言了电磁波，赫兹证实了电磁波的存在，测出了波长和频率，证实了真空中电磁波的传播速度等于光速，验证了电磁波的反射、折射、衍射和干涉等现象．
(4)电磁波可以在介质中传播，也可以在真空中传播．且任何频率的电磁波在真空中的传播速度都是3×108 m/s.
(多选)按照麦克斯韦电磁场理论，以下说法中正确的是( )
A．恒定的电场周围产生恒定的磁场，恒定的磁场周围产生恒定的电场
B．变化的电场周围产生磁场，变化的磁场周围产生电场
C．均匀变化的电场周围产生均匀变化的磁场，均匀变化的磁场周围产生均匀变化的电场
D．均匀变化的电场周围产生稳定的磁场，均匀变化的磁场周围产生稳定的电场
BD [对此理论全面正确的理解为：不变化的电场周围不产生磁场；变化的电场周围可以产生变化磁场，也可以产生不变化的磁场；均匀变化的电场周围产生稳定的磁场；周期性变化的电场产生同频率的周期性变化的磁场．变化的磁场产生电场的规律与以上类似，故正确答案为B、D.]
均匀变化的电场?磁场?产生恒定的磁场?电场?，不均匀变化的电场?磁场?产生变化的磁场?电场?，周期性变化的电场?磁场?产生同频率的周期性变化的磁场?电场?.
[针对训练]
(多选)关于电磁场理论的叙述正确的是( )
A．变化的磁场周围一定存在着电场，与是否有闭合电路无关
B．周期性变化的磁场产生同频率周期性变化的电场
C．变化的电场和变化的磁场相互关联，形成一个统一的场，即电磁场
D．电场周围一定存在磁场，磁场周围一定存在电场
AB [变化的磁场周围产生电场， 当电场中有闭合回路时，回路中有电流．若无闭合回路，电场仍然存在，A正确；若形成电磁场必须有周期性变化的电场和磁场，B对，C、D错．]
[当 堂 达 标·固 双 基]
1．关于电磁场理论，下列说法中正确的是( )
A．在电场的周围空间一定产生磁场
B．任何变化的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产生变化的磁场
D．振荡电场在周围空间产生变化的磁场
D [由麦克斯韦电磁场理论知：不变化的电场周围不产生磁场，变化的电场周围一定产生磁场，产生的磁场性质是由电场的变化情况决定的，均匀变化的电场产生稳定的磁场，不均匀变化的电场产生变化的磁场，振荡的电场产生同频率振荡的磁场，反之亦然，故选项D正确．]
2．下列说法中正确的是( )
A．电磁场的本质是电场
B．电磁场的本质是磁场
C．电磁场不具有能量
D．电磁场是周期性变化的电场和磁场交替产生而形成的不可分离的统一体
D [变化的电场和变化的磁场交替产生而在空间中形成电磁场，电磁场具有能量，是一种物质，故D选项正确．]
3．(多选)下列关于电磁波的说法中正确的是( )
A．只要电场和磁场发生变化，就能产生电磁波
B．电磁波传播需要介质
C．停止发射电磁波，发射出去的电磁波仍能独立存在
D．电磁波具有能量，电磁波的传播是伴随着能量向外传递的
CD [对电磁波的产生机制及传播途径要搞清，如果电场(或磁场)是均匀变化的，产生的磁场(或电场)是恒定的，就不能产生新的电场(或磁场)，也就不能产生电磁波．电磁波不同于机械波，它的传播不需要介质，故应选C、D.]
第四节 麦克斯韦电磁场理论
一：教学目标
（一）：知识与技能
初步了解麦克斯韦电磁场理论的基本思想；变化的磁场产生电场，变化的电场产生磁场。相互联系着的变化的电场和磁场统称为电磁场。
了解电磁波的产生和电磁波的特点。
了解电磁场的物质性
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，语言新现象。
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“磁现象与电现象有哪些相似之处”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。
通过电磁波具有能量，以及具有与其他物质相互作用的属性，体会电磁场的物质性。
（三）：情感与态度价值观
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。
（四）：教学重点：电磁波的特点，麦克斯韦电磁场理论的基本思想
（五）：教学难点：电磁波的特点
（六）：课时安排：两课时
二：教学过程
引入：介绍伟大的英国物理学家麦克斯韦（1831－1879）。
（一）：麦克斯韦电磁场理论的基本思想
根据：前人的实验事实，在变化的磁场中放置一个闭合电路，电路中将会产生感应电流，这是我们熟悉的电磁感应现象。
2．麦克斯韦认为：电路里产生感应电流，是由于导体中的自由电荷受到电场力的驱使而做定向移动，说明电路所在的空间存在电场，这个电场是由变化的磁场引起的。―――――变化的磁场周围产生电场是一种普遍存在的现象。
3．学生讨论与交流：变化的磁场产生的电场与我们熟悉的静电场有何不同？
学生：静电场的电场线是由正电荷出发，终止于负电荷，是不闭合的。而变化的磁场产生的电场没有起点也没有终点，是闭合的“旋涡电场”
4．提出：变化的电场能否也产生磁场？
三个实验去验证：
静止电荷周围的小磁针不偏转
运动电荷周围的小磁针偏转
电容器充电时周围的小磁针发生摆动
麦克斯韦认为：静止电荷周围是稳定的电场，不产生磁场；而电荷运动时，周围的小磁针摆动说明小磁针所在处产生了另一个磁场，使小磁针摆动，这个磁场是由电荷运动在周围空间产生变化的电场而引起的。―――――变化的电场周围产生磁场是一种普遍存在的现象。
5．学生讨论与交流：磁现象与电现象有哪些相似之处？
学生：自然界中有正负两种电荷，同种电荷互相排斥，异种电荷互相吸引。
自然界中也只有南北两种磁极，同名磁极互相排斥，异名磁极互相吸引。奥斯特发现电能生磁，法拉第发现磁能生电，，麦克斯韦正是相信电场与磁场有对称之美，才从“变化的磁场周围产生电场”联想到“变化的电场周围产生磁场”，并提出了大胆的假设！
6．麦克斯韦电磁场理论的基本思想：
（1）均匀变化的磁场（或电场）产生稳定的电场（或磁场）。
（2）非均匀变化的磁场（或电场）产生变化的电场（或磁场）。
（3）按三角函数规律变化的振荡磁场（或电场）产生同频率的三角函数规律变化的振荡电场（或磁场）
（4）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，形成一个不可分离的统一场，这就是电磁场
（二）：电磁波的产生及其特点
电磁波的产生：如果在空间某区域有周期性变化的电场，这个变化的电场就会在周围空间产生周期性变化的磁场；这个变化的磁场又会在较远的空间引起周期性的电场……这样变化的电场和磁场就不局限于空间某区域。而是由近及远地向周围空间传播出去，电磁波这样由近及远地传播，就形成电磁波
电磁波的特点
电磁波中电场和磁场相互垂直，电磁波在与两者均垂直的方向传播。因此电磁波是横波
两个相邻的波峰（或波谷）之间的距离等于电磁波的波长。电磁波在空间以一定的速度传播，经过一个周期的时间，传播一个波长的距离。即其波长λ，频率?（周期Τ），波速υ之间遵循的关系：υ＝λ/Τ=λ?
电磁波的频率即为电磁振荡的频率，它由波源决定，与介质无关。电磁波在真空中的传播速度等于光在真空传播速度，c＝3.0×108m/s
电磁波与机械波一样，也能产生反射，折射，干涉，衍射等现象，也是传播能量的一种形式。
电磁波传播不需要借助于任何介质，在真空中也能传播，因为电磁波的传播是依靠电场和磁场的相互激发，而不是依靠物质的机械传递。
3．学生讨论与交流：从电磁波的特点出发，你认为电磁场是客观存在的吗？
学生：根据电磁波的特点中的第（5）点可知，电磁场本身就是一种特殊形态的物质，无需借助其他物质来传播
（三）：电磁场的物质性
几种特殊电磁波的例子：
微波炉是利用电磁波进行加热食物。说明电磁场具有能量。
俄国物理学家列别捷夫测量除光对被照射的物体有压力。
结论：电磁波具有运动能量，以及与其他物质相互作用的属性，都是物质的性质。电磁波具有物质一般性质的同时，也具有特殊的性质。
（四）：麦克斯韦电磁场理论的意义
电磁场理论的建立，经历了“实践――理论――实践”这一科学发展的过程是物理学发展史上的典型案例。
麦克斯韦的电磁场理论，实现了从经典物理学向现代物理学的重大转折。
三：习题：
1.下列有关电磁场的说法中，正确的是
A.变化的磁场一定产生变化的电场
B.变化的电场一定产生磁场
C.变化的磁场一定产生周期性变化的电场
D. 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
A 恒定电流能够在周围空间产生稳定的磁场
B均匀变化的电场能够在周围空间产生稳定的磁场
C 静止电荷能够在周围空间产生稳定的磁场
D 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
A 任何变化的电场都会在周围空间产生变化的磁场
B任何变化的磁场都会在周围空间产生变化的电场
C 只有非均匀变化的磁场才会在周围空间产生变化的电场
D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
A 在变化的磁场周围一定能产生变化的电场
B 在磁场中放一个闭合线圈，线圈一定有感应电流
C 在磁场中放一个闭合线圈，线圈不一定有感应电流
D 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
5．关于声波和电磁波的比较，下列说法正确的是（ ）
声波是由生源产生的机械振动向远处的传播，电磁波是由场源产生的电磁 场向远处的传播
声波只是在介质中传播，电磁波可以在真空中传播
由空气进入水中传播时，声波的传播速度变大，电磁波的传播速度变小
由水中进入空气时，声波的波长变长，电磁波的波长变短
6.在经典物理学发展史中，出现过四个里程碑式的人物：伽利略，牛顿，法拉第和麦克斯韦。爱因斯坦认为他们同样伟大，你如何理解？查找相关的资料，写一篇报告。
答案：1.BD 2.BD 3.CD 4.CD 5.ABC 6.略
四：小结
本章的主要内容
1．麦克斯韦电磁场理论的基本思想：
（1）均匀变化的磁场（或电场）产生稳定的电场（或磁场）。
（2）非均匀变化的磁场（或电场）产生变化的电场（或磁场）。
（3）按三角函数规律变化的振荡磁场（或电场）产生同频率的三角函数规律变化的振荡电场（或磁场）
（4）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，形成一个不可分离的统一场，这就是电磁场
2．电磁波的5个特点
麦克斯韦电磁场理论的意义
五：教学反思
本节教材编写浅显易懂，逻辑性强，适合于学生自主学习，在教学中本人充分利用简捷的逻辑推演，充分展示麦克斯韦思考的精髓，为学生仿照麦克斯韦的思考来分析其他试验事实做好示范。在教学当中，多尝试采用以学生为主体的教学模式，确保学生在轻松，有趣的气氛中学习。
通过对麦克斯韦等伟大物理学家的故事，他们的思想，他们顽强的意志来鼓励学生，鞭策学生，树立一个榜样和偶像。这些科学家与那些歌星比起来，让他们自己去发现什么样的人才是值得做我们的偶像
课件13张PPT。
第四节 麦克斯韦电磁场理论目标导航预习导引目标导航预习导引二一一、电磁场理论的建立及验证
1.在法拉第电磁实验中,变化的磁场在闭合电路周围产生一个电场,这个电场推动闭合电路导体中的电荷做定向移动,形成了电流.
2.麦克斯韦认为,在变化的磁场周围产生电场是一种普遍现象,跟闭合电路是否存在无关.闭合电路只是用来显示电流存在的.
3.麦克斯韦推断,不仅电流能够产生磁场,变化的电场也能够产生磁场.这就是麦克斯韦电磁场理论的基本观点.
4.变化的电场产生磁场,变化的磁场产生电场,变化的电场和变化的磁场相互联系,形成一个不可分割的统一体——电磁场.
5.变化的电场和磁场由近及远地向周围空间传播出去,就形成了电磁波.电磁波的传播速度与光速相同.
6.1888年,德国物理学家赫兹用“赫兹振子”试验,直接验证了电磁波的存在.电磁波与光一样,具有反射、折射、干涉等波动现象.vvvvvvvvvvvvvvvvv目标导航预习导引二一预习交流
为什么登机后要关闭手机或手提电脑?
答案:因为手机或手提电脑在使用时,会向外发射电磁波,因而会干扰飞机的无线电系统,飞机会出故障,有些空难跟这有关.所以为了飞行安全,在飞机上不要使用手机或手提电脑.目标导航二一预习导引二、电磁场也是物质
1.电磁场可以使电荷移动,也就是可以对外做功,所以,电磁场具有能量,电磁场是物质存在的基本形态之一.
2.光压是光对被照射物的压力,由俄国物理学家列别捷夫观测到.vvvvv迁移应用典题例解知识精要(一)电磁场理论
1.变化的磁场产生电场
(1)在法拉第电磁实验中,变化的磁场在闭合电路周围产生一个电场,这个电场推动闭合电路导体中的电子做定向移动,形成了电流.
(2)麦克斯韦认为,在变化磁场周围产生电场是一种普遍现象,跟闭合回路是否存在无关.闭合回路只是用来显示电流存在的.
2.变化的电场产生磁场
(1)麦克斯韦推断,不仅电流能够产生磁场,变化的电场也能够产生磁场.这就是麦克斯韦电磁场理论的基本观点.
(2)变化的磁场产生电场,变化的电场产生磁场,变化的电场和变化的磁场相互联系,形成一个不可分割的统一体——电磁场.
静电场不产生磁场,静磁场也不产生电场.周期性变化的电场(或磁场)产生周期性变化的磁场(或电场).典题例解知识精要 (二)电磁场与电磁波
麦克斯韦认为如果在空间某处产生了变化的电场,就会在空间产生变化的磁场;而这变化的电场和磁场又在较远的地方引起新的变化的电场和磁场.这个过程反复进行,使变化的电场和磁场由近及远地向周围空间传播出去,形成电磁波.
电磁波的传播速度与光速相同
1888年,德国物理学家赫兹用“赫兹振子”试验,直接验证了电磁波的存在.电磁波与光一样,具有干涉、衍射等波动现象.迁移应用【例题】 根据麦克斯韦电磁场理论,下列说法正确的是( )
A.变化的磁场一定产生变化的电场
B.均匀变化的磁场一定产生均匀变化的电场
C.稳定的电场一定产生稳定的磁场
D.并不是只要空间有变化的电场或磁场,就一定能够产生电磁波
解析:麦克斯韦电磁场理论的核心是变化的电场(磁场)产生磁场(电场),可是根据法拉第电磁感应定律,均匀变化的磁场只会产生恒定的电场,而这个恒定的电场无法再产生磁场,也就无法形成电磁波了.因此本题应该选D项.
答案:D典题例解知识精要迁移应用1.下列说法正确的是( )
A.稳定的电场产生稳定的磁场
B.均匀变化的电场产生均匀变化的磁场,均匀变化的磁场产生均匀变化的电场
C.变化的电场产生的磁场一定是变化的
D.变化的电场产生的磁场可能是变化的
解析:根据麦克斯韦电磁场理论知,变化的电场产生磁场,那么稳定的电场不产生磁场,A错.均匀变化的电场产生稳定的磁场,均匀变化的磁场产生稳定的电场,B错.变化的电场产生磁场,产生的磁场可能是变化的也可能是稳定的,C错.
答案:D典题例解知识精要迁移应用2.1888年,用实验证实电磁波的存在,使人们认识物质存在的另一种形式,这位物理学家是( )
A.赫兹
B.奥斯特
C.麦克斯韦
D.法拉第
解析:1888年,德国物理学家赫兹用“赫兹振子”实验,直接验证了电磁波的存在.选项A正确.
答案:A典题例解知识精要迁移应用案例探究方法规律正确理解麦克斯韦电磁理论
某电路中的电场随时间变化的图象如图所示,其中能发射电磁波的电场是( )解析:本题考查的内容为麦克斯韦电磁场理论.由麦克斯韦电磁场理论知,当空间出现恒定的电场时(如题中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(如题中B图、C图)时,会激发出磁场,但磁场恒定,因而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(如题中D图),才会激发出周期性变化的磁场,周期性变化的磁场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案例探究方法规律电场产生磁场,磁场又产生电场,电场再产生磁场,如此不断地继续下去,向空间传播,才能形成电磁波,因此,只有周期性非均匀变化的电场或磁场才能产生电磁波.
