沪教版高中物理选修3-4 3.1麦克斯韦的电磁场理论_学案1

麦克斯韦的电磁场理论
【学习目标】
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。
【学习重难点】
1．变化的磁场产生电场。
2．变化的电场产生磁场。
【学习过程】
一、法拉第的贡献
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。
小灯泡为什么能发光？
电路（线圈）中的电荷为什么能够定向移动呢？
上述实验表明，变化的磁场在线圈里形成电场。
若线圈断开，线圈中有电流、电场吗？
若线圈被拿走，它原来所处的空间有电场吗？
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 。
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 。
电磁波在真空中的传播速度恰好等于光速，并预言 。
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。
【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
【达标检测】
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