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1、2022年高中物理 《麥克斯韋的電磁場(chǎng)理論》教案 滬科版選修3-4
【教學(xué)目標(biāo)】
(一)知識(shí)與技能
1.了解法拉第的對(duì)物理學(xué)貢獻(xiàn)。
2.知道麥克斯韋電磁場(chǎng)理論的主要內(nèi)容。
3.麥克斯韋關(guān)于電磁波的預(yù)言,了解麥克斯韋電磁場(chǎng)理論在物理學(xué)發(fā)展史上的意義。
(二)過(guò)程與方法
(1) 通過(guò)對(duì)麥克斯韋電磁場(chǎng)理論基本思想形成過(guò)程的學(xué)習(xí),體會(huì)在科學(xué)探究中如何充分利用已有的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)和理論,展開(kāi)大膽的猜想與假設(shè),進(jìn)行強(qiáng)有力的邏輯理論思維,建立新理論,預(yù)言新現(xiàn)象。
(2) 通過(guò)麥克斯韋電磁場(chǎng)理論的成功,感受運(yùn)用數(shù)學(xué)工具進(jìn)行推理論證對(duì)物理學(xué)發(fā)展的意義。
(3) 通過(guò)“磁生電與電生磁的相似之處”的討論
2、與交流,進(jìn)一步掌握類(lèi)比法,初步形成“對(duì)稱(chēng)”的思想方法。
(三)情感、態(tài)度與價(jià)值觀
(4) 感悟科學(xué)家的創(chuàng)造性思維,體驗(yàn)科學(xué)家獻(xiàn)身科學(xué)的精神;體驗(yàn)物理學(xué)的研究方法以及數(shù)學(xué)在物理學(xué)中的特殊地位。
(5) 通過(guò)對(duì)麥克斯韋電磁場(chǎng)理論基本思想形成過(guò)程的學(xué)習(xí),感受物理學(xué)的和諧之美、對(duì)稱(chēng)之美、有序之美。
(6) 通過(guò)對(duì)電磁場(chǎng)理論建立過(guò)程的學(xué)習(xí),體會(huì)物理學(xué)發(fā)展經(jīng)歷了“實(shí)踐――理論――實(shí)踐”的艱辛過(guò)程。
【學(xué)情分析】
這部分知識(shí)是選修3-1、3-2中電場(chǎng)、磁場(chǎng)、電磁感應(yīng)等基本電場(chǎng)學(xué)知識(shí)的延伸和發(fā)展。在學(xué)習(xí)了選修3-1、3-2后學(xué)習(xí)這部分知識(shí),可以說(shuō)學(xué)生有一定的基礎(chǔ),但是這部分知識(shí)介紹的麥克斯韋關(guān)于電
3、磁場(chǎng)理論提出的思路,以及他獨(dú)特的創(chuàng)造性思維,學(xué)生理解起來(lái)確有一定的難度,教學(xué)中應(yīng)重視思維過(guò)程以及思維方法的介紹,不可急于求成。
【教學(xué)思路】
注意介紹科學(xué)家的思維起點(diǎn)以及獨(dú)特的創(chuàng)造性思維方法,同時(shí)要遵循學(xué)生的思維規(guī)律,從學(xué)生已知的電磁現(xiàn)象推理、歸納出相關(guān)結(jié)論。
【教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)】
理解:1、變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)。
2、變化的電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)。
【教學(xué)方法、學(xué)習(xí)方法】
1教法:理論分析、邏輯推理和類(lèi)比推理。
2學(xué)法:閱讀、思考、討論交流。
【教學(xué)流程】
【教學(xué)過(guò)程及知識(shí)要點(diǎn)】
一、法拉第的貢獻(xiàn)
學(xué)生閱讀:P.56
1、法拉第創(chuàng)造性地引入“場(chǎng)”的概念,并
4、用“力線”用來(lái)描述抽象的“場(chǎng)”(電場(chǎng)和磁場(chǎng))。這種方法對(duì)電磁現(xiàn)象的描述形象直觀,是牛頓時(shí)代以來(lái)在物理學(xué)概念方面最重要的變革。愛(ài)因斯坦認(rèn)為法拉第這一方面的貢獻(xiàn)要比電磁感應(yīng)的發(fā)現(xiàn)高出許多。
2、場(chǎng)的概念使人們對(duì)物質(zhì)概念提升到一個(gè)新的高度:“實(shí)物”形態(tài)和“場(chǎng)”形態(tài)。
二、電磁場(chǎng)理論的兩大支柱(兩個(gè)假設(shè))
u 1、變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)
演示實(shí)驗(yàn):電磁感應(yīng)(如右)
現(xiàn)象分析:
麥克斯韋從電磁感應(yīng)現(xiàn)象的規(guī)律出發(fā),分析得到:正由于變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生了電場(chǎng),才使閉合線圈中形成了電流。
[提出問(wèn)題]小燈泡為什么能發(fā)光?
[學(xué)生回答]由于交變電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)在不斷變化,所以穿過(guò)線圈的磁通量不斷
5、變化,在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),形成感應(yīng)電流,小燈泡發(fā)光。
[繼續(xù)提問(wèn)]電路(線圈)中的電荷為什么能夠定向移動(dòng)呢?
[學(xué)生回答]受電場(chǎng)力。
[教師總結(jié)]上述實(shí)驗(yàn)表明,變化的磁場(chǎng)在線圈里形成電場(chǎng)。
[教師提問(wèn)]若線圈斷開(kāi),線圈中有電流、電場(chǎng)嗎?
[學(xué)生回答]有電場(chǎng),無(wú)電流。
[繼續(xù)提問(wèn)]若線圈被拿走,它原來(lái)所處的空間有電場(chǎng)嗎?
學(xué)生對(duì)此問(wèn)題可能難以回答,但這時(shí)提出變化的磁場(chǎng)能在其空間產(chǎn)生電場(chǎng)已是水到渠成的時(shí)候。
師:由上面的電磁感應(yīng)現(xiàn)象,我們可以很自然的提出一個(gè)假設(shè):變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)。
麥克斯韋認(rèn)為線圈只不過(guò)用來(lái)顯示電場(chǎng)的存在,線圈不存在時(shí),變化的磁場(chǎng)同樣在周?chē)臻g產(chǎn)生電場(chǎng),這
6、是一個(gè)普遍規(guī)律,跟閉合電路是否存在無(wú)關(guān)(如圖甲、乙所示)。
從而得到結(jié)論:變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)
u 2、變化的電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)
演示實(shí)驗(yàn):
在電容器兩級(jí)接上交流電源,我們可以看到電流表有一定的示數(shù)。
麥克斯韋的創(chuàng)造性思維:
麥克斯韋在交流電路中,引入“位移電流”的概念:
電容器中雖然沒(méi)有電荷通過(guò),但兩極板的電量及極板之間的電場(chǎng)在發(fā)生變化。他認(rèn)為,電路中的電流應(yīng)該是閉合的,兩極板之間變化的電場(chǎng)應(yīng)該具有電流的特征,并稱(chēng)之為“位移電流”。
既然變化的電場(chǎng)具有電流的特征,所以在其周?chē)鷳?yīng)該有磁場(chǎng)產(chǎn)生。
從而得的結(jié)論:變化從電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)
u 3、電磁場(chǎng)理論——偉大的豐碑
麥克斯韋根
7、據(jù)上述兩個(gè)假設(shè)和電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)事實(shí),用一組方程描述電場(chǎng)和磁場(chǎng),得到了系統(tǒng)而完整的電磁場(chǎng)理論。
麥克斯韋電磁理論可以形象的表述為:
變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)
變化從電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)
磁場(chǎng)的變化是均勻的,產(chǎn)生的電場(chǎng)是穩(wěn)定的
電場(chǎng)的變化是均勻的,產(chǎn)生的磁場(chǎng)是穩(wěn)定的
磁場(chǎng)的變化是不均勻的,產(chǎn)生的電場(chǎng)是變化的
電場(chǎng)的變化是不均勻的,產(chǎn)生的磁場(chǎng)是變化的
三、麥克斯韋的偉大預(yù)言:
1、麥克斯韋進(jìn)一步推斷:
變化的磁場(chǎng)和變化的電場(chǎng)相互耦連,形成一個(gè)不可分離的統(tǒng)一體——電磁場(chǎng)。
變化的電場(chǎng)(振蕩的),會(huì)在其周?chē)a(chǎn)生變化的磁場(chǎng),這個(gè)變化的磁場(chǎng)又會(huì)在其周?chē)a(chǎn)生電場(chǎng)。電場(chǎng)與磁場(chǎng)互相激發(fā),由近及遠(yuǎn)地向周
8、圍空間傳播,形成電磁波。
他由此預(yù)言了電磁波的存在。
2、麥克斯韋從他的方程組還得到:
電場(chǎng)和磁場(chǎng)的方向相互垂直,并都垂直于傳播方向——即電磁波是橫波。
電磁波在真空中的傳播速度恰好等于光速,并預(yù)言光是電磁波。
3、麥克斯韋提出的電磁場(chǎng)理論,是19世紀(jì)的科學(xué)史上的一件大事,是物理學(xué)的有一座偉大豐碑。在當(dāng)時(shí),麥克斯韋被公認(rèn)為是“自牛頓之后世界上最偉大的數(shù)學(xué)、物理學(xué)家”。
【典例分析】
【例1】根據(jù)麥克斯韋電磁理論,下述正確的有 【 】
A.在電場(chǎng)周?chē)欢óa(chǎn)生磁場(chǎng),磁場(chǎng)周?chē)欢óa(chǎn)生電場(chǎng)。
B.在變化的電場(chǎng)周?chē)欢óa(chǎn)
9、生變化的磁場(chǎng),變化的磁場(chǎng)周?chē)欢óa(chǎn)生變化的電場(chǎng)。
C.均勻變化的電場(chǎng)周?chē)欢óa(chǎn)生均勻變化的磁場(chǎng)。
D.振蕩的電場(chǎng)一定產(chǎn)生同頻率振蕩的磁場(chǎng)。
【答案】D
【感悟】解決這類(lèi)題的關(guān)鍵:緊緊抓住麥克斯電磁場(chǎng)理論的要點(diǎn),并深刻理解。
v0
B
【例2】如圖,內(nèi)壁光滑、水平放置的玻璃圓環(huán)內(nèi),有一直徑略小于環(huán)口徑的帶正電的小球,正以速率v0沿逆時(shí)針?lè)较騽蛩俎D(zhuǎn)動(dòng)。若在此空間突然加上豎直向上、磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨時(shí)間成正比例增加的變化磁場(chǎng),設(shè)小球運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的電量不變,那么 【 】
A.小球?qū)ΣAЛh(huán)的壓力不斷增大
B.小球受到的磁場(chǎng)力不斷增大
C.小球先沿逆時(shí)針?lè)较蜃鰷p速運(yùn)動(dòng),過(guò)一段時(shí)間后,
10、沿順時(shí)針?lè)较蜃黾铀龠\(yùn)動(dòng)
D.磁場(chǎng)力一直對(duì)小球不做功
【分析】因?yàn)椴AЛh(huán)所處有均勻變化的磁場(chǎng),在周?chē)a(chǎn)生穩(wěn)定的渦旋電場(chǎng),對(duì)帶正電的小球做功,由楞次定律,判斷電場(chǎng)方向?yàn)轫槙r(shí)針,在電場(chǎng)力的作用下,小球先沿逆時(shí)針?lè)较蜃鰷p速運(yùn)動(dòng),過(guò)一段時(shí)間后,沿順時(shí)針?lè)较蜃黾铀龠\(yùn)動(dòng)。小球在水平面內(nèi)沿軌跡半徑方向受兩個(gè)力:環(huán)的彈力N和磁場(chǎng)的洛侖茲力f,而且兩個(gè)力的矢量和始終提供向心力,考慮到小球速度大小的變化和方向的變化以及磁場(chǎng)強(qiáng)弱的變化,彈力和洛侖茲力不一定始終在增大。洛侖茲力始終和運(yùn)動(dòng)方向垂直,所以磁場(chǎng)力不做功。正確為CD。
【課堂練習(xí)】
1.下列有關(guān)電磁場(chǎng)的說(shuō)法中,正確的是
A. 變化的磁場(chǎng)一定產(chǎn)生變
11、化的電場(chǎng)
B. 變化的電場(chǎng)一定產(chǎn)生磁場(chǎng)
C. 變化的磁場(chǎng)一定產(chǎn)生周期性變化的電場(chǎng)
D. 周期性變化的電場(chǎng)一定產(chǎn)生周期性變化的磁場(chǎng)
2.下面說(shuō)法正確的是
A. 恒定電流能夠在周?chē)臻g產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場(chǎng)
B. 均勻變化的電場(chǎng)能夠在周?chē)臻g產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場(chǎng)
C. 靜止電荷能夠在周?chē)臻g產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場(chǎng)
D. 變化的電場(chǎng)和磁場(chǎng)互相激發(fā),形成由近及遠(yuǎn)傳播的電磁場(chǎng)
3.關(guān)于電磁場(chǎng)的下列說(shuō)法中正確的是
A. 任何變化的電場(chǎng)都會(huì)在周?chē)臻g產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)
B. 任何變化的磁場(chǎng)都會(huì)在周?chē)臻g產(chǎn)生變化的電場(chǎng)
C. 只有非均勻變化的磁場(chǎng)才會(huì)在周?chē)臻g產(chǎn)生變化的電場(chǎng)
D. 只有非均勻變化的電場(chǎng)
12、才會(huì)在周?chē)臻g產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)
4.空間某處存在一個(gè)變化的磁場(chǎng),正確的是
A. 在變化的磁場(chǎng)周?chē)欢墚a(chǎn)生變化的電場(chǎng)
B. 在磁場(chǎng)中放一個(gè)閉合線圈,線圈一定有感應(yīng)電流
C. 在磁場(chǎng)中放一個(gè)閉合線圈,線圈不一定有感應(yīng)電流
D. 變化的磁場(chǎng)周?chē)a(chǎn)生電場(chǎng),跟閉合線圈的存在與否沒(méi)有關(guān)系
參考答案:1.BD 2.BD 3.CD 4.CD
【課堂小結(jié)】
本節(jié)主要學(xué)習(xí)了麥克斯韋電磁場(chǎng)理論的主要內(nèi)容。
知道了麥克斯韋電磁場(chǎng)理論的兩大支柱:變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng),變化的電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)。還知道了變化的電場(chǎng)和磁場(chǎng)相互聯(lián)系,形成一個(gè)統(tǒng)一的場(chǎng),即電磁場(chǎng)。電磁場(chǎng)由發(fā)生區(qū)域向遠(yuǎn)處的傳播形成電磁波。
電磁波中的電場(chǎng)與磁場(chǎng)相互垂直,且二者均與波的傳播方向垂直,即電磁波是橫波。
【家庭作業(yè)與活動(dòng)】
1、 閱讀教材P. 56~58,理解麥克斯韋的思維過(guò)程和他提出的獨(dú)特的見(jiàn)解。
2、 思考—討論—練習(xí):P.58 〖家庭作業(yè)與活動(dòng)〗1、2、3