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2019-2020年高中物理 《麥克斯韋的電磁場理論》教案 滬科版選修3-4 【教學目標】 （一）知識與技能 1．了解法拉第的對物理學貢獻。 2．知道麥克斯韋電磁場理論的主要內容。 3．麥克斯韋關于電磁波的預言，了解麥克斯韋電磁場理論在物理學發(fā)展史上的意義。 （二）過程與方法 （1） 通過對麥克斯韋電磁場理論基本思想形成過程的學習，體會在科學探究中如何充分利用已有的實驗基礎和理論，展開大膽的猜想與假設，進行強有力的邏輯理論思維，建立新理論，預言新現(xiàn)象。 （2） 通過麥克斯韋電磁場理論的成功，感受運用數(shù)學工具進行推理論證對物理學發(fā)展的意義。 （3） 通過“磁生電與電生磁的相似之處”的討論與交流，進一步掌握類比法，初步形成“對稱”的思想方法。 （三）情感、態(tài)度與價值觀 （4） 感悟科學家的創(chuàng)造性思維，體驗科學家獻身科學的精神；體驗物理學的研究方法以及數(shù)學在物理學中的特殊地位。 （5） 通過對麥克斯韋電磁場理論基本思想形成過程的學習，感受物理學的和諧之美、對稱之美、有序之美。 （6） 通過對電磁場理論建立過程的學習，體會物理學發(fā)展經(jīng)歷了“實踐――理論――實踐”的艱辛過程。 【學情分析】 這部分知識是選修3-1、3-2中電場、磁場、電磁感應等基本電場學知識的延伸和發(fā)展。在學習了選修3-1、3-2后學習這部分知識，可以說學生有一定的基礎，但是這部分知識介紹的麥克斯韋關于電磁場理論提出的思路，以及他獨特的創(chuàng)造性思維，學生理解起來確有一定的難度，教學中應重視思維過程以及思維方法的介紹，不可急于求成。 【教學思路】 注意介紹科學家的思維起點以及獨特的創(chuàng)造性思維方法，同時要遵循學生的思維規(guī)律，從學生已知的電磁現(xiàn)象推理、歸納出相關結論。 【教學重點、難點】 理解：1、變化的磁場產生電場。 2、變化的電場產生磁場。 【教學方法、學習方法】 1教法：理論分析、邏輯推理和類比推理。 2學法：閱讀、思考、討論交流。 【教學流程】 【教學過程及知識要點】 一、法拉第的貢獻 學生閱讀：P.56 1、法拉第創(chuàng)造性地引入“場”的概念，并用“力線”用來描述抽象的“場”（電場和磁場）。這種方法對電磁現(xiàn)象的描述形象直觀，是牛頓時代以來在物理學概念方面最重要的變革。愛因斯坦認為法拉第這一方面的貢獻要比電磁感應的發(fā)現(xiàn)高出許多。 2、場的概念使人們對物質概念提升到一個新的高度：“實物”形態(tài)和“場”形態(tài)。 二、電磁場理論的兩大支柱（兩個假設） u 1、變化的磁場產生電場 演示實驗：電磁感應（如右） 現(xiàn)象分析： 麥克斯韋從電磁感應現(xiàn)象的規(guī)律出發(fā)，分析得到：正由于變化的磁場產生了電場，才使閉合線圈中形成了電流。 ［提出問題］小燈泡為什么能發(fā)光？ ［學生回答］由于交變電流產生的磁場在不斷變化，所以穿過線圈的磁通量不斷變化，在線圈中產生感應電動勢，形成感應電流，小燈泡發(fā)光。 ［繼續(xù)提問］電路（線圈）中的電荷為什么能夠定向移動呢？ ［學生回答］受電場力。 ［教師總結］上述實驗表明，變化的磁場在線圈里形成電場。 ［教師提問］若線圈斷開，線圈中有電流、電場嗎？ ［學生回答］有電場，無電流。 ［繼續(xù)提問］若線圈被拿走，它原來所處的空間有電場嗎？ 學生對此問題可能難以回答，但這時提出變化的磁場能在其空間產生電場已是水到渠成的時候。 師：由上面的電磁感應現(xiàn)象，我們可以很自然的提出一個假設：變化的磁場產生電場。 麥克斯韋認為線圈只不過用來顯示電場的存在，線圈不存在時，變化的磁場同樣在周圍空間產生電場，這是一個普遍規(guī)律，跟閉合電路是否存在無關（如圖甲、乙所示）。 從而得到結論:變化的磁場產生電場 u 2、變化的電場產生磁場 演示實驗： 在電容器兩級接上交流電源，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： 電容器中雖然沒有電荷通過，但兩極板的電量及極板之間的電場在發(fā)生變化。他認為，電路中的電流應該是閉合的，兩極板之間變化的電場應該具有電流的特征，并稱之為“位移電流”。 既然變化的電場具有電流的特征，所以在其周圍應該有磁場產生。 從而得的結論：變化從電場產生磁場 u 3、電磁場理論——偉大的豐碑 麥克斯韋根據(jù)上述兩個假設和電磁學實驗事實，用一組方程描述電場和磁場，得到了系統(tǒng)而完整的電磁場理論。 麥克斯韋電磁理論可以形象的表述為： 變化的磁場產生電場 變化從電場產生磁場 磁場的變化是均勻的，產生的電場是穩(wěn)定的 電場的變化是均勻的，產生的磁場是穩(wěn)定的 磁場的變化是不均勻的，產生的電場是變化的 電場的變化是不均勻的，產生的磁場是變化的 三、麥克斯韋的偉大預言： 1、麥克斯韋進一步推斷： 變化的磁場和變化的電場相互耦連，形成一個不可分離的統(tǒng)一體——電磁場。 變化的電場（振蕩的），會在其周圍產生變化的磁場，這個變化的磁場又會在其周圍產生電場。電場與磁場互相激發(fā)，由近及遠地向周圍空間傳播，形成電磁波。 他由此預言了電磁波的存在。 2、麥克斯韋從他的方程組還得到： 電場和磁場的方向相互垂直，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，并預言光是電磁波。 3、麥克斯韋提出的電磁場理論，是19世紀的科學史上的一件大事，是物理學的有一座偉大豐碑。在當時，麥克斯韋被公認為是“自牛頓之后世界上最偉大的數(shù)學、物理學家”。 【典例分析】 【例1】根據(jù)麥克斯韋電磁理論，下述正確的有 【 】 A.在電場周圍一定產生磁場，磁場周圍一定產生電場。 B.在變化的電場周圍一定產生變化的磁場，變化的磁場周圍一定產生變化的電場。 C.均勻變化的電場周圍一定產生均勻變化的磁場。 D.振蕩的電場一定產生同頻率振蕩的磁場。 【答案】D 【感悟】解決這類題的關鍵：緊緊抓住麥克斯電磁場理論的要點，并深刻理解。 v0 B 【例2】如圖，內壁光滑、水平放置的玻璃圓環(huán)內，有一直徑略小于環(huán)口徑的帶正電的小球，正以速率v0沿逆時針方向勻速轉動。若在此空間突然加上豎直向上、磁感應強度B隨時間成正比例增加的變化磁場，設小球運動過程中的電量不變，那么 【 】 A．小球對玻璃環(huán)的壓力不斷增大 B．小球受到的磁場力不斷增大 C．小球先沿逆時針方向做減速運動，過一段時間后，沿順時針方向做加速運動 D．磁場力一直對小球不做功 【分析】因為玻璃環(huán)所處有均勻變化的磁場，在周圍產生穩(wěn)定的渦旋電場，對帶正電的小球做功，由楞次定律，判斷電場方向為順時針，在電場力的作用下，小球先沿逆時針方向做減速運動，過一段時間后，沿順時針方向做加速運動。小球在水平面內沿軌跡半徑方向受兩個力：環(huán)的彈力N和磁場的洛侖茲力f，而且兩個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強弱的變化，彈力和洛侖茲力不一定始終在增大。洛侖茲力始終和運動方向垂直，所以磁場力不做功。正確為CD。 【課堂練習】 1.下列有關電磁場的說法中，正確的是 A． 變化的磁場一定產生變化的電場 B． 變化的電場一定產生磁場 C． 變化的磁場一定產生周期性變化的電場 D． 周期性變化的電場一定產生周期性變化的磁場 2．下面說法正確的是 A． 恒定電流能夠在周圍空間產生穩(wěn)定的磁場 B． 均勻變化的電場能夠在周圍空間產生穩(wěn)定的磁場 C． 靜止電荷能夠在周圍空間產生穩(wěn)定的磁場 D． 變化的電場和磁場互相激發(fā)，形成由近及遠傳播的電磁場 3．關于電磁場的下列說法中正確的是 A． 任何變化的電場都會在周圍空間產生變化的磁場 B． 任何變化的磁場都會在周圍空間產生變化的電場 C． 只有非均勻變化的磁場才會在周圍空間產生變化的電場 D． 只有非均勻變化的電場才會在周圍空間產生變化的磁場 4．空間某處存在一個變化的磁場，正確的是 A． 在變化的磁場周圍一定能產生變化的電場 B． 在磁場中放一個閉合線圈，線圈一定有感應電流 C． 在磁場中放一個閉合線圈，線圈不一定有感應電流 D． 變化的磁場周圍產生電場，跟閉合線圈的存在與否沒有關系 參考答案：1.BD 2.BD 3.CD 4.CD 【課堂小結】 本節(jié)主要學習了麥克斯韋電磁場理論的主要內容。 知道了麥克斯韋電磁場理論的兩大支柱：變化的磁場產生電場，變化的電場產生磁場。還知道了變化的電場和磁場相互聯(lián)系，形成一個統(tǒng)一的場，即電磁場。電磁場由發(fā)生區(qū)域向遠處的傳播形成電磁波。 電磁波中的電場與磁場相互垂直，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】 1、 閱讀教材P. 56~58，理解麥克斯韋的思維過程和他提出的獨特的見解。 2、 思考—討論—練習：P.58 〖家庭作業(yè)與活動〗1、2、3