《电磁波的发现》名师教案3

1、PAGE13电磁波的发现教学设计【教学目标】1、知识与技能：了解发现电磁波的历史背景，知道麦克斯韦对电磁学的伟大贡献。了解麦克斯韦电磁场理论的主要观点，知道电磁波的概念及通过电磁波体会电磁场的物质性。2、过程与方法：体验赫兹证明电磁波存在的实验过程及实验方法，领会物理实验对物理学发展的基础意义。3、情感态度与价值观：领会发现电磁波的过程中所蕴含的科学精神和科学研究方法。【教学重点与难点】重点：麦克斯韦电磁场理论。难点：电磁波的产生和传播【教学方法】演示推理和类比推理【教学过程】（一）引入新课今天，我们来学习十四章电磁波。我们生活已经离不开电磁波，那么同学们对电磁波了解多少呢我们做了一个小调查，

2、下面来看这个视频。（感受身边的电磁波）演示实验（1）打开收音机，在收音机旁拨打电话，会听见收音机中被干扰产生的嘈杂的“兹兹”声。教师：为什么拨号的手机会使收音机产生杂音呢学生：收音机接收到手机的电磁波信号，对收音机产生干扰，所以会听到杂音。（导入画面）教师：大家看到的画面是“神舟十号”发射场面。“神舟十号”上天后，宇航员是通过什么与地球保持联系学生：通过无线电波。教师：19世纪末，电磁波的发现为信息插上了飞翔的翅膀，100多年来，通信技术得到了飞速发展，电报、电话、广播、电视等现代化通信技术的应用，使古代人“顺风耳、千里眼”的梦想成了现实。现代社会的各个部门，几乎都离不开“电磁波”，可以说“电

3、”作为现代文明的标志，“电磁波”就是现代文明的神经中枢。正像人们一直生活在空气中而眼睛却看不见空气一样，除光波外，人们也看不见无处不在的电磁波。电磁波就是这样一位人类素未谋面的“朋友”。那么，电磁波是怎么发现的它是怎样产生的它有什么性质怎样利用它传递信号这一章就要讨论这些问题。今天我们就从电磁波的发现开始学习。（二）新课教学发现电磁波的历史背景：教师：课前给大家布置了任务，让大家查找有关资料，电磁波是谁发现的学生：麦克斯韦教师：谁能给我们介绍一下麦克斯韦学生：（简要介绍麦克斯韦生平和发现电磁波的历史过程，激发学生探究新鲜事物的热情和学习兴趣。）麦克斯韦JamesClarMawell，18311

4、879是英国物理学家，诞生于苏格兰爱丁堡。他少年时就受到很好的教育，有良好的思维习惯。15岁时写了一篇题为“论二次曲线的几何作图”的论文，发表在爱丁堡皇家学会学报上。16岁时考进了爱丁堡大学，专攻数学和物理。19岁时又进入剑桥大学。在大学期间，麦克斯韦就阅读了法拉第的电学实验研究，深深地被法拉第的电磁思想所吸引，他认识到“力线”概念的重要性，也看到法拉第定性表述方面的弱点，决心以数学手段弥补法拉第的不足，把法拉第的天才观念用清晰准确的数学形式表示出来。1856年2月，麦克斯韦的第一篇电磁学论文论法拉第力线在剑桥哲学学报上发表了。这篇文章不仅用数学形式解释了法拉第的力线图象，而且包藏着他后来一切

5、新思想乃至麦克斯韦方程的胚胎。1860年，麦克斯韦特意去拜访法拉第。两人的爱好虽然不同，但对物质世界的看法上却产生了共鸣。法拉第鼓励麦克斯韦：“你不应停留在用数学解释我的观点，而应该突破它！”在法拉第的鼓励下，1862年，麦克斯韦发表了第二篇论文论物理力线。发展了法拉第的思想，扩充到磁场变化产生电场：电场变化产生磁场，预言了电磁波的存在。1873年，出版了科学名著电磁理论，系统、全面、完美地阐述了电磁场理论。遗憾的是，麦克斯韦英年早逝，他并没有看到科学实验对电磁场理论的证明。教师：通过同学的介绍，我们知道麦克斯韦通过研究法拉第的理论，创造性地提出两个观点：即变化的磁场产生电场，变化的电场产生磁

6、场，又进一步预言了空间中存在电磁波。麦克斯韦是怎样通过研究法拉第的实验提出了他的两个基本观点咱们今天就沿着麦克斯韦的足迹，重温历史，感受物理大科学家探索之路。首先来重温一下法拉第的电磁感应实验。（1）变化的磁场产生电场演示实验装置如图所示，当穿过螺线管的磁场变化时，上面的线圈中产生感应电动势，引起感应电流使灯泡发光。提出问题：小灯泡为什么能发光学生回答：闭合开关瞬间，通过闭合线圈磁通量发生变化，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：受到电场力的作用。我们看到变化的磁场在闭合回路中产生了感应电流，法拉第看到了这个现象，麦克斯韦也

7、看到了这个现象，但麦克斯韦比法拉第更进一步，麦克斯韦认为，变化的磁场首先在空间中感应出来电场，导线中自由电子在电场力的作用下定向移动形成电流。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。）学生：有电场。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）。结论：变化的磁场产生电场。（虽然麦克斯

8、韦只往前走了一小步，科学却迈出了一大步。）既然变化的磁场能产生电场，那么变化的电场是不是也能产生磁场呢其实电现象和磁现象有很多和谐性和统一性。教师：同学思考，电和磁有哪些和谐对称的地方学生1：自然界存在两种电荷，正电荷和负电荷。自然界存在两种磁极，N极和S极。学生2：电能生磁，奥斯特的电流的磁效应。磁也能生电，法拉第电磁感应定律。（2）变化的电场产生磁场教师：同学们在学习电和磁的过程中也都体会到了电和磁的和谐对称性，麦克斯韦也深知这一点。麦克斯韦坚信自然规律的统一性与和谐性，相信电场与磁场的对称之美。提出了另一个大胆的假设：变化的电场也能产生磁场。教科书上说这是另一个假设。这个假设在当时没有实

9、验做基础，它出于对自然规律的洞察力，是很大胆的，但却更具有创造性。像麦克斯韦这样的大科学家，他们每一位都像是一个勇士，他们每提出一个假设，都像是在黑暗中摸索，除了要有缜密的逻辑推理，更要有足够的勇气和魄力，当然更重要的是创造力。教师：总结上述两个假设，变化的磁场产生电场，变化的电场产生磁场。下面来理解一下麦克斯韦电磁场理论：恒定的电场不产生磁场恒定的磁场不产生电场均匀变化的电场在周围空间产生恒定的磁场均匀变化的磁场在周围空间产生恒定的电场周期性变化的电场产生同频率的周期性变化的磁场周期性变化的磁场产生同频率的周期性变化的电场麦克斯韦根据自己的理论进一步预言，如果在空间某区域中有周期性变化的电场

10、，那么，这个变化的电场就在它周围空间产生周期性变化的磁场，这个变化的磁场又在它周围空间产生新的周期性变化的电场可见，变化的电场和变化的磁场是相互联系的，形成一个不可分离的统一体，这就是电磁场。电场和磁场只是这个统一的电磁场的两种具体表现。这种变化的电场和变化的磁场总是交替产生，并且由发生的区域向周围空间传播。于是一个伟大的预言诞生了空间可能存在电磁波。2、电磁波教师：前面我们学习了机械波，根据振动方向与传播方向的关系，机械波分为横波和纵波，且能够传递能量；能发生反射、折射、干涉和衍射；靠介质传播，波速v=f。类比机械波的特点，我们可以得出电磁波的特点：（1）根据麦克斯韦的电磁场理论，电磁波中的

11、电场和磁场互相垂直，并且都与波的传播方向垂直，即电磁波是横波。（2）电磁波以多大速度传播呢麦克斯韦得出的答案令人惊奇：电磁波的速度等于光速c！麦克斯韦指出了光的电磁本质，他说：“我们有理由断定，光本身是按电磁波规律传播的一种电磁振动。”（3）电磁波可以在真空中传播，向周围空间传播电磁能，在传播过程中，电磁波能发生反射、折射、干涉和衍射。教师：麦克斯韦集电磁学研究成果之大成，不仅预言了电磁波的存在，而且揭示了电、磁、光现象在本质上的统一性，建立了完整的电磁场理论。麦克斯韦电磁场理论的建立具有伟大的历史意义，足以根牛顿力学体系相媲美，它是物理学发展史中的一个划时代的里程碑。遗憾的是，麦克斯韦英年早

12、逝，他没有看点科学实验对电磁场理论的证明。但科学继续发展，把天才的预言变成世人公认的真理，是德国科学家赫兹的功劳。3、赫兹的电火花教师：课前布置了解赫兹的任务，请那位同学谈一下。（引导学生阅读教材，了解赫兹证实电磁波存在的探索历程）学生：海因里希鲁道夫赫兹，德国物理学家。赫兹对人类最伟大的贡献是用实验证实了电磁波的存在。此外，赫兹还发现电磁波与光同速，揭示了光的本质是电磁波，为争论已久的光本性问题下了定论。为了纪念赫兹的功绩，后人把频率的国际单位命名为赫兹。求学之路1857年2月22日，赫兹出生在德国汉堡的一个犹太家庭。他小时候想当一名建筑工程师，于是到慕尼黑去求学。1878年，他偶然在柏林听

13、了著名物理学家亥姆霍兹的演讲，改变了原来的求学初衷，开始对物理学、电学产生了浓厚兴趣，因此进入了柏林大学学物理。1880年，赫兹从柏林大学毕业，发表了论文电运动的功能。亥姆霍兹很赏识他，将他选为自己的助手。发现电磁波1865年前后，英国物理学家麦克斯韦预言了电磁波的存在，这是物理学史上一次惊人的预言，但是因为没有人能够证明电磁波的存在，所以当时绝大多数物理学家甚至物理学界的著名学者，对此都持怀疑、否定的态度。1879年冬，德国柏林科学院颁布了一项科学竞赛奖，以重金向当时科学界征求对麦克斯韦部分理论的证明。赫兹的导师亥姆霍兹对赫兹说：“这是一个很困难的问题，也许是本世纪最大的一个物理难题，你应该

14、闯一闯！”赫兹欣然接受了导师的建议。从此，麦克斯韦的电磁理论一直盘旋在赫兹的脑海之中。1888年的一个夜晚，赫兹在他的实验室里证实了电磁波的存在。赫兹制做了一个简单的电火花发生器一个感应线圈、两个相隔很近的小铜球。当他将电路开关闭合时，电的魔力开始在这个简单的系统里展现出来：无形的电流穿过装置里的感应线圈，并开始对铜球进行充电。过了一会儿，随着“啪”的一声，一束美丽的蓝色电花在两个铜球之间爆开，细小的电流束在空气中不停地扭动，绽放出幽幽的荧光铜球之间的空气被击穿了，本来缺个小口的系统形成了一个完整的回路。然而，产生火花短路并不是这个实验的目的。赫兹心里琢磨着：如果电磁波确实存在的话，那么在两个

15、铜球之间就应该产生一个振荡的电场，同时引发一个向外传播的电磁波。赫兹转过头去，在身旁放置了一个开口的铜环，在开口处也各镶了一个小铜球。如果麦克斯韦的电磁波真的存在，那么它就会穿越这个房间到达这里，在铜环处感生一个振荡的电动势，开口处的铜球间也会发出电火花来。拉上房间的窗帘，赫兹一动不动地等待着。忽然，铜环处出现异样，两个铜球之间的空气中飘浮出微弱的火花，淡蓝色的电花在铜环的缺口处不断绽开，整个铜环既没有连接电池也没有任何的能量波真实地存在，正是电磁波激发了接收器上的电火花。此后，赫兹又以精密的实验，集中精力研究这些电波。每一次实验他都记下它们的路线、长度，以及反射和曲折。他发现了许多电磁波的有

16、趣现象：这些神秘电波的速度和光速一样快；它可以毫无阻碍地迅速通过很厚的墙壁或高山，但却透不过金属片。这些电磁波的巧妙实验证明了光含有电磁波的性质，因而启发了科学家们对光和电的重新认识，开辟了无线电时代的新纪元，为意大利科学家马可尼的无线电发明铺平了道路。赫兹实验不仅证实麦克斯韦的电磁理论，更为无线电、电视和雷达的发展找到了途径。这张图就是赫兹发现电磁波的实验装置，实验仪器由两部分组成：一部分是连接感应环的两个金属球A、B，一部分是导线环上的两个金属球才C、D，两个小球彼此间有间隙。把导线环放在距离感应环不太远的位置。当感应环两端接高压时，AB两球间空气被击穿，两个金属球间产生电火花，空间出现了

17、迅速变化的电磁场。按照麦克斯韦电磁场理论这种变化的电磁场以电磁波的形式在空间传播。当电磁波到CD球时，CD空隙中也产生了火花。这是一个令人振奋的现象！电磁波从发射器到达了接收器。赫兹首先证实了电磁波的存在。并对电磁学有很大的贡献，故频率的国际单位制单位赫兹以他的名字命名。（实验演示电磁波的发射和接收）（三）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。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。知道赫兹用实验证实了麦克斯韦理论的正确性。（四）课堂训练1关于麦克斯韦电磁场理论，下列说法中正确的是（）A在电场周围一定存在磁场,在磁场周围一定存在电场B在变化的电场周围一定产生变化的磁场,在变化的磁场周围一定产生变化的电场C在均匀变化的电场周围一定产生均匀变化的磁场,在均匀变化的磁场周围一定产生均匀变化的电场D在周期性的电场周围一定产生同频率周期性变化的磁场,在周期性的磁场周围一定产生同频率周期性变化的电场2关于电磁场理论，下列说法正确的是（）A稳定的电场