2023学年完整版《11C电磁波》设计

《电磁波》教学设计【教学内容】高中物理二年级第二学期（试用本）第十一章电磁感应电磁波Ｃ学习包――电磁波一、教学内容分析学生已经学习过机械振动和机械波的产生。但是对于电磁振荡（电磁振动）的产生和传播却不熟悉。学生知识储备和教学时间有限，例如电容器和自感线圈的原理我们并没有深入研究，所以电磁波产生的主要原理电路――LC振荡电路只能简单介绍。二、教学目标使学生了解电磁波是如何产生的。使学生知道麦克斯韦的电磁场理论。使学生了解电磁波的存在形式。使学生了解电磁波的用途。使学生了解电磁波的频率、波长的初步概念，能记住波长和频率的关系，能记住电磁波在空气中的传播速度。培养学生用已知知识学习未知领域的能力。三、教学准备J2435型电磁波发送接收演示器、半导体收音机一台、音箱、防电磁辐射服。四、教学难点电磁波的产生难以用常见的机械波的产生模拟。电磁波的形态难以用常见的机械波模拟。五、教学过程科学技术发展到今天，随着电磁波的使用越来越广泛，人们对于电磁波这个名词已经不再陌生。3G通信、蓝牙技术、无线网络这些新技术、新名词都与电磁波有着千丝万缕的联系。在科技不断发展，人们生活水平逐渐提高的同时，电磁波辐射、电磁污染这些与电磁波有关联新问题也日益引起人们的重视。那么到底什么是电磁波呢？通过前面的学习，我们已经知道，机械振动（在介质中）的传播就形成了机械波。机械波将振源机械振动的特征（比如频率、周期）和能量在介质中传播开来。比如，声波是将声源的振动的特征和能量在介质中传播开来。地震波是将震源的振动的特征和能量在介质中传播开来。那么，今天我们要接触的电磁波，是不是也是一种振动形式和能量的传播呢？电磁波又是如何产生、如何传播的？这些就是今天我们要学习的内容。在学习电磁波的产生、传播前，我们先来了解一下电磁场的概念。一、电磁场我们知道，电场和磁场中有很多相似。例如：从场强角度来考察。当然这些表达式都是有使用条件的。而从法拉第电磁感应定律中我们知道，变化的磁场可以产生电场。那么变化的电场是否也可以产生磁场呢？同学们已经学过，通电直导线、通电线圈或者磁体周围都存在着磁场。而从本质上说，磁现象都是由于电荷的运动产生的。在静止电荷的周围存在着静电场。那么，在电荷运动起来以后，原来静止的电场应该也跟着运动起来。那么这个“运动起来的电场”和运动电荷产生的磁场之间有没有什么关系呢？或者说“运动起来的电场”能否产生磁场呢？由电场和磁场的对称性，和运动电荷产生磁场的实验事实，我们可以提出这样的假设：变化的电场也可以产生磁场。（后来，物理学家们的确从理论和实验上证明了电磁之间的这种联系。）事实上，19世纪60年代，英国物理学家麦克斯韦就在总结前人研究电磁现象的基础上，建立了完整的电磁场理论。而这个理论成功预言了电磁波的存在。（一）麦克斯韦的电磁场理论麦克斯韦的电磁场理论要点是：1、变化的磁场能够在周围的空间产生电场；含义：（1）稳定的磁场不产生电场。（2）均匀变化的磁场产生稳定的电场。（3）周期性变化的磁场产生同频率变化的电场。2、变化的电场能够在周围的空间产生磁场。含义：（1）稳定的电场不产生磁场。（2）均匀变化的电场产生稳定的磁场。（3）周期性变化的电场产生同频率变化的磁场。【请同学仿照第一要点的含义回答第二要点的含义。】【培养学生用逻辑上的对称性推理出未知的潜在理论。】通过前面的学习，我们知道，两个磁极之间周期性地靠近、远离，就可以在它们之间形成一个周期性变化的磁场。那么如何产生一个周期性变化的电场呢？从对称性角度讲，讲两个带电体周期性地靠近、远离，就可以在它们之间形成一个周期性变化的电场。在长期的科学探索过程中，物理学家们发现，有一种更好的方式产生周期性变化的电场。这就是LC振荡电路。『『『（由于我们的知识储备量有限，有些物理过程的原理同学们可能暂时难以理解，引导学生，先从结论上，了解一下电磁之间的联系。）』』』（二）LC振荡电路【简单介绍，一笔带过。】『『我们知道，在两个平行金属板（即电容器）带等量异种电荷之后，平行金属板之间会形成匀强电场。由电容器知识可知，当金属板所带的电量改变时，平行金属板之间匀强电场的场强会发生变化。这样也就产生了变化的电场。』』【由于知识储备和时间有限，（电容器的原理我们没有研究，）所以这部分内容同学们只需要了解，知道。】将一个充电的电容器与一个自感线圈串联后，就可以实现电容器的充电放电交替变化过程，从而产生一个交替往复变化的电场。其中周期性变化的电场的周期为而实验和理论可以证明，这个振荡的电场可以产生振荡的磁场。所以有：振荡的电场产生振荡的磁场，而振荡的磁场反过来又产生振荡的电场。变化的磁场与变化的电场总是相互联系的，形成一个不可分离的统一的场－－电磁场。二、电磁波的产生电磁振荡（电磁场）在空间的传播就形成了电磁波。那么电磁波有怎样的特点和性质呢？我们可以怎样检测电磁波的存在呢？根据我们前面的分析，电磁振荡（电磁场）在空间的传播就形成了电磁波，而如果这种电磁振荡形式真的能传播出来的话，那么当它遇到导体时，根据我们学过的法拉第电磁感应定律，在导体中应该会产生感应电流。那么，假设有一个导体处于有电磁波的空间中，我们随意用一块安培表，就可以测量到电磁波引起的感应电流吗？答案多半是否定的。如果电磁波引起的感应电流这么容易就能被测量到，那么恐怕早在灵敏电流表诞生的时候人类就发现电磁波了，亦或者我们每天都会有触电的感觉了。那么电磁波引起的感应电流为什么不容易被测量到？这里面原因很多，但主要是强度大小问题和频率问题。电磁波在空间传播时，如果遇到导体，会使导体中产生感应电流，感应电流的频率跟激起它的电磁波的频率相同。受迫振动的频率和振源的频率相同。而一般我们所指的电磁波的频率都比较高。所以用普通的直流电流表肯定不行。要么用交流电流表，要么将可能产生的交流电通过一个二极管变成直流电。然后就是强度问题。在无线电技术中，人们是用天线和地线组成的接收电路来接收电磁波的。这就要设法使我们需要的电磁波在接收天线中激起的感应电流最强。当接收电路的固有频率跟接收到的电磁波的频率（即策动力的频率）相同时接收电路中产生的感应电流最强。这种现象叫电谐振。电谐振也就是电磁现象中的共振现象。使接收电路产生电谐振的过程叫调谐。能够调谐的接收电路叫做调谐电路。（由调谐电路接收到的感应电流，是经过调制的高频振荡电流，还不能使我们直接感受到所需要的信号。必须从高频振荡电流中“检”出声音信号，叫做检波。）在满足了上面两项基本条件后，下面我们通过几个小实验来看看，电磁波是否真的存在以及能否被接收到。【演示电磁波的产生和接收】打开电磁波发生器开关，使用不同的接收器检测电磁波的存在。【请同学手持接收器，协助完成实验。】1、微安表接收器：【直接将未展开的接收器给学生，看是否有感应电流。】【拉开天线，调谐后观察产生感应电流的变化。】通过接收器上的微安表，证明同一个接收器在空间各点处，在接收方向相同的情况下产生的感应电流的强弱不一样。那么这种不同应该是空间各点的电磁波情况不一样造成的。越远的地方，微安表示数越小，说明产生的感应电流越小，说明距离波源越远的地方电磁波强度越弱。2、带喇叭和LED指示灯的接收器：通过LED指示灯点亮的个数和喇叭的声响，表示空间各点电磁波的强弱。3、带小灯的接收器：通过小灯的亮暗，表示空间各点电磁波的强弱。通过前面的实验，我们初步感受了电磁波的存在。并且发现距离波源越远的地方电磁波强度越弱。【联系生活】生活中，有时，为了降低电磁波的影响，我们可以采取的方法之一，是使人员或物品远离电磁波发射源。例如，手机信号在喇叭中产生的嘈杂噪音。【演示实验：手机信号在喇叭中产生的嘈杂噪音。】为了降低这种噪音，我们可以将手机放得距离音箱远一点。下面我们再来看看电磁波的其他性质特点。三、电磁波的性质特点1、电磁波是横波，在垂直传播方向上的振动有两个，一个是电场，一个是磁场。2、电磁波的频率等于发射电磁波的振荡电路的振荡频率，在不同介质中传播是，其频率不变。3、电磁波在不同介质中其传播速度不同，在真空中的传播速度为c＝3×108m/s，在同一介质中其速度还与频率有关。4、电磁波的波长：λ＝v/f，取决于介质与频率。5、电磁波具有电磁能，电磁波的发射过程就是向外辐射能量、传递信息的过程。6、电磁波也会发生发射、折射、衍射、干涉、多普勒效应等波特有的现象。电磁波具有电磁能，能传递信息的性质目前已经得到了十分广泛的应用。大家使用的手机，收听的无线广播等等都是应用电磁波来传递信息的。而电磁波被发射、性质我们也可以通过一个简单的实验来证明一下。【联系生活】日常生活中，微波炉里不允许放入金属，也是因为金属能会强烈地反射电磁波（微波），而一旦电磁波（微波）被反射进入微波的产生装置（磁控管），就会因能量过大而损毁微波的产生装置（磁控管）。四、电磁波谱科学技术发展到今天，人们已经知道，电磁波是个大家族，它涵盖的范围非常广泛。从无线电波到红外线，从可见光到x射线，它们都属于电磁波，只不过是电磁波的频率不同罢了。人们将不同频率的电磁波依照频率排列，就绘制成了电磁波谱图（频率谱线图）。从电磁波谱图中，我们可以很清楚地看到各种电磁波的频率、波长及用途。电磁波的应用无线电波：通信，比如收音机，无线电视机，对讲机等等微波：手机，雷达，微波炉红外线：热成像仪，红外制导导弹，火的温暖（热辐射），电视机遥控器，热效应有关的都是紫外线，杀菌X光，医学上人体透视，工程上的探伤，物理学的测量晶体结构波段波长频率传播方式主要用途长波30000～3000m10kHz～100kHz地波超远程无线电通信和导航中波3000～200m100kHz～1500kHz地波和天波调幅（ＡＭ）无线电广播电报通信中短波200～50m1500kHz～6000kHz短波50～10m6MHz～30MHz天波微波米波ＶＨＦ10～1m30MHz～300MHz近似直线传播调频（ＦＭ）无线电广播电视导航分米波ＵＨＦ1m～300MHz～3000MHz直线传播电视雷达导航厘米波10cm～1cm3000MHz～30000MHz毫米波10mm～1mm30000MHz～30