LC振荡电路电磁振荡中电场能和磁场能的转化 教学设计

课堂教学设计课题章节名称电磁振荡学科物理授课班级高二授课时数1设计者所属学校本节（课）教学内容分析（教学内容在学科中的地位、作用以及价值教育分析）《课程标准》对该教学内容的要求：能通过实验，了解电磁振荡。2、本章在磁场、电磁感应、交变电流等章的基础上，论述电磁振荡何电磁波的理论何实践知识。本节电磁振荡的只是内容，即是本章的基础内容，也是高中物理知识的一个重要单元，是前面所学过的电磁学知识的发展，同时也是电磁学和电磁波联系的纽带。课时安排为1课时。本节（课）教学目标（预期要培养的学科核心素养目标）：1、认识LC振荡电路，了解电磁振荡中电场能和磁场能之间的转化过程，认识到能量守恒定律是自然界的普遍规律，进一步形成能量观念。通过对LC振荡电路充、放电的过程逐步分析，体会模型建构和科学推理等科学思维的应用。通过对LC振荡电路的观察与探究，形成实事求是和持之以恒的科学态度。通过对电磁波运用的介绍，让学生能基于证据和逻辑发表自己的见解。实事求是，不迷信权威，关心国内外科技发展现状与趋势，充分体会科学、技术、社会之间的紧密联系。学习者特征分析一般特征：以形象思维为基本思维方式，对直观的内容比较感兴趣，欠缺对问题的深入思考及理性化的思维过程。初始能力：通过前面的学习，对电磁感应的相关知识有一定的掌握，但是电磁振荡产生的物理过程比较抽象，学生脑海里不易建立起清晰的电荷、电流随时间变化的的物理情景。信息素养：学生在日常生活中对电磁波较为熟悉，可以将电磁波与电和磁的相互作用联系起来，可构建简易电磁感应模型。教学重点和难点项目内容解决措施教学重点LC振荡电路电磁振荡中电场能和磁场能的转化用电路中的能量转化来分析电路中的所有变量，体会能量守恒的普遍性教学难点电磁振荡中电场能和磁场能转化的过程分析问题串引导，学生探究，分析总结课堂教学过程结构设计（本栏为课堂教学设计的重点，应详细阐述并绘出教学流程图）教学环节教师的活动教学媒体（资源）设计意图、依据【创设情景：对比估计信息传递差异】同学们好，今天我们一起来学习选择性必修二第四章第一节的内容：电磁振荡。首先请大家思考下古代是如何传递信息的？我这里简单的罗列了几种，包括烽火台利用狼烟传递信息、飞鸽传书、快马传书等。但这些方法往往会有很多不确定因素，比如时间太久、信息丢失等。而在信息技术高速发展的今天，移动电话、广播电视、5G网络、卫星遥感等技术拉近了人们的距离。请大家思考下，这些通讯技术是利用什么进行的信息传递呢？对的，他们的工作和运行都要利用无线电波，也叫做电磁波，它的发现使人类的信息传递发生了巨大的变革。问题1：那么如何持续产生电磁波呢？根据之前所学习的电磁感应知识，如果闭合回路中磁通量发生改变，那么回路中就会产生感应电流，现在请大家看个熟悉的情景。问题2：那么，如果将这个电容器充满电后与线圈连接，又会发生什么现象呢？实验1：观察LC振荡电路中指针摆动接下来，我们通过一个电路图来分析这个问题，如图首先我们把电容器、自感线圈及电源用导线连接，我们先将开关S扳到1处，此时电容器开始充电，待充电结束后，再将开关S扳到2处，观察电流计指针如何摆动？实验中我们观察到电流表指针在周期性的左右摆动，说明产生了方向改变的电流。那么回路中电流的大小有没有发生变化呢？有没有什么方法可以观察到电流随时间的变化情况呢？我们可以采用推导的方式，还可以用实验的方式来观察结果。比如我们把刚才实验中的灵敏电流器替换为电流传感器或者示波器的话，就可以在屏幕上直接观察到电流随时间的变化图像。现在我们就用示波器来观察下该电路中的电流情况。实验2：示波器观察LC振荡电路电流变化问题3：那么这个电路中电容器极板所带电荷量的变化情况又该如何分析呢？我们可以采用理论推导的方式，会发现其实q-t图的斜率含义就是回路电流的变化情况。因此，在刚刚分析的LC振荡电路中我们会得到一个按照余弦规律变化的的q-t图。即一个周期内电容器极板间电荷量的变化规律与电流的变化规律相反，为余弦式变化。如何通过实验来证明下我们的理论分析呢？可以通过测量哪个量来反应电容器极板所带电荷量呢？我们可以用电压传感器来测量电容两端的电压，也就是测量线圈两端的电压，根据电容定义式：Q=CU，就可以反应出电容器极板的电荷量情况了。会发现电压同样是按照正弦规律变化的。也证明了刚刚理论分析的正确性。在刚刚线圈和电容器组成的实验电路中产生了大小和方向都做周期性变化的电流。这种电流成为振荡电流。能产生振荡电流的电路成为振荡电路。由线圈和电容器组成的电路是最简单的振荡电路，称为LC振荡电路。我们来总结下，刚刚的实验和分析说明充LC振荡电路中的电流是满足正弦变化的，而电容器极板的带电量是满足余弦变化的，在这样的电路中就可以产生电磁波了。问题4：现在让我们分析下LC振荡电路中，电容器和线圈分别都是什么功能呢？将引起哪些量的变化呢？请大家按下暂停键，自己先思考一下。电容器充满电后将开关拨向2处，LC振荡电路接通后，电容器作为电源在电路中放电，因此极板上的电荷量会发生改变，两极板间的电场强度、电势差和电场能也会发生改变。根据电流的磁效应，所以回路中会产生磁场，而且磁感应强度和磁场能也在变化。那么线圈在电路中会有什么作用？只是作为一根电阻丝吗？显然不仅仅如此，由于电流是变化的，因此线圈中会发生自感现象。所以回路中的各物理量的变化应该是逐渐变化的，不会突变。问题5：我们现在已经知道了LC振荡电路中电流和电容器所带电荷量的变化规律，那么一个周期内磁场能、磁感应强度B变化图像如何？我们从哪个量入手分析呢？由于磁场能正比于磁感应强度，而磁感应强度正比于线圈中的电流，所以我们可以通过分析i来研究磁场能的变化情况。即磁感应强度即磁场能在一个周期内的图像应与电流图像相同，都为正弦变化。而由于磁场能是没有正负的，所以它的图像应该是这样的都在时间轴以上的。问题6：那么一个周期内电场能、电场强度E、电容器极板间电压U、电容器带电量q的变化图像如何？我们从哪个量入手分析呢？对于这几个量，我们可以采用相同的分析方法。电场能正比于电场强度，电场强度正比于电容器两极板间电压，而电容器两极板间电压正比于电容器所带电荷量。所以我们通过q的变化来分析板间电压、电场强度及电场能。即，电场强度和电容器极板间电压都是余弦变化。同理，由于电场能是没有正负的，所以它的图像也应该是这样的都在时间轴以上的。问题7：请问同学们，在LC振荡电路中上述物理量为何会按照刚刚分析的规律呈周期性变化呢？能量守恒是自然界中的普遍规律。接下来就让我们从能量入手分析下吧。（分析过程略）上述过程周而复始地进行，由此产生大小和方向呈周期性变化的振荡电流，线圈中对应的磁场和电容器里的电场也呈周期性变化，电磁能和磁场能相互转化，这种现象称为电磁振荡。问题8：请问同学们，LC振荡电路中，电磁振荡会一直持续下去吗？实验1中灵敏电流计的指针摆动幅度逐渐减小至停下说明什么呢？接下来，我们把LC振荡电路中的灵敏电流计用电流传感器替换下，看看电路中的电流的具体变化情况。实验3：观察阻尼振荡电流请问同学们，我们测定的电流图像和最开始用示波器测定的产生电磁波的电流图像哪里不同呢？我们知道，电流的峰值代表回路中能量的大小。所以LC电路中能量是在逐渐减小的。这是因为由于线圈和电路中的电阻产热消耗了部分电能，还有一部分能量以电磁波的形式损耗。因此电路中能量不断减小，因此电流的振幅在逐渐减小至零，并不会持续的振荡下去。因此，为了产生持续的电磁波，实际的电路中可以利用电源来补充能量损耗，例如最开始用示波器得到的等幅电流图像就是进行了电源补充能量的效果。接下来，我们来看两个概念：若电磁振荡中没有能量损耗，振荡将永远持续下去，振荡电流的振幅保持不变，这种振荡称为无阻尼振荡。但是实际电路中能量会发生损耗，振荡电流的振幅会逐渐减小至停止振荡，这种振荡称为阻尼振荡。问题9:阻尼振荡中的周期会变化吗？首先，我们利用阻尼振荡的电流图像来分析下，我们将电流振幅较大时候的半个周期时长平移到电流振幅较小的时候的半个周期位置，发现两者是完全重合的，说明振荡电路中能量是否有损失并不会影响振荡周期。问题10：现在我们已经知道了电磁振荡中，各个物理量的变化是具有周期性的，那么LC振荡电路中的周期和频率什么因素有关呢？让我们先理论分析一下，请问电容比较大，电容器充放电的时间是长还是短？单从电容本身来看，电容比较大时电容器可以容纳的电荷量比较大，因此可以导致充放电时间变长；而线圈的磁感系数较大时，则阻碍电流变化的能力比较强，电流变化会比较慢。同样充放电时间会长一些，让我们通过实验来验证一下我们的分析。这套实验装置上可以提供两个线圈，其中l1的线圈自感比较大，还可以提供两个电容，c1的电容是比较大的，首先将cl接入电路，充电后组成了LC震荡电路，保持L1不变，用c2替代c1发现当接入电容比较大的c1时周期则明显要大，与我们的分析相吻合。当然我们还可以保持电容不改变，用自感系数来验证，也会得到相似的结果，就不再赘述了。到这里可能有同学有疑问，如果线圈电容都不变，而是增大给电容充电的电压，会改变周期频率，虽然理论不太容易分析，但是实验可以证明增大电压会发现振幅变大了，但变化的周期并没有改变。看来周期与外部电压无关。大量的实验证明，LC震荡电路的周期只跟电容和线圈有关，与外部电路的各个物理量都是无关的，是由电路本身的性质决定了物理量，因此也被称为了固有周期固有频率。理论与实验表明，LC振荡电路的振荡周期T与频率f只与自感系数L和电容C有关，与其他因素无关，他们的关系式为：式中T、L、f和C的单位分别是秒，亨利，赫兹和法拉。提醒大家注意各个物理量的国际单位以及这个公式，可以通过微积分理论推导出来。有兴趣的同学可以自己拓展下。根据上述公式可知，我们可以通过改变回路中的电容器的电容和线圈的自感系数，以获得所需的振荡频率。例如收音机、电视机中用于调台的调谐电路，就是通过调节可变电容器的电容来改变回路的振荡周期和频率的。以上就是本节课的全部内容。接下来就让我们来一起做几个练习巩固下今天所学习的知识吧。教材课后题PPT展示通过对电磁波运用的介绍，让充分体会科学、技术、社会之间的紧密联系【温故知新】构建LC振荡电路并探究构建电路中电流特点PPT展示PPT展示介绍电磁波，并将产生电磁波的信号可视化，给学生以感性认识，激发学习兴趣PPT展示视频播放视频播放回顾电与磁的关系，初步建立LC振荡电路，培养学生的科学思维通过定性实验与半定量实验测量，确定产生电磁波的电路，培养学生科学探究与科学态度。从能量角度解释阻尼振荡与非阻尼振荡，引导学生体会能量守恒的应用理论分析与实验验证相结合，培养学生的严谨性并明确振荡电流、振荡电路等概念【分析电路特征量】分析电路中其他变量，突出周期性。并推到一个周期内各个变量的图像。PPT展示PPT展示引导学生将电路中各个变量的分析归纳为电路中电流i及电容器所带电荷量q的分析，培养学生的科学思维明确各个物理量在一个周期内变化图像【能量角度分析各个物理量形成原因】PPT展示引导学生从能量角度解释问题，体会能量守恒在自然界中的普遍性。培养学生科学思维及科学态度明确电磁振荡等概念明确电磁振荡概念【探究LC振荡电路周期】PPT展示引导学生回顾知识，培养学生归纳总结的能力定性对周期大小的影响因素进行讨论。培养学生的科学思维。引导学生将定性分析与定量计算公式相联系。培养学生的科学态度。巩固本节课内容。做到学以致用。目的：通过对电磁波运用的介绍，让充分体会科学、技术、社会之间的紧密联系目的：通过对电磁波运用的介绍，让充分体会科学、技术、社会之间的紧密联系古、今通讯方式对比，突出电磁波优越性，引出电磁波古、今通讯方式对比，突出电磁波优越性，引出电磁波、、逐步引导建立LC振荡电路目的：回顾电与磁的关系，初步建立LC振荡电路，培养学生的科学思维逐步引导建立LC振荡电路目的：回顾电与磁的关系，初步建立LC振荡电路，培养学生的科学思维目的：通过定性实验与半定量实验测量，确定产生电磁波的电路，培养学生科学探究与科学态度。并明确振荡电流、振荡电路等概念目的：通过定性实验与半定量实验测量，确定产生电磁波的电路，培养学生科学探究与科学态度。并明确振荡电流、振荡电路等概念通过实验通过实验1确定产生电磁波的实验电路目的：引导学生将电路中各个变量的分析归纳为电路中电流i及电容器所带电荷量q的分析，培养学生的科学思维分析电路中其他变量，突出周期性。并推到一个周期内各个变量的图像。目的：引导学生将电路中各个变量的分析归纳为电路中电流i及电容器所带电荷量q的分析，培养学生的科学思维分析电路中其他变量，突出周期性。并推到一个周期内各个变量的图像。目的：引导学生从能量角度解释问题，体会能量守恒在自然界中的普遍性。培养学生科学思维及科学态度目的：引导学生从能量角度解释问题，体会能量守恒在自然界中的普遍性。培养学生科学思维及科学态度从能