3.1 《 麥克斯韋的電磁場(chǎng)理論》教學(xué)設(shè)計(jì)1(滬科版選修3-4)

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1、【課 題】 §3.1 麥克斯韋的電磁場(chǎng)理論 【教學(xué)目的】 （一）知識(shí)與技能 1．理解法拉第的對(duì)物理學(xué)奉獻(xiàn)。 2．懂得麥克斯韋電磁場(chǎng)理論的重要內(nèi)容。 3．麥克斯韋有關(guān)電磁波的預(yù)言，理解麥克斯韋電磁場(chǎng)理論在物理學(xué)發(fā)展史上的意義。 （二）過(guò)程與措施 （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)探究中如何充足運(yùn)用已有的實(shí)驗(yàn)基本和理論，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

2、論與交流，進(jìn)一步掌握類(lèi)比法，初步形成“對(duì)稱(chēng)”的思想措施。 （三）情感、態(tài)度與價(jià)值觀 （4） 感悟科學(xué)家的發(fā)明性思維，體驗(yàn)科學(xué)家獻(xiàn)身科學(xué)的精神；體驗(yàn)物理學(xué)的研究措施以及數(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”的艱苦過(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)生有一定的基本，但是這部分知識(shí)簡(jiǎn)介的麥克斯韋有關(guān)

3、電磁場(chǎng)理論提出的思路，以及她獨(dú)特的發(fā)明性思維，學(xué)生理解起來(lái)確有一定的難度，教學(xué)中應(yīng)注重思維過(guò)程以及思維措施的簡(jiǎn)介，不可急于求成。 【教學(xué)思路】 注意簡(jiǎn)介科學(xué)家的思維起點(diǎn)以及獨(dú)特的發(fā)明性思維措施，同步要遵循學(xué)生的思維規(guī)律，從學(xué)生已知的電磁現(xiàn)象推理、歸納出有關(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)措施、學(xué)習(xí)措施】 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、法拉第的奉獻(xiàn) 學(xué)生閱讀：P.56 1、法拉第發(fā)明性地引入“場(chǎng)”的概念，

4、并用“力線”用來(lái)描述抽象的“場(chǎng)”（電場(chǎng)和磁場(chǎng)）。這種措施對(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)因斯坦覺(jué)得法拉第這一方面的奉獻(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)概念提高到一種新的高度：“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，因此穿過(guò)線圈的磁通量不

5、斷變化，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）中的電荷為什么可以定向移動(dòng)呢？ ［學(xué)生回答］受電場(chǎng)力。 ［教師總結(jié)］上述實(shí)驗(yàn)表白，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，它本來(lái)所處的空間有電場(chǎng)嗎？ 學(xué)生對(duì)此問(wèn)題也許難以回答，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種假設(shè)：變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)。 麥克斯韋覺(jué)得線圈只但是用來(lái)顯示電場(chǎng)的存在，線圈不存在時(shí)，變化的磁場(chǎng)同樣在周邊空間產(chǎn)生電場(chǎng)，

6、這是一種普遍規(guī)律，跟閉合電路與否存在無(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)。 麥克斯韋的發(fā)明性思維： 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。她覺(jué)得，電路中的電流應(yīng)當(dāng)是閉合的，兩極板之間變化的電場(chǎng)應(yīng)當(dāng)具有電流的特性，并稱(chēng)之為“位移電流”。 既然變化的電場(chǎng)具有電流的特性，因此在其周邊應(yīng)當(dāng)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

7、根據(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)互相耦連，形成一種不可分離的統(tǒng)一體——電磁場(chǎng)。 變化的電場(chǎng)（振蕩的），會(huì)在其周邊產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，這個(gè)變化的磁場(chǎng)又會(huì)在其周邊產(chǎn)生電場(chǎng)。電場(chǎng)與磁場(chǎng)互相激發(fā)，由近及遠(yuǎn)地向

8、周邊空間傳播，形成電磁波。 她由此預(yù)言了電磁波的存在。 2、麥克斯韋從她的方程組還得到： 電場(chǎng)和磁場(chǎng)的方向互相垂直，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正好等于光速，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)，麥克斯韋被公覺(jué)得是“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，下述對(duì)的的有 【 】 A.在電場(chǎng)周邊一定產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)周邊一定產(chǎn)生電場(chǎng)。 B.在變化的電場(chǎng)周邊一定

9、產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，變化的磁場(chǎng)周邊一定產(chǎn)生變化的電場(chǎng)。 C.均勻變化的電場(chǎng)周邊一定產(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】解決此類(lèi)題的核心：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)，有始終徑略不不小于環(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)。若在此空間忽然加上豎直向上、磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨時(shí)間成正比例增長(zhǎng)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)

10、間后，沿順時(shí)針?lè)较蜃黾铀龠\(yùn)動(dòng) D．磁場(chǎng)力始終對(duì)小球不做功 【分析】由于玻璃環(huán)所處有均勻變化的磁場(chǎng)，在周邊產(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，并且兩個(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，因此磁場(chǎng)力不做功。對(duì)的為CD。 【課堂練習(xí)】 1.下列有關(guān)電磁場(chǎng)的說(shuō)法中，對(duì)的的是 A． 變化的磁場(chǎng)一定

11、產(chǎn)生變化的電場(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)法對(duì)的的是 A． 恒定電流可以在周邊空間產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場(chǎng) B． 均勻變化的電場(chǎng)可以在周邊空間產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場(chǎng) C． 靜止電荷可以在周邊空間產(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．有關(guān)電磁場(chǎng)的下列說(shuō)法中對(duì)的的是 A． 任何變化的電場(chǎng)都會(huì)在周邊空間產(chǎn)生變化的磁場(chǎng) B． 任何變化的磁場(chǎng)都會(huì)在周邊空間產(chǎn)生變化的電場(chǎng) C． 只有非均勻變化的磁場(chǎng)才會(huì)在周邊空間產(chǎn)生變化的電場(chǎng) D． 只有非均勻變化

12、的電場(chǎng)才會(huì)在周邊空間產(chǎn)生變化的磁場(chǎng) 4．空間某處存在一種變化的磁場(chǎng)，對(duì)的的是 A． 在變化的磁場(chǎng)周邊一定能產(chǎn)生變化的電場(chǎng) B． 在磁場(chǎng)中放一種閉合線圈，線圈一定有感應(yīng)電流 C． 在磁場(chǎng)中放一種閉合線圈，線圈不一定有感應(yīng)電流 D． 變化的磁場(chǎng)周邊產(chǎn)生電場(chǎng)，跟閉合線圈的存在與否沒(méi)有關(guān)系 參照答案：1.BD 2.BD 3.CD 4.CD 【課堂小結(jié)】 本節(jié)重要學(xué)習(xí)了麥克斯韋電磁場(chǎng)理論的重要內(nèi)容。 懂得了麥克斯韋電磁場(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)。還懂得了變化的電場(chǎng)和磁場(chǎng)互相聯(lián)系，形成一種統(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)互相垂直，且兩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)程和她提出的獨(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