2022年高中物理 《麦克斯韦的电磁场理论》教案 沪科版选修3-4

2022年高中物理 麦克斯韦的电磁场理论教案 沪科版选修3-4【教学目标】（一）知识与技能1了解法拉第的对物理学贡献。2知道麦克斯韦电磁场理论的主要内容。3麦克斯韦关于电磁波的预言，了解麦克斯韦电磁场理论在物理学发展史上的意义。（二）过程与方法（1） 通过对麦克斯韦电磁场理论基本思想形成过程的学习，体会在科学探究中如何充分利用已有的实验基础和理论，展开大胆的猜想与假设，进行强有力的逻辑理论思维，建立新理论，预言新现象。（2） 通过麦克斯韦电磁场理论的成功，感受运用数学工具进行推理论证对物理学发展的意义。（3） 通过“磁生电与电生磁的相似之处”的讨论与交流，进一步掌握类比法，初步形成“对称”的思想方法。（三）情感、态度与价值观（4） 感悟科学家的创造性思维，体验科学家献身科学的精神；体验物理学的研究方法以及数学在物理学中的特殊地位。（5） 通过对麦克斯韦电磁场理论基本思想形成过程的学习，感受物理学的和谐之美、对称之美、有序之美。（6） 通过对电磁场理论建立过程的学习，体会物理学发展经历了“实践理论实践”的艰辛过程。【学情分析】这部分知识是选修3-1、3-2中电场、磁场、电磁感应等基本电场学知识的延伸和发展。在学习了选修3-1、3-2后学习这部分知识，可以说学生有一定的基础，但是这部分知识介绍的麦克斯韦关于电磁场理论提出的思路，以及他独特的创造性思维，学生理解起来确有一定的难度，教学中应重视思维过程以及思维方法的介绍，不可急于求成。【教学思路】注意介绍科学家的思维起点以及独特的创造性思维方法，同时要遵循学生的思维规律，从学生已知的电磁现象推理、归纳出相关结论。【教学重点、难点】理解：1、变化的磁场产生电场。2、变化的电场产生磁场。【教学方法、学习方法】1教法：理论分析、逻辑推理和类比推理。2学法：阅读、思考、讨论交流。【教学流程】【教学过程及知识要点】一、法拉第的贡献 学生阅读：P.561、法拉第创造性地引入“场”的概念，并用“力线”用来描述抽象的“场”（电场和磁场）。这种方法对电磁现象的描述形象直观，是牛顿时代以来在物理学概念方面最重要的变革。爱因斯坦认为法拉第这一方面的贡献要比电磁感应的发现高出许多。2、场的概念使人们对物质概念提升到一个新的高度：“实物”形态和“场”形态。二、电磁场理论的两大支柱（两个假设）u 1、变化的磁场产生电场演示实验：电磁感应（如右）现象分析：麦克斯韦从电磁感应现象的规律出发，分析得到：正由于变化的磁场产生了电场，才使闭合线圈中形成了电流。提出问题小灯泡为什么能发光？学生回答由于交变电流产生的磁场在不断变化，所以穿过线圈的磁通量不断变化，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？学生回答受电场力。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。师：由上面的电磁感应现象，我们可以很自然的提出一个假设：变化的磁场产生电场。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）。从而得到结论:变化的磁场产生电场u 2、变化的电场产生磁场演示实验：在电容器两级接上交流电源，我们可以看到电流表有一定的示数。麦克斯韦的创造性思维：麦克斯韦在交流电路中，引入“位移电流”的概念：电容器中虽然没有电荷通过，但两极板的电量及极板之间的电场在发生变化。他认为，电路中的电流应该是闭合的，两极板之间变化的电场应该具有电流的特征，并称之为“位移电流”。既然变化的电场具有电流的特征，所以在其周围应该有磁场产生。从而得的结论：变化从电场产生磁场u 3、电磁场理论伟大的丰碑麦克斯韦根据上述两个假设和电磁学实验事实，用一组方程描述电场和磁场，得到了系统而完整的电磁场理论。麦克斯韦电磁理论可以形象的表述为：变化的磁场产生电场变化从电场产生磁场磁场的变化是均匀的，产生的电场是稳定的电场的变化是均匀的，产生的磁场是稳定的磁场的变化是不均匀的，产生的电场是变化的电场的变化是不均匀的，产生的磁场是变化的三、麦克斯韦的伟大预言：1、麦克斯韦进一步推断：变化的磁场和变化的电场相互耦连，形成一个不可分离的统一体电磁场。变化的电场（振荡的），会在其周围产生变化的磁场，这个变化的磁场又会在其周围产生电场。电场与磁场互相激发，由近及远地向周围空间传播，形成电磁波。他由此预言了电磁波的存在。2、麦克斯韦从他的方程组还得到：电场和磁场的方向相互垂直，并都垂直于传播方向即电磁波是横波。电磁波在真空中的传播速度恰好等于光速，并预言光是电磁波。3、麦克斯韦提出的电磁场理论，是19世纪的科学史上的一件大事，是物理学的有一座伟大丰碑。在当时，麦克斯韦被公认为是“自牛顿之后世界上最伟大的数学、物理学家”。【典例分析】【例1】根据麦克斯韦电磁理论，下述正确的有 【 】A.在电场周围一定产生磁场，磁场周围一定产生电场。B.在变化的电场周围一定产生变化的磁场，变化的磁场周围一定产生变化的电场。C.均匀变化的电场周围一定产生均匀变化的磁场。D.振荡的电场一定产生同频率振荡的磁场。【答案】D【感悟】解决这类题的关键：紧紧抓住麦克斯电磁场理论的要点，并深刻理解。v0B【例2】如图，内壁光滑、水平放置的玻璃圆环内，有一直径略小于环口径的带正电的小球，正以速率v0沿逆时针方向匀速转动。若在此空间突然加上竖直向上、磁感应强度B随时间成正比例增加的变化磁场，设小球运动过程中的电量不变，那么 【 】A小球对玻璃环的压力不断增大B小球受到的磁场力不断增大 C小球先沿逆时针方向做减速运动，过一段时间后，沿顺时针方向做加速运动D磁场力一直对小球不做功【分析】因为玻璃环所处有均匀变化的磁场，在周围产生稳定的涡旋电场，对带正电的小球做功，由楞次定律，判断电场方向为顺时针，在电场力的作用下，小球先沿逆时针方向做减速运动，过一段时间后，沿顺时针方向做加速运动。小球在水平面内沿轨迹半径方向受两个力：环的弹力N和磁场的洛仑兹力f，而且两个力的矢量和始终提供向心力，考虑到小球速度大小的变化和方向的变化以及磁场强弱的变化，弹力和洛仑兹力不一定始终在增大。洛仑兹力始终和运动方向垂直，所以磁场力不做功。正确为CD。【课堂练习】1.下列有关电磁场的说法中，正确的是A 变化的磁场一定产生变化的电场B 变化的电场一定产生磁场C 变化的磁场一定产生周期性变化的电场D 周期性变化的电场一定产生周期性变化的磁场2下面说法正确的是A 恒定电流能够在周围空间产生稳定的磁场B 均匀变化的电场能够在周围空间产生稳定的磁场C 静止电荷能够在周围空间产生稳定的磁场D 变化的电场和磁场互相激发，形成由近及远传播的电磁场3关于电磁场的下列说法中正确的是A 任何变化的电场都会在周围空间产生变化的磁场B 任何变化的磁场都会在周围空间产生变化的电场C 只有非均匀变化的磁场才会在周围空间产生变化的电场D 只有非均匀变化的电场才会在周围空间产生变化的磁场4空间某处存在一个变化的磁场，正确的是A 在变化的磁场周围一定能产生变化的电场B 在磁场中放一个闭合线圈，线圈一定有感应电流C 在磁场中放一个闭合线圈，线圈不一定有感应电流D 变化的磁场周围产生电场，跟闭合线圈的存在与否没有关系参考答案：1.BD 2.BD 3.CD 4.CD【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。知道了麦克斯韦电磁场理论的两大支柱：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。电磁波中的电场与磁场相互垂直，且二者均与波的传播方向垂直，即电磁波是横波。【家庭作业与活动】1、 阅读教材P. 5658，理解麦克斯韦的思维过程和他提出的独特的见解。2、 思考讨论练习：P.58 家庭作业与活动1、2、3