2019-2020年高中物理 《電磁場》教案 教科版選修1-1.doc

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2019-2020年高中物理 《電磁場》教案 教科版選修1-1 　　●本節(jié)教材分析 　　從理論上說，電磁學的核心內容就是電磁場的概念和麥克斯韋的電磁場方程，但這些內容非常抽象，在中學階段還沒有很好的辦法讓學生接受，只能要求學生對電磁場的理論有一個初步的定性的了解．教材突出了電磁場理論中最核心的內容：變化的電場產生磁場，變化的磁場產生電場． 　　電磁場理論建立的歷史過程是對我們有極大啟發(fā)的激動人心的過程，適當介紹這一歷史過程對學生有教育作用，在思想方法上也會受益．我們可簡單介紹法拉第關于場的概念和法拉第的一些設想，介紹麥克斯韋的追求和電磁理論的提出、電磁波設想的提出，介紹赫茲對電磁波存在的實驗驗證． 　　電磁場理論的核心之一是：變化的磁場產生電場．教材從電磁感應現象中隨時間變化的磁場在線圈中產生感應電動勢談起．為了使學生容易接受，可做一個演示實驗，實驗裝置如圖所示．當穿過螺線管的磁場隨時間變化時，上面的線圈中產生感應電動勢，引起感應電流使燈泡發(fā)光．我們可提出問題：線圈中產生感應電動勢說明了什么？指出麥克斯韋認為變化的磁場在線圈中產生電場，正是這種電場在線圈中引起了感應電流．我們又提出問題：如果用不導電的塑料線繞制線圈，線圈中還會有電流、電場嗎？(有電場、無電流)再問：想象線圈不存在時線圈所在處的空間還有電場嗎？(有)這種逐步抽象化的方法可以幫助學生理解麥克斯韋的想法．要說明，麥克斯韋認為線圈只不過用來顯示電場的存在，線圈不存在時，變化的磁場同樣在周圍空間產生電場．要強調指出，麥克斯韋揭示了電磁感應現象的本質——變化的磁場產生電場．對于電磁場理論的另一個核心——變化的電場產生磁場，在中學我們還沒有一個簡單的實驗能給予清楚的說明．可簡單介紹麥克斯韋繼承法拉第關于場是客觀存在、電場與磁場統(tǒng)一的思想，根據電現象與磁現象的相似性和變化的磁場能產生電場的概念，經過反復思考提出一個假設：變化的電場產生磁場．有了這一步，麥克斯韋就建立了完整的電磁場理論． 　　●教學目標 　　一、知識目標 　　1．知道麥克斯韋電磁場理論的重要地位． 　　2．知道變化的磁場產生電場，變化的電場產生磁場． 　　3．知道變化的電場和磁場形成一個互相聯系的統(tǒng)一場，即電磁場． 　　二、能力目標 　　1．認識規(guī)律的普遍性與特殊性． 　　2．掌握類比方法的使用． 　　三、德育目標 　　培養(yǎng)學生崇尚科學的精神． 　　●教學重點 　　變化的磁場產生電場． 　　●教學難點 　　變化的電場產生磁場． 　　●教學方法 　　演示推理和類比推理． 　　●教學用具 　　學生電源一臺，電磁鐵一塊，多匝線圈、燈座、小燈泡各一個，導線若干． 　　●課時安排 　　1課時 　　●教學過程 　　一、引入新課 　　振蕩電路中的能量有一部分要以電磁波的形式輻射到周圍空間中去，為什么電磁振蕩會產生電磁波呢？在19世紀60年代，英國物理學家麥克斯韋在總結前人研究成果的基礎上，建立了完整的電磁場理論，并且預言了電磁波的存在．這節(jié)課我們來學習麥克斯韋的電磁場理論． 　　二、新課教學 　?。垩菔荆葑兓拇艌霎a生電場．出示電路圖投影片，根據電路圖連接電路，接通電源，小燈泡發(fā)光． 　?。蹘煟菪襞轂槭裁茨馨l(fā)光？ 　?。凵萦捎诮蛔冸娏鳟a生的磁場在不斷變化，所以穿過線圈的磁通量不斷變化，在線圈中產生感應電動勢，形成感應電流，小燈泡發(fā)光． 　?。蹘煟蓦娐?線圈)中的電荷為什么能夠定向移動呢？ 　?。凵菔茈妶隽Γ? 　?。蹘煟萆鲜鰧嶒灡砻?，變化的磁場在線圈里形成電場．若線圈斷開，線圈中有電流、電場嗎？ 　?。凵萦须妶?、無電流． 　?。蹘煟萑艟€圈被拿走，它原來所處的空間有電場嗎？ 　　(學生對此問題可能難以回答，但這時提出變化的磁場能在其空間產生電場已是水到渠成的時候了．) 　　結論：變化的磁場產生電場． 　?。蹘煟菰趌c回路中，振蕩電流可以在導線周圍、螺線管周圍產生磁場，那么電容器兩極板間的電場能否產生磁場呢？ 　　引導學生分析：lc回路中的振蕩電流發(fā)生變化時，電容器兩極板間的電場也發(fā)生變化．麥克斯韋根據電現象與磁現象的相似性和變化的磁場能產生電場的事實，提出大膽的假設：變化的電場也能產生磁場，并且通過嚴密的理論推導證明這一結論的正確性． 　　結論：變化的電場產生磁場． 　　總結以上兩個結論，得出變化的電場和磁場是互相聯系的，形成一個統(tǒng)一的場叫電磁場． 　　三、小結 　　本節(jié)主要學習了以下內容： 　　1．麥克斯韋電磁場理論的兩大支柱． 　　(1)變化的磁場產生電場 　　(2)變化的電場產生磁場 　　2．電磁場：變化的電場和磁場相互聯系，形成一個統(tǒng)一的場． 　　四、作業(yè) 　　查閱資料了解麥克斯韋電磁理論的建立． 　　五、板書設計 　　 　　六、本節(jié)優(yōu)化訓練設計 　　1．關于磁場的產生，下列說法正確的是(　) 　　a．電場可以產生磁場 　　b．電荷可以產生磁場 　　c．運動的電荷可以產生磁場 　　d．周期性變化的電場可以產生磁場 　　2．關于電場的產生，下列說法正確的是(　) 　　a．靜止的磁體在空間某點可以產生電場 　　b．相對于空間某點運動的磁體可以在該點產生電場 　　c．電磁鐵一定能在空間某處產生電場 　　d．通有交變電流的電磁鐵可以在它周圍的空間產生電場 　　參考答案： 　　1．cd　2．bd 　　●備課資料 　　1．麥克斯韋電磁理論的建立 　　麥克斯韋(james clark mexwell，1831~1879)是英國的理論物理學家、數學家．1831年6月13日生于英國愛丁堡．他的父親是一個科學家，他從小就受到科學的熏陶，15歲時向英國皇家學會遞交數學論文，發(fā)表在《愛丁堡皇家學會學報》上，第一次顯露出他出眾的才華．1847年，他考入愛丁堡大學學習數學和物理學．1850年轉入劍橋大學，1854年畢業(yè)后留校工作，1856~1865年，他先后在阿丁見大學和倫敦皇家學院任教．1871年，麥克斯韋任劍橋物理實驗室主任，1874年，他主持建立的卡文迪許實驗室竣工，麥克斯偉任該實驗室首任主任．1879年11月5日，麥克斯韋在劍橋逝世． 　　麥克斯韋在電磁場理論方面的工作深受法拉第的影響．他信服法拉第的思想，決心為法拉第的場的概念提供數學方法的基礎．尤其是他在倫敦皇家學院任教期間，有機會拜訪了法拉第以后，更加強了他的這種信念．年輕的麥克斯韋以他卓越的數學才能和嚴密的邏輯推理，對法拉第的直觀形象的電磁場理論加以高度概括，并總結了當時電磁學的研究成果，建立了電磁場方程，確立了電磁場理論． 　　麥克斯韋關于電磁場理論共發(fā)表了四篇文章，即1855年發(fā)表的《法拉第力線》，1862年發(fā)表的《論物理的力線》，1865年發(fā)表的《電磁場動力學》和1873年發(fā)表的《電磁場通論》．由此可見，麥克斯韋對電磁場理論的建立經過了長期的探索和研究，是實踐和理論的高度統(tǒng)一． 　　麥克斯韋電磁場方程組可以概括為以下的微分形式 　　 　　式中 是自由電荷的體密度， 是傳導電流密度， 是位移電流密度． 　　2．麥克斯韋方程的深刻啟示 　　麥克斯韋方程是描述電磁場性質和運動變化規(guī)律的一組方程．麥克斯韋方程的建立宣告了電磁場理論的誕生，不僅具有深刻的理論意義，而且具有廣泛的應用前景，對人類社會的發(fā)展產生了巨大而深遠的影響．在物理學中，電磁場理論是繼牛頓力學之后劃時代的偉大成就，麥克斯韋和法拉第由此當之無愧地被譽為19世紀最偉大的物理學家．在物理教學中，電磁場理論理所當然地成為不可或缺的重要基礎內容，涉及幾門課程，其中電磁學課程承擔著建立麥克斯韋方程的重任．麥克斯韋方程形式簡捷，內容廣泛，尤其值得強調的是，物理思想極為深刻，方法論教益非常豐富．我們認為，應該結合有關內容的講授，把前輩大師創(chuàng)造性發(fā)現的精髓介紹給學生，這是歷史的啟示，寓意深遠，彌足珍貴，切切不可等閑視之． 　　(1)近距作用觀點的指導意義 　　自牛頓力學以來，尋找不同現象之間的聯系，發(fā)現各個局部的規(guī)律，并進而提供統(tǒng)一的理論解釋，已經成為推動物理學發(fā)展的強大動力，成為一代代物理學家的持久追求．19世紀30年代，電磁學的基本實驗定律——庫侖定律、畢薩拉定律、安培定律、歐姆定律、法拉第電磁感應定律先后得出，建立統(tǒng)一電磁理論的條件已經具備，時機已經成熟． 　　面對著這一重大理論課題，出現了截然不同的兩種物理觀點和指導思想，提出了性質根本不同的兩種問題，導致完全不同的結果． 　　以韋伯和諾埃曼為代表的超距作用觀點認為，電力和磁力是超越空間既無需媒質傳遞又無需傳遞時間的直接作用．在他們看來，電磁場只是描述電磁作用的一種手段，并非客觀存在，因而也就不存在研究電磁場的問題．韋伯建立的超距作用電磁理論，把各種電磁作用都歸結為庫侖力以及運動電荷之間的作用力(后稱為韋伯力)，為靜電作用、電流作用和電磁感應(動生電動勢)提供了統(tǒng)一的解釋．但是，韋伯的超距作用電磁理論未能提出任何有價值的預言，又存在著機制上的困難，已經成為歷史的遺跡，鮮為人知． 　　與當時占統(tǒng)治地位的超距作用觀點不同，法拉第通過電介質對靜電作用的影響、物質的抗磁性等大量實驗研究，認識到電磁作用與其間的介質有關．法拉第設想，在帶電體、磁體或電流周圍存在著某種由它們產生的無處不在的力線(或場)，電磁作用正是通過力線(或場)傳遞的、需要傳遞時間的近距作用．法拉第在解釋他發(fā)現的電磁感應現象時，進一步把靜態(tài)的力線圖像發(fā)展到動態(tài)，并把電力線與磁力線聯系起來，他甚至猜測電磁作用以波動的形式傳播．在法拉第看來，力線(或場)是物理實在，具有種種物理性質，發(fā)生種種物理過程．法拉第明確指出，力線是認識電磁現象必不可少的部分，甚至比產生或匯集力線的源(電荷，電流)更具有研究價值． 　　麥克斯韋繼承了法拉第徹底的近距作用觀點，他在1865年《電磁場的動力學理論》一文中明確宣告：“我所提議的理論可以稱為電磁場的理論，因為它必須涉及電或磁物體附近的空間，它也可以稱為是動力學的理論，因為它假設在該空間存在運動著的物質，導致可觀察的電磁現象．”麥克斯韋指出：“電磁場是包含和圍繞著處于電磁狀態(tài)的物體的那一部分空間”，電磁場是“一種彌漫的物質，密度很小但的確有，能運動，能以很大而有限的速度把運動從一部分傳遞到另一部分”． 　　由此可見，在截然不同物理思想的指引下，對隱藏在同樣的現象、規(guī)律背后的本質有截然不同的理解和認識，從而使提出的研究課題，試圖尋找的統(tǒng)一理論根本不同，最終的結果必然南轅北轍，大相徑庭． 　　(2)類比方法的威力 　　有了正確的指導思想，那么如何著手呢，這里涉及研究方法的問題． 　　在19世紀四、五十年代，w．湯姆孫(開爾文)曾用類比方法研究電磁現象．他將靜電力分布與熱流分布類比，指出電力線與熱流線、等勢面與等溫面、電荷與熱源相對應．他還注意到電現象與彈性現象的相似性．稍后，亥姆霍茲則指出，電流的磁場與不可壓縮流體的流速有許多類似之處，例如都有旋渦．這些類比研究，發(fā)現了不同領域內不同現象之間的相似，其意義不僅在于移植數學工具和表達方式，還在于暗示電磁作用，如同熱流與不可壓縮流體，是在空間經某種連續(xù)介質逐點依次傳遞，實現的非即時的，從而為近距作用觀點提供了支持． 　　1855~1856年，麥克斯韋發(fā)表了關于電磁場理論的第一篇論文《論法拉第力線》．受法拉第力線思想的影響和湯姆孫類比研究的啟發(fā)，同時察覺到韋伯超距作用電磁理論的內在困難和不協(xié)調因素，麥克斯韋決心致力于建立近距作用觀點的電磁場理論．麥克斯韋從類比研究著手，在文章的開頭，系統(tǒng)而詳盡地回顧了流體力學關于不可壓縮流體運動的理論以及不可壓縮流體流經有阻力介質的理論．然后筆鋒一轉，將力線與流線、電荷磁極與源頭、場強與流速、場強疊加與流速疊加、場強分布與流速分布、場中介質與流體運動的阻力等等，作了一系列的類比．通過類比，對于場(例如流速場、靜電場、恒定磁場)這種在一定空間范圍連續(xù)分布的客體，麥克斯韋不僅從總體上把握了它們的特征與區(qū)別(是否有源，是否有旋)，而且找到了描繪場的恰當數學工具(通量與環(huán)流，高斯定理與環(huán)路定理)．于是，原先紛繁雜亂的各種電磁量各居其位，突然變得清晰而有條理了，澄清了思想，為進一步的突破奠定了基礎． 　　應該指出，雖然類比研究能夠提供啟發(fā)，移植現成的物理概念、圖像以及數學工具和表達方式，有助于把握特征，澄清思想，使新開辟領域的研究工作得以打開局面，有所進展，但類比的本質是猜測，類比提供的只是可能性而不是結論，類比研究是有限度的，關鍵在于進一步尋根究底，揭示本質． 　　(3)深刻的洞察力和豐富的想象力 　　在《論法拉第力線》一文中，麥克斯韋在類比研究的基礎上，進一步把目光轉向電磁感應．麥克斯韋用變化磁場產生的渦旋電場來解釋電磁感應(感生電動勢)現象，把法拉第的物理思想與諾埃曼的定量表達式成功地結合在一起．渦旋電場為電磁感應的本質提供了近距作用的解釋，揭示了電場與磁場內在聯系的一個側面，擴大了人們對電場的了解(即除了靜電場外還有渦旋電場，兩者的產生原因與性質都不同，前者由電荷產生，有源無旋，后者由變化磁場產生，無源有旋)．更重要的是，既然變化的磁場能產生渦旋電場，那么按照近距作用觀點，就必然會提出尋找它的逆效應這樣一個深刻的命題，即電場與磁場內在聯系的另一個側面是什么，例如變化的電場是否會產生什么．(作為對比，由于超距作用觀點不承認場的客觀存在，關心的只是電與磁的相互作用，在他們看來，電流的磁效應和電磁感應正是電與磁相互作用的兩個側面，已經完備，不再存在尋找新效應的問題)眾所周知，對這一問題的回答導致位移電流概念的提出，即認為變化的電場(與通常由電荷移動形成的電流一樣)也可以產生磁場． 　　1861~1862年，麥克斯韋發(fā)表了關于電磁場理論的第二篇論文《論物理力線》．為了更好地體現法拉第的力線思想，麥克斯韋意識到，需要形象具體地描繪傳遞電磁作用的、無所不在的電磁以太的結構和性質，以此說明磁力線和電力線的性質，并盡可能地統(tǒng)一解釋各種電磁現象．為此，麥克斯韋精心設計了電磁以太的力學模型，他用六角形的齒輪代表磁以太(在文中稱為“分子渦旋”)，用小圓圈代表分開磁以太的電以太(在文中稱為“細微粒子”)，兩者相互嚙合．麥克斯韋以設想，電以太會受到帶電體給予的電力(靜電場)或磁擾動引起的感應電力(渦旋電場)的作用，電以太的移動與電流相對應．麥克斯韋設想，磁以太會旋轉，與磁力線構成右手螺旋關系，磁以太旋轉的角速度與磁場強度h成正比，磁以太的密度與磁導率μ成正比．利用這一電磁以太的力學模型，麥克斯韋成功地統(tǒng)一解釋了電流的磁場，靜電作用，電磁感應等現象．更重要的是，麥克斯韋發(fā)現，由于電場變化所導致的電以太位移的變化，像通常的電流一樣，也能產生磁場．即變化的電場也能產生磁場，這就是麥克斯韋期待已久的變化磁場產生渦旋電場的逆效應，位移電流概念由此應運而生．至此，通過電磁以太的力學模型，隱藏在電磁現象深處的電場與磁場內在聯系的兩個側面，終于被麥克斯韋完整地揭示了出來． 　　如果說渦旋電場概念是為感生電動勢提供的近距作用解釋，受到許多電磁感應現象的支持，那么位移電流概念在當時則是并無任何實驗依據的大膽理論解釋．渦旋電場與位移電流表明，電磁場是具有內在聯系的相互制約的統(tǒng)一體，它們?yōu)殡姶艌龅膫鞑ァ姶挪ㄌ峁┝宋锢硪罁纱耍凇墩撐锢砹€》一文中，麥克斯韋進一步把由電磁以太構成的彈性媒質的切變模量、密度與它的介電常數、磁導率相聯系，得出在該彈性媒質中(即在真空中)傳播的橫波——電磁波的速度等于真空中光速c的重要結論，從而證明光波就是電磁波，把光現象納入了電磁領域． 　　眾所周知，未知世界常常表現出傳統(tǒng)觀念所意想不到的某種屬性，這就需要廣開思路，不受束縛，大膽地想象、猜測、假設，需要有革故鼎新甚至樹立異端的勇氣．當然，想象、猜測、假設并不是漫無邊際隨心所欲地胡思亂想，它是在認真地考查已知的各種現象和規(guī)律，全面地審查各種現有理論的成敗，細微地衡量各種可能解釋的利弊得失后提出來的．這就需要有非凡的理論氣魄、深刻的洞察力和豐富的想象力，只有這樣才能把握本質、獨辟蹊徑、開拓創(chuàng)新．麥克斯韋設想的電磁以太力學模型，建立的渦旋電場和位移電流概念為基礎，得出的光波就是電磁波的結論，為我們提供了光輝的例證． 　　當然，麥克斯韋也清醒地意識到，電磁以太的力學模型難以令人信服，具有暫時的性質，一旦由它們孕育的胎兒——位移電流和電磁波呱呱墜地、健康成長，即可滌蕩而去．于是，在1865年的《電磁場的動力學理論》一文中，麥克斯韋直截了當地提出以電磁場為研究對象，給出了著名的麥克斯韋方程，電磁場理論從此誕生． 　　(4)恰當的數學表述 　　眾所周知，電荷產生的靜電場和電流產生的恒定磁場的性質，可以分別用相應的高斯定理和環(huán)路定理定量地表述，前者有源無旋，后者無源有旋．考慮到電場、磁場與實物的相互作用后，電荷有自由電荷與極化電荷(束縛電荷)之區(qū)分，電流有傳導電流與磁化電流之區(qū)分(在非恒定情形還有極化電流)，但靜電場與恒定磁場的性質并無變化，只是需要補充描繪實物性質的介質方程，以使之完備．由于在靜止或恒定條件下，電磁場是客觀存在還是僅僅是描繪手段無從斷定，上述結論是超距和近距作用觀點都可以接受的． 　　麥克斯韋建立的渦旋電場概念表明，除了電荷產生的電場外，還有變化磁場產生的渦旋電場，前者有源無旋，后者無源有旋，兩者之和的總電場是有源有旋的．麥克斯韋建立的位移電流概念包括兩項，其一是變化電場產生的磁場，另一是在非恒定情形極化電流產生的磁場，均無源有旋．麥克斯韋給出了渦旋電場與位移電流的定理表述，并把它們分別補充到靜電場的環(huán)路定理和恒定磁場的環(huán)路定理之中，由此建立了麥克斯韋方程．應該強調指出，麥克斯韋方程不只是靜場方程的單純補充修正，而是有了質的飛躍．因為麥克斯韋方程除了不再受靜止、恒定條件的限制外，更重要的是，它不僅描繪了電磁場的性質，而且揭示了電場與磁場的內在聯系以及電磁場變化和運動的規(guī)律． 　　麥克斯韋在《電磁場的動力學理論》一文中給出的方程，是用直角坐標分量形式表示的由20個方程構成的涉及20個變量的完備方程組，其中包括電磁場方程組、介質方程和電荷守恒定律(在麥克斯韋之后，經過赫茲和亥維賽等人的不斷加工提煉，才得出形式如當今教科書中的麥克斯韋方程)．在給出麥克斯韋方程之后，在該文中緊接著由方程嚴格證明，電磁波的傳播速度v＝ ，再次得出在真空中電磁波傳播速度等于光速c的結論．在該文中以及在后來的巨著《電磁通論》中，麥克斯韋討論了一系列重要的具體問題，作出了許多預言，它們的實踐最終證明電磁場的客觀存在，證明電磁場理論的正確性，宣告近距作用觀點勝利． 　　定量表述是物理理論成熟的重要標志．揭示物理本質的重要概念必須嚴格定義精確表述，通過概念間關系表達的定理、定律、原理等等必須有恰當的定量形式，這是嚴謹物理理論的基本要求．因為只有這樣，才能為相關的現象和規(guī)律提供定量的解釋和預言，同時，也才能使物理理論自身的是非真?zhèn)?、成立條件、適用范圍等得到定量的檢驗和界定．值得指出的是，適用于不同領域的物理理論的數學工具和描繪手段，是千變萬化各具特色的，需要根據各自的特點尋找或創(chuàng)立．在建立麥克斯韋方程時，矢量分析并不是已有的現成數學手段，實際上麥克斯韋、亥維賽等物理學家都對矢量分析做出了重要的貢獻． 　　普朗克在麥克斯韋誕辰一百周年(1931年)時指出：“在每一學科領域都有一些特殊的個人，他們似乎具有天賜之福，他們放射出一種超越國界的影響，直接鼓舞和促進全世界去探求．麥克斯韋是他們當中屈指可數的一位．”麥克斯韋一生有許多重要的貢獻，麥克斯韋方程的建立更是集中反映了他的超人智慧，它給予后人的深刻歷史啟示將永遠熠熠生輝