《電磁場與電磁波》教案一、教材分析電磁場的形成、電磁波的產(chǎn)生以及發(fā)射和接收是這兩節(jié)的知識主干，在物理觀念的形成上作為重點落實。由于LC回路產(chǎn)生電磁振蕩不如機械振動直觀，要引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合教材圖示分析理解，并通過多媒體手段和實驗演示等講這一過程形象化，幫助學(xué)生在物理思維的培養(yǎng)上再上一個臺階。電磁場的概念和麥克斯韋電磁理論是電磁學(xué)的核心內(nèi)容，但是中學(xué)對電磁場理論是要求初步了解。教材突出了理論的核心內(nèi)容是：變化的電場產(chǎn)生磁場，變化的磁場產(chǎn)生電場，交替產(chǎn)生的電場和磁場傳播出去形成電磁波。能夠動手實驗的要學(xué)生親自動手培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力。無線電波的發(fā)射和接收涉及概念較多，可以結(jié)合圖表、思維導(dǎo)圖、流程圖等多種手段，或者利用運送貨物的裝卸等流程來幫助學(xué)生理解調(diào)制、調(diào)諧、解調(diào)等一系列名次含義。對電磁波的發(fā)現(xiàn)以及無線電波的應(yīng)用，可以介紹赫茲和馬可尼等人的不懈努力以及科技成果，落實培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。二、學(xué)情分析學(xué)生在學(xué)習(xí)電磁場理論時，已經(jīng)具備：靜電場的知識、電流的產(chǎn)生和電流的磁效應(yīng)知識、電磁感應(yīng)現(xiàn)象等知識；接觸并了解過電磁波的接收(半導(dǎo)體收音機等)或發(fā)射的機械設(shè)備。學(xué)生對電磁場的知識掌握還不夠全面和系統(tǒng)化，要更好的創(chuàng)設(shè)情境，精心組織素材，進一步培養(yǎng)學(xué)生的抽象思維和創(chuàng)造思維能力。三、素養(yǎng)目標1．了解電磁場的形成、電磁波的產(chǎn)生。2．了解電磁波的發(fā)射、傳播和接收過程，知道無線電通信的基本原理。3.能正確區(qū)分調(diào)制、調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)諧和解調(diào)等概念。4.結(jié)合實際生活，說出無線電通信在生活中的應(yīng)用。四、教學(xué)重點、難點1．教學(xué)重點：電磁場的形成、電磁波的產(chǎn)生、無線電的傳播過程。2．教學(xué)難點：無線電波傳播的各種概念辨析。五、教學(xué)方法實驗演示法、類比分析法.六、教學(xué)過程同學(xué)們請看，這是電視臺發(fā)射電視信號的信號塔效果圖。那么，為什么要建高聳入云的發(fā)射塔呢？這是為了接受信號，也就是電磁波。接下來我們就來學(xué)習(xí)一下關(guān)于電磁波以及電磁波的發(fā)射和接收的相關(guān)知識。一、電磁波的產(chǎn)生1895年，意大利科學(xué)家馬可尼發(fā)明了無線電通信技術(shù)．從此，攜帶人類信息的電磁波開始在空間自由旅行，人們不必依賴電線，就可以在遙遠的地方互通信息．那么電磁波是怎么產(chǎn)生的呢？1.變化的磁場產(chǎn)生了電場.請大家先來看一個小實驗：這是可拆變壓器的一部分結(jié)構(gòu)，線圈通入交流電，內(nèi)部的鐵芯就可以被磁化。小燈泡線圈與鐵芯沒有接觸就可以發(fā)光。通過前面的學(xué)習(xí)，大家都知道這是由于電磁感應(yīng)現(xiàn)象。閉合電路中產(chǎn)生了感應(yīng)電流。麥克斯韋推廣到場的觀念，即便不存在閉合電路，變化的磁場產(chǎn)生了電場。2.變化的電場產(chǎn)生磁場麥克斯韋假設(shè)，既然變化的磁場能產(chǎn)生電場，那么變化的電場也會在空間產(chǎn)生磁場.這個假設(shè)沒有直接的實驗做基礎(chǔ)，是一個大膽而有創(chuàng)造性的假設(shè)。實驗演示，給兩平行的金屬圓盤充電過程，會使得小磁針偏轉(zhuǎn)，說明變化的電場產(chǎn)生了磁場。3.規(guī)律：恒定的電場不產(chǎn)生磁場均勻變化的電場產(chǎn)生恒定的磁場周期性變化的電場產(chǎn)生同周期的磁場4.進一步推斷(預(yù)言)變化的電場和磁場總是相互聯(lián)系，形成一個不可分割的統(tǒng)一的“電磁場”，變化的電磁場向外傳播，就形成了電磁波。二、電磁波1.電磁波的產(chǎn)生：變化的電場和磁場交替產(chǎn)生，由近及遠向周圍傳播，形成電磁波.2.麥克斯韋電磁場理論、電磁波的特點：(1)電場強度E、磁感應(yīng)強度B、傳播速度v三個量相互垂直（橫波）；(2)真空中的傳播速度等于c；(3)E和B隨時間和空間做周期性變化。3.電磁波的發(fā)現(xiàn)：1886，赫茲通過自制的實驗裝置，證實了電磁波的存在。儀器中有一對拋光的金屬小球，兩球之間有很小的空氣間隙。將兩球連接到產(chǎn)生高壓的感應(yīng)圈的兩端時，兩球之間出現(xiàn)了火花放電。如果能夠適時地把能量補充到振蕩電路中，以補償能量損耗，就可以得到振幅不變的等幅振蕩。實際電路中由電源通過電子器件為LC電路補充能量。插入視頻實驗。4.實驗的重要意義：(1)證實了電磁波的存在；(2)為以后的一系列實驗打下基礎(chǔ)，并且測量了電磁波的速度；(3)為無線電技術(shù)發(fā)展開拓了基礎(chǔ)。5.電磁波具有能量：電磁場的轉(zhuǎn)換就是電場能量與磁場能量的轉(zhuǎn)換，電磁波的發(fā)射過程是輻射能量的過程，傳播過程是能量傳播的過程.6.電磁場的物質(zhì)性：電磁場的轉(zhuǎn)換就是電場能量和磁場能量的轉(zhuǎn)換，因而電磁波的發(fā)射過程就是輻射能量的過程，傳播過程就是能量傳播的過程。原子和分子構(gòu)成的原子和分子構(gòu)成的實物以電磁場為代表的場物質(zhì)【小結(jié)】經(jīng)典物理的三次綜合17世紀，牛頓把天上和地上的運動規(guī)律統(tǒng)一起來，建立了經(jīng)典力學(xué)體系，實現(xiàn)第一次大綜合。19世紀，經(jīng)過邁爾、焦耳等人的研究，熱與能、熱運動的宏觀表現(xiàn)與微觀機制統(tǒng)一起來，實現(xiàn)了物理學(xué)史上的第二次大綜合。19世紀，麥克斯韋在庫侖、安培、法拉第等物理學(xué)家研究的基礎(chǔ)上，利用高超的數(shù)學(xué)技能，把電、磁、光統(tǒng)一起來，實現(xiàn)第三次大綜合。三、無線電波的發(fā)射和接收(一)發(fā)射條件1.有足夠高的振蕩頻率；2.電磁場分散到盡可能大的空間——開放；實際應(yīng)用中的開放電路，線圈的一端用導(dǎo)線與大地相連，這條導(dǎo)線叫做地線；線圈的另一端與高高架在空中的天線相連，無線電波就是由這樣巨大的開放電路發(fā)射出去的。3.開放電路的結(jié)構(gòu)和特點：(1)結(jié)構(gòu)：(2)特點：頻率高，電磁場在空間分散。(二)發(fā)射與接收1.無線電波的發(fā)射(1)發(fā)射電路聲音與圖像信號的頻率很低，不滿足直接發(fā)射的條件，只有高頻電磁波才能有效地向外發(fā)射。為了使需要傳遞的信息(如聲音、圖像等)加載在電磁波上發(fā)射到遠方，所以必須對振蕩電流進行調(diào)制。(2)調(diào)制，把要傳遞的信號附加到高頻等幅振蕩電流上的過程叫調(diào)制、調(diào)制分調(diào)幅和調(diào)頻兩種方式.(3)發(fā)射過程：話筒將接收到的聲音轉(zhuǎn)變?yōu)殡S聲音而變化的音頻電流，如圖(1)，振蕩器產(chǎn)生高頻等幅振蕩電流如，如圖(2).由于L1和L2的耦合(電磁感應(yīng))作用，高頻振蕩電流的振幅隨著音頻電流的波形而改變，如圖(3)所示.經(jīng)過調(diào)幅的高頻信號由L3和L4耦合到開放電路，向外發(fā)射載有音頻信號的電磁波.分析無線電波的接收：當(dāng)電磁波在空間遇到閉合回路時，就會在回路中引起感應(yīng)電流，感應(yīng)電流的頻率跟電磁波的頻率相同，電磁波就被接收到。2.無線電波的接收：無線電波的接收原理：電磁波在傳播過程中如果遇到導(dǎo)體，會使導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電流．因此空中的導(dǎo)體可以用來接收電磁波．類比共振，引入電諧振。(1)電諧振：當(dāng)接電路的固有頻率跟接收到的電磁波的頻率相同時，接收電路中產(chǎn)生的振蕩電流最強，這種現(xiàn)象叫電諧振。電諧振是電磁振蕩中的“共振現(xiàn)象”。連接下圖所示電路，打開信號源，調(diào)節(jié)示波器工作狀態(tài)，示波器出現(xiàn)振蕩信號.再調(diào)節(jié)可變電容器，直到示波器顯示信號的振幅最大，這就是調(diào)諧過程。(2)調(diào)諧和調(diào)諧電路使接收電路產(chǎn)生電諧振的過程叫調(diào)諧；能夠調(diào)諧的電路叫調(diào)諧電路，如圖所示；分析調(diào)諧電路接收的信號特征；調(diào)諧電路接收到的信號中既有音頻信號，又有高頻信號，這就需要我們將這兩種信號進行分離。(3)檢波和檢波電路將電磁波中攜帶信息的信號從高頻振蕩信號中分離出來叫做檢波。右圖中L2、D、C2和耳機共同組成檢波電路.最后請同學(xué)們了解無線電波的分類，出示投影圖表。3.無線電波的分段波段波長頻率傳播方式主要用途長波30000m~3000m10kHz~100kHz地波超遠程無線通訊和導(dǎo)航中波3000m~200m100kHz~1500kHz地波和天波調(diào)幅無線電廣播、電報、通信中短波200m~50m1500kHz~6000kHz短波50m~10m6MHz~30MHz天波微波米波10m~1m30MHz~300MHz近似直線傳播調(diào)頻無線電廣播、電視、導(dǎo)航分米波1m~0.1m300MHz~3000MHz直線傳播電視、雷達、導(dǎo)航厘米波10cm~1cm3000MHz~30000MHz毫米波10mm~1mm30000MHz~300000MHz【回應(yīng)】【提示】電視信號要有效地發(fā)射出去，必須采用高頻開放電路，電磁波的波長比較短，以直線傳播為主，遇到障礙物會被阻擋，所以發(fā)射天線要架得高一些．(三)高頻電視信號的三種傳播方式：1.地面無線電傳輸；2.有線網(wǎng)絡(luò)傳輸；3.衛(wèi)星傳輸。傳輸過程一般分為以下幾個步驟：【習(xí)題】【例題1】如圖所示，華為Mate40系列手機一經(jīng)面世，受到世人追捧，除了領(lǐng)先世界的5G通訊、信息安全以外，人們還可以體驗它無線充電的科技感。右圖為無線充電原理圖，由與充電底座相連的送電線圈和與手機電池相連的受電線圈構(gòu)成。當(dāng)送電線圈通入周期性變化的電流時，就會在受電線圈中感應(yīng)出電流，從而實現(xiàn)為手機充電。在充電過程中（）A．送電線圈中產(chǎn)生均勻變化的磁場B．送電線圈中產(chǎn)生周期性變化的磁場C．無線充電的原理是互感現(xiàn)象D．手機電池是直流電源，所以受電線圈輸出的是恒定電流【答案】BC【例題2】為了增大無線電臺向空間發(fā)射無線電波的能力，對LC振蕩電路的結(jié)構(gòu)可采用下列哪些措施（）A.增大電容器極板的正對面積B.增大電容器極板的間距C.增大自感線圈的匝數(shù)D.提高供電電壓【答案】B【解析】四、小結(jié)本節(jié)主要學(xué)習(xí)了以下內(nèi)容1.電磁場理論：變化的磁場產(chǎn)生電場；變化的電場產(chǎn)生磁場。2.電磁波的特點、赫茲實驗。3.無線電波的發(fā)射條件；4.無線電波的發(fā)射和接收過程。課后篇素養(yǎng)形成必備知識基礎(chǔ)練1.(多選)根據(jù)麥克斯韋電磁場理論,下列說法正確的是()A.電場周圍一定產(chǎn)生磁場,磁場周圍一定產(chǎn)生電場B.變化的磁場周圍一定產(chǎn)生電場C.變化的電場周圍一定產(chǎn)生變化的磁場D.電磁波在真空中的傳播速度為3.0×108m/s解析根據(jù)麥克斯韋的電磁場理論,變化的電場周圍產(chǎn)生磁場,變化的磁場周圍產(chǎn)生電場,但變化的電場周圍不一定產(chǎn)生變化的磁場,如均勻變化的電場產(chǎn)生的是穩(wěn)定的磁場。根據(jù)以上分析,選項B、D正確。答案BD2.關(guān)于電磁波傳播速度表達式v=λf,下列說法正確的是()A.波長越長,傳播速度越快B.頻率越高,傳播速度越快C.發(fā)射能量越大,傳播速度越快D.電磁波的傳播速度與傳播介質(zhì)有關(guān)解析在真空中傳播時,各類電磁波的傳播速度相同。在介質(zhì)中傳播時,傳播速度與介質(zhì)有關(guān)。答案D3.(多選)用麥克斯韋的電磁場理論判斷,表示電場(或磁場)產(chǎn)生磁場(或電場)的正確圖像是()解析由法拉第電磁感應(yīng)定律E=nΔΦΔt=nΔBΔtS可知,感應(yīng)電動勢與磁感應(yīng)強度的變化率成正比。同理,感應(yīng)電場也與ΔBΔt成正比,E與B的相位相差π2,故選項答案BC4.(多選)根據(jù)麥克斯韋電磁場理論,變化的磁場可以產(chǎn)生電場,當(dāng)產(chǎn)生的電場的電場線如圖所示時,可能是()A.向上方向的磁場在增強B.向上方向的磁場在減弱C.向上方向的磁場先增強,然后反向減弱D.向上方向的磁場先減弱,然后反向增強解析向上方向的磁場增強時,感應(yīng)電流的磁場阻礙原磁場的增強而方向向下,根據(jù)安培定則感應(yīng)電流方向如圖中E的方向所示,選項A正確,選項B錯誤。同理,當(dāng)向下的磁場減弱時,也會得到如圖中E的方向,選項C正確,選項D錯誤。答案AC5.下列關(guān)于電磁波的說法正確的是()A.電磁波必須依靠介質(zhì)傳播B.電磁波可以發(fā)生衍射現(xiàn)象C.電磁波不會發(fā)生偏振現(xiàn)象D.電磁波與機械波本質(zhì)上是一致的解析電磁波具有波動性,可以發(fā)生衍射、偏振現(xiàn)象,電磁波的傳播不需要介質(zhì),與機械波的本質(zhì)是不同的。答案B6.(多選)下列關(guān)于電磁波的說法正確的是()A.只要電場或磁場發(fā)生變化,就能產(chǎn)生電磁波B.電磁波傳播需要介質(zhì)C.赫茲用實驗證實了電磁波的存在D.電磁波具有能量,電磁波的傳播是伴隨有能量向外傳遞的解析如果電場(或磁場)是均勻變化的,產(chǎn)生的磁場(或電場)是穩(wěn)定的,就不能再產(chǎn)生新的電場(或磁場),也就不能產(chǎn)生電磁波;電磁波不同于機械波,它的傳播不需要介質(zhì);赫茲用實驗證實了電磁波的存在;電磁波具有能量,它的傳播是伴隨有能量傳遞的。故選C、D。答案CD關(guān)鍵能力提升練7.(多選)磁場的磁感應(yīng)強度B隨時間t變化的四種情況,如圖所示,其中能產(chǎn)生持續(xù)電磁波的有()解析根據(jù)麥克斯韋的電磁理論可知,要產(chǎn)生電磁波就要由周期性變化的磁場產(chǎn)生周期性變化的電場,再由周期性變化的電場產(chǎn)生周期性變化的磁場,這樣振蕩產(chǎn)生的電磁場由發(fā)生區(qū)域向周圍空間傳播形成電磁波,故B、D選項正確。答案BD8.如圖是某一固定面的磁通量的變化圖像,在它周圍空間產(chǎn)生的電場中的某一點的電場強度E應(yīng)是()A.逐漸增強 B.逐漸減弱C.不變 D.無法判斷解析由題意可知,固定面的磁通量Φ=BS均勻增大,則磁場均勻增大,由麥克斯韋的電磁理論可知,產(chǎn)生恒定的電場,故選項C正確。答案C9.(多選)如圖所示,在內(nèi)壁光滑、水平放置的玻璃圓環(huán)內(nèi),有一直徑略小于環(huán)口徑的帶正電的小球,正以速度v0沿逆時針方向勻速轉(zhuǎn)動。若在此空間突然加上方向豎直向上、磁感應(yīng)強度B隨時間成正比例增加的變化磁場,設(shè)運動過程中小球的電荷量不變,那么()A.小球受到玻璃環(huán)的彈力不斷增大B.小球受到的磁場力不斷增大C.小球先