一、導引
人類認識客觀世界,發現新的事物,常有二種方式,一種是從生產實踐,科學實驗中觀察分析后發現新的事物,另一種是從科學理論出發,預言新的事物存在,電磁波的發現,屬于后一種。麥克斯韋從電磁場理論出發,運用了較為深奧的數學工具,得到了描述電磁場特性的規律,并預言了電磁波的存在。10年后,他的學生赫茲用實驗方法證實了麥克斯韋的偉大預言,發射并接收了電磁波,從而開創了無線電技術的新時代。
我們現在粗略地介紹了一下麥克斯韋的這個理論。
二、授課
1.麥克斯韋的理論要點一,變化的磁場產生電場
演示實驗
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光。
(1)線圈中產生感應電動勢說明了什么?
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(渦旋電場)在線圈中驅使自由電子做定向的移動,引起了感應電流。
(2)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?
引導學生思考后回答,有電場、無電流。
(3)想象線圈不存在時線圈所在處的空間還有電場嗎?(有)
(4)總結說明,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,即這是一種普遍存在的現象,跟閉合電路是否存在無關。
2.變化的電場產生磁場
我們知道,電流周圍存在著磁場,麥克斯韋研究了電現象和磁現象的相似和聯系。經過反復思考提出一個假設,變化的電場產生磁場。
這一點,我們從哲學上知道,事物之間是相互聯系的,可以相互轉化。
比如根據麥克斯韋的理論,在給電容器充電的時候,不僅導體中電流要產生磁場,而且在電容器兩極板間周期性變化著的電場周圍也要產生磁場。
3.電磁場、電磁波
(1)概念
麥克斯韋根據自己的理論進一步預言,如果在空間某域中有周期性變化的電場,那么,這個變化的電場就在它周圍空間產生周期性變化的磁場,這個變化的磁場又在它周圍空間產生新的周期性變化的電場……?梢,變化的電場和變化的磁場是相互聯系的,形成一個不可分離的統一體,這就是電磁場,這種變化的電場和變化的磁場總是交替產生,并且由發生的區域向周圍空間傳播。見課本6-7圖,電磁場由發生區域向遠處的傳播就是電磁波。
(2)電磁波的特點
①是橫波
②是物質波,真空中也能傳播,能獨立存在(與機械波不同)
③具有反射、折射、干涉、衍射等波的一切特性
(3)波速公式c=λf
c為真空中速度,電磁波在真空中速度等于光速。
無線電技術中使用的電磁波叫無線電波,見課本表格介紹。
三、擴展
麥克斯韋的電磁場理論三點
1.變化的磁場能夠在周圍空間產生電場,變化的電場能夠在周圍空間產生磁場。
2.均勻變化的磁場,產生穩定的電場,均勻變化的電場,產生穩定的磁場。這里的“均勻變化”指在相等時間內磁感應強度(或電場強度)的變化量相等,或者說磁感應強度(或電場強度)對時間變化率一定。
3.不均勻變化的磁場產生變化的電場,不均勻變化的電場產生變化的磁場
4.振蕩的(即周期性變化的)磁場產生同頻率的振蕩電場,振蕩的電場產生同頻率的振蕩磁場。
5.變化的電場和變化的磁場總是相互聯系著,形成一個不可分離的統一體,這就是電磁場,向周圍空間傳播這就是電磁波。
四、學生活動設計
通過觀察試驗,發揮想象能力,畫出變化磁場產生的電場的電場線。2.總結機械波與電磁波的聯系與區別
五、板書設計
電磁場和電磁波
麥克斯韋電磁場理論
1.變化的磁場產生電場
2.變化的電場產生磁場
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