第31单元：电磁场和电磁波

电磁场和电磁波教学目的：通过演示和讲解，让学生理解电磁场的理论。

了解电磁波的产生，掌握电磁波的传播公式。

一、准备知识：1、分析闭合电路中电流的形成：分析电路中AB 中电流的方向是A →B ，问为什么会有A 到 B 的电流，重点确定电流形成的实质是导体中有电场的结果，而 电场产生的电场力使电荷发生了定向移动。

结论：电路中电流形成的实质是电荷在电场力作用下发生的定向移动，而电场力的发生一．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．定伴随电场，电场的方向与导体中电流的方向相同。

．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 2、感应电流的产生：要使M 中产生感应电流的条件是什么？穿过闭合回路M 的B 发生变化。

强调：在．M ．环中产生感应电流的实质是环内产生了电场，电场驱．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 使电子定向移动而产生了电流，电场的方向与电流方向相同。

．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．那么将金属环拿走，当磁场变化时的电场是否存在呢？————引入麦克斯韦的电磁场理论。

3、一个变化的磁场中放一个闭合线圈会产生感应电流，这是一种电磁感应现象。

麦克斯韦研究了这种现象，认为若电路闭合就会有感应电流；若电路不闭合，则会产生感应电场；这个电场驱使导体中电子的运动，从而产生了感应电流。

麦克斯韦把这种情况的分析推广到不存在闭合电路的情形，他认为在变化的磁场周围产生电场，是一种普遍现象，跟闭合电路是否存在无关。

二、新课知识：1、变化的磁场产生电场。

2、麦克斯韦研究了电现象和磁现象，他预言既然变化的磁场能产生电场，那么变化的电场也能产生磁场。

变化的电场产生磁场3、分析 ①恒定的电场周围无磁场，恒定的磁场周围无电场。

②均匀变化的电场周围产生恒定的磁场，均匀变化的磁场周围产生恒定的电场。

③周期性变化的电场周围存在同周期的磁场，周期性变化的磁场在周围产生同周期的电场。

4、电磁场的形成：变化的电场和变化的磁场是相互联系着的一个不可分割的统一体，这就是电磁场。

麦克斯韦预言：这种电磁场由发生区域向无限远处的空间传播就形成了电磁波。

且在真空中电磁波的传播速度跟光速相等。

麦克斯韦的预言最后由物理学家赫子证实了电磁波的存在，并进一步分析电磁波在真空中的传播速度为C=3.00×108m/s 电磁波的波长由V=λf 得到5、无线电波：无线电技术中使用的电磁波叫做无线电波。

无线电波的波长从几毫米到几十千米。

通常根据波长或频率把无线电波分成几个波段————长波、中波、中短波、短波、微波。

二、例题分析：例题1、LC 回路的频率为100赫兹，电容为0.1微法.求电感是多大? ( 25H )如果LC 回路AB的频率为1000赫兹,电容不变,电感又是多大?( 250H )例题2、一台收音机的接收频率范围从f1=2.2MHz到f=22MHz；设这台收音机能接收的相应波长范围从λ1到λ2，调谐电容器的相应电容量变化范围从C1到C2，那么波长之比为λ1：λ2=（10：1）, 电容之比为C1：C2=（100：1）例题3、在LC振荡电路中，已知电容器电容为C，振荡电流i=I m sinωt，则此电路中线圈的自感系数L=（1/ω2C）, 若该电路发射的电磁波在某种媒质中的波长为λ, 则电磁波在这种媒质中的传播速度为（λω/2π）。

例题4、（ B ）无线电广播中波段的波长范围为187~560米，为了避免邻台干扰，两个相邻电台的频率至少相差104赫，则在此波段中，最多能容纳的电台数约：A、500个B、100个C、187个D、20个。

三、作业：P142（1）~（3）科学家的故事：麦克斯韦：麦克斯韦是英国的理论物理学家、数学家。

15岁就曾向英国皇家学会递交数学论文，发表在《爱丁堡皇家学会学报》上。

16岁考入爱丁堡大学学习数学和物理学，19岁转入剑桥大学。

他读到法拉第的著作《电学实验研究》，立即被它吸引住了，24岁发表了第一篇有关电磁学的论文——《法拉第的力线》。

年轻的麦克斯韦以他卓越的数学才能把法拉第用直观、形象方式表述的电磁理论，加以概括提高，总结了当时对电磁现象研究的成果，建立了电磁场的基本方程，即麦克斯韦方程组，确立了电磁场的理论。

从理论上预言了电磁波的存在。

麦克斯韦的电磁理论实现了科学认识的一个革命性变革，其简洁的数学形式中蕴藏着完美的对称结构：电场和磁场的对称性；时间和空间的对称性。

1879年11月5日麦克斯韦在剑桥逝世，年仅49岁。

赫兹：赫兹是德国物理学家。

他在物理学上最主要的贡献是用实验成功地证明了电磁波的存在，并且完善了麦克斯韦的电磁场理论。

赫兹因骨癌被过早地夺去生命，于1894年逝世，年仅37岁。

他的导师亥姆霍兹赞扬：“才气横溢，性格坚毅，用自已极短暂的一生解决了一个世纪以来许多科学家所没有解决的一系列重要问题。

”被誉为无线电通讯的先躯。

电势差与电势强度的关系教学目标知识目标1、理解匀强电场中电势差与电场强度的定性、定量关系．对于公式要知道推导过程．2、能够熟练应用解决有关问题．能力目标通过对匀强电场中电势差和电场强度的定性、定量关系的学习，培养学生的分析、解决问题的能力．情感目标从不同角度认识电场、分析寻找物理量之间的内在联系，培养学生对科学的探究精神，体会自然科学探究中的逻辑美．教学建议教材分析前面几节的内容是研究描述电场的各个物理量，本节内容是研究电势差与电场强度的关系，注意电场强度是描述电场力的性质，电势是描述电场能的性质、电势差是跟电场力移动电荷做功相互联系（如下图），电场强度与电势差的关系、电场力与电势能的变化之间的关系，这两个关系之间的内部逻辑．教师在讲解时需要把握其内部联系．教法建议本节课是通过分析推理得出匀强电场的电势差与电场强度之间的关系的，教学中重视启发学生联想，分析物理量之间的关系，要使学生不仅知道结论，并会推导得出结论，在一定的条件下正确应用结论．教学设计示例电势差与电场强度关系一、课题引入：讲解：场强是跟电场对电荷的作用力相联系的，电势差是跟电场力移动电荷做功相联系的．那么场强与电势差有什么关系呢？我们以匀强电场场为例来研究．问题1：如图所示匀强电场E中，正电荷q在电场力作用下从A点沿电场方向移动到B点，已知A B两点之间的距离为d，分析电场强度E与电势差之间有什么关系？AB间距离为d，电势差为，场强为E．把正电荷q从A点移到B时，电场力所做的功为．利用电势差和功的关系，这个功又可求得为，比较这两个式子，可得，即：这就是说，在匀强电场中，沿场强方向的两点间的电势场等于场强和这两点间距离的乘积．如果不是沿场强方向的呢？（学生可以进行讨论分析）如图所示（教师出示图片）并讲解AD两点间电势差仍为 U，设AD间距离s，与AB夹角，将正电荷从A移动到D，受电场力方向水平向右，与位移夹角，故电场力做功为，，所以．利用电势差和功的关系，，比较这两个式子可得．d为AB两点间距离，也是AB所在等势面间距离或者可以说是AD两点间距离s在场强方向的投影．关于公式，需要说明的是：1、U为两点间电压，E为场强，d为两点间距离在场强方向的投影．2、由，得，可得场强的另一个单位：所以场强的两个单位伏／米，牛／库是相等的．注：此公式只适用于匀强场．二、例题讲解（具体内容参考典型例题资料）三、教师总结：场强表示单位电量的电荷所受的电场力，而电场中两点间的电势差表示单位电量的电荷在这两点间移动时电场力所做功的大小，由于力和功是互相联系的，所以场强与电势差之间存在着必然的联系．在非匀强电场中，电势差与场强的关系要复杂的多，但是电场中两点间距离越小时的电势差越大，则该处场强就越大．只能是定性判断电磁感应现象教学目标知识目标1、知道磁通量的定义，公式的适用条件，会用这一公式进行简单的计算．2、知道什么是电磁感应现象．3、理解“不论用什么方法，只要穿过闭合电路的磁通量发生变化，闭合电路中就有电流产生”．4、知道能量守恒定律依然适用于电磁感应现象．能力目标1、通过实验的观察和分析，培养学生运用所学知识，分析问题的能力．情感目标1、学生认识“从个性中发现共性，再从共性中理解个性，从现象认识本质以及事物有普遍联系的辨证唯物主义观点．教学建议关于电磁感应现象的教学分析1．电磁感应现象利用磁场产生电流的现象叫做电磁感应产生的电流叫做感应电流。

2．产生感应电流的条件①当闭合电路的一部分导体在磁场里做切割磁感线的运动时，电路中产生了感应电流。

②当磁体相对静止的闭合电路运动时，电路中产生了感应电流．③当磁体和闭合电路都保持静止，而使穿过闭合电路的磁通量发生改变时，电路中产生了感应电流．其实上述①、②两种情况均可归结为穿过闭合电路的磁通量发生改变，所以，不论用什么方法，只要穿过闭合电路的磁通量发生变化，闭合电路中就有电流产生．3．电磁感应现象中的能量守恒电磁感应现象中产生的电能不是凭空产生的，它们或者是其他形式的能转化为电能，或者是电能在不同电路中的转移，电磁感应现象遵循能量守恒定律．教学重点和教学难点教学重点：感应电流的产生条件是本节的教学重点，而正确理解感应电流的产生条件是本节教学的难点．由于学生在初中时已经接触过相关的电磁感应现象，因此在讲解电流的产生时可以让学生通过实验加深对现象的认识，如果条件允许可以让学生自己动手实验，并在教师引导下进行分组讨论，教师可以通过问题的设计来引导实验的进行，例如：对实验数据表格的设计以及相关问题的探讨，让学生明白感应电流产生的条件．正确理解感应电流产生的条件．电磁感应现象教学设计方案教学目的：1、知道磁通量的定义，知道磁通量的国际单位，知道公式的适用条件，会用公式计算．2、启发学生观察实验现象，从中分析归纳通过磁场产生电流的条件．3、通过实验的观察和分析，培养学生运用所学知识，分析问题的能力．教学重点：感应电流的产生条件教学难点：正确理解感应电流的产生条件．教学仪器：电池组，电键，导线，大磁针，矩形线圈，碲形磁铁，条形磁铁，原副线圈，演示用电流表等．教学过程：一、教学引入：在磁可否生电这个问题上，英国物理学家法拉第坚信，电与磁决不孤立，有着密切的联系．为此，他做了许多实验，把导线放在各种磁场中想得到电流需要一定的条件，他以坚韧不拔的意志历时10年，终于找到了这个条件，从而开辟了物理学又一崭新天地．电磁感应现象：二、教学内容1、磁通量（）复习：磁感应强度的概念引入：教师：我们知道，磁场的强弱（即磁感应强度）可以用磁感线的疏密来表示．如果一个面积为的面垂直一个磁感应强度为的匀强磁场放置，则穿过这个面的磁感线的条数就是确定的．我们把与的乘积叫做穿过这个面的磁通量．（1）定义：面积为，垂直匀强磁场放置，则与乘积,叫做穿过这个面的磁通量，用Φ表示．（2）公式：（3）单位：韦伯（Wb） 1Wb=1T〃m2磁通量就是表示穿过这个面的磁感线条数．注意强调：①只要知道匀强磁场的磁感应强度和所讨论面的面积，在面与磁场方向垂直的条件下（不垂直可将面积做垂直磁场方向上的投影．）磁通量是表示穿过讨论面的磁感线条数的多少．在今后的应用中往往根据穿过面的净磁感线条数的多少定性判断穿过该面的磁通量的大小．如果用公式来计算磁通量，但是只适合于匀强磁场．②磁通量是标量，但是有正负之分，磁感线穿过某一个平面，要注意是从哪一面穿入，哪一面穿出．2、电磁感应现象：内容引入：奥斯特实验架起了一座连通电和磁的桥梁，此后人们对电能生磁已深信不疑，但磁能否生电呢？在磁可否生电这个问题上，英国物理学家法拉第坚信，电与磁决不孤立，有着密切的联系．为此，他做了许多实验，把导线放在各种磁场中想得到电流需要一定的条件，他以坚韧不拔的意志历时10年，终于找到了这个条件，从而开辟了物理学又一崭新天地．3、实验演示实验1：学生实验——导体在磁场中切割磁力线的运动观察现象：AB做切割磁感线运动，可见电流表指针偏转．学生得到初步结论：当闭合回路中的部分导体做切割磁感线的运动时，电路中有了电流．现象分析：如图1导体不切割磁力线时，电路中没有电流；而切割磁力线时闭合电路中有电流．回忆磁通量定义（师生讨论）对闭合回路而言，所处磁场未变，仅因为AB的运动使回路在磁场中部分面积变了，使穿过回路的磁通变化，故回路中产生了电流．设问：那么在其它情况下磁通变化是否也会产生感应电流呢？实验2：演示实验——条形磁铁插入线圈观察提问：A、条形磁铁插入或取出时，可见电流表的指针偏转．B、磁铁与线圈相对静止时，可见电流表指针不偏转．现象分析：（师生讨论）对线圈回路，当线圈与磁铁有沿轴线的相对运动时，所处磁场因磁铁的远离和靠近而变化，而未变，故穿过线圈的磁通变化，产生感应电流，而当磁铁不动时，线圈处，不变，故无感应电流．实验3：演示实验——关于原副线圈的实验演示实验观察：移动变阻器滑片（或通断开关），电流表指针偏转．当A中电流稳定时，电流表指针不偏转．现象分析：对线圈，滑片移动或开关通断，引起A中电流变，则磁场变，穿过B的磁通变，故B中产生感应电流．当A中电流稳定时，磁场不变，磁通不变，则B中无感应电流．教师总结：不同的实验，其共同处在于：只要穿过闭合回路的磁通量的变化，不管引起磁通量变化的原因是什么，闭合电路中都有感应电流产生．结论：无论用什么方法，只要穿过闭合电路的磁通量发生变化，闭合电路就有电流产生，这种利用磁场产生电流的现象叫电磁感应，产生的电流叫感应电流．电磁感应现象中的能量转化：引导学生讨论分析上述三个实验中能量的转化情况．3、例题讲解4、教师总结：能量守恒定律是一个普遍定律，同样适合于电磁感应现象．电磁感应现象中产生的电能不是凭空产生的，它们或者是其它形式的能转化为电能，或者是电能在不同电路中的转移．5、布置作业。