教案案例之三：Maxwell电磁场理论的建立

电磁场maxwell课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能理解并掌握麦克斯韦方程组的基本概念和数学表达；2. 学生能解释电磁波的产生、传播和接收的基本原理；3. 学生能运用麦克斯韦方程组分析简单的电磁现象。

技能目标：1. 学生能够运用数学工具，如微积分和向量代数，解决电磁场问题；2. 学生能够运用物理原理，设计和进行简单的电磁场实验；3. 学生能够通过案例分析和问题解决，提高科学探究和逻辑思维能力。

情感态度价值观目标：1. 学生通过学习电磁场理论，培养对物理科学的兴趣和好奇心；2. 学生在学习过程中，培养批判性思维和创新精神；3. 学生通过小组合作，培养团队协作精神和沟通能力；4. 学生能够认识到物理学在科技发展和现代社会中的重要作用，增强社会责任感和使命感。

课程性质：本课程为高中物理选修课，旨在帮助学生深入理解电磁场理论，提高科学素养。

学生特点：高中年级学生，具备一定的物理基础和数学技能，对电磁现象有一定了解，求知欲强。

教学要求：结合学生特点，通过案例教学、实验操作和问题讨论等多种教学方法，使学生在掌握知识的同时，提高实践能力和科学素养。

将目标分解为具体的学习成果，以便于后续的教学设计和评估。

二、教学内容1. 麦克斯韦方程组的推导与解释- 引导学生从法拉第电磁感应定律、安培环路定律等基本定律出发，推导出麦克斯韦方程组；- 通过实例分析，让学生理解麦克斯韦方程组在描述电磁场中的重要作用。

2. 电磁波的产生与传播- 讲解电磁波的产生原理，如变化的电场产生磁场、变化的磁场产生电场；- 介绍电磁波的传播特性，包括传播速度、波长、频率等概念。

3. 电磁波的发射、传播与接收- 分析无线电波发射、传播和接收的基本原理；- 引导学生了解天线的工作原理及其在电磁波传播中的作用。

4. 电磁场应用案例分析- 结合实际案例，如无线电通信、雷达、电磁兼容等，让学生了解电磁场在科技领域的应用；- 组织学生讨论电磁场应用中的优点和潜在问题。

麦克斯韦与电磁场理论的创立摘要：麦克斯韦是科学史上最伟大的物理学家之一，他的电磁场理论被誉为19世纪的电磁学史上的一座丰碑，他不但将全部电磁现象所服从的规律概括为我们所熟知的麦克斯韦方程组，而且还预言了电磁波的存在。

他所完成的不朽著作《电磁场通论》，对当代物理学家甚至对以后几代物理学家来说都是一个伟大而又不易达到的丰碑。

同时，麦克斯韦对科学之外的远见卓识和物理学领域一样令人惊叹。

关键词：麦克斯韦麦克斯韦方程组电磁波《电磁场通论》Maxwell and The Creation of ElectromagneticField TheoryAbstract:The history of science Maxwell is one of the greatest physicist of his electromagnetic theory of electromagnetism known asthe 19th-century history of a monument, not only he will obey all thelaws of electromagnetic phenomena summarized as Maxwell's equationswe know group, but also predicted the existence of electromagnetic waves. Completed his monumental book "General Theory of Electromagnetic Fields", and even after several generations of contemporary physicists for physicists, is a great and easy to reach the monument. Meanwhile, Maxwell on the science of physics beyond thefield of vision and the same is amazing.Keywords: Maxwell Maxwell's equations Electromagnetic waves "General Theory of Electromagnetic Fields"目录1 引言 (3)2 麦克斯韦的初期经历 (3)3 划时代的三篇论文 (6)3.1论文的前期准备 (6)3.2《论法拉第的力线》的发表 (7)3.3《论物理力线》的发表——位移电流 (8)3.4《电磁场的动力学理论》 (9)4 格伦莱尔的悠闲与《电磁场通论》的出版 (10)4.1格伦莱尔的悠闲 (10)4.2 《电磁场通论》的创作 (11)5 麦克斯韦电磁理论对后世的影响 (12)结论 (13)致谢 (14)参考文献 (15)麦克斯韦与电磁场理论的创立一、引言:1820年4月，丹麦物理学家奥斯特发现了电流的磁效应，这标志着电磁学的开始；随后法国物理学家安培在奥斯特实验的基础上于1820年至1827年创立了超距论的电动力学；1831年，英国物理学家法拉第）发现电磁感应定律；1845年至1846年，德国物理学家纽曼和韦伯发展了安培的电动力学，创立了德国电动力学体系，在欧洲大陆风靡一时。

Mawell教学讲解课件.一、教学内容本课件基于《电磁学》教材第四章“麦克斯韦方程组及其应用”，详细内容涵盖：麦克斯韦方程组的数学表达形式及其物理意义，边界条件的应用，以及静态电磁场和时变电磁场的分析和计算。

二、教学目标1. 理解并掌握麦克斯韦方程组的四个基本方程及其衍生形式。

2. 能够运用麦克斯韦方程组分析和解决实际电磁问题。

3. 掌握电磁波的产生与传播，理解电磁波在现代科技中的应用。

三、教学难点与重点教学难点：麦克斯韦方程组的理解与应用，特别是时变电磁场问题的分析。

教学重点：麦克斯韦方程组的推导，以及各个方程的物理意义。

四、教具与学具准备1. 电磁学实验器材：电流表、电压表、导线、电容和电感元件。

2. 多媒体教学设备，用于展示电磁场模拟动画。

3. 学生用计算器、笔记本、教材。

五、教学过程1. 实践情景引入：通过简单的电磁感应实验，引导学生思考电磁场的变化规律。

2. 理论讲解：详细讲解麦克斯韦方程组的四个方程，每个方程通过例题进行讲解。

例题1：计算一个简单闭合回路的磁通量变化。

例题2：分析一个平面电磁波的传播特性。

3. 随堂练习：布置与例题难度相近的练习题，学生现场解答，教师及时反馈。

4. 互动讨论：针对麦克斯韦方程组的应用，组织学生讨论其在现实生活中的应用案例。

六、板书设计1. 麦克斯韦方程组的四个基本方程。

2. 例题的详细解题步骤。

3. 随堂练习的关键步骤提示。

七、作业设计1. 作业题目：计算给定线圈中的感应电动势，并分析其与线圈半径、线速度的关系。

描述一个均匀磁场中平面电磁波的传播特点。

2. 答案：作业答案将提供详细的计算步骤和最终结果。

八、课后反思及拓展延伸1. 反思：通过学生作业和随堂练习的反馈，调整教学方法，加强学生对难点的理解。

2. 拓展延伸：鼓励学生探索麦克斯韦方程组在现代通信技术中的应用，例如无线充电技术、光纤通信等。

组织课外阅读和小组讨论，拓宽学生视野。

重点和难点解析：1. 麦克斯韦方程组的理解与应用。

【课 题】 §3.1 麦克斯韦的电磁场理论 【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）。

《电磁场理论的建立及验证》导学案一、学习目标1、了解电磁场理论建立的历史背景和重要人物。

2、理解电磁场理论的基本概念和主要内容。

3、掌握电磁场理论的验证方法和实验证据。

4、培养运用电磁场理论解决实际问题的能力。

二、学习重难点1、重点（1）麦克斯韦方程组的理解和应用。

（2）电磁波的产生、传播和特性。

2、难点（1）位移电流概念的理解。

（2）电磁场的物质性和统一性的认识。

三、知识回顾1、静电场和静磁场的基本规律（1）库仑定律：描述真空中两个静止点电荷之间的作用力。

（2）高斯定律：反映静电场的通量与电荷量的关系。

（3）安培环路定律：用于计算稳恒磁场的磁感应强度。

2、法拉第电磁感应定律指出闭合回路中感应电动势的大小与穿过回路的磁通量的变化率成正比。

四、新课导入在 19 世纪中叶以前，人们对电和磁的认识是分别进行的。

静电场和静磁场的规律已经被较为完善地建立起来，但对于电和磁之间的联系，还缺乏系统的理论。

直到麦克斯韦的出现，他在前人的基础上，建立了统一的电磁场理论，这是物理学发展史上的一个重要里程碑。

五、电磁场理论的建立1、麦克斯韦的贡献麦克斯韦在前人的研究基础上，通过深入的思考和数学推导，提出了位移电流的概念，并将安培环路定律进行了修正和推广。

他认为变化的电场也能产生磁场，与传导电流产生的磁场一样。

2、麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组由四个方程组成，分别是高斯定律、高斯磁定律、法拉第电磁感应定律和安培麦克斯韦定律。

（1）高斯定律：描述了电场的散度与电荷量的关系。

（2）高斯磁定律：表明磁场的散度总是为零，即磁力线总是闭合的。

（3）法拉第电磁感应定律：解释了时变磁场如何产生电场。

（4）安培麦克斯韦定律：反映了时变电场如何产生磁场。

这四个方程完整地描述了电磁场的基本规律，揭示了电场和磁场相互联系、相互激发的性质，预言了电磁波的存在。

六、电磁场理论的验证1、赫兹实验赫兹通过实验成功地验证了电磁波的存在。

他设计了一个简单的实验装置，包括一个火花发生器和一个带有缝隙的金属圆环。

《电磁场理论的建立及验证》导学案一、学习目标1、了解电磁场理论建立的背景和过程。

2、掌握电磁场理论的基本概念和主要内容。

3、理解电磁场理论的验证方法和实验依据。

4、能够运用电磁场理论解决简单的实际问题。

二、学习重点1、电磁场理论的核心概念，如电场、磁场、电磁波等。

2、麦克斯韦方程组的含义和应用。

3、电磁场理论的实验验证，如赫兹实验。

三、学习难点1、对电场和磁场相互关系的深刻理解。

2、麦克斯韦方程组的推导和数学表达。

3、电磁波的产生、传播和特性。

四、知识回顾在学习电磁场理论之前，我们先来回顾一下之前所学的相关知识：1、库仑定律：描述了真空中两个静止点电荷之间的作用力与它们电荷量的乘积成正比，与它们距离的平方成反比。

2、安培定则：用于判断直线电流和环形电流产生的磁场方向。

3、法拉第电磁感应定律：闭合电路中感应电动势的大小，跟穿过这一电路的磁通量的变化率成正比。

这些知识为我们进一步学习电磁场理论奠定了基础。

五、电磁场理论的建立（一）早期的电磁学研究在19 世纪之前，人们对电和磁的认识还比较零散。

库仑、奥斯特、安培等科学家分别在静电学、电流的磁效应和安培定律等方面做出了重要的贡献。

库仑通过实验发现了库仑定律，为静电学的研究奠定了基础。

奥斯特在一次偶然的实验中发现了电流的磁效应，揭示了电和磁之间的联系。

安培在研究电流之间的相互作用时，提出了安培定律，进一步深化了对磁现象的认识。

（二）法拉第的电磁感应定律法拉第经过多年的实验研究，于 1831 年发现了电磁感应定律。

该定律指出，闭合电路中感应电动势的大小，跟穿过这一电路的磁通量的变化率成正比。

法拉第的发现为电磁场理论的建立提供了重要的实验基础。

（三）麦克斯韦的贡献詹姆斯·克拉克·麦克斯韦在前人研究的基础上，对电磁现象进行了深入的理论分析和数学推导，建立了完整的电磁场理论。

麦克斯韦提出了位移电流的概念，修正了安培定律，使安培定律在非稳恒电流的情况下也能适用。

《电磁场理论的建立及验证》知识清单一、故事引入咱先讲个有趣的事儿。

我有个朋友，他特别喜欢捣鼓收音机。

有一次他把收音机拆了又装，装了又拆，结果发现一个很神奇的现象。

在某些地方，收音机的信号特别好，能收到好多台，声音还很清晰；但在有些地方呢，信号就特别差，杂音还特别大。

他就很纳闷儿，这到底是为啥呢？其实啊，这就和咱们今天要讲的麦克斯韦电磁场理论有很大的关系呢。

二、麦克斯韦电磁场理论建立的背景1、早期电磁研究基础在麦克斯韦之前，已经有很多科学家对电磁现象进行了研究。

比如说奥斯特，他发现了电流能产生磁场，就像你打开一个小的电磁铁，周围的小磁针就会转动，这就说明有磁场产生了。

还有法拉第，他的贡献也超级大。

他发现了电磁感应现象，就是当一个导体在磁场中运动或者磁场发生变化的时候，导体中就会产生感应电动势，就像咱们的发电机，就是利用这个原理。

但是呢，当时这些现象都是分散的，没有一个统一的理论来解释。

2、当时面临的问题那时候的电磁学就像是一堆零散的拼图碎片，虽然每一块都很有趣，但是没有拼成一幅完整的图画。

科学家们知道电流能产生磁场，磁场变化能产生电流，可是不知道怎么把这些现象联系起来，也不知道电磁场到底是怎么传播的。

就好比我朋友知道收音机需要信号才能工作，但是不知道信号是怎么在空间中传播的一样。

三、麦克斯韦电磁场理论的建立1、基本假设与概念涡旋电场假设麦克斯韦提出了一个很新奇的想法。

他说变化的磁场会产生涡旋电场。

这是什么意思呢？咱们可以想象一个水池，当你在水池中心搅动水的时候，就会形成漩涡，这个漩涡就有点像涡旋电场。

比如说，一个不断变化的磁场就像在空间中搅动的“手”，它会在周围产生涡旋电场。

这种电场和我们之前知道的静电场不太一样，静电场是由电荷产生的，而涡旋电场是由变化的磁场产生的。

位移电流假设麦克斯韦还提出了位移电流的概念。

这个概念有点抽象哦。

我们知道电流是电荷的定向移动，但是麦克斯韦发现，在电容器充电或者放电的时候，虽然没有真正的电荷在极板之间移动，但是却有类似于电流的效应。

麦克斯韦电磁场理论的建立及意义班级：物理系09本三班姓名：范日耀摘要：文章通过对法拉第力线思想和W.汤姆孙的类比研究的阐述来引出麦克斯韦的电磁场理论。

麦克斯韦经过三个艰难的过程建立了电磁场理论，为壮伟的物理大厦添砖加瓦，做出了巨大贡献。

关键字：法拉第力线思想W.汤姆孙类比研究麦克斯韦电磁场理论一、引言二、内容1、前人的研究（1）法拉第的力线思想法拉第从广泛的实验研究中构想出描绘电磁作用的“力线”图像。

他认为电荷和磁极周围的空间充满了力线，靠力线（包括电力线和磁力线）将电荷（或磁极）联系在一起。

力线就像是从电荷（或磁极）发出、又落到电荷（或磁极）的一根根皮筋一样，具有在长度方向力图收缩，在侧向力图扩张的趋势。

他以丰富的想象力阐述电磁作用的本质。

法拉第研究了电介质对电力作用的影响，认识到这一影响表明电力不可能是超距作用，而是通过电介质状态的变化；即使没有电介质，空间也会产生某种变化，布满了力线。

后来，法拉第又进一步研究了磁介质，解释了顺磁性和反磁性。

电磁感应现象则解释为磁铁周围存在某种“电应力状态”，当导线在其附近运动时，收到应力作用而有电荷做定向运动；回路中产生电动势则是由于穿过回路的磁力线数目发生了变化。

法拉第的力线思想实际上就是场的观念，这是近距理论的核心内容。

（2）W.汤姆孙的类比研究在法拉第力线思想的激励下，W.汤姆孙对电磁作用的规律也进行过有益的研究。

他从法国科学家傅里叶的热传导理论得到启示。

傅里叶在1824年发表《热的分析理论》一书，详细的研究了在介质中热流的传播问题，建立了热传导方程。

这本书W.汤姆孙对有很深的影响。

1842年，W.汤姆孙发表了第一篇关于热和电的数学论文，题为：《论热在均匀固体中的均匀运动及其与电的数学理论的联系》，他论述了热在均匀固体中的传导和法拉第电应力在均匀介质中传递这两种现象之间的相似性。

他指出电的等势面对应于热的等温面，而电荷对应与热源。

利用傅里叶的热分析法，他把法拉第的力线思想和拉普拉斯、泊松等人已经建立的完整的静电理论结合在一起，初步形成了电磁作用的统一理论。