高中物理第四章 电磁振荡与电磁波2 电磁场与电磁波优秀导学案及答案

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【学习目标】
1.进一步了解麦克斯韦电磁场理论的基本思想。知道电磁波的概念。初步了解电磁场是物质的一种形式。会从电磁场的物质性与能量传播的观点解释电磁波的发射与接收。
2.领会在发现电磁波的过程中所蕴含的科学精神和科学研究方法，体会赫兹实验证明电磁波存在的重大意义。
3.了解发现电磁波的历史背景，知道麦克斯韦对电磁学的伟大贡献。领会物理实验对物理学发展的基础意义。【学习重难点】
1.教学重点：了解麦克斯韦电磁场理论的基本内容以及在物理学发展史上的意义.
2教学难点：了解电磁波的基本特点及其发现过程，通过电磁波体会电磁场的物质性.
【知识回顾】
一、电磁振荡的产生 电磁振荡中的能量变化
1．振荡电流：大小和方向都做周期性迅速变化的电流。
2．振荡电路：能够产生振荡电流的电路。
3．LC振荡电路：由电感线圈L和电容器C组成的电路，是最简单的振荡电路，称为LC振荡电路。如图所示。
4．电磁振荡：在LC振荡电路中，电容器极板上的电荷量q，电路中的电流i，电容器里面的电场强度E、线圈里的磁感应强度B，都在周期性地变化着。这种现象就是电磁振荡。
5．电磁振荡中的能量变化
(1)能量转化：电容器放电过程中，电场能向磁场能转化。电容器充电过程中，磁场能向电场能转化。
(2)无能量损失时，振荡电路做等幅振荡。
(3)实际振荡电路中有能量损失，通过适时补充能量给振荡电路，可使振荡电路做等幅振荡。
二、电磁振荡的周期和频率
1．周期：电磁振荡完成一次周期性变化需要的时间。
2．频率：周期的倒数，数值等于单位时间内完成的周期性变化的次数。
如果振荡电路没有能量损失，也不受其他外界影响，这时的周期和频率叫作振荡电路的固有周期和固有频率。
3．LC电路的周期和频率公式：T＝2πeq \r(LC)，f＝eq \f(1,2π\r(LC))。其中周期T、频率f、电感L、电容C的单位分别是秒(s)、赫兹(Hz)、亨利(H)、法拉(F)。
4．实际电路中的晶体振荡器：其工作原理与LC振荡电路的原理基本相同。
【自主学习】
一、电磁场
1．麦克斯韦电磁场理论的两个基本假设
(1)变化的磁场产生电场。
(2)变化的电场产生磁场。
2．电磁场
变化的电场和磁场总是相互联系着，形成一个不可分割的统一的电磁场。
二、电磁波
1．电磁波的产生：变化的电场和磁场由近及远地向周围传播，形成了电磁波。
2．电磁波的特点
(1)电磁波的传播靠的是电和磁的相互“感应”，而不是靠介质的机械传递。
(2)电磁波在真空中的传播速度等于光速c，光是电磁波。
(3)电磁波的电场强度E与磁感应强度B互相垂直，而且二者均与波的传播方向垂直。
(4)电磁波能发生反射、折射、干涉、偏振和衍射等现象。
(5)电磁场的转换就是电场能量和磁场能量的转换，电磁波传播过程就是能量传播过程。
【课堂探究】
【新课引入】
播放变化电流对声音机影响视频，并由：
学生观看实验视频并尝试解释实验现现象
【新课教学】
任务一、电磁场
变化的磁场产生电场
阅读课文，总结变化的磁场产生电场的内容。
麦克斯韦认为在变化的磁场周围产生电场，是一种普遍存在的现象，跟闭合电路是否存在无关，导体环只是用来显示电流的存在。
这实际上是个假设。这个假设基于电磁感应现象，是很自然的。
注意：这种电场的电场线是闭合的（涡旋电场）
①恒定的磁场不产生电场
②均匀变化的磁场产生恒定的电场
③周期性变化的磁场产生同频率的周期性变化的电场
④非均匀变化的磁场产生变化的电场
变化的电场产生磁场
阅读课文，总结变化的电场产生磁场的内容。
麦克斯韦认为变化的电场就像运动的电荷，也会在空间产生磁场。
这是另一个假设。这个假设没有直接的实验做基础，它出于对自然规律的洞察力，是很大胆的，但却更具有创造性。
①恒定的电场不产生磁场
②均匀变化的电场产生恒定的磁场
③周期性变化的电场产生同频率的振荡磁场
④非均匀变化的电场产生变化的磁场
（三）电磁场
变化的磁场产生电场
变化的电场产生磁场
变化的电场和磁场总是相互联系的， 形成一个不可分割的统一的电磁场。
周期性变化的电场
变化的电场和变化的磁场交替产生，形成了一个不可分割的统一体——电磁场。
电磁场由远及近地向周围传播，一个伟大的预言诞生了——空间可能存在电磁波。
任务二、电磁波
电磁波
阅读课文，总结电磁波的是如何产生的
变化的电场与变化的磁场交替产生，由近及远地向周围传播，形成电磁波。
电磁波的特点
阅读课文，总结电磁波的特点
（1）电磁波是横波
电磁波在真空中传播时，它的电场强度E与磁感应强度B相互垂直，而且二者均与波的传播方向垂直。即 E⊥B ⊥V。
（2）电磁波可以在真空中传播速度等于光速
（3）电磁波的频率由振源决定，同一电磁波在不同介质中传播，v和λ变化，v介（4）不同电磁波在同一介质中传播，速度不同，f越高，v越小；f越低，v越大
（5）电磁波具有波的共性，能发生反射、折射、干涉、衍射、多普勒效应和偏振现象。
（6）电磁波有能量。
（三）光是一种电磁波
光是一种电磁波
预言光是电磁波
光是按电磁波规律传播的一种电磁振荡——光是一种电磁波。
赫兹的电火花
当与感应圈相连的两个金属球间产生电火花时，周围空间出现了迅速变化的电磁场。这种变化的电磁场以电磁波的形式在空间传播。当电磁波到达导线环时，它在导线环中激发出感应电动势，使得导线环的空隙中也产生了火花，说明这个导线环接收到了电磁波。
观看实验：
现象：
当感应圈两个金属球间有火花跳过时，立刻产生一个交变电磁场，形成电磁波在空间传播，经过导线环时激发出感应电动势，使得导线环中也产生了火花。
（五）电磁波的应用
你能解释开始视频的实验现象了吗？
【自我测评】
1．[多选]关于电磁场理论的叙述正确的是( )
A．变化的磁场周围一定存在电场，与是否有闭合电路无关
B．周期性变化的磁场产生同频率变化的电场
C．周期性变化的电场和周期性变化的磁场相互关联，形成一个统一的场，即电磁场
D．电场周围一定存在磁场，磁场周围一定存在电场
【答案】ABC
【详解】恒定的电场周围不存在磁场，恒定的磁场周围不存在电场，所以D错误。
2．[多选]根据麦克斯韦电磁场理论，以下叙述中正确的是( )
A．教室中亮着的日光灯周围空间必有磁场和电场
B．打点计时器工作时周围必有磁场和电场
C．恒定的电场产生恒定的磁场，恒定的磁场激发恒定的电场
D．电磁波在传播过程中，电场方向、磁场方向和传播方向三者互相垂直
【答案】ABD
【详解】日光灯、打点计时器都通有交流电，交流电周围存在周期性变化的磁场，周期性变化的磁场会激发电场，所以A、B正确。恒定的电场不激发磁场，恒定的磁场不激发电场，所以C错误。根据麦克斯韦电磁场理论，选项D正确。
3．有关电磁波和声波，下列说法错误的是( )
A．电磁波的传播不需要介质，声波的传播需要介质
B．由空气进入水中传播时，电磁波的传播速度变小，声波的传播速度变大
C．电磁波是横波，声波也是横波
D．由空气进入水中传播时，电磁波的波长变短，声波的波长变长
【答案】C
【详解】电磁波本身就是一种物质，它的传播不需要介质，而声波的传播需要介质，故选项A正确；电磁波由空气进入水中时，传播速度变小，但声波在水中的传播速度比其在空气中大，故选项B正确；电磁波的传播方向与电场、磁场的方向都垂直，是横波，而声波是纵波，故选项C错误；电磁波由空气进入水中传播时，波速变小，波长变短，而声波由空气进入水中传播时，波速变大，波长变长，故选项D正确。
4．[多选]下列关于电磁波的说法中，正确的是( )
A．电磁波是电磁场由发生区域向远处的传播
B．电磁波在任何介质中的传播速度均为3．0×108 m/s
C．电磁波由真空进入介质传播时，波长将变短
D．只要空间中某个区域有变化的电场或变化的磁场，就能产生电磁波
【答案】AC
【详解】电磁场以电磁波的形式向远处传播。电磁波只有在真空中的传播速度才为3．0×108 m/s，在其他介质中的传播速度小于3．0×108 m/s。从一种介质进入另一种介质，频率不变，但速度、波长会变化。由真空进入介质传播时，波长将变短。只有周期性变化的电场和磁场才能产生电磁波。故选A、C。
5．[多选]应用麦克斯韦电磁场理论判断下列表示电场产生磁场(或磁场产生电场)的关系图像中(每个选项中的上图是表示变化的场，下图是表示变化的场产生的另外的场)正确的是( )
【答案】BC
【详解】A图中的上图磁场是稳定的，由麦克斯韦电磁场理论可知，其周围空间不会产生电场，故A错误；B图中的上图是均匀变化的电场，应该产生稳定的磁场，下图的磁场是稳定的，故B正确；C图中的上图是周期性变化的磁场，它能产生同频率周期性变化的电场，当磁感应强度的变化率最大时，感应电场最强。，故C正确；D图的上图是周期性变化的电场，在其周围空间产生周期性变化的磁场，当电场强度的变化率最大时，则感应磁场应最强，故D错误。