人教版 (2019)必修 第三册电磁波的发现及应用教学设计

这是一份人教版 (2019)必修 第三册电磁波的发现及应用教学设计，共5页。教案主要包含了引入课题，学生阅读，演示实验，提出问题等内容，欢迎下载使用。
课程基本信息
学科
高中物理
年级
高二
学期
秋季
课题
电磁波的发现及应用
教科书
书 名：物理必修第三册教材
出版社：人民教育出版社 出版日期：2019年4月
教学目标
了解人类发现电磁波的历史，知道麦克斯韦、赫兹等物理学家对电磁波发现作出的巨大贡献，领会电磁波的发现过程中蕴含的科学方法和科学精神。
体验赫兹证明麦克斯韦预言的电磁波存在的实验过程及实验方法，领会物理理论和实验的相互配合对科学发展的巨大作用。
了解电磁波本身是一种物质，电磁波能传递能量和信息。
了解电磁波谱中各波段的主要特性及其在科技、经济各社会信息化等方面的主要应用，知道可见光是电磁波谱家族中的一个频段。
教学内容
教学重点：
1. 电磁波的发现历史概况，物理理论和实验的相互配合对科学发展的巨大作用
2. 电磁波是一种特殊物质，能传播能量和信息；电磁波谱中各波段的主要特性以及在科技、经济和社会信息化等方面的主要应用
教学难点：
麦克斯韦电磁场的基本概念和理论
教学过程
环节一：电磁波的发现过程
【引入课题】
我们熟知的手机、雷达、安检机等，都应用了电磁波，那么，电磁波是怎样发现的呢？让我们回顾一下科学家们发现电磁波的历程吧！
【老师】介绍电磁波的发现过程
奥斯特首先发现了电流的周围有磁场，安培进一步做了很多有关电和磁的的研究工作， 法拉第发现了电生磁的方法，并首先提出了力线和场的概念，英国物理学家麦克斯韦系统地总结库仑、安培、奥斯特、 法拉第等人的对电磁规律的研究成果，再加上他本人的创造性工作，最终建立了经典电磁场理论。下面我们定性地介绍一下麦克斯韦关于电磁场的一些观点。
在变化的磁场中放入一个闭合电路，电路中磁通量发生了变化，电路里产生了感应电流。这是法拉第发现的电磁感应现象。
那么，为什么闭合电路中磁通量发生了变化，就会产生电流呢?
麦克斯韦是这样思考的：线圈中产生了感应电流，一定是因为导线内自由移动的电荷受到了电场力的作用，也就是说闭合的电路中产生了电场.
而这个电场的产生一定是因为线圈内的磁场发生了变化的缘故；他进一步猜想：即使在变化的磁场中没有闭合电路，同样会在空间产生电场。闭合电路只是可以检测到电场的存在而已。
因此，麦克斯韦认为：在变化的磁场中产生感应电流的实质是变化的磁场产生了电场。
既然变化的磁场能够产生电场，那么，变化的电场能产生磁场吗？
麦克斯韦确信自然规律的统一性与和谐性，他相信电场与磁场的对称之美。就像奥斯特发现了“电生磁”现象之后，法拉第又发现了“磁生电”现象一样，他大胆地假设：变化的电场就像导线中的电流一样，会在空间产生磁场，即变化的电场产生磁场。
按照麦克斯韦的猜测，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到此麦克斯韦并没有停步，而是继续展开思考。
环节二：电磁波
如果在空间某区域中有周期性变化的电场，那么它就在空间引起周期性变化的磁场；这个变化的磁场又引起新的变化的电场。于是， 变化的电场和变化的磁场交替产生，形成一个紧密联系的电磁统一体，由近及远地向周围传播，麦克斯韦把这种电磁统一体称为电磁波，于是一个伟大的预言产生了——空间可能存在电磁波。
我们熟悉声波和水波,声波和水波的传播都需要介质。而电磁波的传播则不需要介质。放在真空罩里手机依然能够接收到信号；天问一号能从遥远的太空在把照片传回地球。这些都说明电磁波的可以在真空中传播。
那么电磁波是依靠什么传播的呢？
我们在学习电场和磁场时候就知道，电场和磁场本身就是一种物质，因此电磁波的传播依靠的是电场和磁场这种场物质自身相互“激发”而传播的。
那么，电磁波以多大的速度传播呢？麦克斯韦推算出一个出人意料的答案：电磁波的传播速度等于光速！同学们，听到这里你能想到什么呢？根据这个推算，麦克斯韦预言了光是一种电磁波。
麦克斯韦不仅预言了电磁波的存在，而且揭示了电、磁、光现象在本质上的统一性，建立了完整的电磁场理论。麦克斯韦电磁理论的意义足以跟牛顿力学体系相媲美，它是物理学发展中一个划时代的里程碑。
遗憾的是，麦克斯韦英年早逝，没有看到科学实验对电磁场理论的证实。
把天才的预言变成世人公认的真理的人，是德国科学家赫兹。
1886年，赫兹通过实验捕捉到了电磁波，证实了麦克斯韦的电磁场理论。
他还通过测量证明，电磁波的传播速度与光速相同。证实了光是一种电磁波。
赫兹在人类历史上首先捕捉到了电磁波。赫兹的实验为无线电技术的发展开拓了道路，后人为了纪念他，把频率的单位定义为赫兹。
【学生阅读】
接下来我们也来做一个捕捉电磁波的实验吧。做实验之前请同学们暂停一下，先阅读必修三p120页的“做一做——捕捉电磁波” 。
【演示实验】捕捉电磁波
教材上的电流表我们用氖泡代替，当氖泡附近有较强的电磁波时，氖泡会发出红光，请同学们仔细观察实验。
这个实验中电火花其实是变化的电流，它会在周围空间产生电磁波，电磁波以光速向周围空间传播，接收天线接收到了较强的电磁波，氖泡发光。我们捕捉到了电磁波。其实变化的电流无处不在，电磁波也无处不在。
当法拉第提出“力线”和“场”的概念时，它们还仅仅被看作是一种描述电磁力的方法，但是当麦克斯韦提出电磁场理论并被赫兹的实验证实以后，电磁场就像光一样真实了。
环节三：电磁波谱
那么我们如何描述电磁波呢？
描述波的物理量有波长、频率和波速，初中的时候我们学习过：在一列水波中，凸起的最高处叫作波峰；凹下的最低处叫作波谷。相邻的两个波峰 （或波谷） 的距离叫作波长 。
在 1s 内有多少次波峰（或波谷）通过，波的频率就是多少。
水波不停的向远方传播，描述波传播快慢的物理量叫作波速。
【提出问题】学生收看视频同时思考
那么波速、波长、频率之间有什么样的关系呢？
这是一列向右传播的波，我们在波传播的路径上取一点，当某个波峰经过时，我们作为计时零点，接下来通过该点的波峰依此记为1、2、……等，
接下来我们来看动画，边看边思考波速、波长、频率之间的关系。
【老师】分析
电磁波的波速用c来表示，波长是λ，频率用f表示，则它们三者之间的关系就可以表示为c=λf，真空中的光速c=3×108m/s，一切频率的电磁波都遵守同样的传播规律。由公式可以看到真空中的电磁波波长越大，频率越小。电磁波的频率范围很广。
我们按电磁波的波长或频率大小的顺序把它们排列起来，就是电磁波谱，如图，从左到右，波长从大到小，频率从小到大！依次为无线电波，红外线、可见光、紫外线、x射线，伽马射线，可见光只是电磁波中的一小部分。不同的电磁波由于具有不同的频率，因此具有不同的特性。接下来我们看一段视频，了解一下不同电磁波的特点和应用
【学生】收看视频后总结各种电磁波的特点和应用，完成课堂任务。
环节四：电磁波的能量
通过前面的学习我们知道电磁波无处不在，生活中常常用微波炉、红外烤箱加热或烤制食物；电磁波可以使氖炮发光；阳光使我们变得温暖。这些都说明了电磁波具有能量。虽然除了可见光之外的电磁波我们都看不到，但是它们是真实存在的物质。电磁波是场物质。场物质是实物粒子之外的另外一种存在形式。
我们可以用仪器探测它们的存在。射电望远镜，就是利用接收来自遥远天体的电磁波，来探测和研究宇宙的，我国天眼FAST是目前世界最大的、单口径、球面射电望远镜。
【学生】请同学们课下阅读老师提供的“中国天眼”资料，对中国天眼fast有进一步的了解。
环节五：电磁波的能量
【学生】阅读p122“电磁波通信”，了解电磁波在通信领域的应用。同时思考下面的问题：5G是什么？5G技术对社会发展有着什么样的重要意义？
【教师】5G是什么呢？就是第5代通信技术。如果说4G改变生活的话，那么5G将改变社会。这种通信技术未来跟人工智能、大数据紧密结合，会开启一个万物互联的全新时代。我们可以为一头牛、一头羊装上通信装置，可以为一台设备、一座铁塔装上通信装置，可以为一座桥梁、一个隧道装上通信装置，甚至是一草一木、一纸一笔等等，万物互联的场景将逐步走向现实。
我们可以打造智慧农业、智慧城市、智慧交通、智慧医疗等等，万物皆可连，万事皆智慧。