1、金太阳新课标资源网 金太阳新课标资源网 第 1 页 共 7 页 【课 题】 3.2 电磁波的发现【教学目标】1了解赫兹实验以及它的重大意义。2知道振荡电流、振荡电路、LC 回路的概念。了解 LC 回路中振荡电流的产生过程，知道在电磁振荡过程中，LC 回路中的能量转化情况；知道电磁振荡的周期和频率的决定因素。3了解要有效地发射电磁波应满足的条件4了解电磁波的特点 【学情分析】在学了麦克斯韦电磁理论及其预言之后，学习本节知识顺理成章，且学生已具备了理解赫兹实验的电磁学基本知识之一：电磁感应；本节还向学生介绍了理解赫兹实验以及理解电磁波发射技术的基本知识之二：电磁振荡及其规律，这部分知识具有一定的
2、难度；另外学生接触电磁波尚属新知，其复杂的多个特点理解起来也有一定难度。【教学思路】教学中一定要把握好新课标的要求，不可对学生要求过高，增加学习难度，增加学生学习负担。了解的面要宽广，但不可过深，教学中应多联系实际，多联系学生的感性知识，因为在当今科学技术高度发达的当今，学生在生活中应该积累了较多的关于电磁波的知识。【教学重点、难点】1、理解赫兹实验以及它的重大意义2、理解电磁振荡及振荡电流的产生3、了解要有效地发射电磁波应满足的条件及电磁波的特点【教学方法、学习方法】1 教法：指导阅读法、指导式讲授。2 学法：阅读思考、讨论交流。【教学流程】 电磁波的发现 赫兹实验及 电磁振荡 电磁波的发射
3、 电磁波的特点 新 课 教 学 典 例 分 析 课 堂 练 习 课 堂 小 结 金太阳新课标资源网 金太阳新课标资源网 第 2 页 共 7 页 【教学过程及知识要点】一、电磁波预言的实现赫兹实验麦克斯韦的电磁理论特别是电磁波的预言，深邃而新颖，以至在其问世后相当一段时间内没有得到普遍的认同，甚至有的科学家对此表示怀疑。直到 1887 年，德国物理学家赫兹才用实验发现了电磁波。了解赫兹实验装置：发射部分和接收部分。 （看书了解）发射部分：开放的振荡器（装有小铜球的两块金属板、线圈、电源等）接收部分：是一个带有两个小铜球的开口的金属环实验现象： 赫兹实验的贡献在于用实验证实了电磁波的存在，即麦克
4、斯韦电磁理论的正确性。为人类利用电磁波奠定了重要的基础，预示着广泛利用电磁波技术的时代即将到来。二、电磁振荡在振荡电路里产生振荡电流的过程中，由容器极板上的电荷，通过线圈的电流，以及跟电流和电荷相联系的磁场和电场都发生周期性变化的现象，叫做电磁振荡。1.LC 振荡电路由自感线圈和电容器组成的电路就是最简单的振荡电路，简称LC 回路。 在 LC 回路里，产生的大小和方向都做周期性变化的电流，叫做振荡电流。 如图所示，先将电键 S 和 1 接触，电键闭合后电源给电容器 C 充电，然后 S 和 2 接触，在 LC 回路中就出现了振荡电流。大小与方向都做同期性变化的电流叫振荡电流2电磁振荡在产生振荡电
5、流的过程中，电容器上极板上的电荷 q，电路中的电流 i，电容器内电场强度 E，线圈中磁感应强度 B 都发生周期性的变化，这种现象叫做电磁振荡（1）从振荡的表象上看：LC 振荡过程实际上是通过线圈 L 对电容器 C 充、放电的过程。（2）从物理本质上看：LC 振荡过程实质上是磁场能和电场能之间通过充、放电的形式相互转化的过程。3振荡的周期和频率电磁振荡完成一次周期性变化需要的时间叫做周期。一秒钟内完成的周期性变化的次数叫做频率。在电磁振荡发生时，如果不存在能量损失，也不受外界其它因素的影响，这时的振荡周期和频率叫做振荡电路的固有周期和固有频率，简称振荡电路的周期和频率。理论研究表明，周期 T 和
6、频率 f 跟自感系数 L 和电容 C 的关系： ， 。TLC12fL4LC 振荡过程中规律的表达。金太阳新课标资源网 金太阳新课标资源网 第 3 页 共 7 页 （1）定性表达：在 LC 振荡过程中，磁场能及与磁场能相关联的物理量（如线圈中电流强度、线圈电流周围的磁场的磁感强度、穿过线圈的磁通量等）和电场能及与电场能相关联的物理量（如电容器的极板间电压、极板间电场的电场强度、极板上电量等）都随时间做周期相同的周期性变化。这两组量中，一组最大时，另一组恰最小；一组增大时，另一组正减小。这一特征正是能的转化和守恒定律所决定的。（2）定量表达：（可以通过示波器观察，参看教材 P.61 的实验）在
7、LC 振荡过程中，尽管磁场能和电场能的变化曲线都比较复杂，但与之相关的其他物理量和变化情况却都可以用简单的正（余）弦曲线给出定量表达。以 LC 振荡过程中线圈 L 中的振荡电流 i（与磁场能相关）和电容器 C 的极板间交流电压u（与电场能相关）为例，其变化曲线分别如图中所示。 应用相关规律分析问题时注意：分析电磁振荡要掌握以下三个要点（突出能量守恒的观点）：理想的 LC 回路中电场能 E 电 和磁场能 E 磁 在转化过程中的总和不变。回路中电流越大，L 中的磁场能越大（磁通量越大） 。极板上电荷量越大，C 中电场能越大（板间场强越大、两板间电压越高、磁通量变化率越大） 。5LC 振荡过程的阶段
8、分析和特殊状态（） 1如图中所示，在 O、t 2、t 4 时刻，线圈中振荡电流 i 为 0，磁场能最小，而电容器极板间电压 u 恰好达到最大值，电场能最多，在 t1、t 3 时刻则正相反，振荡电流、磁场能均达到最大值，而电压为 0，电场能最少。在 Ot 1 和 t2t 3 阶段，电流增强，磁场能增多，而电压降低，电场能减小，这是电容器放电把电场能转化为磁场能的阶段；在 t1t 2 和 t3t 4 阶段，电流减弱， 1 分析振荡过程属于“多学一点” ，课不做全面要求。充电 充电放电 放电 充电放电t1t1t2t2t3t3t4t4 t5t5金太阳新课标资源网 金太阳新课标资源网 第 4 页 共
9、7 页 磁场能减小，而电压升高，电场能增多，这是电容器充电把磁场能转化为电场能的阶段。振荡电路的状态时刻 t=0 t= 4Tt= 2Tt= T34T电容器极板上的电量 最大 零 最大 零 最大振荡电流 i i=0 正向最大 i=0 反向最大 I=0电场能 最大 零 最大 零 最大磁场能 零 最大 零 最大 零三、电磁波的发射要有效地向外发射电磁波，振荡电路要满足如下条件：（1）要有足够高的振荡频率。（2）振荡电路的电场和磁场必须分散到尽可能大的空间，才能有效地把电磁场的能量传播出去。要有效地向外发射电磁波一般采用开放电路。其原理如上图。实际的开放电路如右图所示四、电磁波的特点：1、电磁波是横波
10、：其中电场和磁场互相垂直，且都垂直于电磁波的传播方向；2、电磁波在真空中传播的速度等于光在真空中的传播速度 c，c=3.0 108m/s；3、电磁波具有波的一般特征，也有波长、频率，它们与波速的关系为 ；与其他波一样，电磁波也具有能量，电磁波的发射v=fT过程就是辐射能量的过程；电磁波也可以发生干涉、衍射、反射、折射等现象； 4、电磁波在真空中可以传播，在介质中也可以传播，所以介质对电磁波的传播并不是必需的。【典例引路】L1 L2 天 线 地 线 C 金太阳新课标资源网 金太阳新课标资源网 第 5 页 共 7 页 A K b C1 L1L2C2 K【例 1】在如图所示的 L 振荡电路中，当线
11、圈两端 MN 间电压为零时，对电路情况的叙述正确的是【 】A电路中电流最大 B线圈内磁场能为零C电容器极板上电量最多 D电容器极板间场强为零解析：MN 间电压为零，即电容器极板间电压为零，这时极板上无电荷，故板间场强为零，电路中电流强度最大，线圈中磁场能最大答案：AD【例 2】如图所示电路，K 先接通 a 触点，让电容器充电后再接通 b 触点设这时可变电容器电容为 C，线圈自感系数为 L，（1）经过多长时间电容 C 上电荷第一次释放完？（2）这段时间内电流如何变化？两端电压如何变化？（3）在振荡过程中将电容 C 变小，与振荡有关的物理量中哪些将随之改变？哪些将保持变化？解析：（1）极板上电行由
12、最大到零需要 14 周期时间，所以 t=T/4= /2LC（2）从能量角度看，电容器释放电荷，电场能转变为磁场能，待电荷释放完毕时，磁场能达到最大，线圈两端电压与电容两极板间电压一致，由于放电，电容两极板间电压由最大值减至零，线圈两端电压也由最大值减为零。值得注意的是这段时间内电流由零逐渐增大。当线圈两端电压为零时，线圈中电流强度增至最大。千万不要把振荡电路看成直流电路，把电容器看成一个电源，把线圈看成一个电阻这里电磁能没有被消耗掉，只是不断地相互转化。在直流电路中，电阻上通过的电流和电阻两端的电压，变化步调一致，电压大电流也大，电压小电流也小。在振荡电路中，存在自感现象及线圈电阻为零的情况，
13、电流和电压变化步调不一致，所以才出现电压为零时电流最大的现象。（3）在振荡过程中，当电容器 C 变小时，根据周期公式，周期 T 变小，频率 f 增大。同时不论是增大电容极板间的距离 d，还是减小正对面积 S，电容 C 变小，外力都对电容做功，振荡电路能量都增加，故电场能、磁场能、磁感强度和振荡电流的最大值都增加。极板上电荷最大值将不变，极板电压最大值将增加。若减小正对面积 S 使电容 C 变小时，电场强度最大值增加。【课堂练习】1某时刻 LC 回路中电容器中的电场方向和线圈中的磁场方向如右图所示。则这时电容器正在_（充电还是放电） ，电流大小正在_（增大还是减小） 。2右边两图中电容器的电容都
14、是 C=410-6F，电感都是 L=9104 H，左图中电键 K 先接a，充电结束后将 K 扳到 b；右图中电键 K 先闭合，稳定后断开。两图中 LC 回路开始电磁振荡 t=3.14104 s 时刻，C 1 的上极板正在 _ 电（充电还是放电）C L金太阳新课标资源网 金太阳新课标资源网 第 6 页 共 7 页 ，带_ 电（正电还是负电） ；L 2 中的电流方向向_ _(左还是右) ，磁场能正在_（增大还是减小） 。【课堂小结】了解要点：1、赫兹实验发现电磁波并证实了电磁波麦克斯韦电磁理论的正确性；2、了解发射电磁波的基本原理和技术：采用开放的振荡电路；3、了解电磁波的基本性质和特点：（略）
15、【家庭作业与活动】1、 思考-讨论-练习：P.64家庭作业与活动1、2、3*、 4*、52、 【课后阅读】 赫兹生平（Heinrich Rudolf Hertz 18571894）赫兹是德国物理学家，1857 年 2 月 22 日出生于汉堡。在求学时代，他就被光学和力学实验所吸引。1878年转入柏林大学，1879 年在物理竞赛中成绩出众，获金质奖章，第二年获博士学位，当了亥姆霍兹的助手。1885 年任卡尔斯鲁高等工业学院物理学教授，1889 年接替克劳修斯任波恩大学理论物理学教授，同年当选为柏林科学院通讯院士。赫兹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
16、场理论。1888 年 10 月，赫兹在卡尔斯鲁高等工业学院物理实验室用放电线圈做火花放电实验，偶然发现和放电线圈靠得很近的另一个开口的绝缘线圈中有电火花跳过。这引起了他的注意，立即想起以前亥姆霍兹曾提出让他研究验证麦克斯韦电磁场理论的问题。他设计了一个装置来进行实验.他在感应圈 C 的两个电极上各接一根 30 cm 长的铜棒 A、B，每根铜棒一头各接一个黄铜小球，另一头接边长为 40 cm 的正方形黄铜板，让两个黄铜小球相对着，组成发生器。当通电时，发生器的铜球间产生高频振荡火花。另外，他用一段导线弯成环状，两端各接一个铜球作为检波器（如上图） ，检波器距离电磁波发生器 10 m. 发生器的两
17、个铜球间产生电火花时，他在检波器的两个铜球间隙也看到了电火花。赫兹用这样简单的仪器成功地证明了电磁波的存在。赫兹的实验报告轰动了科学界。之后，赫兹又设计实验，利用一块锌板反射电磁波，并利用入射波和反射波叠加后产生的驻波波长和发生器振荡频率计算出电磁波的波速。最后的计算结果与麦克斯韦预料的完全相同等于光速。赫兹还通过实验确认电磁波是横波，具有光波的一切特征：能产生反射、折射、衍射、干涉和有偏振性，从而全面验证了光的电磁理论的正确性。1890 年以后，赫兹整理了麦克斯韦的理论，进一步完善了麦克斯韦方程组，使其更加优美、对称，成为麦克斯韦方程组的现代形式。赫兹还首先发现了光电效应现象，这一发现后来成为爱因斯坦建立光量子理论的实验基础。赫兹因骨癌于 1894 年元旦过早地逝世，年仅 37 岁.他的导师亥姆霍兹赞扬他“才华横溢、性格坚毅，用自己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的问题”。赫兹的实验为无线电技术的发展金太阳新课标资源网 金太阳新课标资源网 第 7 页 共 7 页 开辟了新的道路，他被誉为无线电通讯的先躯。后人为了纪念他，用他的名字命名频率的单位。
