2. 电磁场和电磁波优秀公开课教案

电磁场和电磁波教学设计

一、教材内容分析

前面学习过机械振动和机械波的产生。但学生对于电磁振荡的产生和传播却不熟悉。学生知识储备和教学时间有限，例如电容器和自感线圈的原理我们并没有深入研究，所以电磁波产生的主要原理电路――LC振荡电路只能简单介绍。

二、教学内容目标

使学生了解电磁波是如何产生的。使学生知道麦克斯韦的电磁场理论。

使学生了解电磁波的存在形式。使学生了解电磁波的用途。

使学生了解电磁波的频率、波长的初步概念，能记住波长和频率的关系，能记住电磁波在空气中的传播速度。培养学生用已知知识学习未知领域的能力。

三、教具

J2435型电磁波发送接收演示器、半导体收音机一台、音箱、防电磁辐射服。

四、教学难点：电磁波的产生难以用常见的机械波的产生模拟。电磁波的形态难以用机械波模拟。

五、教学过程：科学技术发展到今天，随着电磁波的使用越来越广泛，人们对于电磁波这个名词已经不再陌生。3G通信、蓝牙技术、无线网络这些新技术、新名词都与电磁波有着千丝万缕的联系。

那么到底什么是电磁波呢？

通过前面的学习，我们已经知道，机械振动（在介质中）的传播就形成了机械波。机械波将振源机械振动的特征（比如频率、周期）和能量在介质中传播开来。比如，声波是将声源的振动的特征和能量在介质中传播开来。地震波是将震源的振动的特征和能量在介质中传播开来。

那么，今天我们要接触的电磁波，是不是也是一种振动形式和能量的传播呢？

电磁波又是如何产生、如何传播的？

这些就是今天我们要学习的内容。

在学习电磁波的产生、传播前，我们先来了解一下电磁场的概念。

一、电磁场

我们知道，电场和磁场中有很多相似。例如：从场强角度来考察。F BqUE BdEFIL

S当然这些表达式都是有使用条件的。

而从法拉第电磁感应定律中我们知道，变化的磁场可以产生电场。那么变化的电场是否也可以产生磁场呢？

同学们已经学过，通电直导线、通电线圈或者磁体周围都存在着磁场。而从本质上说，磁现象都是由于电荷的运动产生的。

在静止电荷的周围存在着静电场。

那么，在电荷运动起来以后，原来静止的电场应该也跟着运动起来。那么这个“运动起来的电场”和运动电荷产生的磁场之间有没有什么关系呢？或者说“运动起来的电场”能否产生磁场呢？

由电场和磁场的对称性，和运动电荷产生磁场的实验事实，我们可以提出这样的假设：变化的电场也可以产生磁场。

（后来物理学家们的确从理论和实验上证明了电磁之间的这种联系。）

事实上，19世纪60 年代，英国物理学家麦克斯韦就在总结前人研究电磁现象的基础上，建立了完整的电磁场理论。而这个理论成功预言了电磁波的存在。

（一）麦克斯韦的电磁场理论

麦克斯韦的电磁场理论要点是：

1、变化的磁场

能够在周围的空间

产生电场；

含义：

（1）稳定的磁场不产生电场。

（2）均匀变化的磁场产生稳定的电场。

（3）周期性变化的磁场产生同频率变化的电场。

2、变化的电场

能够在周围的空间

产生磁场。

含义：（1）稳定的电场不产生磁场。（2）均匀变化的电场产生稳定的磁场。

（3）周期性变化的电场产生同频率变化的磁场。

【请同学仿照

第一要点的含义

回答

第二要点的含义。】

【培养学生用逻辑上的对称性推理出未知的潜在理论。】

通过前面的学习，我们知道，两个磁极之间周期性地靠近、远离，就可以在它们之间形成一个周期性变化的磁场。那么如何产生一个周期性变化的电场呢？

从对称性角度讲，讲两个带电体周期性地靠近、远离，就可以在它们之间形成一个周期性变化的电场。

在长期的科学探索过程中，物理学家们发现，有一种更好的方式产生周期性变化的电场。

这就是LC振荡电路。

（二）LC振荡电路

『『我们知道，在两个平行金属板（即电容器）带等量异种电荷之后，平行金属板之间会形成匀强电场。由电容器知识可知，当金属板所带的电量改变时，平行金属板之间匀强电场的场强会发生变化。这样也就产生了变化的电场。』』

【由于知识储备和时间有限，（电容器的原理我们没有研究，）所以这部分内容同学们只需要了解，知道。】

将一个充电的电容器与一个自感线圈串联后，就可以实现电容器的充电放电交替变化过程，从而产生一个交替往复变化的电场。

其中周期性变化的电场的周期为T2LC

而实验和理论可以证明，这个振荡的电场可以产生振荡的磁场。

所以有：振荡的电场产生振荡的磁场，而振荡的磁场反过来又产生振荡的电场。变化的磁场与变化的电场总是相互联系的，形成一个不可分离的统一的场－－电磁场。

二、电磁波的产生

电磁振荡（电磁场）在空间的传播就形成了电磁波。

那么电磁波有怎样的特点和性质呢？我们可以怎样检测电磁波的存在呢？

根据我们前面的分析，电磁振荡（电磁场）在空间的传播就形成了电磁波，而如果这种电磁振荡形式真的能传播出来的话，那么当它遇到导体时，根据我们学过的法拉第电磁感应定律，在导体中应该会产生感应电流。

那么，假设有一个导体处于有电磁波的空间中，我们随意用一块安培表，就可以测量到电磁波引起的感应电流吗？

答案多半是否定的。如果电磁波引起的感应电流这么容易就能被测量到，那么恐怕早在灵敏电流表诞生的时候人类就发现电磁波了，亦或者我们每天都会有触电的感觉了。

那么电磁波引起的感应电流为什么不容易被测量到？

这里面原因很多，但主要是强度大小问题和频率问题。

电磁波在空间传播时，如果遇到导体，会使导体中产生感应电流，感应电流的频率跟激起它的电磁波的频率相同。受迫振动的频率和振源的频率相同。而一般我们所指的电磁波的频率都比较高。所以用普通的直流电流表肯定不行。

要么用交流电流表，要么将可能产生的交流电通过一个二极管变成直流电。

然后就是强度问题。

在无线电技术中，人们是用天线和地线组成的接收电路来接收电磁波的。这就要设法使我们需要的电磁波在接收天线中激起的感应电流最强。当接收电路的固有频率跟接收到的电磁波的频率（即

策动力的频率）相同时接收电路中产生的感应电流最强。这种现象叫电谐振。电谐振也就是电磁现象中的共振现象。

使接收电路产生电谐振的过程叫调谐。能够调谐的接收电路叫做调谐电路。（由调谐电路接收到的感应电流，是经过调制的高频振荡电流，还不能使我们直接感受到所需要的信号。必须从高频振荡电流中“检”出声音信号，叫做检波。）

在满足了上面两项基本条件后，下面我们通过几个小实验来看看，电磁波是否真的存在以及能否被接收到。

【演示电磁波的产生和接收】

打开电磁波发生器开关，使用不同的接收器检测电磁波的存在。

【请同学手持接收器，协助完成实验。】

1、微安表接收器：

【直接将未展开的接收器给学生，看是否有感应电流。】

【拉开天线，调谐后观察产生感应电流的变化。】

通过接收器上的

微安表，证明同一个接收器在空间各点处，在接收方向相同的情况下产生的感应电流的强弱不一样。那么这种不同应该是空间各点的电磁波情况不一样造成的。

越远的地方，微安表示数越小，说明产生的感应电流越小，说明距离波源越远的地方电磁波强度越弱。

2、带喇叭和LED指示灯的接收器：

通过LED指示灯点亮的个数和喇叭的声响，表示空间各点电磁波的强弱。

3、带小灯的接收器：通过小灯的亮暗，表示空间各点电磁波的强弱。

通过前面的实验，我们初步感受了电磁波的存在。并且发现距离波源越远的地方电磁波强度越弱。

【生活中实例】为了降低电磁波的影响，我们可以采取的方法之一，是使人员或物品远离电磁波发射源。例如，手机信号在喇叭中产生的嘈杂噪音。

下面我们再来看看电磁波的其他性质特点。

三、电磁波的性质特点

1、电磁波是横波，在垂直传播方向上的振动有两个，一个是电场，一个是磁场。

2、电磁波的频率等于发射电磁波的振荡电路的振荡频率，在不同介质中传播是，其频率不变。

3、电磁波在不同介质中其传播速度不同，在真空中的传播速度为c＝3×108m/s，在同一介质中其速度还与频率有关。

4、电磁波的波长：λ＝v/f，取决于介质与频率。

5、电磁波具有电磁能，电磁波的发射过程就是向外辐射能量、传递信息的过程。

6、电磁波也会发生发射、折射、衍射、干涉、多普勒效应等波特有的现象。

电磁波具有电磁能，能传递信息的性质目前已经得到了十分广泛的应用。

大家使用的手机，收听的无线广播等等都是应用电磁波来传递信息的。

【生活中实例】日常生活中，微波炉里不允许放入金属，也是因为金属能会强烈地反射电磁波（微波），而一旦电磁波（微波）被反射进入微波的产生装置（磁控管），就会因能量过大而损毁微波的产生装置（磁控管）。

四、电磁波谱：科学技术发展到今天，人们已经知道，电磁波是个大家族，它涵盖的范围非常广泛。从无线电波到红外线，从可见光到x射线，它们都属于电磁波，只不过是电磁波的频率不同罢了。

人们将不同频率的电磁波依照频率排列，就绘制成了电磁波谱图（频率谱线图）。

电磁波的应用

无线电波：通信，比如收音机，无线电视机，对讲机等等 微波：手机，雷达，微波炉 红外线：热成像仪，红外制导导弹，火的温暖（热辐射），电视机遥控器，热效应有关的都是

紫外线，杀菌 X光，医学上人体透视，工程上的探伤，物理学的测量晶体结构

波

段

长

波

中

波

中短波

短

波

米

波

ＶＨＦ

分米波

微

波

厘米波

毫米波

10cm～1cm 10mm～1mm 3000MHz～30000MHz 30000MHz～300000MHz 直线传播

电视雷达导航

ＵＨＦ

波

长

30000～3000m 3000～200m 200～50m 50～10m 10～1m 频

率

10kHz～100kHz 100kHz～1500kHz 1500kHz～6000kHz 6MHz～30MHz 30MHz～300MHz 地波和天波

调幅（ＡＭ）无线电广播电报通信

天波

近似直线传播

调频（ＦＭ）无线电广播电视导航

传播方式

地波

主要用途

超远程无线电通信

和导航

1m～0.1m 300MHz～3000MHz 各种电磁波因频率的不同有着甚至可能截然相反的性质，限于时间原因，我们就不展开了。

下面我们来看看电磁波这个大家族与我们已经学过的机械波的区别和联系。

五、电磁波与机械波的比较

电磁波

机械波

联系

都是波，都会发生干涉、衍射等现象，

都满足v＝λf 本质

是一直客观存在的物质

本身不是物质，是运动形式的传播

种类

横波

有横波也有纵波

传播

不需要介质，传播电磁能及信息

需要介质，传播机械能及信息

速度

真空中：恒定，光速c。

取决于介质

介 质：取决于介质和频率