LC振蕩電路電磁振蕩中電場(chǎng)能和磁場(chǎng)能的轉(zhuǎn)化 教學(xué)設(shè)計(jì)

課堂教學(xué)設(shè)計(jì)課題章節(jié)名稱電磁振蕩學(xué)科物理授課班級(jí)高二授課時(shí)數(shù)1設(shè)計(jì)者所屬學(xué)校本節(jié)（課）教學(xué)內(nèi)容分析（教學(xué)內(nèi)容在學(xué)科中的地位、作用以及價(jià)值教育分析）《課程標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)該教學(xué)內(nèi)容的要求：能通過(guò)實(shí)驗(yàn)，了解電磁振蕩。2、本章在磁場(chǎng)、電磁感應(yīng)、交變電流等章的基礎(chǔ)上，論述電磁振蕩何電磁波的理論何實(shí)踐知識(shí)。本節(jié)電磁振蕩的只是內(nèi)容，即是本章的基礎(chǔ)內(nèi)容，也是高中物理知識(shí)的一個(gè)重要單元，是前面所學(xué)過(guò)的電磁學(xué)知識(shí)的發(fā)展，同時(shí)也是電磁學(xué)和電磁波聯(lián)系的紐帶。課時(shí)安排為1課時(shí)。本節(jié)（課）教學(xué)目標(biāo)（預(yù)期要培養(yǎng)的學(xué)科核心素養(yǎng)目標(biāo)）：1、認(rèn)識(shí)LC振蕩電路，了解電磁振蕩中電場(chǎng)能和磁場(chǎng)能之間的轉(zhuǎn)化過(guò)程，認(rèn)識(shí)到能量守恒定律是自然界的普遍規(guī)律，進(jìn)一步形成能量觀念。通過(guò)對(duì)LC振蕩電路充、放電的過(guò)程逐步分析，體會(huì)模型建構(gòu)和科學(xué)推理等科學(xué)思維的應(yīng)用。通過(guò)對(duì)LC振蕩電路的觀察與探究，形成實(shí)事求是和持之以恒的科學(xué)態(tài)度。通過(guò)對(duì)電磁波運(yùn)用的介紹，讓學(xué)生能基于證據(jù)和邏輯發(fā)表自己的見解。實(shí)事求是，不迷信權(quán)威，關(guān)心國(guó)內(nèi)外科技發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)，充分體會(huì)科學(xué)、技術(shù)、社會(huì)之間的緊密聯(lián)系。學(xué)習(xí)者特征分析一般特征：以形象思維為基本思維方式，對(duì)直觀的內(nèi)容比較感興趣，欠缺對(duì)問(wèn)題的深入思考及理性化的思維過(guò)程。初始能力：通過(guò)前面的學(xué)習(xí)，對(duì)電磁感應(yīng)的相關(guān)知識(shí)有一定的掌握，但是電磁振蕩產(chǎn)生的物理過(guò)程比較抽象，學(xué)生腦海里不易建立起清晰的電荷、電流隨時(shí)間變化的的物理情景。信息素養(yǎng)：學(xué)生在日常生活中對(duì)電磁波較為熟悉，可以將電磁波與電和磁的相互作用聯(lián)系起來(lái)，可構(gòu)建簡(jiǎn)易電磁感應(yīng)模型。教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)項(xiàng)目?jī)?nèi)容解決措施教學(xué)重點(diǎn)LC振蕩電路電磁振蕩中電場(chǎng)能和磁場(chǎng)能的轉(zhuǎn)化用電路中的能量轉(zhuǎn)化來(lái)分析電路中的所有變量，體會(huì)能量守恒的普遍性教學(xué)難點(diǎn)電磁振蕩中電場(chǎng)能和磁場(chǎng)能轉(zhuǎn)化的過(guò)程分析問(wèn)題串引導(dǎo)，學(xué)生探究，分析總結(jié)課堂教學(xué)過(guò)程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（本欄為課堂教學(xué)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，應(yīng)詳細(xì)闡述并繪出教學(xué)流程圖）教學(xué)環(huán)節(jié)教師的活動(dòng)教學(xué)媒體（資源）設(shè)計(jì)意圖、依據(jù)【創(chuàng)設(shè)情景：對(duì)比估計(jì)信息傳遞差異】同學(xué)們好，今天我們一起來(lái)學(xué)習(xí)選擇性必修二第四章第一節(jié)的內(nèi)容：電磁振蕩。首先請(qǐng)大家思考下古代是如何傳遞信息的？我這里簡(jiǎn)單的羅列了幾種，包括烽火臺(tái)利用狼煙傳遞信息、飛鴿傳書、快馬傳書等。但這些方法往往會(huì)有很多不確定因素，比如時(shí)間太久、信息丟失等。而在信息技術(shù)高速發(fā)展的今天，移動(dòng)電話、廣播電視、5G網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星遙感等技術(shù)拉近了人們的距離。請(qǐng)大家思考下，這些通訊技術(shù)是利用什么進(jìn)行的信息傳遞呢？對(duì)的，他們的工作和運(yùn)行都要利用無(wú)線電波，也叫做電磁波，它的發(fā)現(xiàn)使人類的信息傳遞發(fā)生了巨大的變革。問(wèn)題1：那么如何持續(xù)產(chǎn)生電磁波呢？根據(jù)之前所學(xué)習(xí)的電磁感應(yīng)知識(shí)，如果閉合回路中磁通量發(fā)生改變，那么回路中就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，現(xiàn)在請(qǐng)大家看個(gè)熟悉的情景。問(wèn)題2：那么，如果將這個(gè)電容器充滿電后與線圈連接，又會(huì)發(fā)生什么現(xiàn)象呢？實(shí)驗(yàn)1：觀察LC振蕩電路中指針擺動(dòng)接下來(lái)，我們通過(guò)一個(gè)電路圖來(lái)分析這個(gè)問(wèn)題，如圖首先我們把電容器、自感線圈及電源用導(dǎo)線連接，我們先將開關(guān)S扳到1處，此時(shí)電容器開始充電，待充電結(jié)束后，再將開關(guān)S扳到2處，觀察電流計(jì)指針如何擺動(dòng)？實(shí)驗(yàn)中我們觀察到電流表指針在周期性的左右擺動(dòng)，說(shuō)明產(chǎn)生了方向改變的電流。那么回路中電流的大小有沒有發(fā)生變化呢？有沒有什么方法可以觀察到電流隨時(shí)間的變化情況呢？我們可以采用推導(dǎo)的方式，還可以用實(shí)驗(yàn)的方式來(lái)觀察結(jié)果。比如我們把剛才實(shí)驗(yàn)中的靈敏電流器替換為電流傳感器或者示波器的話，就可以在屏幕上直接觀察到電流隨時(shí)間的變化圖像?，F(xiàn)在我們就用示波器來(lái)觀察下該電路中的電流情況。實(shí)驗(yàn)2：示波器觀察LC振蕩電路電流變化問(wèn)題3：那么這個(gè)電路中電容器極板所帶電荷量的變化情況又該如何分析呢？我們可以采用理論推導(dǎo)的方式，會(huì)發(fā)現(xiàn)其實(shí)q-t圖的斜率含義就是回路電流的變化情況。因此，在剛剛分析的LC振蕩電路中我們會(huì)得到一個(gè)按照余弦規(guī)律變化的的q-t圖。即一個(gè)周期內(nèi)電容器極板間電荷量的變化規(guī)律與電流的變化規(guī)律相反，為余弦式變化。如何通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)證明下我們的理論分析呢？可以通過(guò)測(cè)量哪個(gè)量來(lái)反應(yīng)電容器極板所帶電荷量呢？我們可以用電壓傳感器來(lái)測(cè)量電容兩端的電壓，也就是測(cè)量線圈兩端的電壓，根據(jù)電容定義式：Q=CU，就可以反應(yīng)出電容器極板的電荷量情況了。會(huì)發(fā)現(xiàn)電壓同樣是按照正弦規(guī)律變化的。也證明了剛剛理論分析的正確性。在剛剛線圈和電容器組成的實(shí)驗(yàn)電路中產(chǎn)生了大小和方向都做周期性變化的電流。這種電流成為振蕩電流。能產(chǎn)生振蕩電流的電路成為振蕩電路。由線圈和電容器組成的電路是最簡(jiǎn)單的振蕩電路，稱為L(zhǎng)C振蕩電路。我們來(lái)總結(jié)下，剛剛的實(shí)驗(yàn)和分析說(shuō)明充LC振蕩電路中的電流是滿足正弦變化的，而電容器極板的帶電量是滿足余弦變化的，在這樣的電路中就可以產(chǎn)生電磁波了。問(wèn)題4：現(xiàn)在讓我們分析下LC振蕩電路中，電容器和線圈分別都是什么功能呢？將引起哪些量的變化呢？請(qǐng)大家按下暫停鍵，自己先思考一下。電容器充滿電后將開關(guān)撥向2處，LC振蕩電路接通后，電容器作為電源在電路中放電，因此極板上的電荷量會(huì)發(fā)生改變，兩極板間的電場(chǎng)強(qiáng)度、電勢(shì)差和電場(chǎng)能也會(huì)發(fā)生改變。根據(jù)電流的磁效應(yīng)，所以回路中會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，而且磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)能也在變化。那么線圈在電路中會(huì)有什么作用？只是作為一根電阻絲嗎？顯然不僅僅如此，由于電流是變化的，因此線圈中會(huì)發(fā)生自感現(xiàn)象。所以回路中的各物理量的變化應(yīng)該是逐漸變化的，不會(huì)突變。問(wèn)題5：我們現(xiàn)在已經(jīng)知道了LC振蕩電路中電流和電容器所帶電荷量的變化規(guī)律，那么一個(gè)周期內(nèi)磁場(chǎng)能、磁感應(yīng)強(qiáng)度B變化圖像如何？我們從哪個(gè)量入手分析呢？由于磁場(chǎng)能正比于磁感應(yīng)強(qiáng)度，而磁感應(yīng)強(qiáng)度正比于線圈中的電流，所以我們可以通過(guò)分析i來(lái)研究磁場(chǎng)能的變化情況。即磁感應(yīng)強(qiáng)度即磁場(chǎng)能在一個(gè)周期內(nèi)的圖像應(yīng)與電流圖像相同，都為正弦變化。而由于磁場(chǎng)能是沒有正負(fù)的，所以它的圖像應(yīng)該是這樣的都在時(shí)間軸以上的。問(wèn)題6：那么一個(gè)周期內(nèi)電場(chǎng)能、電場(chǎng)強(qiáng)度E、電容器極板間電壓U、電容器帶電量q的變化圖像如何？我們從哪個(gè)量入手分析呢？對(duì)于這幾個(gè)量，我們可以采用相同的分析方法。電場(chǎng)能正比于電場(chǎng)強(qiáng)度，電場(chǎng)強(qiáng)度正比于電容器兩極板間電壓，而電容器兩極板間電壓正比于電容器所帶電荷量。所以我們通過(guò)q的變化來(lái)分析板間電壓、電場(chǎng)強(qiáng)度及電場(chǎng)能。即，電場(chǎng)強(qiáng)度和電容器極板間電壓都是余弦變化。同理，由于電場(chǎng)能是沒有正負(fù)的，所以它的圖像也應(yīng)該是這樣的都在時(shí)間軸以上的。問(wèn)題7：請(qǐng)問(wèn)同學(xué)們，在LC振蕩電路中上述物理量為何會(huì)按照剛剛分析的規(guī)律呈周期性變化呢？能量守恒是自然界中的普遍規(guī)律。接下來(lái)就讓我們從能量入手分析下吧。（分析過(guò)程略）上述過(guò)程周而復(fù)始地進(jìn)行，由此產(chǎn)生大小和方向呈周期性變化的振蕩電流，線圈中對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)和電容器里的電場(chǎng)也呈周期性變化，電磁能和磁場(chǎng)能相互轉(zhuǎn)化，這種現(xiàn)象稱為電磁振蕩。問(wèn)題8：請(qǐng)問(wèn)同學(xué)們，LC振蕩電路中，電磁振蕩會(huì)一直持續(xù)下去嗎？實(shí)驗(yàn)1中靈敏電流計(jì)的指針擺動(dòng)幅度逐漸減小至停下說(shuō)明什么呢？接下來(lái)，我們把LC振蕩電路中的靈敏電流計(jì)用電流傳感器替換下，看看電路中的電流的具體變化情況。實(shí)驗(yàn)3：觀察阻尼振蕩電流請(qǐng)問(wèn)同學(xué)們，我們測(cè)定的電流圖像和最開始用示波器測(cè)定的產(chǎn)生電磁波的電流圖像哪里不同呢？我們知道，電流的峰值代表回路中能量的大小。所以LC電路中能量是在逐漸減小的。這是因?yàn)橛捎诰€圈和電路中的電阻產(chǎn)熱消耗了部分電能，還有一部分能量以電磁波的形式損耗。因此電路中能量不斷減小，因此電流的振幅在逐漸減小至零，并不會(huì)持續(xù)的振蕩下去。因此，為了產(chǎn)生持續(xù)的電磁波，實(shí)際的電路中可以利用電源來(lái)補(bǔ)充能量損耗，例如最開始用示波器得到的等幅電流圖像就是進(jìn)行了電源補(bǔ)充能量的效果。接下來(lái)，我們來(lái)看兩個(gè)概念：若電磁振蕩中沒有能量損耗，振蕩將永遠(yuǎn)持續(xù)下去，振蕩電流的振幅保持不變，這種振蕩稱為無(wú)阻尼振蕩。但是實(shí)際電路中能量會(huì)發(fā)生損耗，振蕩電流的振幅會(huì)逐漸減小至停止振蕩，這種振蕩稱為阻尼振蕩。問(wèn)題9:阻尼振蕩中的周期會(huì)變化嗎？首先，我們利用阻尼振蕩的電流圖像來(lái)分析下，我們將電流振幅較大時(shí)候的半個(gè)周期時(shí)長(zhǎng)平移到電流振幅較小的時(shí)候的半個(gè)周期位置，發(fā)現(xiàn)兩者是完全重合的，說(shuō)明振蕩電路中能量是否有損失并不會(huì)影響振蕩周期。問(wèn)題10：現(xiàn)在我們已經(jīng)知道了電磁振蕩中，各個(gè)物理量的變化是具有周期性的，那么LC振蕩電路中的周期和頻率什么因素有關(guān)呢？讓我們先理論分析一下，請(qǐng)問(wèn)電容比較大，電容器充放電的時(shí)間是長(zhǎng)還是短？單從電容本身來(lái)看，電容比較大時(shí)電容器可以容納的電荷量比較大，因此可以導(dǎo)致充放電時(shí)間變長(zhǎng)；而線圈的磁感系數(shù)較大時(shí)，則阻礙電流變化的能力比較強(qiáng)，電流變化會(huì)比較慢。同樣充放電時(shí)間會(huì)長(zhǎng)一些，讓我們通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證一下我們的分析。這套實(shí)驗(yàn)裝置上可以提供兩個(gè)線圈，其中l(wèi)1的線圈自感比較大，還可以提供兩個(gè)電容，c1的電容是比較大的，首先將cl接入電路，充電后組成了LC震蕩電路，保持L1不變，用c2替代c1發(fā)現(xiàn)當(dāng)接入電容比較大的c1時(shí)周期則明顯要大，與我們的分析相吻合。當(dāng)然我們還可以保持電容不改變，用自感系數(shù)來(lái)驗(yàn)證，也會(huì)得到相似的結(jié)果，就不再贅述了。到這里可能有同學(xué)有疑問(wèn)，如果線圈電容都不變，而是增大給電容充電的電壓，會(huì)改變周期頻率，雖然理論不太容易分析，但是實(shí)驗(yàn)可以證明增大電壓會(huì)發(fā)現(xiàn)振幅變大了，但變化的周期并沒有改變?？磥?lái)周期與外部電壓無(wú)關(guān)。大量的實(shí)驗(yàn)證明，LC震蕩電路的周期只跟電容和線圈有關(guān)，與外部電路的各個(gè)物理量都是無(wú)關(guān)的，是由電路本身的性質(zhì)決定了物理量，因此也被稱為了固有周期固有頻率。理論與實(shí)驗(yàn)表明，LC振蕩電路的振蕩周期T與頻率f只與自感系數(shù)L和電容C有關(guān)，與其他因素?zé)o關(guān)，他們的關(guān)系式為：式中T、L、f和C的單位分別是秒，亨利，赫茲和法拉。提醒大家注意各個(gè)物理量的國(guó)際單位以及這個(gè)公式，可以通過(guò)微積分理論推導(dǎo)出來(lái)。有興趣的同學(xué)可以自己拓展下。根據(jù)上述公式可知，我們可以通過(guò)改變回路中的電容器的電容和線圈的自感系數(shù)，以獲得所需的振蕩頻率。例如收音機(jī)、電視機(jī)中用于調(diào)臺(tái)的調(diào)諧電路，就是通過(guò)調(diào)節(jié)可變電容器的電容來(lái)改變回路的振蕩周期和頻率的。以上就是本節(jié)課的全部?jī)?nèi)容。接下來(lái)就讓我們來(lái)一起做幾個(gè)練習(xí)鞏固下今天所學(xué)習(xí)的知識(shí)吧。教材課后題PPT展示通過(guò)對(duì)電磁波運(yùn)用的介紹，讓充分體會(huì)科學(xué)、技術(shù)、社會(huì)之間的緊密聯(lián)系【溫故知新】構(gòu)建LC振蕩電路并探究構(gòu)建電路中電流特點(diǎn)PPT展示PPT展示介紹電磁波，并將產(chǎn)生電磁波的信號(hào)可視化，給學(xué)生以感性認(rèn)識(shí)，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣PPT展示視頻播放視頻播放回顧電與磁的關(guān)系，初步建立LC振蕩電路，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維通過(guò)定性實(shí)驗(yàn)與半定量實(shí)驗(yàn)測(cè)量，確定產(chǎn)生電磁波的電路，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究與科學(xué)態(tài)度。從能量角度解釋阻尼振蕩與非阻尼振蕩，引導(dǎo)學(xué)生體會(huì)能量守恒的應(yīng)用理論分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生的嚴(yán)謹(jǐn)性并明確振蕩電流、振蕩電路等概念【分析電路特征量】分析電路中其他變量，突出周期性。并推到一個(gè)周期內(nèi)各個(gè)變量的圖像。PPT展示PPT展示引導(dǎo)學(xué)生將電路中各個(gè)變量的分析歸納為電路中電流i及電容器所帶電荷量q的分析，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維明確各個(gè)物理量在一個(gè)周期內(nèi)變化圖像【能量角度分析各個(gè)物理量形成原因】PPT展示引導(dǎo)學(xué)生從能量角度解釋問(wèn)題，體會(huì)能量守恒在自然界中的普遍性。培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維及科學(xué)態(tài)度明確電磁振蕩等概念明確電磁振蕩概念【探究LC振蕩電路周期】PPT展示引導(dǎo)學(xué)生回顧知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生歸納總結(jié)的能力定性對(duì)周期大小的影響因素進(jìn)行討論。培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維。引導(dǎo)學(xué)生將定性分析與定量計(jì)算公式相聯(lián)系。培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度。鞏固本節(jié)課內(nèi)容。做到學(xué)以致用。目的：通過(guò)對(duì)電磁波運(yùn)用的介紹，讓充分體會(huì)科學(xué)、技術(shù)、社會(huì)之間的緊密聯(lián)系目的：通過(guò)對(duì)電磁波運(yùn)用的介紹，讓充分體會(huì)科學(xué)、技術(shù)、社會(huì)之間的緊密聯(lián)系古、今通訊方式對(duì)比，突出電磁波優(yōu)越性，引出電磁波古、今通訊方式對(duì)比，突出電磁波優(yōu)越性，引出電磁波、、逐步引導(dǎo)建立LC振蕩電路目的：回顧電與磁的關(guān)系，初步建立LC振蕩電路，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維逐步引導(dǎo)建立LC振蕩電路目的：回顧電與磁的關(guān)系，初步建立LC振蕩電路，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維目的：通過(guò)定性實(shí)驗(yàn)與半定量實(shí)驗(yàn)測(cè)量，確定產(chǎn)生電磁波的電路，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究與科學(xué)態(tài)度。并明確振蕩電流、振蕩電路等概念目的：通過(guò)定性實(shí)驗(yàn)與半定量實(shí)驗(yàn)測(cè)量，確定產(chǎn)生電磁波的電路，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究與科學(xué)態(tài)度。并明確振蕩電流、振蕩電路等概念通過(guò)實(shí)驗(yàn)通過(guò)實(shí)驗(yàn)1確定產(chǎn)生電磁波的實(shí)驗(yàn)電路目的：引導(dǎo)學(xué)生將電路中各個(gè)變量的分析歸納為電路中電流i及電容器所帶電荷量q的分析，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維分析電路中其他變量，突出周期性。并推到一個(gè)周期內(nèi)各個(gè)變量的圖像。目的：引導(dǎo)學(xué)生將電路中各個(gè)變量的分析歸納為電路中電流i及電容器所帶電荷量q的分析，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維分析電路中其他變量，突出周期性。并推到一個(gè)周期內(nèi)各個(gè)變量的圖像。目的：引導(dǎo)學(xué)生從能量角度解釋問(wèn)題，體會(huì)能量守恒在自然界中的普遍性。培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維及科學(xué)態(tài)度目的：引導(dǎo)學(xué)生從能量角度解釋問(wèn)題，體會(huì)能量守恒在自然界中的普遍性。培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維及科學(xué)態(tài)度從能