人教版(新教材)高中物理選擇性必修2教學(xué)設(shè)計1：4 2-4 3電磁場與電磁波 無線電波的發(fā)射和接收教案

人教版(新教材)高中物理選擇性必修第二冊PAGEPAGE14.2-4.3電磁場與電磁波無線電波的發(fā)射和接收教學(xué)目標1．了解麥克斯韋電磁波理論的主要觀點，知道電磁波的概念及通過電磁波體會電磁場的物質(zhì)性。2．體驗赫茲證明電磁波存在的實驗過程及實驗方法，領(lǐng)會物理實驗對物理學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)意義。3．了解無線電波的發(fā)射過程和調(diào)制的簡單概念。4．了解調(diào)諧、檢波及無線電波接收的基本原理。5．通過觀察總結(jié)了解無線電波的基本應(yīng)用，了解現(xiàn)代技術(shù)的應(yīng)用方法，學(xué)會基本原理。6．通過對無線電波應(yīng)用原理的基本認識感悟科學(xué)技術(shù)的價值和重要性。端正科學(xué)態(tài)度，培養(yǎng)科學(xué)的價值觀。教學(xué)重、難點1.電磁場理論的主要觀點及赫茲證明電磁波存在的實驗2.赫茲證明電磁波存在的實驗過程及實驗方法3．電磁波有效發(fā)射的條件，調(diào)制的概念。4．無線電波接收的原理，調(diào)諧、解調(diào)的概念。5．調(diào)制的概念。6．電諧振、調(diào)諧、解調(diào)的概念。教學(xué)過程一、新課引入牛頓蓋了一座房子，人類可以遮風(fēng)避雨了，麥克斯韋看了看，覺得生活不太方便，順手就把電線接進來了，于是“樓上樓下，電燈電話”，我們的小日子就過起來了。后來愛因斯坦、普朗克、玻爾等發(fā)現(xiàn)地基不牢固，就把地基給挖了，不過電線還留著呢啊。這個比方打完，是不是覺得麥克斯韋很偉大了啊。但是麥克斯韋偉大在何處呢？二、新課學(xué)習(xí)1.電磁場（1）變化的磁場產(chǎn)生電場①在變化的磁場中放一個閉合電路，電路里會產(chǎn)生感應(yīng)電流，如圖所示。這是法拉第發(fā)現(xiàn)的電磁感應(yīng)現(xiàn)象。②麥克斯韋進一步想到，既然產(chǎn)生了感應(yīng)電流，一定是有了電場，它促使導(dǎo)體中的自由電荷做定向運動。因此，麥克斯韋認為：這個現(xiàn)象的實質(zhì)是變化的磁場在空間產(chǎn)生了電場。電路中的自由電荷就是在這個電場的作用下做定向運動，產(chǎn)生了感應(yīng)電流。即使在變化的磁場中沒有閉合電路，同樣要產(chǎn)生電場，如圖所示。變化的磁場產(chǎn)生電場，這是一個普遍規(guī)律。③非均勻變化的磁場產(chǎn)生變化的電場，均勻變化的磁場產(chǎn)生穩(wěn)定的電場，穩(wěn)定的磁場不產(chǎn)生電場。（2）變化的電場產(chǎn)生磁場①麥克斯韋大膽地假設(shè)：變化的電場就像導(dǎo)線中的電流一樣，會在空間產(chǎn)生磁場，如圖所示。即變化的電場產(chǎn)生磁場。②非均勻變化的電場產(chǎn)生變化的磁場，均勻變化的電場產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場，穩(wěn)定的電場不產(chǎn)生磁場。（3）電磁場麥克斯韋認為在周期性變化的磁場周圍產(chǎn)生周期性變化的電場，周期性變化的電場周圍產(chǎn)生周期性變化的磁場，變化的電場和變化的磁場總是相互聯(lián)系的，形成一個不可分離的統(tǒng)一的場，這就是電磁場。周期性變化的電場和周期性變化的磁場交替產(chǎn)生，由近及遠地向周圍傳播。在空間形成電磁波。2.電磁波根據(jù)麥克斯韋的電磁場理論，電磁波在真空中傳播時，它的電場強度與磁感應(yīng)強度互相垂直，而且二者均與波的傳播方向垂直，如圖所示。因此電磁波是橫波。電磁波中的電場強度E和磁感應(yīng)強度B這兩個物理量隨時間和空間做周期性的變化。電磁波速度等于光速c光的本質(zhì)是電磁波電磁波能產(chǎn)生反射、折射、干涉、偏振和衍射等現(xiàn)象3.赫茲的電火花赫茲制作了一套儀器，試圖用它發(fā)射和接收電磁波。儀器中有一對拋光的金屬小球，兩球之間有很小的空氣間隙。兩個球連接到能夠產(chǎn)生高電壓的感應(yīng)圈的兩端。當(dāng)兩球之間放電時，看上去就是一個火花。儀器的另一部分是彎成環(huán)狀的導(dǎo)線，導(dǎo)線兩端也安裝兩個金屬小球，小球之間也有空隙。當(dāng)把這個導(dǎo)線環(huán)放在距感應(yīng)圈不太遠的位置時，他觀察到：當(dāng)感應(yīng)圈兩個金屬球間有火花跳過時，導(dǎo)線環(huán)兩個小球間也跳過了火花。這是一個令人振奮的現(xiàn)象！電磁波從發(fā)射器到達了接收器。當(dāng)感應(yīng)圈使得與它相連的兩個金屬球間產(chǎn)生電火花時，空間出現(xiàn)了迅速變化的電磁場。這種變化的電磁場以電磁波的形式在空間傳播。當(dāng)電磁波到達導(dǎo)線環(huán)時，它在導(dǎo)線環(huán)中激發(fā)出感應(yīng)電動勢，使得導(dǎo)線環(huán)的空隙中也產(chǎn)生了火花。這個導(dǎo)線環(huán)實際上是電磁波的檢測器。在以后的一系列實驗中，赫茲觀察到了電磁波的反射、折射、干涉、偏振和衍射等現(xiàn)象。他還通過測量證明，電磁波在真空中具有與光相同的速度c。這樣，赫茲證實了麥克斯韋關(guān)于光的電磁理論，赫茲在人類歷史上首先捕捉到了電磁波。4.無線電波的發(fā)射請同學(xué)們根據(jù)課前預(yù)習(xí)，閱讀教材，然后小組討論探究下面的問題。問題1：要有效地向外發(fā)射電磁波，振蕩電路必須具有哪些特點呢？學(xué)生：(1)要有足夠高的振蕩頻率。(2)振蕩電路的電場和磁場必須分散到盡可能大的空間，只有這樣才能有效地把電磁能（電磁波）傳播出去。問題2：振蕩電路如何改變，可以更有利與電磁波的發(fā)射？學(xué)生：把振蕩電路改造變成開放電路。那么如何改造呢？同學(xué)們仔細觀察一下，圖甲到圖丁是如何變化？師生討論得出：圖乙中，電容器的極板傾斜，張口變大，便于把電磁能輻射出去；線圈的匝數(shù)變少，其自感系數(shù)變小，便于發(fā)射高頻率的電磁波。圖丙中電容器極板間的距離增大，正對面積減少，線圈匝數(shù)進一步減少，便于發(fā)射較高頻率的電磁波，圖丁中電容器極板間的距離進一步增大，正對面積減少至為零，線圈匝數(shù)為零，以便能夠發(fā)射更高頻率的電磁波，這樣的電路就被稱為開放電路。師：無線電波是由開放電路發(fā)射出去的。講解：在實際應(yīng)用中常把開放電路的下端跟地連接。跟地連接的導(dǎo)線叫做地線。線圈上部接到比較高的導(dǎo)線上，這條導(dǎo)線叫做天線。天線和地線形成了一個敞開的電容器，電磁波就是由這樣的開放電路發(fā)射出去的。電視發(fā)射塔要建得很高，是為了使電磁波發(fā)射得較遠。實際發(fā)射無線電波的裝置中還需在開放電路旁加一個振蕩器電路與之耦合，如圖所示。振蕩器電路產(chǎn)生的高頻率振蕩電流通過L2與L1的互感作用，使L1也產(chǎn)生同頻率的振蕩電流，振蕩電流在開放電路中激發(fā)出無線電波，向四周發(fā)射。師：發(fā)射電磁波是為了利用它傳遞某種信號。例如無線電報傳遞的是電碼符號，無線電廣播傳遞的是聲音，電視廣播傳遞的不僅有聲音，還有圖像。這就要求發(fā)射的電磁波隨信號而改變。電磁波是怎樣傳遞這些信號的呢？講解：在電磁波發(fā)射技術(shù)中，如果把這種電信號“加”到高頻等幅振蕩電流上，那么，載有信號的高頻振蕩電流產(chǎn)生的電磁波就載著要傳送的信號一起發(fā)射出去。把要傳遞的信號“加”到高頻等幅振蕩電流上，使電磁波隨各種信號而改變的技術(shù)叫做調(diào)制。問題3：電臺發(fā)射的信號，如聲音信號，為什么不直接將聲音信號轉(zhuǎn)化為電信號發(fā)射出去，而是加載到高頻信號中發(fā)射呢？學(xué)生：聲音信號的頻率比較低。發(fā)射電磁波是為了利用它傳遞信號。要想電磁波傳得遠，就必須使用高頻率的電磁波。但我們要傳遞的信號卻是一些低頻信號，如：聲音信號、圖象信號不可能把它們直接發(fā)送出去。這就要求發(fā)射的電磁波隨信號而改變。在電磁波發(fā)射技術(shù)中，如果把這種電信號“加”到高頻等幅振蕩電流上，那么，載有信號的高頻振蕩電流產(chǎn)生的電磁波（也就是載波）就載著要傳送的信號一起發(fā)射出去．把要傳遞的信號“加”到高頻等幅振蕩電流上，使電磁波隨各種信號而改變的技術(shù)叫做調(diào)制。高頻振蕩電流，類似于運載貨物的貨車；要傳送的信號類似于要發(fā)出的貨物，調(diào)制類似于把貨物裝載到綁在貨車上。調(diào)制的方法有調(diào)幅和調(diào)頻（分步演示調(diào)幅和調(diào)頻，讓學(xué)生體會到調(diào)幅和調(diào)頻的區(qū)別）（1）調(diào)幅：使高頻電磁波的振幅隨信號的強弱而變叫做調(diào)幅。（調(diào)幅廣播（AM）一般使用中波和短波波段。）（2）調(diào)頻：使高頻電磁波的頻率隨信號的強弱而變叫做調(diào)頻。（調(diào)頻廣播（FM）和電視廣播都采用調(diào)頻的方法來調(diào)制，通常使用微波中的甚高頻（VHF）和超高頻（UHF）波段。）5.電磁波的接收問題1：發(fā)射的無線電波如何被接收到呢？生：電磁波在空間傳播時，如果遇到導(dǎo)體，會使導(dǎo)體產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流的頻率跟激起它的電磁波的頻率相同。因此利用放在電磁波傳播空間中的導(dǎo)體，就可以接收到電磁波了。問題2：如何使我們需要的電磁波在接收天線中激起的感應(yīng)電流最強？生：當(dāng)接收電路的固有頻率跟接收到的電磁波的頻率相同時，接收電路中產(chǎn)生的振蕩電流最強。在無線電技術(shù)里，是利用電諧振來達到這個目的的。當(dāng)接收電路的固有頻率跟接收到的電磁波的頻率相同時，接收電路中產(chǎn)生的振蕩電流最強。這種現(xiàn)象叫做電諧振，相當(dāng)于機械振動中的共振。下圖為收音機中與調(diào)臺旋鈕相連的電子元件，結(jié)合調(diào)諧電路說明收音機是如何實現(xiàn)選臺的。用調(diào)諧電路接收到的感應(yīng)電流是調(diào)制的高頻振蕩電流，還不是我們需要的聲音或圖像信號。要直接感受到所需要的信號，還需要解調(diào)。聲音或圖像信號從高頻電流中還原出來，叫做解調(diào)。是調(diào)制的逆過程，調(diào)幅波的解調(diào)也叫檢波。解調(diào)類似于把裝在貨車的貨物取下來。解調(diào)之后的信號再經(jīng)過放大、重現(xiàn)，我們就可以聽到或看到了?？偨Y(jié)電磁波的發(fā)射與接受過程：6.電視廣播的發(fā)射和接收電視廣播信號也是一種無線電信號。在現(xiàn)代電視發(fā)射系統(tǒng)中，首先通過攝像機的感光器件將景物的光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?。這種電信號可以通過線路直接傳輸，但是由于傳輸失真、損耗等原因，很難遠距離傳播。因此，需要通過載波將信號調(diào)制成高頻信號再進行傳播。高頻信號的主要傳播方式(1)地面無線電傳輸(2)有線網(wǎng)絡(luò)傳輸(3)衛(wèi)星傳輸。不同的傳播方式使用不同頻率范圍的電磁波，采取不同的調(diào)制方式。在電視接收端，接收到高頻電磁波信號以后，經(jīng)過解調(diào)處理，就可以將得到的電信號通過顯示設(shè)備轉(zhuǎn)變?yōu)閳D像信息。接收天線收到的電磁波除了載有圖像信號外，還有伴音信號。伴音信號經(jīng)解調(diào)后送到揚聲器課堂練習(xí)1．以下關(guān)于電磁場理論和電磁波的有關(guān)說法正確的是（）A．變化的電場周圍一定產(chǎn)生電磁波B．電磁波由真空中進入某種介質(zhì)傳播時，波長會變短C．麥克斯韋預(yù)言了電磁波的存在，法拉第用實驗驗證了電磁波的存在D．電磁波是縱波〖答案〗B〖解析〗均勻變化的電場產(chǎn)生恒定的磁場，只有周期性變化的電場才能形成周期性變化的磁場，故A錯誤；電磁波由真空進入介質(zhì)傳播時，波速變小，結(jié)合v＝λf，可知，波長將變短，故B正確；麥克斯韋預(yù)言了電磁波的存在，赫茲用實驗驗證了電磁波的存在，故C錯誤；電磁波是橫波，故D錯誤。2．(多選)如圖所示的振蕩電路中，某時刻線圈中磁場方向向上，且電路的電流正在增強，則此時（）A．a(chǎn)點電勢比b點低B．電容器兩極板間場強正在減小C．電路中電場能正在增大D．線圈中感應(yīng)電動勢正在增大〖答案〗AB〖解析〗結(jié)合圖中的磁場的方向，根據(jù)安培定則，線圈中的電流從b到a，此時電流正在增強，表明電容器正在放電，所以下板帶正電，上板帶負電．a(chǎn)點電勢比b點低，電容器兩極板間場強正在減小，電場能在減小，電流放電變慢，線圈中感應(yīng)電動勢變小。故AB正確，CD錯誤。3．麥克斯韋在1865年發(fā)表的《電磁場的動力學(xué)理論》一文中揭示了電、磁現(xiàn)象與光的內(nèi)在聯(lián)系及統(tǒng)一性，即光是電磁波。一單色光波在折射率為1.5的介質(zhì)中傳播，某時刻電場橫波圖象如圖所示，求該光波的頻率?！即鸢浮?×1014Hz〖解析〗設(shè)光在介質(zhì)中的傳播速度為v，波長為λ，頻率為f，則f＝eq\f(v,λ)①又n＝eq\f(c,v)②聯(lián)立①②式得f＝eq\f(c,nλ)③從波形圖上讀出波長λ＝4×10－7m，代入數(shù)據(jù)解得f＝5×1014Hz。4．關(guān)于無線電波的傳播，下列說法正確的是（）A．發(fā)射出去的電磁波，可以傳到無限遠處B．無線電波遇到導(dǎo)體，就可以在導(dǎo)體中激起同頻率的振蕩電流C．波長越短的電磁波，越接近直線傳播D．移動電話是利用無線電波進行通信的〖答案〗BCD5．調(diào)諧電路的可變電容器的