人教版(新教材)高中物理选择性必修2教学设计1：4 2-4 3电磁场与电磁波 无线电波的发射和接收教案

人教版(新教材)高中物理选择性必修第二册PAGEPAGE14.2-4.3电磁场与电磁波无线电波的发射和接收教学目标1．了解麦克斯韦电磁波理论的主要观点，知道电磁波的概念及通过电磁波体会电磁场的物质性。2．体验赫兹证明电磁波存在的实验过程及实验方法，领会物理实验对物理学发展的基础意义。3．了解无线电波的发射过程和调制的简单概念。4．了解调谐、检波及无线电波接收的基本原理。5．通过观察总结了解无线电波的基本应用，了解现代技术的应用方法，学会基本原理。6．通过对无线电波应用原理的基本认识感悟科学技术的价值和重要性。端正科学态度，培养科学的价值观。教学重、难点1.电磁场理论的主要观点及赫兹证明电磁波存在的实验2.赫兹证明电磁波存在的实验过程及实验方法3．电磁波有效发射的条件，调制的概念。4．无线电波接收的原理，调谐、解调的概念。5．调制的概念。6．电谐振、调谐、解调的概念。教学过程一、新课引入牛顿盖了一座房子，人类可以遮风避雨了，麦克斯韦看了看，觉得生活不太方便，顺手就把电线接进来了，于是“楼上楼下，电灯电话”，我们的小日子就过起来了。后来爱因斯坦、普朗克、玻尔等发现地基不牢固，就把地基给挖了，不过电线还留着呢啊。这个比方打完，是不是觉得麦克斯韦很伟大了啊。但是麦克斯韦伟大在何处呢？二、新课学习1.电磁场（1）变化的磁场产生电场①在变化的磁场中放一个闭合电路，电路里会产生感应电流，如图所示。这是法拉第发现的电磁感应现象。②麦克斯韦进一步想到，既然产生了感应电流，一定是有了电场，它促使导体中的自由电荷做定向运动。因此，麦克斯韦认为：这个现象的实质是变化的磁场在空间产生了电场。电路中的自由电荷就是在这个电场的作用下做定向运动，产生了感应电流。即使在变化的磁场中没有闭合电路，同样要产生电场，如图所示。变化的磁场产生电场，这是一个普遍规律。③非均匀变化的磁场产生变化的电场，均匀变化的磁场产生稳定的电场，稳定的磁场不产生电场。（2）变化的电场产生磁场①麦克斯韦大胆地假设：变化的电场就像导线中的电流一样，会在空间产生磁场，如图所示。即变化的电场产生磁场。②非均匀变化的电场产生变化的磁场，均匀变化的电场产生稳定的磁场，稳定的电场不产生磁场。（3）电磁场麦克斯韦认为在周期性变化的磁场周围产生周期性变化的电场，周期性变化的电场周围产生周期性变化的磁场，变化的电场和变化的磁场总是相互联系的，形成一个不可分离的统一的场，这就是电磁场。周期性变化的电场和周期性变化的磁场交替产生，由近及远地向周围传播。在空间形成电磁波。2.电磁波根据麦克斯韦的电磁场理论，电磁波在真空中传播时，它的电场强度与磁感应强度互相垂直，而且二者均与波的传播方向垂直，如图所示。因此电磁波是横波。电磁波中的电场强度E和磁感应强度B这两个物理量随时间和空间做周期性的变化。电磁波速度等于光速c光的本质是电磁波电磁波能产生反射、折射、干涉、偏振和衍射等现象3.赫兹的电火花赫兹制作了一套仪器，试图用它发射和接收电磁波。仪器中有一对抛光的金属小球，两球之间有很小的空气间隙。两个球连接到能够产生高电压的感应圈的两端。当两球之间放电时，看上去就是一个火花。仪器的另一部分是弯成环状的导线，导线两端也安装两个金属小球，小球之间也有空隙。当把这个导线环放在距感应圈不太远的位置时，他观察到：当感应圈两个金属球间有火花跳过时，导线环两个小球间也跳过了火花。这是一个令人振奋的现象！电磁波从发射器到达了接收器。当感应圈使得与它相连的两个金属球间产生电火花时，空间出现了迅速变化的电磁场。这种变化的电磁场以电磁波的形式在空间传播。当电磁波到达导线环时，它在导线环中激发出感应电动势，使得导线环的空隙中也产生了火花。这个导线环实际上是电磁波的检测器。在以后的一系列实验中，赫兹观察到了电磁波的反射、折射、干涉、偏振和衍射等现象。他还通过测量证明，电磁波在真空中具有与光相同的速度c。这样，赫兹证实了麦克斯韦关于光的电磁理论，赫兹在人类历史上首先捕捉到了电磁波。4.无线电波的发射请同学们根据课前预习，阅读教材，然后小组讨论探究下面的问题。问题1：要有效地向外发射电磁波，振荡电路必须具有哪些特点呢？学生：(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，只有这样才能有效地把电磁能（电磁波）传播出去。问题2：振荡电路如何改变，可以更有利与电磁波的发射？学生：把振荡电路改造变成开放电路。那么如何改造呢？同学们仔细观察一下，图甲到图丁是如何变化？师生讨论得出：图乙中，电容器的极板倾斜，张口变大，便于把电磁能辐射出去；线圈的匝数变少，其自感系数变小，便于发射高频率的电磁波。图丙中电容器极板间的距离增大，正对面积减少，线圈匝数进一步减少，便于发射较高频率的电磁波，图丁中电容器极板间的距离进一步增大，正对面积减少至为零，线圈匝数为零，以便能够发射更高频率的电磁波，这样的电路就被称为开放电路。师：无线电波是由开放电路发射出去的。讲解：在实际应用中常把开放电路的下端跟地连接。跟地连接的导线叫做地线。线圈上部接到比较高的导线上，这条导线叫做天线。天线和地线形成了一个敞开的电容器，电磁波就是由这样的开放电路发射出去的。电视发射塔要建得很高，是为了使电磁波发射得较远。实际发射无线电波的装置中还需在开放电路旁加一个振荡器电路与之耦合，如图所示。振荡器电路产生的高频率振荡电流通过L2与L1的互感作用，使L1也产生同频率的振荡电流，振荡电流在开放电路中激发出无线电波，向四周发射。师：发射电磁波是为了利用它传递某种信号。例如无线电报传递的是电码符号，无线电广播传递的是声音，电视广播传递的不仅有声音，还有图像。这就要求发射的电磁波随信号而改变。电磁波是怎样传递这些信号的呢？讲解：在电磁波发射技术中，如果把这种电信号“加”到高频等幅振荡电流上，那么，载有信号的高频振荡电流产生的电磁波就载着要传送的信号一起发射出去。把要传递的信号“加”到高频等幅振荡电流上，使电磁波随各种信号而改变的技术叫做调制。问题3：电台发射的信号，如声音信号，为什么不直接将声音信号转化为电信号发射出去，而是加载到高频信号中发射呢？学生：声音信号的频率比较低。发射电磁波是为了利用它传递信号。要想电磁波传得远，就必须使用高频率的电磁波。但我们要传递的信号却是一些低频信号，如：声音信号、图象信号不可能把它们直接发送出去。这就要求发射的电磁波随信号而改变。在电磁波发射技术中，如果把这种电信号“加”到高频等幅振荡电流上，那么，载有信号的高频振荡电流产生的电磁波（也就是载波）就载着要传送的信号一起发射出去．把要传递的信号“加”到高频等幅振荡电流上，使电磁波随各种信号而改变的技术叫做调制。高频振荡电流，类似于运载货物的货车；要传送的信号类似于要发出的货物，调制类似于把货物装载到绑在货车上。调制的方法有调幅和调频（分步演示调幅和调频，让学生体会到调幅和调频的区别）（1）调幅：使高频电磁波的振幅随信号的强弱而变叫做调幅。（调幅广播（AM）一般使用中波和短波波段。）（2）调频：使高频电磁波的频率随信号的强弱而变叫做调频。（调频广播（FM）和电视广播都采用调频的方法来调制，通常使用微波中的甚高频（VHF）和超高频（UHF）波段。）5.电磁波的接收问题1：发射的无线电波如何被接收到呢？生：电磁波在空间传播时，如果遇到导体，会使导体产生感应电流，感应电流的频率跟激起它的电磁波的频率相同。因此利用放在电磁波传播空间中的导体，就可以接收到电磁波了。问题2：如何使我们需要的电磁波在接收天线中激起的感应电流最强？生：当接收电路的固有频率跟接收到的电磁波的频率相同时，接收电路中产生的振荡电流最强。在无线电技术里，是利用电谐振来达到这个目的的。当接收电路的固有频率跟接收到的电磁波的频率相同时，接收电路中产生的振荡电流最强。这种现象叫做电谐振，相当于机械振动中的共振。下图为收音机中与调台旋钮相连的电子元件，结合调谐电路说明收音机是如何实现选台的。用调谐电路接收到的感应电流是调制的高频振荡电流，还不是我们需要的声音或图像信号。要直接感受到所需要的信号，还需要解调。声音或图像信号从高频电流中还原出来，叫做解调。是调制的逆过程，调幅波的解调也叫检波。解调类似于把装在货车的货物取下来。解调之后的信号再经过放大、重现，我们就可以听到或看到了。总结电磁波的发射与接受过程：6.电视广播的发射和接收电视广播信号也是一种无线电信号。在现代电视发射系统中，首先通过摄像机的感光器件将景物的光信号转变为电信号。这种电信号可以通过线路直接传输，但是由于传输失真、损耗等原因，很难远距离传播。因此，需要通过载波将信号调制成高频信号再进行传播。高频信号的主要传播方式(1)地面无线电传输(2)有线网络传输(3)卫星传输。不同的传播方式使用不同频率范围的电磁波，采取不同的调制方式。在电视接收端，接收到高频电磁波信号以后，经过解调处理，就可以将得到的电信号通过显示设备转变为图像信息。接收天线收到的电磁波除了载有图像信号外，还有伴音信号。伴音信号经解调后送到扬声器课堂练习1．以下关于电磁场理论和电磁波的有关说法正确的是（）A．变化的电场周围一定产生电磁波B．电磁波由真空中进入某种介质传播时，波长会变短C．麦克斯韦预言了电磁波的存在，法拉第用实验验证了电磁波的存在D．电磁波是纵波〖答案〗B〖解析〗均匀变化的电场产生恒定的磁场，只有周期性变化的电场才能形成周期性变化的磁场，故A错误；电磁波由真空进入介质传播时，波速变小，结合v＝λf，可知，波长将变短，故B正确；麦克斯韦预言了电磁波的存在，赫兹用实验验证了电磁波的存在，故C错误；电磁波是横波，故D错误。2．(多选)如图所示的振荡电路中，某时刻线圈中磁场方向向上，且电路的电流正在增强，则此时（）A．a点电势比b点低B．电容器两极板间场强正在减小C．电路中电场能正在增大D．线圈中感应电动势正在增大〖答案〗AB〖解析〗结合图中的磁场的方向，根据安培定则，线圈中的电流从b到a，此时电流正在增强，表明电容器正在放电，所以下板带正电，上板带负电．a点电势比b点低，电容器两极板间场强正在减小，电场能在减小，电流放电变慢，线圈中感应电动势变小。故AB正确，CD错误。3．麦克斯韦在1865年发表的《电磁场的动力学理论》一文中揭示了电、磁现象与光的内在联系及统一性，即光是电磁波。一单色光波在折射率为1.5的介质中传播，某时刻电场横波图象如图所示，求该光波的频率。〖答案〗5×1014Hz〖解析〗设光在介质中的传播速度为v，波长为λ，频率为f，则f＝eq\f(v,λ)①又n＝eq\f(c,v)②联立①②式得f＝eq\f(c,nλ)③从波形图上读出波长λ＝4×10－7m，代入数据解得f＝5×1014Hz。4．关于无线电波的传播，下列说法正确的是（）A．发射出去的电磁波，可以传到无限远处B．无线电波遇到导体，就可以在导体中激起同频率的振荡电流C．波长越短的电磁波，越接近直线传播D．移动电话是利用无线电波进行通信的〖答案〗BCD5．调谐电路的可变电容器的