第八单元 磁场与电磁波-高中物理单元教学设计

>> 192 王  静　祁会玲　张战强　汪  静 第八单元  磁场与电磁波 【单元教学设计】 1. 单元素养目标 第八单元的素养目标如表 8-1 所示。 表8-1　第八单元素养目标 素养目标 教学内容 单元学习素养目标 物理观念 （1）磁场是一种物质，电流能产生磁场，磁体与磁体、磁 体与电流，以及电流与电流之间的相互作用都是通过磁场 发生的。 （2）影响磁场的通电导线受力的因素，磁感应强度、磁通 量的定义式及其适用条件。 （3）电磁感应现象及其产生条件，电磁感应现象的应用。 （4）麦克斯韦电磁场理论的两个基本假设，变化的电场与 变化的磁场交替产生了电磁波，电磁波具有物质性。 （5）波速与波长、频率的关系，电磁波在真空中的传播速度。 电磁波谱，不同波长的电磁波在生产和生活中的应用。 （6）光是一种电磁波，电磁波的能量是不连续的，普朗克 的能量子假说及其表达式。原子能量的量子化特征，原子 从高能态向低能态跃迁时放出光子 学生具有磁场、电磁 波的知识，进一步拓 展物质观念、能量观 念和运动观念等物理 观念，再次了解微观 世界的量子化特征 科学思维 （1）条形磁体、蹄形磁体、直线电流、环形电流和通电螺 线管等周围的磁场的磁感线，安培定则。 （2）匀强磁场的磁感线。 （3）穿过闭合电路的磁通量的变化情况 学生会建构常见磁场 的磁感线和电流元等 模型，提高模型建构 素养 高立峰  张士峰 193 << 续　表 　第八单元 磁场与电磁波　 素养目标 教学内容 单元学习素养目标 科学探究 （1）感应电流产生条件。 （2）实验电路各部分的功能，连接电路的方法，记录实验 现象的步骤。 （3）实验现象分析 学生会探究感应电流 产生的条件，增强问 题意识，提高设计实 验、收集证据、总结 规律、解释现象的能 力，提升科学探究素养 科学态度 与责任 （1）法拉第发现电磁感应现象的艰难历程，科学家严谨细致、 实事求是、持之以恒的科学态度。 （2）电磁感应现象在生产生活中的广泛应用，对现代社会 的影响，发现“磁生电”的意义和价值。 （3）电磁波的发现历程，理论与实验对于推动科学进步的 重要意义，电磁波的广泛应用对生产和生活带来的影响 学生通过对电磁感应 和电磁波的发现历程 及其意义的学习，体 会科学、技术、社会、 环境的关系，进一步 提升科学态度与责任 素养 2. 学生情况分析 （1）物理观念：初中学生已经学习了一些电磁感应现象，初步具备“磁生电” 的物理观念。 （2）科学思维：本单元是对初中学生已有科学思维的延伸，学生在模型建构、 科学推理、科学论证、质疑创新等方面具有一定的素养和能力，具备进一步深化学 习的知识和能力储备。 （3）科学探究：初中阶段的科学探究仅限于“导体棒切割磁感线”这一单一定 性层面，定量实验的探究不够充分、规律性总结较为欠缺，同时对于知识的应用不 够广泛，对法拉第等人的探究思想了解得不够充分。 （4）科学态度与责任：学生初步具有用物理知识解释生活现象的能力，对于物 理学与生产、生活的紧密联系也有一定的体会，更具有学以致用的精神，同时对探 索自然奥秘有着强烈的愿望和憧憬，为本单元的学习奠定了基础。 【单元教学内容分析】 本单元是电磁场的重要组成成分和联系生活实际的具体应用，本单元既要关注 学生在初中的基础，又要注意把握讲解深度，给后续的选修内容留有余地。 1. 本单元内容结构 第八单元的内容结构如图 8-1 所示。 >> 194 　高中物理单元教学设计　 B FIL Φ BS ε hv 图 8-1　第八单元内容结构 2. 单元内容进阶层级 第八单元的内容进阶层级如图 8-2 所示。 　第八单元 磁场与电磁波　 195 << 图 8-2　第八单元内容进阶层级 【单元教学任务设计】 1. 任务一：磁场基础 （1）磁场、磁感应强度等概念。 （2）教师进行实验演示，让学生观察磁场现象。 2. 任务二：电磁感应 （1）教师引导学生探究电磁感应现象的原理和规律。 （2）教师引导学生设计实验，验证电磁感应定律。 3. 任务三：电磁波的产生与传播 （1）教师介绍电磁波的产生机制和传播方式。 （2）教师引导学生观察电磁波的实验，了解其特性。 >> 196 　高中物理单元教学设计　 4. 任务四：应用与拓展 （1）教师引导学生结合实际案例，分析磁场与电磁波的应用。 （2）教师引导学生进行相关项目研究或小发明。  5 主题十三　电磁感应与电磁波初步 13.1　磁场 磁感线（1课时） 高立峰 【设计理念】 教师介绍我国古代对磁现象的研究、指南针的发明等磁学成就，引导学生回忆 生活、生产中的磁现象和磁技术的广泛应用。教师还可以通过演示磁体间相互作用 的小实验生动地引导学生了解磁现象。教师要做好电流磁效应的演示实验，让学生 直观地认识电流的磁效应。教师要特别指出奥斯特绝非“意外”获得了这个意义重 大的发现，在当时的历史条件下，确实给人一种豁然开朗的感觉。电磁学进入了一 个崭新的发展时期。 【教材分析】 本节是必修课程必修 3 模块中电磁场与电磁波初步中的内容，课程标准的要求 为：能列举磁现象在生产生活中的应用。了解我国古代在磁现象方面的研究成果及 其对人类文明的影响。关注与磁相关的现代技术发展。通过实验，认识磁场。 【学情分析】 学生在初中接触过磁现象和磁场的相关知识，在日常生活中学生对磁现象也有 一定的了解。很多磁现象是比较抽象的，大部分学生知道电与磁之间是有联系的， 但是不能用一种联系的观点来看待电与磁的关系。 【教学目标】 1. 物理观念 学生能够了解磁现象，了解电和磁的联系，了解电流磁效应的发现过程，体会 奥斯特发现的重要意义，体会探索自然奥秘的艰难与克服困难带来的成就感。 　第八单元 磁场与电磁波　 197 << 2. 科学思维 学生能够知道磁场的基本特性，知道磁感线，知道几种常见磁场的磁感线的空 间分布情况，体会使用形象化的手段描述物理现象的方法。 3. 科学探究 学生能够应用安培定则判断通电直导线和通电线圈周围磁场的方向。 4. 科学态度与责任 学生能够了解安培分子电流假说。 【教学重点】 电流的磁效应和磁场的概念。 【教学难点】 磁场的物质性、磁感线的三维分布特点。 【教学方法】 讲授法、演示实验法、启发式教学法、类比教学法。 【教学过程】 1. 创设情境、引入新课 教师介绍我国古代对磁现象的研究、指南针的发明等磁学成就；引导学生回忆 生活、生产中的磁现象和磁技术的广泛应用。 2. 演示实验 （1）教师引出概念。 ①教师演示奥斯特电流磁效应实验。 ②教师演示磁体对电流的作用，让学生猜想运动方向。 ③教师演示电流对电流的作用，引导学生观察现象。 ④教师通过类比电荷之间的相互作用是通过“电场”发生的，引出磁体与 磁体之间、磁体与通电导体之间，以及通电导体与通电导体之间的相互作用是 通过“磁场”发生的。 （2）类比探究。 教师提出问题：能否像用电场线形象地描述电场一样，也假想一系列曲线来形 象地描述磁场的强弱和方向？ >> 198 　高中物理单元教学设计　 3. 分组实验 学生合作探究，分析归纳。 4. 延伸拓展 在原子、分子等微粒内部，存在着一种环形电流—分子电流，分子电流使每个 物质微粒都成为微小的磁体，它的两侧相当于两个磁极。 13.2　磁感应强度　磁通量（1课时） 张士峰 【设计理念】 《普通高中物理课程标准（2017 年版 2020 年修订）》要求：学科核心素养是学科 育人价值的集中体现，是学生通过学科学习而逐步形成的正确价值观、必备品格和 关键能力。物理学科核心素养主要包括“物理观念”“科学思维”“科学探究”和“科 学态度与责任”四个方面。 因此，教师在设计本节课时会着力于以上四个方面。本节课通过对日常生活中 各种宏观电磁现象的观察，并类比电场强度概念的得出过程，引导学生得出磁场的 强弱可以用磁感应强度来描述，进一步探究通电导线在磁场中所受的力与电流大小、 导体长度和磁感应强度之间的定量关系。本节通过对相关问题进行科学推理，锻炼 学生交流的意愿与能力，培养学生学习物理的好奇心和感悟科学探索的魅力。 【教材分析】 磁感应强度是电磁学的基本概念之一，是高中学习的重点。本节在讲解磁感应 强度概念的过程中将磁场和电场进行类比，启发学生回忆电场强度的定义方法，利 用相同的方法引入电流元含义和磁感应强度的概念。教材用电流元所受磁场力和电 流元的比值定义磁感应强度， 符合中学生的认知水平，进一步深化用物理量之比定义 新概念的思维方法。磁通量是学习电磁感应的基础，比较抽象，学生理解其物理意 义比较困难。 【学情分析】 学生已经学习了描述电场强弱的物理量——电场强度，可以类比学习描述磁场 的物理量，并知道不同的磁体的磁场有强弱且一般不同，这为本节课的学习奠定了 基础，有利于本节课的学习。学生通过之前的学习已经具备对知识的归纳能力，并 　第八单元 磁场与电磁波　 199 << 且具有强烈的好奇心和求知欲，喜欢自己动手操作，能够独立解决一些物理问题。 学生之前学习电场强弱及方向都是用点电荷来进行探究的，从而认为对描述磁场强 弱的探究也应该沿用小磁针。 【教学目标】 1. 物理观念 本节通过磁感应强度概念的讲解，培养学生用物质观研究问题的观念。 2. 科学思维 本节通过分析磁感应强度的定义和特点，培养学生用比值定义物理量的思维方 法，培养学生“模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新”的科学思维素养。 3. 科学探究 本节通过用控制变量法探究磁感应强度大小的过程，使学生理解科学探究的本 质，培养学生的科学探究意识，并培养学生能在观察和实验中发现问题、获取证据、 合理解释和充分交流的能力。 4. 科学态度与责任 学生通过感受科学研究中的曲折与艰辛，体会探索成功后的喜悦，激发为祖国 研发新技术的志向和严谨的科学精神。通过认识磁通量的过程，学生可以养成用辩 证唯物主义思考问题的意识和习惯。 【教学重点】 磁感应强度的定义、大小和方向。 【教学难点】 磁场强弱的描述方法。 【教学方法】 情境导入法、实验探究法、讲授法、合作交流法。 【教学过程】 1. 导入新课 巨大的电磁铁能吸起成吨的钢铁，实验室中的小磁铁只能吸起几枚铁钉。磁体 磁性的强弱，表现为它所产生的磁场对磁性物质和电流的作用力的强弱，也就是说 磁场也有强弱之分。那么磁场的强弱应该怎么描述呢？ >> 200 　高中物理单元教学设计　 2. 磁感应强度 教师演示课本中的实验：探究影响通电导线在磁场中受力的因素。教师引导学 生总结影响通电导线在磁场中受力的因素。 （1）定义式： B = F Il （8-1） （2）单位：特斯拉，简称特，符号为 T。 （3）意义：表征磁场强弱的物理量。 （4）方向：磁感应强度是矢量，磁感应强度的方向就是该点的磁场方向，小磁 针静止时 N 极所指的方向，小磁针 N 极受力的方向。 （5）磁感应强度的定义式的条件是通电导线必须垂直于磁场方向放置。当通电 导线与磁场方向平行时，通电导线受力为零，但我们不能根据通电导线受力为零来 判定磁感应强度 B 的大小为零。 3. 匀强磁场 （1）定义：如果磁场中各处的磁感应强度的大小、方向相同，这个磁场叫作匀 强磁场。 （2）特点：强弱、方向处处相同的磁场。 （3）磁感线特点：疏密均匀的平行直线。 4. 磁通量 （1）定义：设在磁感应强度为 B 的匀强磁场中，有一个与磁场方向垂直的平面， 面积为 S，我们把 B 与 S 的乘积叫作穿过这个面积的磁通量，简称磁通，用字母 Φ 表示磁通量。 （2）意义：表示穿过某一面积的磁感线条数的多少。 （3）单位：在国际单位制中，磁通量的单位是韦伯，简称韦，符号是 Wb。 1 Wb ＝ 1 T·m2 （8-2） （4）公式： Φ=BS （8-3） （5）适用条件：匀强磁场；磁场与平面垂直。 （6）磁通量是标量，但有正、负，当以磁感线从某一面上穿入时，磁通量为正 值，磁感线从此面穿出时为负值。 　第八单元 磁场与电磁波　 201 << （7）线圈内磁通量的大小与线圈匝数无关。 （8）若磁场与平面不垂直，S 应为平面在垂直于磁感线方向上的投影面积，即 Φ ＝ BScosθ （8-4） 式中， Scosθ 为平面 S 在垂直于磁场方向上的投影面积，也称为“有效面积”，如图 8-3 所示。 S B θS┴ 图 8-3　平面与 B 不垂直时 13.3　电磁感应现象及应用（2课时） 高立峰 【设计理念】 本节为人教版高中必修第三册第十三章第 3 节，教师可采用创设探秘高科技产 品—无线充电器的情境，层层递进，让学生经历感应电流产生条件的探究活动，提 高分析论证能力。 【教材分析】 本节教材涵盖了基本概念、定律及其应用等多个方面。通过学习这一章节的内 容，学生可以深入理解电磁感应现象的本质和规律，掌握电磁感应技术的应用方法， 为今后的学习和工作打下坚实的基础。 【学情分析】 学生在初中了解过“导体切割磁感线”的知识，本节内容之前学习了磁场、磁 通量等知识，可以针对磁通量的变化进行较深程度地分析。另外，学生知道奥斯特 发现电流磁效应和法拉第发现电磁感应现象，但是由于初中已知道“导体切割磁感 线”会产生感应电流，误认为只要导体切割磁感线就一定有感应电流产生，对产生 感应电流的条件理解不太清晰。 >> 202 　高中物理单元教学设计　 【教学目标】 1. 物理观念 学生能够了解电磁感应现象，理解产生感应电流的条件，建立电与磁相互联系 的物理观念。 2. 科学探究 学生通过实验探究并观察实验现象，分析得到感应电流的产生条件。 3. 科学思维 学生能够认识实验探究和科学思维相结合是探寻事物本质的科学方法。 4. 科学态度与责任 （1）学生能够了解奥斯特和法拉第两位物理学家关于“电磁联系”的研究历程， 学习两位科学家的科学信念、科学思想、科学态度，形成正确的科学观。 （2）学生能够了解电磁感应现象的应用和对现代生活的影响，解决简单的实际 问题，感悟科学技术对社会的推动作用。 【教学重点】 产生感应电流的条件。 【教学难点】 设计、模仿法拉第的实验，产生感应电流的充要条件—穿过闭合导体回路的磁 通量发生变化。 【教学方法】 讲授法、讨论法、实验法。 【教学过程】 1. 创设情境、引入新课 教师演示手机无线充电，充电器与手机之间没有导线连接却可以给手机充电， 这是什么原因？ （1）法拉第觉得电与磁之间应该存在一定的关系，磁也一定能生电，因此他开 始了近十年的艰苦探索，最终取得了成功。 （2）今天，我们一起寻找法拉第的足迹，重现当年的经典时刻。教师请学生根 据桌面上提供的实验器材，进行设计实验，重现当时法拉第的探究实验。 　第八单元 磁场与电磁波　 203 << 2. 新课教学、实验探索 （1）教师引导学生进行实验：探究感应电流产生的条件。 （2）手机无线充电器的内部结构和法拉第线圈的装置很相似。 13.4　电磁波的发现及应用（1课时） 张士峰 【设计理念】 本节首先让学生体会电磁场理论的基本思想在物理学发展中的理论意义；其次 让学生体会科学家研究物理问题的思想方法，如联想、推理、类比、对称等；再次 还要让学生了解赫兹实验在物理学发展中的贡献以及用实验来验证理论的方法；最 后通过实例让学生了解电磁波的物质性，了解电磁波谱中各波段的主要特性和应用。 【教材分析】 本节包含两部分内容，即电磁波发现的历史概况、电磁波谱及其在科技和社会 信息化方面的应用。 【学情分析】 由于学生在必修阶段没有学习机械振动和机械波的知识，因此教材直接列出了 麦克斯韦电磁场理论产生的历史渊源和理论的基本内容。 【教学目标】 1. 物理观念 学生能够体验赫兹证明麦克斯韦预言的电磁波存在的实验过程及实验方法，领 会物理理论和实验的相互配合对科学发展的巨大作用。 2. 科学思维 学生能够了解电磁波本身是一种特殊物质，电磁波能传递能量和信息。 3. 科学探究 学生能够了解电磁波谱中各波段的主要特性及其在科技、经济和社会信息化等 方面的主要应用，知道可见光是电磁波谱家族中的一个频段。 >> 204 　高中物理单元教学设计　 4. 科学态度与责任 学生能够了解人类发现电磁波的历史，知道麦克斯韦、赫兹等物理学家对电磁 波发现做出的巨大贡献，领会在电磁波的发现过程中所蕴含的科学方法和科学精神。 【教学重点】 1. 电磁波的发现历史概况，物理理论和实验的相互配合对科学发展的巨大 作用。 2. 电磁波是一种特殊物质，能传播能量和信息。 3. 电磁波谱中各波段的主要特性以及在科技经济和社会信息化等方面的主 要应用。 【教学难点】 麦克斯韦电磁场的基本概念和理论。 【教学方法】 讲授法、讨论法、实验法。 【教学过程】 1. 知识复习 初中学生学习过电磁波，电磁波为信息的传递插上了翅膀。广播、电视、移动 通信等通信方式，使古代人“顺风耳”“千里眼”的梦想变成了现实。 2. 麦克斯韦电磁场理论 奥斯特首先发现了电流的周围有磁场，安培进一步做了很多有关电和磁的研究 工作，法拉第发现了电生磁的方法，麦克斯韦建立了经典电磁场理论。 3. 电磁波 在变化的磁场中放入一个闭合电路，电路中磁通量发生了变化，电路里产生了 感应电流。这是法拉第发现的电磁感应现象。变化的电场和变化的磁场交替产生， 形成一个紧密联系的电磁统一体，由近及远地向周围传播，麦克斯韦把这种电磁统 一体称为电磁波，于是一个伟大的预言产生了—空间可能存在电磁波。 4. 电磁波谱 电磁波无处不在，生活中常常用微波炉、红外烤箱加热或烤制食物；电磁波可 以使氖灯发光；阳光使我们变得温暖。这些都说明了电磁波具有能量。虽然除了可 　第八单元 磁场与电磁波　 205 << 见光，其他的电磁波我们都看不到，但是它们是真实存在的物质。电磁波的频率分 布也非常广。无线电波、红外线、可见光、紫外线、X 射线、γ 射线都是电磁波。 13.5　能量量子化（1课时） 张士峰 【设计理念】 这节课是高中学生在经典“连续性”观念与“量子化”观念的首次碰撞，这种 理念冲突是非常难以理解的。在本节课设计时，教师关注以下几点。 1.“动态化策略”对学生兴趣的激发。 2.“生活化策略”对课堂的初步引导。 3.“直观化策略”对知识模型的简化。 4.“人文化策略”对物理学史的升华。 【教材分析】 能量量子化是一个具有跨时代意义的重要物理概念。量子理论的进步与发展深 刻地影响着科学技术的进步和现代社会生活方式的变革，这反映了量子理论在当今 社会的重要性。教材对这一概念进行了简单化处理，并没有充分展现量子概念的来 龙去脉。 【学情分析】 学生已经学习了电磁波，知道了电磁波谱，知道了各种电磁波的辐射规律。普 朗克的新思想是与经典理论相违背的，它打破了经典物理传统观念对人们的长期束 缚，这就为人们建立新的概念，探索新的理论开拓了一条思路。在他的假设的启发 下，许多现象得到了解释。 【教学目标】 1. 物理观念 学生能够了解黑体辐射及其研究的历史脉络，感悟以实验为基础的科学探究 方法。 2. 科学思维 学生能够了解能量子的概念及其提出的过程，领会这一科学概念的创新性突破 中蕴含的伟大科学思想。 >> 206 　高中物理单元教学设计　 3. 科学探究 学生能够了解宏观物体和微观粒子的能量变化特点，体会量子理论的建立极大 地丰富和深化了人们对于物质世界的认识。 4. 科学态度与责任 研究能量量子化需要严谨的科学态度和对实验结果负责的精神。 【教学重点】 能量量子化的基本概念和创立过程。 【教学重点】 1. 能量的量子化与能量的连续性存在着根本颠覆性的概念冲突。 2. 物理学家提出能量量子化理论是对客观世界本质的尊重和近代物理学发 展的必然要求，也是当今现代化社会、现代化科技发展的动力源泉和根基。 【教学方法】 讲授法、讨论法、实验法。 【教学过程】 1. 创设情境、引入新课 教师播放动态视频。 2. 新课教学 教师提出问题：请学生认真观察辐射强度与波长的关系图，随温度的升高，会 发现辐射强度与波长关系有着怎样的规律呢？ 讲台上是一个电热炉，电阻丝通电以后会发热，教师找一个学生用手靠近电阻 丝，请学生说出你有什么感觉？ 为了让学生更好地了解热辐射，教师给学生举一个例子，大家看这是一片叶子， 请问学生，为什么你看到它是绿色的呢？ 现在学生思考一个问题：能否通过直接测量电热丝的辐射能研究热辐射与温度、 波长的关系呢？为什么？ 3. 应用 教师提出问题：相信大家对量子化已经有所了解，那么量子化的提出给生活带 来哪些重要的改变呢？