第1节 电磁波的产生（教学设计）物理鲁科版选择性必修第二册

该高中物理教学设计聚焦“电磁波的产生”，围绕变化的电磁场相互激发原理及LC振荡电路展开。通过“千里眼”神话与旅行者1号案例导入，衔接麦克斯韦预言与赫兹实验，搭建“现象-理论-验证”的学习支架。 亮点在于动画演示涡旋电磁场、实验模拟电磁波接收（科学探究），动态分析LC电路能量转化规律（科学思维），例题结合5G通信等科技应用（科学态度与责任）。助力学生构建物理观念，提升教师教学直观性与实操性。

第1节 电磁波的产生（教学设计） 年级 高二 学科 物理 教师 课题 第1节 电磁波的产生 教学 目标 物理观念 能理解变化的电场和磁场相互激发产生电磁波的原理，建立“振荡电路→电磁场→电磁波”的转化认知，知道电磁波是横波。 科学思维 能分析LC振荡电路中电场能与磁场能的转化规律，推导电磁波的传播速度与波长、频率的关系，提升动态分析与逻辑推导能力。 科学探究 能参与“模拟电磁波的产生与接收”实验，观察振荡电流的波形，验证电磁波的存在，培养实验观察、操作与现象分析能力。 科学态度 与责任 认识电磁波在通信、医疗、遥感等领域的广泛应用，体会麦克斯韦电磁场理论的科学价值，增强探索电磁规律的兴趣与技术创新意识。 教学 重难点 重点：理解变化的电磁场相互激发产生电磁波的原理，认识LC振荡电路作用。 难点：分析LC振荡电路中能量转化过程，理解电磁波横波特性。 教学过程 教师活动 学生活动 教学引入 “千里眼”“顺风耳”常常出现在神话故事和动漫作品中，看得见“千里以外的事物，听得到“随风而来的声音”。当代这些都早已实现！旅行者1号探测器在200亿千米之外依旧在向地球发送消息，这是电磁波对通信技术发展的作用。电磁波是怎样产生的呢？ 回答电磁波如何产生。 新课讲授 一、电磁波的产生 环节1：麦克斯韦的预言 （1）提出假设：变化的磁场产生电场 讲解：“在法拉第电磁感应定律的基础上，麦克斯韦进行了深入思考。他指出：不仅闭合导体回路中会出现感应电动势，即使在没有导体的空间中，只要磁场发生变化，就会在周围空间激发出一种电场——这种电场的电场线是闭合的，称为‘涡旋电场’。” 动画演示：一个随时间均匀增加的磁场区域，在其周围出现同心圆状的闭合电场线。强调：“这个电场不是由电荷产生的，而是由变化的磁场激发的。如果磁场随时间不均匀变化，涡旋电场也会随时间变化。” （2）大胆推理：变化的电场产生磁场 引导：“既然变化的磁场能产生电场，麦克斯韦提出了一个极具对称美的假设：变化的电场也应该能在周围空间产生磁场。” 举例：“比如，在电容器充电过程中，两极板间的电场随时间增强，麦克斯韦认为这变化的电场会在周围空间激发一个涡旋磁场，就像电流周围产生的磁场一样。” 强调关键点：“即使空间中没有电流，只要电场在变化，就会产生磁场。这打破了‘只有电流才能产生磁场’的传统观念。” 展示：“麦克斯韦的两个假设：①变化的磁场周围产生电场；②变化的电场周围产生磁场。” （3）构建电磁波传播模型 动画演示： 第一步：某处有一个周期性变化的电场→激发周围空间产生周期性变化的磁场； 第二步：这个变化的磁场→又在其更远的空间激发新的变化的电场； 第三步：新的变化电场→再激发更远处的变化磁场…… 如此循环往复，电场和磁场相互激发，由近及远地传播出去，形成电磁波。 总结：“电磁波的本质就是在空间中传播的变化的电磁场。它是一种物质，可以在真空中传播，速度为光速c=3.0×10⁸m/s。” （4）辨析常见误区 提出判断题，组织学生交流： （1）变化的电场一定产生变化的磁场。（×）——若电场均匀变化，则产生稳定的磁场； （2）恒定电流周围产生磁场，磁场又产生电场。（×）——恒定电流产生稳定磁场，稳定磁场不会产生电场； （3）电磁波在真空中的传播速度是3.0×10⁸m/s。（√）； （4）周期性变化的电场和磁场互相激发由近及远地传播形成电磁波。（√）； （5）静止的电荷能在周围产生稳定的磁场。（×）——静止电荷只产生静电场； （6）稳定的磁场能在周围产生稳定的电场。（×）——稳定磁场不会产生电场。 环节2：赫兹的电火花 （1）实验背景与装置 教师讲述：“麦克斯韦在19世纪60年代提出了电磁波的预言，但当时并未被广泛接受。直到1888年，德国物理学家赫兹才首次用实验证实了电磁波的存在。” 展示赫兹实验原理图：一个感应线圈连接两个金属小球作为发射器（火花隙），另一个带有微小缺口的金属环作为接收器（谐振器）。 解释原理：当高压电加在发射器两端时，空气被击穿产生火花放电，形成快速变化的电流，从而激发出电磁波；接收器若调谐到相同频率，会在缺口处产生微弱火花，证明电磁波已被接收到。 （2）演示现象 播放赫兹实验模拟视频或使用示教仪器现场演示：当发射器产生火花时，接收器缺口处也出现微小火花，灵敏电流计指针摆动。 引导学生观察现象：“接收器产生了感应电流，说明有能量通过空间传递了过来——这就是电磁波！” （3）总结意义 强调：“赫兹实验不仅证实了麦克斯韦的预言，还测量了电磁波的速度，发现其等于光速，从而揭示了光的电磁本质。这是物理学史上一次伟大的理论与实验的完美结合。” 1.听讲并记录麦克斯韦的两个基本假设，理解“涡旋电场”和“涡旋磁场”。 2.观察动画演示，理解变化的电场与磁场相互激发的过程，构建电磁波传播的物理图景。 3.参与讨论判断题，辨析“变化”与“均匀变化”、“稳定”等关键词的区别，澄清认知误区。 4.理解电磁波是一种物质形态，可在真空中以光速传播，认识到可见光也是电磁波的一种。 1.了解赫兹实验的历史背景，认识实验在科学验证中的关键作用。 2.观察实验装置图与视频，理解“激发—传播—接收”的实验设计思路。 3.分析实验现象，理解电磁波携带能量并在空间中传播的特性。 4.感受科学家严谨求实的探索精神，体会理论与实验相辅相成的关系。 新课讲授 二、电磁振荡 （1）引入振荡电流与振荡电路 教师提问：“电磁波是由高频变化的电磁场产生的，那么如何产生这种高频变化的电场和磁场呢？”引出“振荡电流”概念——大小和方向都随时间做周期性变化的电流。 介绍LC振荡电路：由电感线圈L和电容器C组成，是最基本的振荡电路。 （2）动态演示：分阶段解析电磁振荡过程 以S接通2接线柱这一刻为t＝0时刻，以逆时针方向为电流正方向.分析以下过程中，电流i、极板上电荷量q、电场强度E、电压u、电场能E电、磁感应强度B、磁场能E磁这几个物理量分别是如何变化的。(分为四个阶段进行分析) 线圈具有自感作用；电容器具有充、放电作用 a b c d e （3）总结规律与能量转化 归纳： ①电容器上的物理量（q、U、E、E电）同步变化； ②线圈上的物理量（I、B、Φ、E磁）同步变化； ③电容器与线圈的物理量同步异向变化——q↓时I↑，E电↓时E磁↑； ④电场能与磁场能之和在理想情况下守恒； ⑤电场能与磁场能的变化频率是振荡频率的2倍（因每个周期内完成两次能量转化）。 （4）讲解固有周期与频率 给出公式：， 分析：L越大或C越大，T越长，f越小；反之则f越大。 【例题1】为了测量储罐中不导电液体的高度，将与储罐外壳绝缘的两块平行金属板构成的电容C置于储罐中，电容C可通过开关S与电感L或电源相连。当开关从a 拨到b 时，由电感L与电容C构成的回路中产生振荡电流。在LC振荡电路中，某时刻磁场方向、电场方向如图所示，下列说法正确的是（　　） A．电容器正在充电 B．振荡电流正在增大 C．线圈的自感电动势正在减小 D．当储罐内的液面高度升高时，LC振荡频率增大 【答案】A 【详解】A．由图可知，电容右极板带正电，负极板带负电。由磁场方向可知电流方向为由负极板流向正极板。故电容正在充电，电容器电压增大，自感线圈两端电压与电容器两端电压相等，线圈的自感电动势增大，磁场能减小，电场能增大，震荡电流正在减小，故A正确、BC错误；D．当储罐内的液面高度升高时，两板间充入的电介质增多，电容增大，根据LC震荡周期可知回路的振荡周期变大，故振荡频率减小，故D错误。故选A。 针对训练1某实验小组设计了如图所示的LC振荡电路来测量外界压力，电容器上极板为弹性金属薄板，受到压力时会下移从而改变板间距离。测量时先将开关拨到a，电路稳定后再将开关拨到b，通过电流传感器测出振荡电路中电流的频率以反映压力大小。下列说法正确的是(　　) A．开关拨向a时，压力越大，电容器存储的电量越小 B．开关由a拨向b瞬间，流经电流传感器的电流为零 C．开关由a拨向b瞬间，电感线圈产生的自感电动势为零 D．电流传感器检测到的电流频率越小，表示压力越小 【答案】B 【详解】A．压力越大，金属板被压弯的程度越大，平行板间的距离减小，由 知电容器的电容增大，由，电容器存储的电量越大，A错误； BC．开关由a拨向b瞬间，产生振荡电流，流经电流传感器的电流为零，电流的变化率最大，自感电动势最大，B正确，C错误； D．测量时，传感器检测到的电流频率越小，由 知电容越大，由 得平行板间的距离增小，表示压力越大，D错误。 故选B。 1.观看高科技应用案例，感受物理力量。 2.解释CD片、肥皂泡的颜色成因。 3.理解干涉在科技与生活中的价值。 4.领悟科学之美与哲学意蕴。 1.理解振荡电流的概念，认识LC振荡电路的基本结构。 2.观看动画，跟随教师讲解，分阶段记录电容器和线圈中各物理量的变化趋势。 3.总结电场能与磁场能相互转化的规律，理解“同步异向变化”和“能量转化频率为2f”的特点。 4.掌握T=2π√(LC)公式，能分析L、C变化对频率的影响。 课 堂 练 习 1.目前，我国5G通信用户已突破10亿户，标志着5G技术的广泛应用。5G网络使用频率更高的电磁波，具有“高速率、低时延、大容量”等优点。若某区域磁场的磁感应强度B随时间t变化如图所示，则该区域内(　　) A．能产生电场，能产生电磁波 B．能产生电场，不能产生电磁波 C．不能产生电场，能产生电磁波 D．不能产生电场，不能产生电磁波 【答案】B 【详解】根据麦克斯韦电磁场理论，变化的磁场可以激发电场，变化的电场可以激发磁场，均匀变化的磁场产生恒定电场，均匀变化的电场产生恒定磁场，所以周期性连续变化的磁场，激发周期性连续变化的电场，进而产生连续电磁波；图中是均匀变化的磁场，能产生恒定的电场，不能产生电磁波，故B正确，ACD错误。 故选B。 2.下列说法中正确的是(　　) A．任何变化的磁场都要在周围空间产生变化的电场，振荡磁场在周围空间产生同频率的振荡电场 B．任何电场都要在周围空间产生磁场，振荡电场在周围空间产生同频率的振荡磁场 C．任何变化的电场都要在周围空间产生磁场，振荡电场在周围空间产生同频率的振荡磁场 D．电场和磁场总是相互联系着，形成一个不可分割的统一体，即电磁场 【答案】　C 【详解】　根据麦克斯韦电磁场理论，如果电场(磁场)的变化是均匀的，产生的磁场(电场)是恒定的；如果电场(磁场)的变化是不均匀的，产生的磁场(电场)是变化的；振荡电场(磁场)在周围空间产生同频率的振荡磁场(电场)；周期性变化的电场和周期性变化的磁场总是相互联系着，形成一个不可分割的统一体，即电磁场，故选C。 3.关于电磁波，下列说法正确的是（　　） A．电磁波在真空中的传播速度与频率、能量有关，频率越高、能量越大，传播速度越大 B．当电磁波源消失后就不能产生新的电磁波，但已发出的电磁波不会立即消失 C．电磁波不能在真空中传播，且只能传递声音信号，不能传递图像信号 D．不同地区的电视台发射的电磁波频率不同，但传播速度相同 【答案】BD 【详解】A．电磁波在真空中的传播速度是光速，与频率、能量无关，故A错误； B．一旦电磁波形成了，电磁场就会向外传播，当波源消失后只是不能产生新的电磁波，但已发出的电磁波不会立即消失，故B正确； C．电磁波传播不需要介质，可在真空中传播，电磁波既能传递声音信号，又能传递图像信号，故C错误； D．不同地区的电视台发射的电磁波频率不同，但传播速度相同，故D正确。 故选BD。 4.（2025·江苏·高考真题）如图所示．将开关S由a拔到b，使电容器C与线圈L构成回路。以电容器C开始放电取作0时刻，能正确反映电路中电流i随时间t变化关系的图象是（　　） A．B．C．D． 【答案】A 【详解】根据题意可知，将开关由调到时，电容器和自感线圈组成回路，此回路为振荡电路，产生周期性迅速变化的振荡电流。A图像正确：电容器开始放电，由于电容器上极板带正电，则电流为逆时针，电场能向磁场能转化，电流越来越大，当电容电量为0时，电流最大，其后磁场能向电场能转化，电容器充电，电流越来越小，电流为0时，充电完成，此时，电容器下极板带正电，之后开始反向放电，电流为顺时针，电场能向磁场能转化，电流越来越大，当电容电量为0时，电流最大，其后磁场能向电场能转化，电容器充电，电流越来越小，电流为0时，充电完成，电场能转化为磁场能以及磁场能又再次转化为电场能的过程中，电路向外辐射电磁波，电路中的能量在耗散，最大电流越来越小。 故选A。 5.如图所示，感应圈G上装两根带有球形电极的铜管a、b构成发射天线，两球的间隙约0.5cm。将一根导线弯成环状，导线两端安装两个小金属球。其间留有空隙，将导线固定到绝缘支架B上靠近感应线圈放置。让感应线圈工作，当电火花在铜管a、b上两个金属球间跳动时，支架B上导线环两端的两个小球间也有电火花跳动。据此回答下列问题。 （1）人类历史上，首先捕捉到电磁波的科学家是___________。 （2）对于这一实验现象的解释如下，请完成其中的填空。 ①感应线圈本质上是一个变压器，它利用___________将低压交流电变成数千伏的高电压，由于铜管a、b上两球间的电压很高，间隙中电场___________，空气分子被电离，从而形成一个导电通路。 ②当电火花在铜管a、b上的两个金属球间跳动时，必定建立了一个迅速变化的电磁场。这种变化的电磁场以___________的形式在空间快速传播。当其经过导线环时，迅速变化的电磁场在导线环中激发出___________，击穿导线环中的空气，使得导线环的空隙中也产生了电火花。 ③在此实验中，感应圈及金属棒构成了电磁波的___________，导线环成了电磁波的___________。 【答案】赫兹 电磁感应 很强 电磁波  感应电动势 发射器 检测器 【详解】（1）[1]建立完整的电磁场理论并首先预言电磁波存在的科学家是麦克斯韦，而首先证实电磁波存在，并捕捉到电磁波的科学家是赫兹； （2）当火花在感应圈两个金属球间跳动时，必定建立一个快速变化的电磁场．这种变化的电磁场以电磁波的形式在空间快速传播，当电磁波经过导线环时，迅速变化的电磁场在导线环中激发出感应电动势，使得导线环的两个小球间也产生了火花．在赫兹实验中，感应圈成了电磁波发射器，导线环成了电磁波的检测器． ①[2][3]可知，感应线圈本质上是一个变压器，它利用电磁感应将低压交流电变成数千伏的高电压．由于a、b管上两球间的电压很高，间隙中电场很强，空气分子被电离，从而形成一个导电通路；②[4][5]当电火花在a、b管上两个金属球间跳动时，必定建立一个迅速变化的电磁场，这种变化的电磁场以电磁波的形式在空间快速传播，当其经过导线环时，迅速变化的电磁场在导线环中激发出感应电动势，击穿导线环中的空气，使得导线环的空隙中也产生了电火花；③[6][7]在此实验中，感应圈及金属棒构成了电磁波的发射器，导线环成了电磁波的检测器。 6.实验室里有一水平放置的平行板电容器,其电容C=1μF。在两极板带有一定电荷量时,发现一粉尘恰好静止在两极板间。还有一个自感系数L=0.1mH的电感器，现连成如图所示的电路，试分析以下两个问题：（重力加速度为g） （1）从S闭合时开始计时，经过2π×10-5 s时，电容器内粉尘的加速度大小是多少?（假设此时粉尘未到达极板） （2）当粉尘的加速度为多大时，线圈中电流最大? 【答案】（1）0；（2）g 【详解】（1）LC振荡电路的周期为 因此t=2π×10-5 s时，LC振荡电路恰好经历一个周期，此时电容器两极板间场强的大小、方向均与初始时刻相同，所以此时粉尘所受合外力为0，加速度大小为0。 （2）电容器放电过程中，两极板的电荷量减小，电路中的电流增大，当电流最大时，两极板的电荷量为零，极板间电场强度为零，此时粉尘只受重力，其加速度大小为g。 课 堂 小 结 电磁波的“诞生大戏”，总结起来就三句话： 1.抖动的电荷，浪的起源。‌ 2.麦克斯韦：预言家实锤。‌ 3.生活处处有电磁波。 板 书 设 计 第1节 电磁波的产生 一、产生核心 变化的电场→激发变化的磁场，磁场再激电场，像蹦迪互带节奏。 二、触发条件 周期性变化的电流（比如振荡电流），是 “派对发起者”。 三、关键特点 不用介质能传播（太空也能嗨），电场磁场垂直且都垂直传播方向。 作业 布置 1.回家找找哪些电器在“偷偷抖电荷”（如手机、微波炉），画个示意图说明电磁波怎么产生的，下节课分享你的“侦探报告”！ 2.写一段话，用生活例子解释“为什么说麦克斯韦是电磁波的预言帝”，200字以内，越生动越好！ 3.用手机手电筒和镜子，试试用光（可见光）传递信息，记录过程并思考：“这和电磁波传播有啥相似？” 教学反思 1. LC振荡电路能量转化的动态过程抽象，学生理解困难，需增加动画模拟或示波器演示，直观呈现电场能与磁场能的转化。 2. 对“变化的电磁场相互激发”的讲解偏理论，可结合电磁波发射实验视频，强化学生对电磁波产生的具象认知。 3. 课堂对麦克斯韦电磁场理论的历史背景介绍不足，应简要补充，提升学生对科学理论形成过程的理解。 1 / 1 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $