資源簡介

13.4 《電磁波的發現及應用》課時教案
學科 物理 年級冊別 高二上冊 共1課時
教材 人教版（2019）高中物理必修第三冊 授課類型 新授課 第1課時
教材分析
教材分析
本節內容位于人教版高中物理必修第三冊第十三章第四節，是電磁學知識體系的重要收尾環節。教材通過回顧麥克斯韋電磁場理論的建立過程，系統闡述了電磁波的預言、赫茲實驗的驗證及其基本特性，最后拓展到電磁波譜與現代應用。內容邏輯清晰，從理論到實驗再到應用，體現了物理學“提出假說—實驗驗證—技術轉化”的科學范式，具有極強的科學史價值和現實意義。
學情分析
高二學生已掌握靜電場、恒定電流和磁場的基礎知識，具備一定的抽象思維能力，但對變化的電磁場耦合產生電磁波這一概念仍感抽象。學生對手機、Wi-Fi、微波爐等電磁波應用有生活經驗，但缺乏系統認知。其認知障礙主要在于難以理解“無需介質也能傳播”的波動本質。突破措施是借助類比法（如機械波與電磁波對比）、可視化動畫和實驗視頻，幫助學生建立直觀模型，輔以情境任務驅動探究。
課時教學目標
物理觀念
1. 理解麥克斯韋電磁場理論的核心觀點：變化的電場產生磁場，變化的磁場產生電場，二者相互激發形成電磁波。
2. 掌握電磁波的基本特性：橫波、傳播不需要介質、在真空中傳播速度為光速c。
科學思維
1. 通過分析麥克斯韋理論的邏輯推導過程，體會“理論預言—實驗驗證”的科學方法，提升邏輯推理與模型建構能力。
2. 能夠對比機械波與電磁波的異同，運用類比與歸納思維深化對波動本質的理解。
科學探究
1. 通過模擬赫茲實驗的關鍵步驟，設計簡單探究方案，體驗科學發現的過程。
2. 能夠基于電磁波譜圖表，分析不同波段電磁波的特性與典型應用，發展信息提取與綜合分析能力。
科學態度與責任
1. 感受科學家追求真理的執著精神，理解科學發現對人類文明的深遠影響。
2. 辯證認識電磁波在現代生活中的雙面性，增強合理使用技術、防范電磁污染的社會責任感。
教學重點、難點
重點
1. 麥克斯韋電磁場理論的基本觀點及其對電磁波的預言。
2. 赫茲實驗的原理與意義，電磁波的基本特性。
難點
1. 理解“變化的電場產生磁場，變化的磁場產生電場”這一抽象概念。
2. 建立電磁波無需介質傳播的物理圖景，克服“波必有介質”的前概念干擾。
教學方法與準備
教學方法
情境探究法、講授法、合作探究法、議題式教學法
教具準備
多媒體課件、赫茲實驗動畫視頻、電磁波譜掛圖、簡易LC振蕩電路演示儀
教學環節 教師活動 學生活動
情景導入：閃電與收音機
【5分鐘】 一、創設真實情境，激發認知沖突 （一）、播放視頻：雷雨天收音機雜音
教師播放一段真實視頻：烏云密布的雷雨天，遠處電閃雷鳴，室內收音機突然傳出強烈的“咔嚓”雜音，隨后恢復正常。播放完畢后，教師提出驅動性問題：“同學們，你們是否注意到這個現象？閃電（光）和雷聲（聲波）都來自遠處的雷暴，但為什么收音機里的雜音似乎‘瞬間’就出現了，而雷聲卻要等幾秒才傳來？這說明了什么？”
引導學生思考：聲音需要空氣傳播，有延遲；而收音機接收的信號似乎不受距離影響地快速到達。這暗示了存在一種不同于聲波的“東西”在空間中快速傳播。
（二）、引出核心議題：看不見的“信使”
教師繼續引導：“這種看不見、摸不著，卻能穿越空間傳遞信息的‘信使’，就是我們今天要探索的主角——電磁波。它不僅是現代通信的基石，更是19世紀最偉大的科學預言之一。那么，它是如何被‘發現’的？是誰‘看見’了它？它的本質又是什么？”通過這一連串問題，構建“電磁波是如何被發現和證實的”這一核心探究議題，激發學生的求知欲和探索興趣。
（三）、回顧舊知，搭建認知橋梁
教師提問：“在學習電磁波之前，我們已經掌握了哪些相關的電磁學知識？”引導學生回憶并回答：靜止電荷產生靜電場，電流產生磁場，變化的磁場能產生感應電流（法拉第電磁感應定律）。教師在黑板上簡要板書這些關鍵點，為后續引入麥克斯韋的理論突破做好鋪墊。 1. 觀看視頻，描述現象。
2. 思考并回答教師提出的驅動性問題。
3. 回憶并說出已學的電磁學基礎知識。
4. 對“電磁波”產生好奇與探究欲望。
評價任務 現象描述：☆☆☆
問題回應：☆☆☆
知識回憶：☆☆☆
設計意圖 以生活中真實且富有沖突感的現象切入，迅速抓住學生注意力。通過“閃電與收音機”的對比，凸顯電磁波傳播的瞬時性與非介質依賴性，制造認知沖突，激發探究動機。以“看不見的信使”為隱喻，賦予抽象概念以形象，同時引出貫穿全課的核心議題，使后續學習有明確方向。
新知探究一：理論的預言——麥克斯韋的頭腦風暴
【12分鐘】 一、突破思維定勢，構建電磁統一圖景 （一）、展示麥克斯韋畫像與名言
教師在屏幕上展示英國物理學家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋的畫像，并引用其名言：“我看到的世界，不是粒子，而是振動的場。”引導學生感受科學家宏大的物理視野。隨后提出：“在19世紀60年代，當所有人都認為電和磁是兩種獨立的現象時，麥克斯韋卻堅信它們是統一的。他基于已有的實驗定律，進行了一場偉大的思想實驗。”
（二）、深度剖析麥克斯韋方程組的核心思想
教師結合動畫演示，逐步講解麥克斯韋理論的兩大核心補充：
1. **位移電流假說**：教師指出，麥克斯韋發現安培環路定律在非穩恒電流情況下不閉合。為了解決這一矛盾，他大膽提出“位移電流”的概念——即使在電容器兩極板間沒有電荷流動（傳導電流為零），但變化的電場（如充電過程中極板間電場增強）等效于一種電流，即“位移電流”。它同樣能激發磁場。教師用動畫展示電容器充放電過程中，極板間電場變化如何“產生”環繞的磁場，強調“變化的電場產生磁場”。
2. **對稱性推理**：教師引導：“既然變化的磁場能產生電場（法拉第定律），那么根據自然界的對稱美，變化的電場是否也能產生磁場呢？麥克斯韋堅信是的。”由此，他預言了電場和磁場可以相互激發，形成一個自維持的波動過程，即電磁波。教師用動態圖示展示一個振蕩的電荷如何產生交替變化的電場和磁場，并以波的形式向外傳播，形象地解釋“電磁波是變化的電磁場在空間的傳播”。 二、理解電磁波的基本特性 （一）、分析電磁波的橫波特性
教師展示電磁波傳播的三維動態模型：電場E、磁場B和傳播方向v三者相互垂直，構成右手螺旋關系。強調電磁波是橫波，其振動方向（E和B）垂直于傳播方向。
（二）、闡明電磁波的傳播速度
教師指出，麥克斯韋從他的方程組中推導出電磁波在真空中的傳播速度v=1/F＝，計算結果恰好等于當時已知的光速c。他由此大膽預言：“光就是一種電磁波！”這一預言將光學與電磁學統一起來，是物理學史上最偉大的統一之一。教師強調，這一理論預言是純粹基于數學推導和邏輯自洽，當時尚無實驗證據。 1. 觀察畫像，感受科學精神。
2. 跟隨動畫理解“位移電流”概念。
3. 思考并認同電場與磁場的相互激發關系。
4. 觀察模型，理解電磁波的橫波特性與傳播速度。
評價任務 概念理解：☆☆☆
模型解讀：☆☆☆
邏輯推理：☆☆☆
設計意圖 通過講述科學史，將抽象理論人格化，增強學習的代入感。利用動畫和動態模型，將“變化的電場產生磁場”這一抽象概念可視化，突破教學難點。強調麥克斯韋基于對稱性與數學美的深刻洞察進行理論創新，培養學生的科學審美和創新思維。通過“光即電磁波”的預言，展現理論物理的強大預測能力，提升學生對物理規律普適性的認識。
新知探究二：實驗的驗證——赫茲的“看見”
【15分鐘】 一、重現赫茲實驗，見證科學奇跡 （一）、介紹赫茲與實驗背景
教師介紹：“麥克斯韋的理論在當時并未被廣泛接受，因為它太過超前。直到1887年，德國物理學家海因里希·赫茲設計并完成了著名的實驗，首次在實驗室中產生并檢測到了電磁波，從而證實了麥克斯韋的預言。赫茲曾說：‘我所看到的，不過是麥克斯韋方程組的影子。’”
（二）、詳細解析赫茲實驗裝置與原理
教師利用高清動畫分步演示赫茲實驗：
1. **發射端（振蕩偶極子）**：展示一個由感應線圈供電的、帶有兩個金屬小球的直導線（偶極子）。當感應線圈產生高壓，使兩球間空氣擊穿產生火花放電時，電荷在導線中高速振蕩，形成一個高頻振蕩的電偶極子，從而輻射出電磁波。
2. **接收端（共振環）**：展示一個帶有微小間隙的圓形銅環（諧振環）。教師解釋，這個環具有特定的固有頻率。當發射的電磁波頻率與之匹配時，環中會產生共振，間隙處出現微弱的火花。
3. **實驗現象與結論**：動畫播放，當發射端產生火花時，遠處的接收環間隙也閃爍出微小火花。教師強調，這微小的火花就是“看見”電磁波的直接證據！它證明了：
（1）電磁波可以被人工產生；
（2）電磁波可以在空間中傳播并被檢測；
（3）電磁波具有能量（能激發火花）。
教師進一步指出，赫茲還通過實驗測量了電磁波的波長和頻率，計算出其速度等于光速，完美驗證了麥克斯韋的預言。 二、模擬探究：設計你的“赫茲實驗” （一）、小組合作任務
教師將學生分成小組，提出合作探究任務：“假設你是1887年的科學家，手頭有電池、導線、開關、電容器、線圈、金屬環等基礎元件，如何設計一個最簡單的裝置來嘗試產生和檢測電磁波？請畫出你的實驗草圖，并說明工作原理。”
（二）、教師巡視指導
教師在各小組間巡視，引導學生思考：如何產生快速變化的電流（振蕩源）？如何構成一個有效的輻射天線？如何設計一個靈敏的檢測器（利用共振原理）？鼓勵學生大膽想象，即使方案不完美，也肯定其科學探究精神。 1. 了解赫茲的貢獻與實驗意義。
2. 觀看動畫，理解實驗裝置與工作原理。
3. 小組合作，設計簡易電磁波實驗方案。
4. 展示并講解本組的設計思路。
評價任務 實驗理解：☆☆☆
方案設計：☆☆☆
合作交流：☆☆☆
設計意圖 赫茲實驗是本節課的高潮。通過高質量的動畫還原歷史場景，讓學生“親歷”這一偉大發現，感受實驗科學的魅力。將“看見”電磁波這一抽象目標具象化為“看到火花”，極大地增強了說服力。合作探究任務將學生置于科學家的角色，通過設計實驗，深化對振蕩源、天線、共振檢測等核心概念的理解，培養工程思維和創新能力，實現從“聽科學”到“做科學”的轉變。
新知探究三：應用的畫卷——電磁波譜與生活
【10分鐘】 一、構建電磁波譜，認識廣闊天地 （一）、展示電磁波譜全圖
教師在屏幕上展示完整的電磁波譜圖，從波長最長的無線電波到波長最短的γ射線，依次列出：無線電波、微波、紅外線、可見光、紫外線、X射線、γ射線。強調所有這些都是電磁波，本質相同，區別僅在于頻率（或波長）不同。
（二）、分組探究不同波段的應用
教師將學生分為七個小組，每組負責一個波段。發放任務卡，要求各組結合生活經驗和教材內容，討論并列舉該波段電磁波的至少兩個典型應用。例如：
- 無線電波組：廣播、電視、手機通信。
- 微波組：微波爐、雷達、衛星通信。
- 紅外線組：遙控器、夜視儀、熱成像。
- 可見光組：照明、攝影、光纖通信。
- 紫外線組：殺菌消毒、驗鈔、促進維生素D合成。
- X射線組：醫學影像、安檢、晶體結構分析。
- γ射線組：癌癥放療、食品輻照保鮮、天文觀測。
二、辯證看待，強化社會責任 （一）、討論電磁波的雙面性
教師引導：“電磁波極大地便利了我們的生活，但它有沒有潛在的危害？”組織學生討論：如高強度微波可能造成組織損傷，紫外線過度照射會傷害皮膚，X射線和γ射線具有電離輻射風險等。
（二）、樹立科學使用觀念
教師總結：“科技是一把雙刃劍。我們要學會科學、合理地使用電磁波技術，如避免長時間使用手機貼耳通話、正確使用微波爐、在醫生指導下接受X光檢查等。同時，支持國家制定電磁輻射安全標準，保護環境和公眾健康。” 1. 觀察電磁波譜圖，了解波段劃分。
2. 小組合作，探究并匯報各波段應用。
3. 參與討論，認識電磁波的潛在危害。
4. 樹立合理使用技術的社會責任感。
評價任務 信息提取：☆☆☆
應用關聯：☆☆☆
辯證思考：☆☆☆
設計意圖 通過電磁波譜圖，將零散的應用知識系統化，幫助學生建立宏觀認知框架。分組探究任務調動全體學生參與，將物理知識與日常生活緊密聯系，體現“從生活走向物理，從物理走向社會”的理念。通過討論雙面性，引導學生進行辯證思考，將科學學習與社會責任相結合，落實“科學態度與責任”的核心素養目標，實現情感態度價值觀的升華。
課堂總結：從預言到改變世界
【3分鐘】 一、結構化回顧知識脈絡 （一）、梳理本課核心內容
教師帶領學生回顧：“今天我們沿著科學發現的足跡，共同探索了電磁波的奧秘。我們首先學習了麥克斯韋的偉大理論預言——變化的電磁場相互激發，形成以光速傳播的電磁波。接著，我們見證了赫茲如何用精巧的實驗‘看見’了這看不見的波，為理論提供了堅實證據。最后，我們打開了電磁波譜的畫卷，看到了從廣播到手機，從微波爐到X光機，電磁波如何深刻地改變了人類的通信、醫療、生活和認知方式。”
二、升華式總結：科學之光，照亮未來 （一）、致敬科學精神
教師深情總結：“麥克斯韋用筆和紙‘看見’了未來，赫茲用火花‘點燃’了真理。他們的故事告訴我們，人類最強大的力量，不是肌肉，而是思想。一個偉大的理論，可以穿越時空，改變整個文明的進程。今天，當我們輕松地刷著視頻、打著電話，享受著信息時代的便利時，請不要忘記，這一切都源于一百多年前，兩位科學家在書桌前和實驗室里，對自然規律的執著探索。”
（二）、寄語未來
“希望同學們能從這節課中汲取力量，保持對世界的好奇心，鍛煉嚴謹的科學思維。也許未來的某一天，你們中就會有人提出下一個‘麥克斯韋方程組’，或者完成下一個‘赫茲實驗’，用科學之光，繼續照亮人類前行的道路。” 1. 跟隨教師回顧知識主線。
2. 傾聽總結，感受科學精神的力量。
3. 思考個人與科學發展的關系。
4. 獲得學習物理的激勵與動力。
評價任務 知識梳理：☆☆☆
情感共鳴：☆☆☆
未來展望：☆☆☆
設計意圖 采用“結構化+升華式”雙總結模式。先清晰梳理“理論預言—實驗驗證—廣泛應用”的知識邏輯鏈，幫助學生構建系統認知。再通過富有詩意的語言，將科學史升華為對科學精神的禮贊，強調思想的力量和科學對文明的推動作用。最后寄語學生，將個人成長與科學發展相聯系，激發其內在學習動力和使命感，實現情感、態度與價值觀的深度升華。
作業設計
一、基礎鞏固：概念辨析
1. 判斷下列說法是否正確，錯誤的請說明理由：
（1）電磁波只能在真空中傳播，在空氣中無法傳播。（ ）
（2）赫茲實驗中，接收器產生火花是因為電磁波的能量被轉化為電能。（ ）
（3）無線電波、可見光、X射線的本質都是電磁波，它們在真空中傳播速度相同。（ ）
（4）麥克斯韋通過實驗發現了電磁波。（ ）
（5）變化的電場周圍一定存在磁場，變化的磁場周圍一定存在電場。（ ）
二、能力提升：應用探究
2. 假設你是一名科普作家，請選擇電磁波譜中的一個波段（如微波或紫外線），寫一段150字左右的科普短文，向普通市民介紹它的基本特性和至少兩項與生活密切相關的應用，并提醒一項使用時的注意事項。
三、拓展延伸：科學史話
3. 查閱資料，簡要了解中國在電磁波應用領域的一項重大成就（如“中國天眼”FAST射電望遠鏡、北斗衛星導航系統、5G通信技術等），寫出其名稱、主要功能和你認為它最重要的意義（不少于50字）。
【答案解析】
一、基礎鞏固：概念辨析
1. （1）錯誤。電磁波可以在空氣、真空等多種介質中傳播。
（2）正確。電磁波的能量在接收器中激發電流，產生火花。
（3）正確。所有電磁波在真空中的速度均為光速c。
（4）錯誤。麥克斯韋是理論預言，赫茲通過實驗發現。
（5）正確。這是麥克斯韋電磁場理論的核心觀點。
二、能力提升：應用探究
示例（微波）：微波是波長介于紅外線與無線電波之間的電磁波。其最廣為人知的應用是微波爐，利用微波使食物中的水分子共振發熱來加熱食物。此外，微波還廣泛應用于雷達探測和衛星通信。使用微波爐時，請勿使用金屬容器，以免產生電火花，引發危險。
板書設計
13.4 電磁波的發現及應用
【左板】
一、理論預言——麥克斯韋
核心思想：
變化的電場 → 磁場
變化的磁場 → 電場
相互激發 → 電磁波
傳播速度 v = c（光速）
預言：光是一種電磁波
【中板】
二、實驗驗證——赫茲
發射器：振蕩偶極子（火花）
↓ 輻射
電磁波 → 空間傳播 →
↑ 檢測
接收器：共振環（火花）
結論：電磁波存在！速度=c！
【右板】
三、廣泛應用——電磁波譜
[圖示：從左到右波長遞減]
無線電波 → 微波 → 紅外線 → 可見光 → 紫外線 → X射線 → γ射線
應用：通信、加熱、遙控、照明、殺菌、成像、治療
雙面性：便利生活 輻射風險
科學使用，承擔責任
教學反思
成功之處
1. 以“閃電與收音機”的生活現象導入，有效激發了學生興趣，成功構建了“電磁波是如何被發現”的核心探究議題，使整節課主線清晰。
2. 充分利用動畫和模擬實驗，將麥克斯韋的“位移電流”和赫茲實驗等抽象、歷史性內容生動直觀地呈現，顯著降低了認知難度，學生反饋理解度高。
3. 設計了“模擬赫茲實驗”的合作探究任務，學生參與度高，討論熱烈，有效培養了科學探究能力和創新思維，課堂氛圍活躍。
不足之處
1. 在講解麥克斯韋方程組時，部分數學推導略顯簡略，對于物理基礎特別扎實的學生，可能感覺意猶未盡，未來可考慮為學有余力者提供拓展閱讀材料。
2. 小組討論電磁波應用時，時間略顯緊張，個別小組未能充分展示，下次可適當壓縮前段講授時間，或采用更高效的匯報形式。
3. 對電磁波雙面性的討論深度還可加強，可引入更多具體案例（如手機輻射爭議），引導學生進行更深入的辯證分析。

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