第十三章 电磁感应与电磁波初步 学情分析 内容与价值分析 单元小结--高二上学期物理人教版（2019）必修第三册.docx

第十三章电磁感应与电磁波初步学情分析学生通过初中物理和高中物理必修三电场和电路课程的学习，对电磁学知识有了一定的认知基础和了解。本章的大部分知识不但与学生亲身体验的生活密切相关，而且学生经过初中的学习，对磁现象、电磁感应现象、电磁波有了一些较为理性的认识，会用一些简单的方法描述它们。本章内容跨度较大，从磁场到电磁感应，从电磁场到电磁波以及微观世界的量子化。本章既要关注学生在这部分内容的初中基础，又要考虑到是高中的必修内容，不能讲得太深太难，将在选择性必修模块中继续学习。（一）认知基础对于磁感线的教学，需要学生具备三维空间的想象能力。磁感线的分布是在三维空间内的，对于通电直导线和通电圆环周围磁感线的分布情况，如果学生缺乏三维空间想象能力，将会遇到学习障碍。教师应该通过演示实验来帮助学生理解，加深认识，有条件的情况下尽可能让学生做分组实验，增加感性认识。教学中应注意培养学生的空间想象力，使学生形成经典物理的物质观、运动观和相互作用观等物理观念，并能用这些观念解释自然现象和解决实际问题。对于磁通量概念的教学，需要注意的是磁通量虽有正负，但没有方向，是标量。磁感线穿过某个面时，该面是存在正反两个面的，设从一个面穿进去时设为正值，则从另一个面穿进去时就是负的，学生会误认为有正负的物理量就是矢量。这里让学生进一步加深对标量和矢量的理解，教师通过演示实验重点强调。学生在初中已经学习过电磁感应现象，但是初中是限定于一种切割磁感线的特殊情况，没有上升到普遍规律。电磁感应现象的产生条件是闭合电路的磁通量发生变化，学生理解时会遇到困难。通过设计、模仿法拉第的实验，将原来浅显已知的产生感应电流的非充要条件(闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线运动)，提升为产生感应电流的充要条件，从而达到引导学生通过实验引发深入思考主动地获得知识的目标。学生初中已经学习过电磁波，学生对电与磁的联系和电磁波有较丰富的生活经验。学生对手机等通讯工具，使用过收音机、电视机等电子设备较为熟悉，对于这部分知识的理解学生感觉比较简单。（二）学科前概念学生前面学习过了电场的知识，对磁场的知识的学习可类比电场来学习，但有些不同点学生容易混淆，易受思维定式的影响。例如磁感线和电场线的区别：电场线是从正电荷出发，终止于负电荷，不是闭合的曲线；而磁极不是单独存在的，一个磁体总有两个磁极，磁体内部、外部都有磁感线，磁感线在磁体外部是从（N）极出发，回到（S）极，在内部是从（S）极到（N）极，是闭合的曲线。对于磁体内部也要有磁场，学生不易理解。通电螺旋管内部的磁场和条形磁体类似，把小磁针放在通电螺旋管内部，判断小磁针指向的方法，学生可能利用同名磁极相斥异名磁极相吸来判断，这是错误的理解。应根据小磁针静止时（N）极的指向为磁感线的方向，即磁场的方向。  磁感应强度的定义是用电流元所受磁场力与电流元之比定义磁感应强度，而不是像试探电荷受力与试探电荷的电荷量之比来定义电场强度，这是学生不容易想到的。这里还涉及到极限思想，虽然前面高中的学习已经接触了极限思想，但对电流元的理解还是存在一定的困难。此处科学研究方法有：用物理量之比定义新物理量值定义法、理想化模型法、微元法、类比法。特别需要指出的是，类比法是一种重要的研究方法和思维方法，可以发展学生的求同思维和变异思维能力。（三）认知关键点 对磁通量的概念学生不易理解与掌握，教师可以用磁感线的疏密来帮助理解磁感应强度的大小，类比电场强度的强弱也是用电场线疏密来表示。磁感线（电场线）的疏密程度可以理解为单位面积上穿过的磁感线的多少，我们叫磁通（电通）密度，而磁感线的多少就是磁通量，单位面积上的磁通量就是磁感线的疏密程度即磁通密度，就是我们学习的磁感应强度。磁通量也可形象理解为通过磁感线的数量，这样就容易理解磁感应强度与磁通量的关系了。磁通量的表达式先从匀强磁场再到非匀强磁场，是逐渐深入的过程。这也渗透着微元法和累积求和的思想，需要让学生在亲身体验中理解这一重要的思想方法。学生在学习本章知识的过程中，通过物理学史的学习，引领学生从中接受科学思维和科学方法的熏陶，领悟科学探究的精神。奥斯特、法拉第等科学家发现了“电生磁”和“磁生电”，打开了电与磁联系的大门。经过麦克斯韦的进一步研究，建立了电磁场理论，统一解释了各种电磁现象。普朗克的能量量子化假说向人们揭示了微观世界物质客体运动的一个基本特征，并给出了微观客体能量量子化的最基本的规律。在此之前，人们都认为由宏观世界过渡到微观世界只不过是物质大小、尺度的变化，而宏观现象所遵从的基本规律则一成不变地适用于微观领域。正是能量量子化第一次冲击了这种传统观念，成为物理学发展史上一个重大的转折，具有深刻的意义。在学习能量量子化理论之前，学生接受的都是经典的电磁理论，认为电磁波理所当然的以波的形式存在。能量量子化的初步认识，使学生打开了新的思维模式，也为后面继续学习光电效应及波尔理论奠定了基础。能量量子化假设与我们宏观世界的生活经验以及已经成熟的经典电磁理论都是格格不入的，其概念的冲突是颠覆性的。学生生活中的经验认为能量和流水一样是连续的，所以对于中学生来说，理解能量的发射和吸收是一份一份的有一定困难。当然普朗克的量子理论刚提出时，很多科学家也不理解和难于接受。引导学生理解物理学家提出能量量子化理论是对客观世明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。量子物理的新世界，极大地丰富和深化了人们对于物质世界的认识。建议在学生课前充分预习和课上适当讨论的基础上，教学难点的突破均以教师的生动讲解为主。多铺垫、多设疑，按照物理学史的发展进程展开，让学生从物理大师科学家的科学探索活动中，体会到物理学惊心动魄的发展历程，学习他们实事求是的科学方法和勇于创新的科学精神。第十三章电磁场与电磁波初步内容与价值分析一、课标要求及解读【内容要求】3.3.1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。3.3.2通过实验，认识磁场。了解磁感应强度，会用磁感线描述磁场。体会物理模型在探索自然规律中的作用。例1判断通电直导线和通电线圈周围磁场的方向，用磁感线描绘通电直导线和通电线圈周围的磁场。3.3.3知道磁通量。通过实验，了解电磁感应现象，了解产生感应电流的条件。知道电磁感应现象的应用及其对现代社会的影响。例2收集资料，了解手机无线充电的原理。3.3.4通过实验，了解电磁波，知道电磁场的物质性。3.3.5通过实例，了解电磁波的应用及其带来的影响。例3知道手机和卫星通信等都是电磁波的应用。3.3.6知道光是一种电磁波。知道光的能量是不连续的。初步了解微观世界的量子化特征。活动建议（1）查阅资料，了解我国古代对磁现象的认识和应用及其对人类文明的影响。（2）查阅资料，了解电磁感应现象的发现过程。（3）调查电磁波在现代社会中应用的实例。解读课标：本单元通过电磁场与电磁波初步的学习，让学生了解场的物质性，知道光是一种电磁波、光的能量是不连续的，初步了解微观世界的量子化特征，培养学生的物质观念、运动与相互作用观念、能量观念。引导学生学会建立磁感线物理模型，体会物理模型在研究具体问题中的重要作用。让学生了解磁场的基本概念，利用与静电场对比的方法了解磁感应强度，知道磁通量是一个重要的物理量。让学生通过实验了解产生感应电流的条件，体会科学实验在物理学发展中的重要作用。通过介绍科学家对“电生磁、磁生电”的研究，体会科学探索中科学思想方法的重要作用，体会物质世界的多样性和统一性。本单元内容与生产生活、科技进步、社会发展密切相关，要充分利用多种教学资源，引导学生了解电磁感应现象在生产生活中的应用，认识能源开发与利用对人类生活和社会发展的影响，关注科学？技术？社会？环境的关系，培养学生解决实际问题的能力。二、学习内容分析本单元作为必修课程的内容，既考虑到全体学生的需求，注重全体学生的共同基础，同时还考虑到与初中物理课程和高中选择性必修课程的衔接与联系，发挥其承上启下的作用。与初中物理课程相比，高中物理必修课程中的“磁场与电磁波初步”这部分内容要求更高，内容跨度更大，从磁场到电磁感应，从电磁场到电磁波以及微观世界的量子化。但由于是必修内容，多为定性要求，更侧重科学普及，旨在通过对磁场和电磁波的初步学习，促进现代公民科学素养的提升。从以下网络图中可以看出必修三知识在高中物理体系中的地位。初中前概念：高中部分：学生在学习本单元的知识的过程中，体会人类认识电磁学的过程，感受人类认识世界和自然的最基本的思路和典型的科学思想方法。通过物理学史的学习，引领学生从中接受科学思维和科学方法的熏陶，从科学嬗变的历史轨迹中，领悟科学探究的精神。现对本章蕴含的隐性知识分析如下：（一）本章对于电与磁关系的认识过程蕴含人类对事物认知的一般思路：现象感知粗略（定性的描述）精确（定量）的描述确定事物之间的关系（电生磁、磁生电）研究事物的本质属性（电磁场理论）这一程序性知识是分析物理问题基本且重要的思路。这种研究思路，普遍用于力、电、热等问题的分析，是运动与相互作用观念的重要内容。有助于学生的物理观念的形成和跨学科知识的融会贯通。（二）本章对于电与磁关系的认识再次使人类认识到自然现象的统一。牛顿创建经典力学理论（牛顿运动定律、万有引力定律）统一解释了天体运动和地面上的物体的运动。奥斯特、法拉第等科学家在“自然力统一”思想的影响下，发现了“电生磁”和“磁生电”，打开了电与磁联系的大门。经过麦克斯韦的进一步研究，建立了电磁场理论，统一解释了各种电磁现象。构建了自然界的另一幅图景，即电磁运动的图景，这是人类对自然现象解释的第二次大综合。（三）在认识磁场的过程中学习了一种重要的学习方法-类比法，培养学生的类比思维、提高创新能力。类比方法是一种重要的物理思维方法，它可以使知识条理化，把抽象的知识形象化，把复杂的问题简单化；在教学中运用类比方法可以引导学生自己获取知识；有助于提出假说，进行推测，有助于提出问题并设想解决问题的方向；类比可激发学生探索的意向，引导学生进行探索，使学习成为学生自觉积极的活动，发展学生的思维能力。磁场与电场都为一种特殊的物质场物质，具有很多相类似的地方。前面已经学习了电场，在磁场的学习中可以通过类比的方法进行学习。如，磁场与电场类比；磁感应强度与电场强度类比；磁感线与电场线类比。恰当的运用类比的方法，不但有利于学生接受知识，而且有利于发展学生的科学思维能力。（四）在知识形成过程中突出物理学重要的思想方法理想化模型的建立。电磁场看不见、摸不着的特点对人类描述场提出了挑战，智慧的人类提出“理想化模型”的思想方法，突出研究对象和所研究问题的主要方面，忽略次要因素，用理想化模型“磁感线”来形象的描述磁场，不仅为描述和研究磁场奠定基础，更能深刻地把握事物的本质，为人类研究复杂事物提供了科学的思想方法。理想化模型是感知和思维的产物，它源于具体事物，又高于具体事物。它既具有普遍意义，更是科学研究的典范。由于磁感线的分布不是平面的，而是空间的，应该通过演示实验来加深认识，培养学生的空间想象力，使学生形成经典物理的物质观、运动观和相互作用观等物理观念。（五）概念的建构过程蕴含比值定义物理量的思想方法。在初中和高中力学的学习中，学生已经掌握了用物理量之比定义新物理量的方法。比值法分为两类：一类是对一些描述物体运动状态特征的物理量的定义，如速度v、加速度a、角速度等。这些物理量是通过简单的运动引入的，比如匀速直线运动、匀变速直线运动、匀速圆周运动。这些物理量定义的共同特征是：相等时间内，某物理量的变化量相等，用变化量与所用的时间之比就可以表示变化快慢的特征。另一类是用比值法定义物质或物体属性特征的物理量，如：电场强度E、磁感应强度B、电容C、电阻R等。它们的共同特征是属性由本身所决定。在对这些物理量定义时，需要选择一个能反映某种性质的检验实体来研究。比如：定义磁感应强度B，需要选择一小段通电导线，观测其垂直放在磁场中所受的安培力F，采用比值F/IL来定义。 研究对象是通电导线，但定义后的物理量却跟通电导线无关，描述的是通电导线所在位置磁场的性质，是“别人”的性质，不是通电导线的。理解比值定义法的特点，才能对要研究的问题有深入的了解，真正地掌握一个物理概念。（六）在寻求电与磁关系的过程中感受自然界的对称美，体会对称思想对物理学发展的贡献。物理学以研究物质世界规律为对象，研究物理学中的对称性对于探索物质世界有着十分重要的意义。客观世界中存在着许多的对称关系（例如：物体形状或几何形体的对称性、平面镜成像的对称、物体竖直上抛过程中上升与下落过程的时空对称、正负电荷与南北磁极的对称性、粒子与反粒子的对称等），正是这种对称思想使得法拉第了解到奥斯特发现电流能产生磁场后，就很自然地进行了逆向思考和对称推理，通过探索、研究、实验，最终发现磁场中获得电流的方法，使电磁学得到突飞猛进的发展。麦克斯韦不仅注意到物理现象、定律之间以及物理现象、定律与其他事物之间的局部相似性，而且考虑到数学形式的对称性，创造性地建立了电磁学方程，建立了完整的电磁场理论。此后，大师人物爱因斯坦为物理研究引入了完美对称的思想，他在广义相对论研究引力中就用到了加速度的对称思想。爱因斯坦的相对论是如此的成功，引得其后爱因斯坦的追随者都把对称性、美的思想作为探索理论物理的最高原则。对称思想、对简单、美的追求，对宇宙的终极的设计原理的探索，引领了20世纪理论物理的发展。对称思想已成为反映今天“自然科学时代之精神”的理论精华，而对称性方法已成为当代最普遍的精密自然科学方法之一。这种对称思想渗透在电磁场理论建立的整个历史过程中，因此，我们在电磁感应、电磁场的教学中要重视发挥这段物理学史的教育功能。通过自己查阅资料、教师引导、视频、图片展示等多种方式渗透对称思想的美学教育，启发学生用心智领悟美，对激发学生的学习动力、提高学生的创新精神具有非同寻常的意义。有了对物理学中真与美的欣赏，学生就会对生活、对自然界、对生命有更深刻的理解，对世界万物有敬畏之情。（七）初步引入量子化的观点，为学生认识世界打开另一扇窗户。在学习能量量子化的过程中，通过黑体辐射的实验规律与经典电磁理论的矛盾，引出普朗克的能量量子化假说。普朗克的能量量子化假说向人们揭示了微观世界物质客体运动的一个基本特征，并给出了微观客体能量量子化的最基本的规律。在此之前，人们都认为由宏观世界过渡到微观世界只不过是物质大小、尺度的变化，而宏观现象所遵从的基本规律则一成不变地适用于微观领域。正是能量量子化第一次冲击了这种传统观念，成为物理学发展史上一个重大的转折，具有深刻的意义。在学习能量量子化理论之前，学生接受的都是经典的电磁理论，认为电磁波理所当然的以波的形式存在。能量量子化的初步认识，使学生打开了新的思维模式，也为后面继续学习光电效应及波尔理论奠定了基础。第十三章电磁感应与电磁波初步单元小结：电与磁是如何紧密联系在一起的？导语：本章我们学习了电磁感应与电磁波初步。想要准确描述电与磁之间的关系，需要解决以下几个问题：生活中有哪些磁现象，如何定性地解释这些现象？如何理性、定量描述电与磁的关系？电与磁在生活中有哪些应用？一、本章主要知识网络梳理如下：现象感知粗略（定性的描述）精确（定量）的描述确定事物之间的关系（电生磁、磁生电）研究事物的本质属性（电磁场理论）应用 这一程序性知识是分析物理问题基本且重要的思路。这种研究思路，普遍用于力、电、热等问题的分析，是运动与相互作用观念的重要内容。有助于学生的物理观念的形成和跨学科知识的融会贯通。二、本单元知识网络解读：1.对生活中磁现象的直观、感性、定性描述我们知道我国是最早发现磁现象、应用磁现象的国家之一，指南针的发明为世界航海作出了巨大贡献。随着科学的进步，西方越来越多的科学家也开始相信电与磁之间存在着某种联系，直到奥斯特通过通电导线使小磁针偏转等实验发现了电流的磁效应，揭示了电与磁的联系。从相互作用的角度进行研究，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、磁体与通电导线之间，以及通电导线与通电导线之间的相互作用是通过“磁场”发生的。为了更方便的描述磁场，科学家们通过磁感线来描述磁场的方向与强弱，通过安培定则来判断通电导线和螺线管所产生磁场的方向。但这仍停留在粗略的描述阶段。2.精确地描述磁场的物理量磁感应强度B、磁通量用通电导线所受到的力F与导线中的电流I和导线长度L的比值定义磁感应强度B来表征磁场强弱。把磁感应强度B与垂直于磁场方向的平面的面积S的乘积叫作这个面积的磁通量。利用磁感应强度和磁通量实现了对磁场的定量描述。3.电与磁的联系-电磁感应、感应电流、电磁场、电磁波，热辐射和能量子法拉第通过实验领悟到“磁生电”是一种在变化、运动的过程中才能出现的效应，当穿过闭合导体回路的磁通量发生变化时，闭合回路中就产生电流，他把这些现象定名为电磁感应，产生的电流叫作感应电流。电磁感应现象证明了电能生磁，磁还能生电，使人们对电与磁内在联系的认识更加深入。变化的磁场产生电场，变化的电场产生磁场，变化的电场和磁场交替产生并传播出去形成电磁波，变化的磁场和电场总是相互联系的，形成一个不可分割的统一的电磁场。通过对电磁波产生方式的研究以及对热辐射和能量子的研究，更加体现出电与磁的紧密联系。另外电磁感应和电磁波在生活中的应用可以激发学生的学习兴趣和民族自豪感。4.重视体会本单元蕴含的物理思想方法磁场与电场都为一种特殊的物质场物质，具有很多类似的地方。前面已经学习了电场，在磁场的学习中可以通过类比的方法进行学习。如，磁场与电场类比；磁感应强度与电场强度类比；磁感线与电场线类比。恰当的运用类比的方法，不但有利于学生接受知识，而且有利于发展学生的科学思维能力。电磁场看不见、摸不着的特点对人类描述场提出了挑战，智慧的人类提出“理想化模型”的思想方法，突出研究对象和所研究问题的主要方面，忽略次要因素，用理想化模型“磁感线”来形象的描述磁场，不仅为描述和研究磁场奠定基础，更能深刻地把握事物的本质，为人类研究复杂事物提供了科学的思想方法。另外在定义磁感应强度B时运用了比值定义法，在寻求电与磁关系的过程中渗透了对称思想。本章学习了如何定量、精确的描述磁场，学习了电与磁的联系与应用，更重要的是体会这一过程中所蕴含的物理学思想方法。这些思想方法会贯穿我们整个高中物理的学习，会影响我们在学习、生活中处理问题的思考方式，甚至会影响我们未来的世界观、人生观和价值观！学科网（北京）股份有限公司