《电磁现象探究》课件

电磁现象探究揭示电与磁相互作用的奥秘从基础磁现象到电磁波应用课程目标理解磁现象基础知识掌握电生磁原理掌握磁性本质和磁场概念学习通电导体产生磁场的规律探究磁生电现象应用电磁原理解决实际问题理解电磁感应的条件和应用第一部分磁现象基础认识磁性1了解磁性的本质特征探究磁铁性质2磁极概念与相互作用规律磁化现象3物体获得磁性的条件和过程实验探究4通过实验验证磁现象规律什么是磁性？磁性定义磁性来源磁性表现物质吸引铁、镍等铁磁性物质的能力物质中电子自旋和轨道运动产生吸引或排斥其他磁性物体一种基本物理性质，与电荷运动相关微观粒子的有序排列形成宏观磁性在磁场中受力或产生磁场磁铁的基本性质吸引性两极性能吸引铁、镍、钴等铁磁性物质任何磁铁都有南北两极对非磁性物质无吸引作用磁极不可分割，切割后仍有两极定向性穿透性自由悬挂的磁针指向地磁南北方向磁力可透过非铁磁性物质是指南针的基本原理不同材料对磁力穿透影响不同磁极的概念磁极定义磁极分类磁铁上磁性最强的区域N极（北极）和S极（南极）地磁极磁极不可分割性地球内部形成的磁场极点磁铁切割后每部分仍有南北两极磁极间的相互作用规律同极相斥北极对北极，南极对南极相互排斥异极相吸北极对南极相互吸引距离关系作用力与距离平方成反比力的对称性吸引力与排斥力大小相等，方向相反实验探究磁极间的作用力准备器材条形磁铁，指南针，细线，支架悬挂磁铁将一个磁铁用细线悬挂在支架上观察磁极相互作用用另一磁铁靠近悬挂磁铁的不同极记录现象记录磁铁运动情况，判断吸引或排斥变换距离改变两磁铁距离，观察作用力变化磁化现象永久磁化保持长久磁性暂时磁化临时获得磁性感应磁化在磁场中获得磁性电磁感应通电产生磁性第二部分磁场磁场概念磁场性质磁感线地磁场磁性物体周围存在的具有大小和方向的物描述磁场分布和方向地球自身产生的全球特殊空间状态理量的曲线性磁场磁场的定义物理定义数学表达直观理解磁性物体周围存在的特殊空间状态矢量场，具有大小和方向看不见的力场能对其中的磁性物体施加力的区域用磁感应强度B表示，单位为特斯拉T通过小磁针或铁屑排列可视化磁场的性质矢量性具有大小和方向叠加性多个磁场在空间同一点叠加遵循矢量加法衰减性磁场强度随距离增加而减弱保守性磁场做功为零，能量守恒磁场方向的规定小磁针极指向N小磁针极所指方向定为磁场方向N右手定则通电直导线周围磁场方向判断闭合曲线磁场线是闭合曲线，无起点和终点磁感线的概念定义物理意义可视化方法描述磁场分布和方向的曲线表示磁场的空间分布铁屑排列法切线方向表示该点磁场方向线密度表示磁场强度大小小磁针探测法磁感线的特点闭合性方向性磁感线是闭合曲线磁体外部从N极到S极无起点和终点磁体内部从S极到N极不相交性密度关系磁感线不会相互交叉磁感线密度大处磁场强每点磁场方向唯一密度小处磁场弱磁感线的绘制方法准备材料玻璃板、白纸、铁屑、磁铁放置磁铁将磁铁放在白纸上盖上玻璃板防止铁屑直接接触磁铁撒铁屑均匀撒上铁屑轻敲玻璃板让铁屑排列成磁感线形状地磁场形成原因地核内部液态金属流动产生磁极地磁北极接近地理南极，地磁南极接近地理北极保护作用屏蔽太阳风和宇宙射线磁极倒转每数十万年发生一次磁极倒转现象第三部分电生磁通电直导线磁场通电螺线管磁场同心圆磁感线分布类似于条形磁铁的磁场奥斯特实验右手定则电流产生磁场的首次发现判断电流与磁场方向关系4奥斯特实验回顾年11820丹麦物理学家奥斯特进行实验偶然发现2通电导线使附近指南针偏转重大突破3首次发现电与磁的关系理论基础4成为电磁学发展的重要里程碑通电直导线周围的磁场磁场分布磁场方向磁场强度以导线为中心的同心圆右手握拳定则确定与电流成正比磁感线为闭合圆形曲线拇指指向电流方向，弯曲手指指向磁场与到导线距离成反比方向实验观察通电直导线的磁场准备器材直导线、电源、开关、铁屑、纸板穿纸将导线垂直穿过纸板中心连接电路将导线与电源、开关串联撒铁屑在纸板上均匀撒上铁屑通电观察闭合开关，轻敲纸板，观察铁屑排列通电螺线管的磁场磁场分布磁极判断内部近似均匀平行磁场右手握住螺线管外部类似条形磁铁的磁场四指弯曲指向电流，拇指指向N极螺线管内外磁感线连续分布右手螺旋定则直导线定则右手拇指指向电流方向，弯曲手指指向磁场方向螺线管定则右手四指弯曲指向电流方向，拇指指向极方向N圆环电流定则右手四指弯曲指向电流方向，拇指指向磁场方向安培定则安培小人法则小人面向导线，电流从脚到头，左手指向磁场方向数学表达闭合曲线上磁场线积分等于穿过曲面的总电流乘₀μ环路应用用于计算高度对称电流分布产生的磁场与右手定则等价提供了另一种判断磁场方向的方法电磁铁的原理通电原理螺线管通电产生磁场铁芯作用增强磁场强度可控性断电时磁性消失磁极变换改变电流方向可改变磁极方向实验制作简单的电磁铁准备材料铁钉、漆包线、电池、开关、导线绕线圈在铁钉上均匀缠绕漆包线去除漆皮漆包线两端用砂纸除去绝缘漆连接电路将电池、开关与绕好的线圈串联测试磁性通电后用电磁铁吸引回形针等小铁物影响电磁铁磁性强弱的因素电流强度电流越大，磁性越强线圈匝数匝数越多，磁性越强铁芯材料高磁导率材料增强磁性线圈紧密程度绕制越紧密，磁性越强电磁铁的应用第四部分磁生电法拉第发现磁通变化楞次定律1831年发现电磁感应现闭合电路中磁通量变化感应电流方向判断规则象产生感应电流应用广泛发电机、变压器、感应电机等法拉第的电磁感应实验年11831迈克尔法拉第进行系列实验·线圈和磁铁2观察磁铁和线圈相对运动时电流计指针偏转重大发现3磁场变化可以产生电流实验结论4闭合电路中磁通量变化产生感应电流电磁感应现象的定义基本定义法拉第定律物理本质闭合电路中磁通量变化产生感应电动势感应电动势大小等于磁通量变化率电磁场能量转换导体切割磁感线产生感应电流ε=-dΦ/dt体现了能量守恒定律产生感应电流的条件闭合电路必须有完整的导电回路开路只有电动势，无电流磁通量变化线圈中穿过的磁感线数量变化可通过改变磁场或线圈位置实现相对运动导体与磁场间的相对运动静止状态不产生感应电流变化速率磁通量变化越快，感应电流越大突变产生瞬时大电流实验探究产生感应电流的条件准备器材线圈、磁铁、检流计、导线连接电路将线圈与检流计连接成闭合电路磁铁运动磁铁快速插入线圈，观察指针偏转改变速度改变磁铁运动速度，观察指针偏转程度静止观察磁铁静止在线圈中，观察指针无偏转感应电流的方向磁通量增加感应电流产生阻碍磁通量增加的磁场磁通量减少感应电流产生增强磁通量的磁场右手定则右手拇指指向导体运动方向，掌心朝向磁场，四指指向感应电流方向楞次定律定律内容验证实验应用示例感应电流方向总是阻碍引起感应的磁通铝环和磁铁实验电磁制动量变化感应电磁阻尼现象涡流探伤体现自然界的惯性和能量守恒影响感应电流大小的因素磁通变化速率变化越快，感应电流越大线圈匝数匝数越多，感应电动势越大磁场强度磁场越强，感应电流越大线圈截面积面积越大，通过的磁通量越多实验探究影响感应电流大小的因素准备器材不同匝数线圈、磁铁、检流计匝数影响比较不同匝数线圈产生的感应电流速度影响改变磁铁运动速度观察感应电流变化磁铁强度影响使用不同强度磁铁比较感应电流运动方向影响改变磁铁运动方向观察感应电流方向电磁感应的应用发电机旋转运动切割磁感线线圈在磁场中旋转导体切割磁场产生感应电动势供电应用电能转换为电路提供持续电能机械能转化为电能发电机的工作原理机械驱动外力使转子旋转磁通变化线圈切割磁感线产生变化磁通量感应电流闭合回路中产生感应电流输出电能通过集电环或换向器输出电能交流发电机和直流发电机的区别交流发电机直流发电机使用集电环使用换向器输出电流方向周期性变化输出电流方向固定结构简单，维护方便结构复杂，需要定期维护适用于远距离输电适用于电池充电、电解等第五部分电磁波麦克斯韦预言赫兹验证波谱范围电磁场理论预测电磁波首次实验产生和检测电从无线电波到伽马射线存在磁波的广泛频谱现代应用通信、医疗、天文等众多领域电磁波的发现年11864麦克斯韦提出电磁场理论年21887赫兹实验证明电磁波存在年31895马可尼发明无线电报年41901首次跨大西洋无线电通信电磁波的性质波动性具有频率、波长和振幅可发生干涉和衍射现象传播特性真空中速度为光速c不需要介质即可传播电磁场结构相互垂直的电场和磁场场方向与传播方向互相垂直能量传输携带能量和动量能量与频率成正比电磁波谱无线电波1波长最长，频率最低微波用于通信和加热红外线热辐射可见光人眼可见的电磁波紫外线能量更高，可致晒伤射线X医学成像伽马射线波长最短，能量最高电磁波的应用第六部分电磁现象的应用电磁继电器2电动机低电流控制高电流电能转化为机械能电磁铁应用3起重、医疗、交通通信技术感应应用5无线电、手机、网络无线充电、感应炉4电动机的原理基本原理物理过程力的计算通电导体在磁场中受力电能转化为机械能F=BIL·sinθ洛伦兹力产生旋转力矩能量转换效率通常为70%-95%B为磁感应强度，I为电流，L为导体长度电动机的结构定子固定不动的磁场系统转子旋转的通电导体换向器改变电流方向保持转子持续转动电刷传导电流至转子实验制作简单的电动机准备材料铜线、磁铁、电池、大头针、夹子制作线圈将铜线绕成几匝的圆形线圈制作支架用夹子固定大头针作为轴承安装磁铁在线圈下方放置永磁体连接电源将线圈两端与电池连接观察运行轻推线圈启动，观察持续旋转电磁继电器的工作原理通电导线电磁铁产生磁场1低压电路通电线圈与铁芯形成电磁铁2闭合触点吸引衔铁高压电路接通电磁铁吸引活动衔铁电磁铁在日常生活中的应用电磁锁核磁共振电磁起重机门禁系统、安全锁医学成像诊断金属废料处理电磁感应在日常生活中的应用无线充电电磁炉变压器手机、电动牙刷充电快速加热烹饪电压转换和电能传输电磁波在通信中的应用移动通信手机网络利用微波传输信号无线网络使用或电磁波Wi-Fi

2.4GHz5GHz卫星通信远距离信号传输覆盖全球广播电视广播和电视信号传输AM/FM第七部分综合探究设计实验探究电磁铁最佳设计小组讨论电磁现象在未来科技中的应用实践活动制作基于电磁原理的创新小发明成果展示分享探究成果和实践经验设计实验探究电磁铁的最佳设计人3-4小组规模每组3-4人合作完成分钟45实验时间基础实验需45分钟种5变量控制至少探究5种影响因素次3重复测试每组变量至少测试3次小组讨论电磁现象在未来科技中的潜在应用交通领域磁悬浮技术、电磁发射系统医疗健康电磁靶向药物、新型成像技术能源开发磁约束核聚变、无线电能传输人机交互脑机接口、电磁触觉反馈实践活动制作一个基于电磁原理的小发明创意构思方案设计制作实现选择一个电磁应用绘制设计图纸，准动手制作，调试完方向，发挥创意构备材料清单善思测试评估性能测试，记录数据，评估效果课程总结电磁统一电和磁是统一的电磁现象相互转化2电能转化为磁能，磁能转化为电能实际应用电动机、发电机、变压器等广泛意义推动了人类科技和文明的发展思考题理论思考实际应用为什么磁极不能单独存在？如何提高电动机效率？电磁感应的本质是什么？磁悬浮列车的原理是什么？创新思维设计新型电磁能量收集装置提出电磁技术在环保领域的应用参考资料教材参考《普通物理学》（第七版）《电磁学基础》（赵凯华著）视频资源中国大学《电磁学》课程MOOC科学探索频道《电与磁的奥秘》系列在线资源互动物理仿真实验PhET科学松鼠会电磁专题文章实验指导《物理实验教程》（胡金星编）《趣味电磁学实验》（科学普及出版社）。