“電磁波的發(fā)現(xiàn)”教學(xué)中學(xué)生常提出的疑問及相應(yīng)解釋*⑤

郭衛(wèi)強(qiáng)⑥

(河南師范大學(xué)附屬中學(xué)河南 新鄉(xiāng)453000)

*河南省2014年度校本教研專項(xiàng)研究課題“基于導(dǎo)學(xué)案和導(dǎo)學(xué)視頻的高中物理教學(xué)策略的實(shí)踐研究”階段成果，項(xiàng)目編號：XBJY1439

摘 要：在高中物理“電磁波的發(fā)現(xiàn)”一節(jié)的教學(xué)中，學(xué)生對平面電磁波傳播過程中“電場強(qiáng)度矢量E和磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量B同步變化”常提出疑問，筆者分析了其錯(cuò)誤原因并給出較為詳細(xì)的解釋.

關(guān)鍵詞：電磁波電場強(qiáng)度磁感應(yīng)強(qiáng)度相位

作者簡介：郭衛(wèi)強(qiáng)(1978-)，男，中教一級，主要從事中學(xué)物理教學(xué)及研究.

收稿日期：(2015-04-21)

在高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(人教版)選修3-4第六章“電磁波的發(fā)現(xiàn)”一節(jié)的教學(xué)中，學(xué)生在學(xué)習(xí)電磁波傳播的特點(diǎn)時(shí)，由于不清楚穩(wěn)恒場和交變場的區(qū)別，對平面電磁波的電場強(qiáng)度矢量E和磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量B同步變化提出了疑問，筆者就此疑問進(jìn)行探討，希望能為教師的教學(xué)和學(xué)生的學(xué)習(xí)提供幫助.

疑問:如圖1所示，該圖為高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(人教版)選修3-4第78頁圖14.1-3[1]，這是描述平面電磁波沿z軸傳播的示意圖.學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中，發(fā)現(xiàn)電場強(qiáng)度矢量E和磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量B相位相同，許多學(xué)生感到不解，甚至認(rèn)為是錯(cuò)誤的.

圖1　教材中沿 z軸傳播的電磁波

理由1:假設(shè)有一環(huán)形金屬導(dǎo)線放入按正弦變化的磁場中，其磁感應(yīng)強(qiáng)度

所以，環(huán)形電路中電流

從而得出環(huán)形電路中的電場強(qiáng)度

因?yàn)?/p>

所以，環(huán)形電路中的電場強(qiáng)度

圖2　學(xué)生作出的沿 z軸傳播的電磁波

理由2:根據(jù)麥克斯韋電磁理論,變化的磁場產(chǎn)生電場，變化的電場產(chǎn)生磁場.電場強(qiáng)度的大小應(yīng)該是由磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化率來決定，磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小應(yīng)該是由電場強(qiáng)度的變化率來決定.

假設(shè)，有一按正弦變化的磁場，其磁感應(yīng)強(qiáng)度

按上述理解，平面電磁波沿z軸傳播的示意圖2是正確的.

上述的結(jié)論與圖1中平面電磁波電場強(qiáng)度矢量E和磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量B相位相同矛盾.

理由2出現(xiàn)錯(cuò)誤的原因是學(xué)生對麥克斯韋電磁理論的理解出現(xiàn)了偏差.磁場的變化率決定的不是電場強(qiáng)度的大小，而是電場強(qiáng)度在環(huán)路上積分的大小，即電場旋度的大小.在磁場的波峰處，磁場的變化率最小，此時(shí)電場的旋度為零；當(dāng)磁場為零時(shí)，磁場的變化率最大，此時(shí)電場旋度的絕對值最大.

嘗試解釋：假設(shè)，有一沿z軸傳播的平面電磁波，其按正弦變化的電場的電場強(qiáng)度

(1)

式中θ為電場的相位,產(chǎn)生正弦變化的磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度

(2)

麥克斯韋方程

把式(1)、(2)代入方程得

顯然，θ=0，說明正弦變化的電場產(chǎn)生正弦變化的磁場，且相位相同.

同理，可得到正弦變化的磁場產(chǎn)生正弦變化的電場，且相位相同.

通過對上述問題的討論，我們發(fā)現(xiàn)學(xué)生在遇到新的物理情境問題時(shí)，試圖運(yùn)用原有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)來解決新問題.在學(xué)習(xí)電磁波之前，學(xué)生所了解的場都是穩(wěn)恒場，容易用穩(wěn)恒場的性質(zhì)來解釋電磁波傳播的現(xiàn)象，教師要讓學(xué)生了解穩(wěn)恒場和交變場的區(qū)別，便于學(xué)生正確理解電磁波.

參 考 文 獻(xiàn)

1人民教育出版社.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書選修3-4.北京：人民教育出版社，2004.76

Students′ Questions and the Corresponding Explanations

in Teaching of Discovery of Electromagnetic Waves

Guo Weiqiang

(Affiliated Middle School of Henan Normal University, Xinxiang, Henan453000)

Abstract:In the high school physics class teaching section of “discovery of electromagnetic waves”, the Students will ask questions about the “electric field intensity vector and magnetic induction intensity vector synchronous change” in the process of plane electromagnetic wave propagation. In this paper, the author analyses the cause of the error, and gives a detailed explanation.

Key words: electromagnetic wave; electric field intensity; magnetic induction intensity; phase