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电磁感应教学设计

教学

流程

教学过程设计

电磁也应现象

本%内容足电船学的快心内容Z.在性个岛中物理中占有相%。

要的地位.它揭求了嫌和电的内在联札教材先anr解r法拘弟发现电破也应现欢的眼难历阳后通过实淼探究的方法闩纳出了“磴生电”的垸律.在教材中起到了承询启后的作用.足学生今后学习法按第电磴盛戍定忡,捞次定冲和女变电流产牛•的

学牛己知道电流的mw.—奥斯特实驶.掌押r磁场的禁本知识.卯解r磁通祖的幔念.粉中时也已经学习r闭合电路的部分导体做切削猊蛾线遥动产生蛤应电流的知识.n然会激发起他们继续探究壤成电流产生的条件的兴鲤和热情.iftjti同学们u前己经“•定的电学实轸裸件机岫和定的探究.分析与归纳的能力.对木n课设计探究实脸经教的指亍和小组合作.应该能够顺利完成,

念,激发学生的学习兴趣

成察实我

现象•问答甸映

御读教材内礼思号提纲中

的轲题

通过演示奥斯特实裁说明“电能生《r.接杵提出w能否牛电■的HM.从血臼然地喘入法拘隽发现电破感戍现段的

I,了尊法拉第探究发现电磁感应的眼帝历札

2,通过法拉第深入的研究历程培岸学生不怕W4.勇]探索的藉神。

3,il学生从中体会到科学不便浅会"只,不畏匙辛.姑于肇(E力求it取的人•才能快待Jft后的胜利.以培养学生热处科学、尊柬科学.为科学而执斤地来的轿神•

<1)进行新课

K法特第发现电破蛾魔的敏度历件

卜而避同学们芥-个实胶.介绍仪器・

【演〃q】演示奥斯特尖抢

捉何:

小破针为什么动了?

(学生答:

也浪的周闱产生了磁场)是隹发现的?

(丹麦物州学家舆斯特)

这个发现寇动「彼个科学界.不少科学家M在堪好个问题.化学生猫猜科学家思号什么何题.(告诉/让当时的科学界疵对林性取号问题的发法)(学生札破倦伊I电?

>

时的法拉第和你们想的•样•并n用了2年的时间研究这个何趣・斌终摘符了电破整w的桂;寸。

卜血我们来r解法技弟左戍电嫉整应的过羿.

指亍学生根据阅读掘纲n1:

阅读教材7T页的内容(课件梭示提纲)

1法拉第为什么近十年的时间没仃取持大的哭破?

—思维定势路漫k

2法拘第最终如何伏佃了夹破?

发现r什么?

—偶然发现犹媒禁,深入探究冷直谛

3体会法拉弟研究何题所表现出来的探室粘神.

仰生共同分析*通过阅该.我们可以将认拉第的研究思路概掂为四方面X

一足在神态中研究.但由于足雄定分的限制.致使近十年的时间没仃取得大的突破.(展示电路图)

:

是轩变堪址万式.既然伸态不行.就在变化中探兄:

偶然发现犹迷茫.洋入探究何氏谛・最终通过大届的实驶发现了磁傩饬产了电•(展示电路图)

个此.经过十年的努力,法拉笫终「找到了“磴■,生电“的金切匙•并总结r嶂隗够产生旭的现彖的i6iw:

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变化的电流.变化的磁场,运动的磁佚,在磁场中运动的导体.

法拉弟把这神山蛾曾到电的现欢叫做电破聘应现象企电磁.$应现象中产牛的电流叫做感应电流

卜向我们诚沿右沽打第的您路诅步来席宛墙成电渔产生的条件.

2.探究增阿电派产生的条件

(D指导学生沿杵法拉第的思既利用老师提供的实a»H设计实教并完成探究感应电流产生的条件.

1学生分组实验

学牛根枫教材要求完成实较.并完成实臆讪求中。

教帅巡袒街导,发现个则问地个刑解决.共性何欢全班解决.

2成果展示(利用电rn板的护;功能辅助教学,u:

学生场写实睑结果)

3引导分析.IH纳假结

知道破能产生电的儿韩情况・知道什么是电磁蛾成说象

完或实轸探究过程并坟与实验讪象单

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培养实事求是的料学态座和刃「薪决困部的优rm成.培芥口好的实验习憬

北学生发表自L1的探究成果,体臆成功的弁悦

止学生经历从现望到本质的思维过程.认识到所有能产生感应电渝的条件在本质上炬相同的

 

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(闭合回路)

缸这三个戏验表望&书*1同・10部倦产牛修度电就.他们在本质上地&存共同的特点?

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M州结论

不迎M么疗式.只集辱过闭金电JUBM通缺旋牛变化.闭仔电蹄中毓召摇堰电流产土

(2J惑成电流产生的条件〔暝件展示.并强调两个篆件)

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VBVV

应也流.

3,海旧呼应,学以数用

T底式T电筒的电AMW里.来的?

让学生利用所学的加谀菌疗岬群.

(UJ£愤曜习■MW苗知t课件展小)

(IB)课学小册

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(五)g活浏*拓展应用

(1同学们郁肮过眺绳比修观的1肉线代泠炖蝇,FflE导检的两宿按到演欢电表,在情煽过程中"龛有什么黑簟?

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(讷商名孚牛AI忙展常)

(A)布置作业

看实脸电路图片思考M答£州提出的问通

讽记理*脚应电流产生的条ft-心统一不仰.

网答何鹿

完戚^习

聆断老弥的总加回忆本。

课扣识我制的过W和b法

现象推思号轲题

蔺Vi呼底,用学近的知M岬决生活中的判慝■既阻闷f防/U!

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血教学中来用引导和济网和靖件俯形式・止学生尊61暮地攀与到课赏活动中来,通此nR探完、合作的学口方式,以援究父验为H爆,靖含演示安肇,设置合透的何庖教学,事若般仲深件,电「自阪辅讷教学,最阮以游艰弱动拓展教学.提商学‘1的动「脸hW分所能/J*埔*学1物呼实贤的探#能力・

附:

实验记录单

附:

法拉第发现磁生电的过程

英国的法拉第(M.Faraday公元1791—1867)是十九世纪电磁研究领域中最伟大的实验家。

法拉第是一个铁匠的儿子。

按他自己的话说:

我所受的教育是最平常的,比在

普通的学校中基本的读、写、算多不了多少,我课外的时间还消耗在家里和街道上。

”他13岁开始,在离家不远的书店和装订厂当童工,成为一名装订学徒工。

法拉第十分喜爱阅读经他手的科学书籍。

工余之后,法拉第还做些简单的化学实验,每周花上几个便士买些简单用品。

19岁时,他在晚上还常抽空夫听关丁自

然哲学的讲座,法拉第的哥哥对他很支持,为他支付入场费用。

21岁时,法拉

第幸运地听了化学大师戴维(H.Davy,公元1778—1829)在皇家研究院的四次演讲。

这时。

法拉第已经成为工厂的正式装订工,但法拉第渴望到科学研究部门里工作。

在他想象中,科学部门里的学者一定是和蔼可亲心胸宽广的人。

这个想法促使法拉第迈出了人生道路上关键的一步。

他大胆地给戴维写了封信,表示了自己想到戴维门下工作的意愿,并将听戴维的演讲所作的工整的笔记也寄了去。

戴维收到法拉第的信和笔记本后,受到感动,给法拉第复信,接受了他的清

求。

1813年,法拉第22岁,在英国皇家研究院当了戴维的助手。

那年秋天,戴维外出旅行,法拉第作为戴维夫妇的秘书随同前往。

他们游历了法国、意大利、瑞士等国,1815年法拉第回到皇家研究皖。

这次长达两年的旅游经历,使法拉第长了不少见识。

回国后,法拉第开始了自己的独创性的研究工作。

1821年,

30岁的法拉第才结婚。

这期间,法拉第已经在化学、光学和声学诸方面取得了很多研究成果,大多数科学家决定推举他为皇家学会会员,而妒忌心却使学会主席戴维反对他的学生当选,然而主席职位的权威未能压住法拉第,1824年法拉第

被选为皇家学会会员。

法拉第并不计较恩师的忌妒心,他总是怀着敬慕的心情称颂戴维的天才,讲到在他早期的科学生涯中,恩师对他的启迪和教诲。

1825

年,法拉第任皇家研究院院长。

19世纪二十年代,欧洲的科学杂志已有不少,奥斯特的发现及其它有关电的磁方面的实验及理论研究成果传播到了欧洲各国。

面对他国的科学成就,英国著名杂志《哲学年鉴》的主编不甘落后,丁1821年特意邀请化学家戴维撰写文章,综述奥斯特发现以来一年中电磁学实验与理论的进展概况。

戴维把此事交给了法拉第。

在收集资料的过程中,激起法拉第对电磁现象要进行研究的极大热情,这样,法拉第就从其它研究课题逐渐转向电磁学方面。

1821年9月3日,法拉第重复了奥斯特的实验,他将小磁针放在栽流导线周围的不同地方,发现小磁针的磁极受到电流作用后,有沿着环绕导线圆周旋转的倾向,这比奥斯特的实验前进了一步。

据此法拉第还做出了一种磁旋转器。

法拉第仔细分析了电流产生磁效应的许多现象,他认为电流与磁的作用应有几个方面,那就是电流对磁,电流对电流,磁对电流等。

在他之前,已经发现了电流产生磁的作用,电流对电流的作用。

那么反过来,磁对电流有什么作用呢?

法拉

第认为既然磁铁可以使近旁的铁块带磁,静电荷可使近旁的导体感应出电荷,那么电流也应当可以在近旁线圈中感应出电流。

1822年法拉第在日记中写下了他

的光辉思想:

磁能转化成电。

”从这一年起,法拉第对此进行了系统的探索。

开始,他简单地认为用强磁铁靠近导线,导线中就会产生稳定的电流,或者在一根导线里通上电流,在附近的导线中也会产生稳定的电流。

按照这条思路,他进行了下述实验。

1825年,法拉第将一根导线放在另一根导线附近,前一根导线用一个电流计连接起来成为一个闭合回路,后面一个导线中通电流,观测闭合回路,结果没有任何电流显示。

1828年,法拉第做了另一个实验。

用悬:

丝将绝缘棒中部拴住,使绝缘棒水平■无扭转地悬挂着,棒的一端固定了一个铜质闭合线圈,另一端固定一个小的重物配重,用一块条形强磁铁的一极放入线圈内。

法拉第认为,如果磁铁对线圈有作用,产生感应电流,这时若再将第二块磁铁靠近线圈,则线圈便会在水平■面内转动。

但任何转动也未观察到。

法拉第乂用铜质开环(铜环开个小口),乂换钳、银材料做的闭环和开环重复做这一实验,仍然没有观察到感生电流的任何迹象。

法拉第做了近十年的磁生电”实验。

在工作日记中写下了大量的毫无结果的失败记录,厚厚的日记册正是法拉第白折不回、坚持奋斗的见证。

他的日记,也记载了科学预见的光辉思想。

法拉第坚持写工作日记几十年,直到生命的终结,这在科学史上,也是少见的。

1831年8月,法拉第再一次回到磁生电”这一重大课题上来。

他以往的失败,都在丁只研究稳定状态效应,思想上还没有暂态(持续时间很短)效应的概念,更没有去创造条件展现暂态效应。

这次法拉第在一只软铁环上绕以两组线圈A、

B,线圈B与一电流计连接,当线圈A与电池组(由10只电池组成)相连的瞬间,电流计的指针偏转了一下,然后乂回到原来位置。

当线圈A与电池组断开

时,指针乂偏转了一下再回到原来指零位置。

法拉第并没有立刻领悟到达一现象的重要意义,只是开始意识到这是一种暂态效应。

同年9月24日,法拉第将两根条形磁铁支成三角形,即一端的N极和S极拼在

一起成三角形顶用,下端S极和N极分开,其间安放绕在铁质因往体上的螺旋线圈,线圈与电流计相连。

他观察到,每当线圈跟下端的N极或S极接触一下,或

脱离一下,电流计指针就偏转一下。

这时法拉第觉察到,这效应和他8月份做的

实验所显示的效应相似,他立即想到这就是寻找了将近十年的磁生电”现象。

10月1日,法拉第满怀信心地再次实验。

为使效应更加明显,他加大电流,加多绕组线圈。

法拉策把长约186米用纱布包起来的铜导线绕在很宽的木线筒上,再丁绕组线圈上绝缘地绕上同样长度的纱包铜线,将一个绕组和电流计连接,另一个绕组和100对金届极组成的电池组连接。

他发现,当电键K接通和断开与电池的连接时,和另一绕组相连的电流计的指针明显摆动。

法拉第还观察到,接通和断开电键K,电流计指针是作相反的摆动,但最后都回到原来指零位置。

至此,法拉第对磁产生电流的现象已确信无疑。

10月7日,法拉第采用另一种方式进行实验:

直接让磁棒运动看能不能产生电流。

仍然将一线圈与电流计相连,手持一永久磁棒迅速插入或抽出线圈,他发现电流计指针在插入或抽出的瞬间发生偏转,然后回到原来指零位置。

接着,法拉第做了几十个类似的实验,他最终认识了感生电流的暂态性质。

1831年11月24日,法拉第向英国皇家学会报告了电磁感应的第一篇具有划时代意义的论文。

论文中明确地阐述了他解决电磁感应问题的关键,概括了均能产生感应电流的几种情况:

正在变化的电流;正在变化的磁场;稳恒电流的运动;导体在磁场中运动。

他将上述现象命名为电磁感应”至此,法拉第作出了科学史上的伟大贡献一揭示电磁感应规律。

电磁感应规律的揭示,也说明英国在电磁学研究领域里赶上和超过了法国。

自牛顿以来,英国对自然科学的基本规律和基础理论的研究一直是很重视的,有成就的科学家受到社会的普遍尊敬并享有较高的社会地位。

因此,并末在学校受过系统教育的法拉第能在英国取得如此卓著的成就,还是符合情理的事情。

当然,在磁生电”方面进行探索的,并不是只有法拉第一个人。

在俄国、法国、瑞士、美国都有人做过这方面的工作。

上一部分提到,对奥斯特实验反应最快的

是法国的安培。

他在十九世纪二十年代做了许多实验,也曾朦胧地意识到磁会产生电的效应,但对此安培的信心并不是十分坚定的。

他的精力集中在磁性起源的分子电流说,以及他多年从事的试图建立一个全面的电动力学理论上。

尽管安培对电磁学做出了许多贡献,但在磁生电”方面,他一直因丁稳态现象,没有考虑暂态效应。

和法拉第的早期工作一样,这些实验均未成功。

安培探索磁生电”的一个有代表性的实验是:

1821年,他用末扭转的悬:

丝,把一个闭合铜质圆线圈挂起来,并使它位丁另一个稍大的钢质多匝绝缘圆线圈的内部梢大的圆线圈固定在一个绝缘支架上。

安培让两线圈处丁同一竖直平面内。

固定线圈通以大电流,安培认为悬挂的线圈自然就会产生某种较弱的电流。

这样,悬挂线圈就相当丁一块磁铁(奥斯特的电流产生磁的效应),只要用另外一块强磁铁靠近它,悬挂线圈就会产生转动,但是安培得到的是否定结果,他把实验的失败归之丁实验装置的灵敏度不高,却没有从暂态效应方面去考虑。

前面说到的1828年法拉第的实验工作,实际上就是重复了安培作的这个代表性实验。

仅在奥斯特宣布他的实验发现之后的三个月,法国物理学家菲涅耳就向法国科学院报告过,他将磁铁放入螺旋线圈内,使线圈中产生的电流把水分解了,他宣称已成功地将磁转化为电,但经别人重复实验后,菲涅耳的结果并不真实。

但菲涅耳的实验思想,曾使安培、科拉顿等人受到很大启发。

1822年初,年轻的瑞士物理学家德拉里夫(A.delaR—ive,公元1801—1873)也曾利用日内瓦的强大得多的磁铁,帮助特地从法国去日内瓦的安培,重复进行了1821年安培在法国做的磁生电”实验。

关丁这次合作进行的实验,安培在1822年下半年曾写过一份报告给法国科学院。

安培在报告中宣称,似乎观察到磁生电”:

当固定线圈中有电流通过时,悬挂线圈中就有感应电流,大磁铁对悬:

挂线圈的作用力使悬:

挂线圈偏转,最后这作用力被悬丝的扭力所平衡。

当固定线圈中的电流断开后,达一扭力使悬挂线圈回到它的原始位置。

按照这种解释,磁生电”是在稳定状态下产生并一直存在着的,这显然是不可能的,即便安培在日内瓦的实验中观察到悬挂线圈曾有过偏转产生,但他并没有抓住暂态”这一关健,真理从他手中溜走了。

有趣的是,德拉里夫的助手科拉顿(J.D.Colladon,公元1802—1893)几乎就要得到真理,遗憾的是差了一点而未能得到。

科拉顿对早先菲涅耳的实验很感兴趣,企图把一块磁铁放入螺旋线圈中,在运动中使线圈产生感生电流。

科拉顿和菲涅耳不同,不是用分解水的方法观测电流(这是观测不到的),而是正确的用了一只灵敏电流计。

为了排除移动磁铁时操作动作对电流计产生不相干的影响,科拉顿将这只电流计放到了另一间实验室里,用长导线将电流计和螺旋线圈连接起来。

可惜的是,没有别人帮助,科拉顿独自一个人从这间房跑到那间房去观察电流计偏转,当然他得不到任何结果。

因为移动磁铁时电流计指针摆动他没有看到,等到他走近电流计时,暂态效应已经消失,指针早已回到了指零位置。

美国物理学家亨利(J.Henry,公元1797—1878),在不知道安培和法拉第等人的工作的情况下,对电磁感应现象做出了独自的贡献。

1827年他用纱包铜线

在一铁芯上绕了两层,然后在铜线中通电,发现仅重3公斤的铁芯竟然吸起了

300公斤重的物体,亨利以此为开端终丁发现了自感现象。

亨利把实验结果总结在《螺旋状长导线内的电气自感》一文中。

后人为了纪念亨利,以他的名字定义了自感单位。

据说,亨利甚至在法拉第前发现了电磁感应规律,但他并没有公开发表这个结果。

1832年,在俄国工作的物理学家楞茨(H.F.E.Lenz,公元1804—1865),知道了法拉第研究磁生电”取得了成功,很受鼓舞,也开始进行一系列电磁实验。

1833年楞茨把他的工作总结在《论动电感应引起的电流的方向》一文中。

文中指出感应电流的方向是这样确定的:

它所产生的磁场方向与引起感应的原磁场的变化方向相反。

这是充实、完善电磁感应所做的一大贡献。

这就是后人称为的楞茨定律。

楞茨还和焦耳各自独立地对确定电流热效应的规律作出了贡献,这就是有名的焦耳一楞茨定律;流过稳定电流的导体所放出的热量,与电流强度的平方、导体的电阻、通电时间这三项乘积成正比。

以上事实说明,揭示重大物理现象的规律,不能看作是个别天才的灵感”所获,

而是人类认识发展的历史产物,是人类社会生产力和科学研究水平发展到一定阶段的必然结果。

当然,杰出的科学家所起的带头和关键的作用,也是不能忽视的。

拿电磁感应规律来说,在法拉第工作的前后或同时,都有不少科学工作者作了大量的研究,也取得了不少成果。

但就其规模、持续时间、对现象本质的认识及听取得的成果而言,部不及法拉第。

从法拉第同代人安培的态度变化,也能说明这个问题。

1831年底,当安培获悉法拉第的成果但尚未详细了解成果的细节内容时,他就急切地、不慎重地发表了一篇论文,企

图用他的所谓电磁感应”来解释他在1821年一一1822年的实验。

安培的言下之意,在法拉第之前,他已经早就认识了电磁感应。

其实,他的这篇急切之作并不比1822年写给法国科学院的报告有丝毫进步,照旧没有把握住感生电流是瞬态

效应”这个现象的本质。

一时间,在两人长期友好的交往中产生了指责和误会。

当激动平■静下来,安培从头至尾认真研究了法拉第成果的细节内容,这才恍然大倍。

他随即写信给法拉第,承认自己并没有发现电磁感应,以及失败的本质原因;电磁感应是瞬态效应。

由丁电磁感应规律的发现,后来人们就制造出发电机。

电动机、变压器等电机电器设备,使交流电的利用变为现实,逐渐开创了人类社会的电气化时代。

不论是当时还是后人,把发现电磁感应定律的主要功绩归功丁法拉第,这是完全符合历史事实的。

更为重要的是,法拉第比别人具有更深邃的物理直觉洞察力。

他提出了场”的概念,从本质上把电磁学的研究推进了一大步,为建立系统、完整的电磁场理论打开了大门。

万有引力、静电作用力都遵从距离的反比平方关系,从牛顿开始就认为引力作用是瞬时作用,不需要什么媒介来传递,达就是超距作用的观点。

这种观点在电学和磁学的研究中乂得到了进一步的强化,象富兰克林、库仑、安培这样有名的科学家对此都深信不疑。

奥斯特关丁电流的磁效应具有横向性质的发现,是对力的旧概念一力在沿着两个相互作用物体的连线上一的一次强有力的冲击,更有其者,法拉第具有不同寻常的想象力,为了对电、磁现象作出正确的物理解释,他提出了一种全新的概念和物理图象,这就是场”的概念和力线图象。

场”概念的提出,是物理观念上的一次划时代的飞跃,极大丰富了人类对客观世界运动规律以及物质形态多样性的认识。

法拉第反对超距作用的概念,认为物质之间的电力、磁力是需要有媒介传递的近距作用力。

法拉第在大量的相互作用的实验中发现:

电作用力与带电体之间或电流之间的电介质有关;磁作用也一样,磁作用与作用体之间的磁介质有关。

磁介质不同,磁作用力也不同。

丁是法拉第设想,带电体、磁体或电流周围空间存在一种由电或磁产生的物质、它无所不在,是象以太那样的连续介质,起到传递电力、磁力的媒介作用。

法拉第把它们称为电场、磁场。

电作用或磁作用正是通过电场或磁场来传递的。

法拉第类比丁流体力学,提出场是力的线或力的管子所组成的,正是这些力线、力管把不同的电荷、磁体或电流连接在一起。

他用一张撒上了铁粉的纸,下面用磁棒轻轻颔动,这些铁粉就活楚地呈现出磁场的力线。

法拉第认为这些力线、力管具有实在的物理意义。

丁是他用电力线和磁力线的几何图形条形象的表示电场和磁场的状态。

力线上任一点的切线方向就是场强的方向,力线密的地方,场强就强;力线疏的地方,场强就弱。

场源不变时,力线图不变;场源运动或变化时,力线图也发生变化。

法拉第用力线的概念成功地描述了电磁感应定律。

1851年他在《论磁力线》一文中,对此作了全面的总结。

针对当时传统的质点概念以及质点的超距瞬时作用观念,法拉第的场”概念和力线

模型是一个重大突破,对物理学的发展产生了深远影响。

如今人类已经认识到

场”是一种重要的物质形态,追根溯源,这应当首先归功丁法拉第。

还是一件历

史事实说明法拉第具有深邃的科学洞察力。

1832年他写了一封信,密封好后交

给英国皇家学会。

信封上写着:

现在应当收藏在皇家学会的档案馆里的一些新

观点。

”这封信在皇家学会的档案馆躺了一白多年真可谓是长期保存,直到1938

年才为后人重新发现,启了封。

法拉第在这封信里写道:

磁作用的传播需要时

问,即当一个磁铁作用丁另一个远处的磁铁或者一块铁时,产生作用的原因(我以为可以称之为磁)是逐渐地从磁体传播开去的,这种传播需要一定的时间,而这个时间显然是非常短的。

我还认为;电感应也是这样传播的。

我以为,磁力从磁极出发的传播类似丁起波纹的水面的振动或者空气粒子的声振动。

也就是说我打算把振动理论应用丁磁现象,就象对声作的那样,而且这也是光现象最可能的解释。

类比之下,我认为也可以把振动理论运用丁电感应。

......迈法拉第1832年3月12日丁伦敦皇家学会。

显然,法拉第在这封信中第一次预吉■了磁和电的感应传播,暗示了电磁波存在的

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