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13.4-13.5 电磁波的发现及应用 能量量子化
第十三章 电磁感应与电磁波初步
奥斯特实验：揭示了电流的磁效应，证实了电与磁是有联系的!前所未有地拓宽了物理学研究的视野；激发了科学家们的探索热情，引发了对称性的思考：电能生磁，磁能生电吗？
划时代的发现
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这些都是电磁波！
电磁波是如何产生的呢？
新课引入
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英国物理学家麦克斯韦系统地总结了库仑、安培、奥斯特、法拉第等前人的一系列发现和实验成果，建立了第一个完整的电磁理论体系，不仅科学地预言了电磁波的存在，而且揭示了光、电、磁现象的本质的统一性，完成了物理学的又一次大综合。这一理论自然科学的成果，奠定了现代的电力工业、电子工业和无线电工业的基础。
麦克斯韦
（J.C.Maxwell,1831—1879)
英国物理学家。
电磁场
1
装置如图所示，当穿过螺线管的磁场随时间变化时，上面的线圈中产生感应电动势，引起感应电流使灯泡发光。
麦克斯韦认为变化的磁场在线圈中产生电场，正是这种电场在线圈中驱使自由电子做定向的移动，引起了感应电流。
线圈不存在时，变化的磁场同样在周围空间产生电场，即这是一种普遍存在的现象，跟闭合电路是否存在无关。
1、变化的磁场产生电场
电磁场
1
麦克斯韦经过反复思考提出假设：变化的电场也相当于一种电流，也在空间产生磁场，即变化的电场在空间产生磁场。
既然变化的磁场能够在空间产生电场，那么，变化的电场能不能够在空间产生磁场？
2、变化的电场产生磁场
变化的电场和变化的磁场总是相互联系的，它们形成一个不可分离的统一场，这就是电磁场。
电磁场
1
麦克斯韦根据自己的理论进一步预言，如果在空间某域中有周期性变化的电场，那么，这个变化的电场就在它周围空间产生周期性变化的磁场，这个变化的磁场又在它周围空间产生新的周期性变化的电场……。可见，变化的电场和变化的磁场是相互联系的，形成一个不可分离的统一体，这就是电磁场。
B
B
E
E
E
E
电磁波
2
变化的电场和变化的磁场交替产生，由近及远地传播。这种变化的电磁场在空间以一定的速度传播的过程叫做电磁波。
电磁波的特性：
a、不需要传播介质，可以在真空中传播。
b、传播速度等于光速。
c、光是一种电磁波。
B
B
E
E
E
E
电磁波
2
麦克斯韦英年早逝，没有见到科学实验对电磁场理论的证明。把天才的预言变成世人公认的真理，这是赫兹的功劳。
现象：当感应圈两个金属球间有火花跳过时，立刻产生一个交变电磁场，形成电磁波在空间传播，经过导线环时激发出感应电动势，使得导线环中也产生了火花。
电磁波
2
在一系列水波中，凸起的最高处叫作波峰，凹下的最低处叫作波谷。两个相邻的波峰（或波谷）之间的距离等于波长。在1s 内有多少次波峰（或波谷）通过，波的频率就是多少。用来描述波传播快慢的物理量叫作波速。
波长、周期（频率）和波速的关系
v=λT或v=λf
?
电磁波
2
1、电磁波谱：按电磁波的波长或频率大小的顺序把它们排列成谱，叫电磁波谱。
2、由无线电波、红外线、可见光、紫外线、伦琴射线、γ射线合起来构成范围非常广阔的电磁波谱。
电磁波谱
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电磁波有能量。电磁波是一种物质存在的形式。
例：微波炉，食物增加的能量是微波给的。
电磁波的能量
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电磁波与我们的生活
电视台通过电磁波，将精彩的电视节目展现给我们。
电磁波通信
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移动通信设备极大的方便了我们的联系。每部移动电话都是一个无线电台，将用户的声音转变成高频电信号发射到空中，同时它又相当于一台收音机，捕捉空中的电磁波，使用户接收到对方送来的信息。
移动通信基站
电磁波通信
5
观察铁钉的颜色变化，思考产生这种现象的原因？
热辐射
6
固体或液体在任何温度下都在辐射各种波长的电磁波，这种由于物体中的分子、原子受到激发而发射电磁波的现象称为热辐射。所辐射电磁波的特征与温度有关。
铁块从发热到发光的颜色变化
无论是高温物体还是低温物体，都有热辐射，所辐射的能量及波长的分布都随温度而变化。
热辐射
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常温铁黑灰
除了热辐射之外，物体表面还会吸收和反射外界射来的电磁波。常温下我们看到的物体的颜色就是反射光所致。一些物体在光线照射下看起来比较黑，那是因为它吸收电磁波的能力较强，而反射电磁波的能力较弱。
黑体：物体表面能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射。
高温铁黄白
热辐射
6
为了对黑体辐射实验规律做出解释，德国物理学家普朗克不得不承认：微观世界的某些规律，在我们宏观世界看来可能非常奇怪。
1.定义：普朗克认为，振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量值ε的整数倍。例如，可能是ε或2ε、3ε…当带电微粒辐射或吸收能量时，也是以这个最小能量值为单位一份一份地辐射或吸收的。这个不可再分的最小能量值ε叫做能量子。
M.Planck 德国人 1858－1947
2.能量子大小：对于频率为ν的能量子，
它的大小：ε=hν h=6.626?10-34J/s——普朗克常量
能量子
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宏观世界中：宏观物体的能量可以是任意值，可以连续变化。
例如：自由落体运动，物体的动能连续增加；重力势能连续减少。
微观世界中：微观粒子的能量只能是一个一个的特定值，不能连续变化。
例如：物体的带电量，电子绕原子核运动的轨道半径。
能量
量子
经典
4.光子说：爱因斯坦从普朗克的能量子说中得到了启发，把能量子假设进行了推广，他提出：光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的，频率为v的光的能量子为hν。这些能量子后来被称为光子。
3.能量的量子化：只能取一系列分立值，不能连续变化.
能量子
7
1.能级：微观世界中能量取分立值的观念也适用于原子系统，原子的能量是量子化的。这些量子化的能量值叫作能级。
2.能级跃迁：通常情况下，原子处于能量最低的状态，这是最稳定的。气体放电管中的原子受到高速运动的电子的撞击，有可能跃迁到较高的能量状态。这些状态的原子是不稳定的，会自发地向能量较低的能级跃迁，放出光子。原子从高能态向低能态跃迁时放出的光子的能量，等于前后两个能级之差。
能级
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原子处于一系列不连续的能量状态中，原子从较高能级跃迁到较低能级时辐射的光子能量等于前后两个能级之差。由于原子能级是分立的，能极差也是分立的。辐射的光子的能量也是分立的。并且有确定的频率，所以原子光谱只有一些分立的亮线。
氦原子光谱
能级
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