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4.2电磁场与电磁波
麦克斯韦
赫兹
人教版（2019）物理选择性必修第二册 第四章
电磁振荡与电磁波
情境导入
北斗导航是依靠电磁波信号
北斗导航是怎样来进行导航的？
电磁振荡电路中的能量有一部分要以电磁波的形式辐射到周围空间中去，那么，这些电磁波是怎样产生的？
问题？
法拉第对电磁感应的解释
麦克斯韦对电磁感应的解释
变化的磁通量
闭合回路
感应电流
变化的磁场
涡旋电场
闭合回路
感应电流
1.麦克斯韦的电磁场理论
一、电磁场
电磁场理论的核心之一
变化的磁场产生电场
麦克斯韦认为变化的磁场产生电场，是一种普遍存在的现象，跟闭合电路是否存在无关，导体环只是用来显示电流的存在
注意：这种电场的电场线是闭合的（涡旋电场）
1.麦克斯韦的电磁场理论
一、电磁场
麦克斯韦
磁场
变化
电场
麦克斯韦假设：变化的电场就像导线中的电流一样，会在空间产生磁场。
麦克斯韦确信自然规律的统一性与和谐性，相信电场和磁场的对称美（洞察力）
？
磁场
变化
电场
1.麦克斯韦的电磁场理论
一、电磁场
变化的电场产生磁场
电磁场理论的核心之二
根据麦克斯韦理论，
在给电容器充电的时候，不仅导体中的电流要产生磁场
而且在电容器两极板间变化着的电场周围也要产生磁场
1.麦克斯韦的电磁场理论
一、电磁场
变化的电场产生磁场
电磁场理论的核心之二
规律
恒定的电场不产生磁场
均匀变化的电场产生恒定的磁场
周期性变化的电场产生同周期的磁场
麦克斯韦
1.麦克斯韦的电磁场理论
一、电磁场
进一步推断（预言）
① 空间可能存在变化的“电磁场”
麦克斯韦
1.麦克斯韦的电磁场理论
一、电磁场
进一步推断（预言）
② 变化的电磁场向外传播，就形成了电磁波
变化的电场和变化的磁场交替产生，由近及远地向周围传播。
一个伟大的预言诞生了——空间可能存在电磁波。
麦克斯韦
1.麦克斯韦的电磁场理论
一、电磁场
麦克斯韦
2.麦克斯韦电磁场理论的建立
变化的磁场产生电场 这是一个普遍规律，跟闭合电路是否存在无关。变化的电场产生磁场 电场就像运动的电荷，也会在空间产生磁场。
一、电磁场
电磁波的发现过程
“磁生电”
赫兹检测到了电磁波，测出电磁波波速等于光速。
麦克斯韦猜想与假设：
1 . 变化的磁场产生电场
“电生磁”
2 . 变化的电场产生磁场
麦克斯韦
预言了电磁波的存在
预言光是一种电磁波
一、电磁场
一、电磁场
思考与讨论
如果一个变化的电场会产生一个变化的磁场，那么下面还要发生什么现象呢？
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。
B
B
E
E
E
E
1、电磁场：
二、电磁波
变化的电场和磁场交替产生，由近及远地向周围传播，形成电磁波。
变化
的电场
变化
的磁场
变化
的电场
新的
电场和磁场
二、电磁波
恒定的电场不产生磁场 恒定的磁场不产生电场
均匀变化的电场在周围空间产生恒定的磁场 均匀变化的磁场在周围空间产生恒定的电场
不均匀变化的电场在周围空间产生变化的磁场 不均匀变化的磁场在周围空间产生变化的电场
振荡电场产生同频率的振荡磁场 振荡磁场产生同频率的振荡电场
1、对麦克斯韦电磁理论的理解
二、电磁波
非均匀变
化的磁场
变化电场
若是均匀变化
稳定磁场
不再激发
若非均匀变化
变化磁场
若是均匀变化
稳定电场
若非均匀变化
2、电磁波形成示意图：
激发
激发
激发
激发
二、电磁波
3、电磁波的特点：
（1）电磁波中的电场和磁场互相垂直，电磁波在与二者均垂直的方向传播，所以电磁波是横波。
波速：v=λ/T=λf
E⊥B ⊥V
二、电磁波
4、电磁波的特点：
（3）电磁波的频率由振源决定，同一电磁波在不同介质中传播，v和λ变化，v介（2）电磁波可以在真空中传播速度等于光速
c=3×10 8m/s
（5）电磁波具有波的共性，能发生反射、折射、干涉、衍射、多普勒效应和偏振现象。
（6）电磁波有能量。
（4）不同电磁波在同一介质中传播，速度不同，f越高，v越小；f越低，v越大
一、电磁波
变化的电场与变化的磁场交替产生，由近及远地向周围传播，形成电磁波。
机械波的传播需要介质
电磁波靠电和磁的相互"感应"传播，而不是靠介质的机械传递。
1．机械波与电磁波的共性
机械波与电磁波是本质上不同的两种波，但它们有共同的性质：
(1)都具有波的特性，能发生反射、折射、干涉和衍射等物理现象；
(2)都满足v＝λ/T＝λf；
(3)波从一种介质传播到另一种介质，频率都不变。
三、电磁波与机械波的比较
对比内容 电磁波 机械波
本质 电磁现象 力学现象
产生机理 由电磁振荡产生 由机械振动产生
周期性变化的量 场强E与磁感应强度B随时间和空间作周期性变化 质点的位移x、加速度a随时间和空间作周期性变化
波的性质 横波 既有横波，又有纵波
传播介质 不需要介质，可在真空中传播 只在弹性介质中传播
速度特点 由介质和频率决定 仅由介质决定
三、电磁波与机械波的比较
四、赫兹的电火花
麦克斯韦
预言光是电磁波
光是按电磁波规律传播的一种电磁振荡——光是一种电磁波。
二、电磁波与机械波的比较
赫兹
电火花
传播
火花
当与感应圈相连的两个金属球间产生电火花时，周围空间出现了迅速变化的电磁场。这种变化的电磁场以电磁波的形式在空间传播。当电磁波到达导线环时，它在导线环中激发出感应电动势，使得导线环的空隙中也产生了火花，说明这个导线环接收到了电磁波。
四、赫兹的电火花
1.赫兹用实验证实电磁波的存在
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。
四、赫兹的电火花
微弱的电火花闪烁着麦克斯韦理论的光辉，赫兹向全世界宣告：电磁波发现了。
四、赫兹的电火花
赫兹
电火花
传播
火花
当与感应圈相连的两个金属球间产生电火花时，周围空间出现了迅速变化的电磁场。这种变化的电磁场以电磁波的形式在空间传播。当电磁波到达导线环时，它在导线环中激发出感应电动势，使得导线环的空隙中也产生了火花，说明这个导线环接收到了电磁波。
四、赫兹的电火花
2.赫兹捕捉电磁波
四、赫兹的电火花
3.赫兹的成果
①电磁波的反射、折射、干涉、偏振和衍射等现象。
②测得电磁波在真空中的速度等于光速c，证明了光是一种电磁波。
③物质存在两种形式，一种是由原子和分子构成的实物，另一种则是以电磁场为代表的场。
五、生活中电磁波的产生
核 弹 爆 炸
X射线照射下的鱼
X射线照射下的手
麦克斯韦
科学漫步
麦克斯韦电磁场理论的建立
变化的磁场产生电场 这是一个普遍规律，跟闭合电路是否存在无关。变化的电场产生磁场 电场就像运动的电荷，也会在空间产生磁场。
1、关于电磁波的特点,下列说法中不正确的是(　　)
A.电磁波中电场和磁场互相垂直,电磁波沿二者垂直的方向传播
B.电磁波是横波
C.电磁波传播不需要介质
D.电磁波不具有干涉和衍射现象
课堂练习
D
反馈训练
2、(多选)关于电磁场和电磁波，下列说法正确的是（　　）
A．电磁波是横波
B．电磁波是纵波
C．电磁波的传播需要介质
D．电磁波能产生干涉和衍射现象
AD
3、1820年奥斯特发现了电流的磁效应，1831年法拉第提出了电磁感应现象从而引发人们对电磁场理论与电磁波存在的预言和实践研究。最先提出电磁场理论并预言电磁波存在，以及用电火花实验证实电磁波存在的物理学家分别是（　）
A．安培和亨利 B．奥斯特和法拉第
C．麦克斯韦和科拉顿 D．麦克斯韦和赫兹
D
4、(多选)关于电磁波与声波相比较,下列说法正确的是(　　)
A.电磁波的传播不需要介质,声波的传播需要介质
B.由空气进入玻璃时,电磁波速度变小,声波速度变大
C.由空气进入玻璃时,电磁波波长变小,声波波长变大
D.电磁波和声波在介质中的传播速度都是由介质决定的,与频率无关
解析:选项A、B说法均与事实相符,故选项A、B正确;由空气进入玻璃时,根据λ= ,电磁波波速变小,频率不变,波长变小;声波速度变大,频率不变,波长变大,故选项C正确;电磁波在介质中的速度与介质有关,也与频率有关,在同一介质中,频率越大,电磁波的波速越小,故选项D错误。
答案:ABC
5、真空中所有的电磁波都具有相同的(　　)
A.频率 B.波长 C.波速 D.能量
解析:任何频率的电磁波在真空中传播速度都等于光速。
答案:C
6.关于电磁波的特点,下列说法中不正确的是(　　)
A.电磁波中电场和磁场互相垂直,电磁波沿二者垂直的方向传播
B.电磁波是横波
C.电磁波传播不需要介质
D.电磁波不具有干涉和衍射现象
解析:电磁波具有波所特有的各种属性,即电磁波具有干涉、衍射、反射等现象。
答案:D
7、类比是一种有效的学习方法，通过归类和比较，有助于掌握新知识，提高学习效率。在类比过程中，既要找出共同之处，又要抓住不同之处。某同学对机械波和电磁波进行类比，总结出下列内容，其中不正确的是(　　)。
A．机械波的频率、波长和波速三者满足的关系，对电磁波也适用
B．机械波和电磁波都能产生干涉和衍射现象
C．机械波的传播依赖于介质，而电磁波可以在真空中传播
D．机械波既有横波又有纵波，而电磁波只有纵波
D
8、关于电磁波，以下说法中正确的是(　　)。
A．电磁波本身就是物质，因此可在真空中传播
B．电磁波由真空进入介质，速度变小，频率不变
C．在真空中，频率高的电磁波波速较大
D．只要发射电路的电磁振荡停止，产生的电磁波立即消失
答案：AB　由电磁场的物质特性可知A项正确。电磁波由一种介质进入另一种介质时，频率不变，由v=可知，由真空进入介质时，速度变小，B项正确。任何频率的电磁波在真空中传播速度一样大，C项错误。波在传播过程中，当振源停止振动，已形成的波仍继续向远方传播，并不立即消失，D项错误。
9、一束持续电子流在电场力作用下做匀加速直线运动，则在其周围空间(　　)。
A．产生稳定的磁场
B．产生变化的磁场
C．所产生的磁场又可以产生电场
D．产生的磁场和电场形成电磁波
答案：A　因为持续的电子流被加速，虽然速度在增大，但形成的电流是不变的，所以产生了稳定的磁场，稳定的磁场不能产生电场，故A项正确，B、C、D项错误。
解析：据麦克斯韦的电磁场理论，可以做如下判断：A图的磁场是恒定的，不能产生新的电场，更不能产生电磁波；B图中的磁场是周期性变化的，可以产生周期性变化的电场，因而可以产生持续的电磁波；C图中的磁场是均匀变化的，能产生恒定的电场，而恒定的电场不能再产生磁场，不能产生向外扩展的电磁场，因此不能产生持续的电磁波；D图所示磁场是周期性变化的，能产生周期性变化的电场，能产生电磁波。
课堂小结
1.变化的磁场产生电场，变化的电场产生磁场
2.变化的电场和磁场交替产生，由近及远地向周围传播，形成电磁波。
①波速=光速c
3.麦克斯韦预言电磁波的存在，以及光是一种电磁波。
4.赫兹证明了电磁波的存在，以及光是一种电磁波。
②靠电和磁的相互"感应"传播，而不是靠介质的机械传递。
③方向：与电场强度E与磁感应强度B互相垂直
对麦克斯韦电磁场理论的理解
课堂小结
谢谢聆听

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