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4.2 麦克斯韦电磁场理论
新粤教版（2019）高中物理选择性必修第二册 第四章
机械振动会产生机械波，那么电磁振荡是否也能产生相应的电磁波 19 世纪 60 年代，英国物理学家麦克斯韦在总结了前人研究成果的基础上，展开了大胆的猜想与假设，建立了具有划时代意义的电磁场理论，预言了电磁波的存在。
新课引入
麦克斯韦
假设一:变化的磁场周围会产生电场
两个基本假设
如图所示，在变化的磁场中放置一个闭合电路，电路中将会产生感应电流，这是我们熟悉的电磁感应现象。
两个基本假设
麦克斯韦认为，电路中产生感应电流，是由于导体中的自由电荷受到电场力的驱使而做定向移动，说明电路所在的空间存在电场。而这个电场是由变化的磁场引起的，如图所示。此处闭合电路只起到了检验空间所在处是否有产生电场的作用，即使没有闭合电路，空间仍然存在电场。也就是说，变化的磁场周围产生电场是一种普遍存在的现象，与闭合电路是否存在无关。
假设一:变化的磁场周围会产生电场
假设二:变化的电场周围会产生磁场
用手摇动感应起电机给电容器充电时，或者电容器放电时，电容器两极板间都会产生变化的电场，变化的电场在周围产生磁场，使附近的小磁针发生摆动。
两个基本假设
既然变化的磁场能产生电场，坚信电场与磁场对称之美的麦克斯韦大胆假设：变化的电场周围也会产生磁场。
变化的磁场产生电场，变化的电场产生磁场.变化的电场和磁场总是相互联系，形成一个不可分离的统一体，这就是电磁场。电场和磁场只是这个统一的电磁场的两种具体表现，体现了场的统一性与多样性。
根据两个基本假设，麦克斯韦推断，变化的电场和磁场并不会局限于空间某个区域而是由近及远地向周围空间传播出去。由此预言：空间可能存在着电磁波。
伟大的预言
(1)空间中任意一点的电场强度 E 和磁感应强度 B 相互垂直并且都和电磁波的传播方向垂直，电磁波是横波。
(2)空间中任意一点的电场强度 E 和磁感应强度 B 都随时间作周期性变化，电磁波的频率即为电磁振荡的频率，它由波源决定，与介质无关。
(3) 电磁波在真空中的传播速度等于光在真空中的传播速度，光波的本质是电磁波。
伟大的预言
麦克斯韦预言电磁波的存在，而赫兹用实验证实了电磁波的存在。
赫兹实验
赫兹
1864年，麦克斯韦关于电磁波的预言震动了整个物理学界，并为电磁学的研究发展指明了新的探索方向，体现了科学预言不可忽视的价值。但由于在此之前从来没有人能够证实电磁波的存在，所以当时很多物理学家，甚至连物理学界的权威学者都不敢相信这个新理论是完全正确的。
1879年，德国柏林科学院悬奖征求对麦克斯韦电磁场理论的实验验证，这促使年轻的德国物理学家赫兹萌发了进行电磁波实验的雄心壮志。
赫兹实验
1888年，赫兹用如图所示的实验方案证实了电磁波的存在.他把两根共轴的黄铜杆A、B接在感应圈的两极上。黄铜杆A、B间留有一个间隙，间隙两边杆的端上焊有一对磨光的黄铜球。感应圈是一个与变压器相似的装置，由两个不同匝数的线圈绕在同一铁芯上组成。当通入匝数少的线圈的电流突然断开时，在匝数多的线圈两端（即与黄铜杆连接的两极）之间会产生很高的电压。这个高电压使铜球之间的空气被击穿，产生火花放电。每跳一次火花，两球之间就形成一次高频振荡电流，并向外发射同频的电磁波。
赫兹实验
与这个回路相距一定距离有一个电磁波接收器，它由一根粗铜导线弯成一个带开口的圆环，开口端各焊一个铜球，铜球之间有可作微调的空隙，这个接收器实际上可以看作是一个LC振荡电路。通过调节小铜球间隙改变接收电路的固有频率，使其与发射过来的电磁波产生共振，从而在导线环中产生足够高的感应电动势，使接收器上两个铜球的空隙间产生火花。赫兹发现，当发射器两球间有火花产生时，接收器两球间也有火花产生.这表明有电磁波从发射器到达了接收器。
如图４－２－７所示，有４根完全相同的铜管（长约１ ｍ），将其中两根接在高压感应圈的两极，组成发射器． 感应圈的高压能使两管间不断产生电火花． 在另外两根铜管之间接一个发光二极管，组成接收器．
观察实验现象并思考下列问题
（１）接收器上的发光二极管在什么情况下会亮？
（２）接收器处于不同位置时，发光二极管的亮度如何变化
只有当发射器两小球间产生电火花时，接收器上的发光二极管才会亮，这表明接收到了发射器发出的电磁波；当接收器慢慢远离发射器，在超过一定距离后，发光二极管明显变暗甚至熄灭。这表明电磁波在传播过程中有能量损耗。
赫兹实验
赫兹用实验观察到电磁波的反射、折射、干涉、衍射和偏振等现象，证明了电磁波在真空中的传播速度就是光速，从而证实了麦克斯韦的伟大预言，为麦克斯韦的电磁场理论奠定了坚实的实验基础。
课堂小结
假设二：变化的电场周围会产生磁场
麦克斯韦预言的电磁波的特点
假设一：变化的磁场周围会产生电场
赫兹实验
两个基本假设
1.麦克斯韦建立了电磁场理论，预言电磁波的存在，用实验证实电磁波存在的科学家是（　　）
A．奥斯特 B．赫兹 C．库仑 D．法拉第
B
练习
2.现代生活中人类与电磁波结下了不解之缘，关于电磁波下列陈述中符合事实的是（　　）
A．麦克斯韦首先用实验证实了电磁波的存在
B．在真空中电磁波的传播速度小于真空中的光速
C．空间有变化的电场（或磁场）存在，不一定能形成电磁波
D．把手机放在抽成真空的玻璃盒中，拨打该手机号码，手机由于接收不到电磁波信号而无法接通
C
练习
3.关于电磁波，下列说法正确的是（ 　　）
A．激光具有高度的相干性、非常好的平行度和很高的亮度
B．从太阳、白炽灯等光源直接发出的光都是不同程度的偏振光
C．生活中常用微波炉来加热食物，食物增加的能量是微波给它的
D．电磁波的传播靠的是电场和磁场的相互“激发”，因而能在真空中传播
ACD
练习
4.甲、乙两种磁场的磁感应强度B随时间t变化的规律如图所示，下列说法正确的是（　 　）
A．磁场甲能够产生电场
B．磁场甲能够产生电磁波
C．磁场乙的磁感应强度最大时产生的电场最强
D．磁场乙的磁感应强度为零时产生的电场最强
AD
练习

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