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第十三章 电磁感应与电磁波初步
13.4电磁波的发现及应用
目录
contents
电磁场
01
02
电磁波
03
电磁波谱
04
电磁波通信
新课导入
古时用点燃烟火传递重要消息。白天施烟，夜间点火，台台相连——烽火台。
为方便传递信息，在古代神话小说里就出现的"顺风耳和千里眼"。
电视塔
电磁波为信息的传递插上了翅膀。广播、电视、移动通信等通信方式，使古代人“顺风耳、千里眼”的梦想变成了现实。
移动通信基站
电磁波是如何产生的呢？
电磁场
01
库仑
安培
奥斯特
法拉第
法拉第发现电磁感应的那年，一位科学巨星在英国爱丁堡诞生了，他就是——麦克斯韦。
历史上电磁学领域的大咖
库仑定律
安培定则
分子电流假说等
电流的磁效应
电磁感应现象等
麦克斯韦是继法拉第之后，依据库仑、高斯、欧姆、安培、毕奥、萨伐尔、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。
韦伯穿过一个又一个欧姆。把回音带给我──“我是你忠实而又真诚的法拉，充电到一个伏特，表示对你的爱。
——麦克斯韦
麦克斯韦
（J.C.Maxwell,1831—1879)
英国物理学家
电磁感应现象：在变化的磁场中放入一个闭合的导体回路，闭合导体回路中就产生感应电流。
为什么闭合电路中磁通量发生了变化，就会产生电流呢
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(涡旋电场)在线圈中驱使自由电子做定向的移动，引起了感应电流。
2、想象线圈不存在时线圈所在处的空间还有电场吗？
想一想：
1、如果用不导电的塑料线绕制线圈，线圈中还会有电流、电场吗？
有电场、无电流
有电场
总结：麦克斯韦认为线圈只不过用来显示电场的存在，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。
麦克斯韦的电磁场理论——变化的磁场产生电场
①均匀变化的磁场产生稳定的电场
②周期性变化的磁场产生同频率的振荡电场
正弦曲线
振荡磁场
振荡电场
E与B频率相同
恒定的磁场产生电场吗？
非均匀变化的磁场产生什么样的电场？
不！
变化的！
E
t
O
B
t
O
B
O
E
O
t
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，变化的电场能不能在空间产生磁场？
麦克斯韦的假设
麦克斯韦的电磁场理论——变化的电场产生磁场
① 均匀变化的电场产生稳定的磁场
②周期性变化的电场产生同频率的振荡磁场
t
正弦曲线
振荡电场
振荡磁场
B与E频率相同
恒定的电场产生磁场吗？
不产生！
非均匀变化的电场产生什么样的磁场呢？
变化的磁场！
B
t
O
E
t
O
E
O
B
O
t
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
它既不是电场也不是磁场，更不是电场和磁场的叠加，而是电场和磁场相互依赖，形成不可分割的整体。
电磁场
电场
磁场
电场
电场
磁场
电场
电磁场的传播
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
对麦克斯韦电磁理论的理解
(1)变化的磁场周围产生电场，是一种普遍存在的现象，跟闭合电路是否存在无关。
(2)在变化的磁场中所产生的电场的电场线是闭合的，而静电场中的电场线是不闭合的。
注意：
电磁波
02
麦克斯韦的电磁场理论：
不均匀变化的电场会产生变化的磁场，变化的磁场又会产生变化电场……于是，变化的电场和变化磁场交替产生，由近及远地传播。
(1)变化的磁场产生电场(2)变化的电场产生磁场
根据以上两个基本论点，麦克斯韦进一步推断：
1886年，赫兹通过实验第一次捕捉到了电磁波，证实了麦克斯韦的电磁场理论，为无线电技术的发展开拓了道路。并测出电磁波传播速度与光速相同，证实了光是电磁波。
赫兹的实验
赫兹的电火花
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。
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。
赫兹实验的电装置
实验现象：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。
捕捉电磁波
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
激发
电磁波形成示意图
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。 E⊥B ⊥v
空气、水，是声波和水波传播的介质。电磁波可以在真空中传播，不需要介质。
电磁波的传播
电磁波的传播
电磁波的传播速度等于光速，光是以波动形式传播的一种电磁振动，即光是一种电磁波。电磁波可以在真空中传播速度等于光速c= 3×108m/s
电磁波的传播速度
电磁波谱
03
在一列水波中，凸起的最高处叫作波峰;凹下的最低处叫作波谷。邻近的两个波峰（或波谷）的距离叫作波长。在1s内有多少次波峰（或波谷）通过，波的频率就是多少。水波不停地向远方传播，用来描述波传播快慢的物理量叫作波速。
波的特性
描述波的物理量
4、频率（f）：1s内波峰或波谷通过的次数，单位是赫兹（Hz）。
1、波长（λ）：相邻两个波峰或波谷之间的距离，单位是米（m）。
2、波速（v）：电磁波传播的快慢，单位是米每秒（m/s）。
3、周期（T）：波峰或波谷传播一个波长距离所用时间，单位是秒（s）。
5、关系：波速、波长、频率三者之间的关系是：波速=波长×频率。公示表示为：
真空中c=λf：波长越大，频率越小!
v=λ/T=λf
（2）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（1）电磁波可以在真空中传播速度等于光速c=3×10 8m/s；则存在c=λf
（4）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；
（3）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；
电磁波的特点
电磁波的频率范围很广。无线电波、红外线、可见光、紫外线、伦琴射线、γ射线都是电磁波。可见光只是电磁波中的一小部分。按电磁波的波长或频率大小的顺序把它们排列起来,就是电磁波谱。
电磁波谱
1.无线电波：波长大于1mm，分为长波、中波、短波和微波，主要用于无线电通讯；
2.红外线：波长比无线电波短，比可见光长，所有的物体都在不停地发射红外线，主要用于遥感、加热；
3.可见光：波长在700nm~400nm，分为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种，可被视网膜感知；
电磁波谱
4.紫外线：波长在400nm~5nm，有较高的能量。可用于灭菌消毒，荧光效应等；
5.X射线：波长比紫外线更短，有比紫外线更高的能量，有较强的穿透作用，可用于透视、检查金属内部缺陷。
6.γ射线:波长比X射线更短，频率非常高。有很高的能量和很强的穿透作用，可用于检查金属内部缺陷。
电磁波谱
1. 电磁波具有能量
2. 电磁波是一种物质
3. 光是一种电磁波，
光具有能量
风扇
波导管
磁控管
控制面板
屏蔽网
门
赫兹通过实验证实了电磁波的存在,这意味着,电磁场不仅仅是一种描述方式,而且是真正的物质存在。
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,可见,电磁波具有能量。
电磁波的能量
微波炉加热食物
太阳能热水器
电磁波通信
04
电磁波携带信息，既可以有线传播，也可以无线传播。
电信网、广播电视网、互联网、卫星宽带通信网络
万物互联的全新时代
万物互联的全新时代
典例分析
05
【例题】按照麦克斯韦的电磁场理论，以下说法中正确的是（ ）
A、恒定的磁场在周围产生恒定的电场
B、变化的磁场在周围产生变化的电场
C、均匀变化的磁场在周围产生均匀变化的电场
D、均匀变化的磁场在周围产生恒定的电场
D
【例题】(多选)根据麦克斯韦电磁场理论，下列说法正确的是(　　)
A．有电场的空间一定能产生磁场，有磁场的空间也一定能产生电场
B．在变化的电场周围一定产生变化的磁场，在变化的磁场周围一定产生变化的电场
C．周期性变化的电场周围一定产生周期性变化的磁场
D．周期性变化的磁场周围一定产生周期性变化的电场
CD
【例题】关于电磁波，下列说法中正确的是（ ）
A、均匀变化的电场和均匀变化的磁场互相激发，由产生处向远处传播形成电磁波
B、振荡电场和振荡磁场互相激发，由产生处向远处传播形成电磁波
C、电磁波的振荡电场和振荡磁场方向互相垂直，且与传播方向互相垂直
D、电磁波能够发生反射、干涉、衍射、偏振现象
BCD
【例题】任何电磁波在真空中都具有相同的（ ）
A、频率
B、波长
C、波速
D、能量
C
【例题】下列各组电磁波，按波长由长到短排列正确的是（ ）
A.紫外线、可见光、红外线、 γ射线
B.可见光、红外线、紫外线、 γ射线
C.γ射线、红外线、紫外线、可见光
D.红外线、可见光、紫外线、 γ射线
D
【例题】中央广播电台发射“中波”段某套节目的信号、家用微波炉中的微波、DVD机中的激光(可见光)、人体透视用的X光，这些都是电磁波，它们的频率分别为f1、f2、f3、f4，则由c＝λf可以判断正确的是(　　)
A．f1＞f2＞f3＞f4　　
B．f1＜f2＜f3＞f4
C．f1＜f2＜f3＜f4　
D．f1＞f2＞f3＜f4
C

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