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13.4 电磁波的发现及应用
第十二章电磁感应与电磁波初步
教学目标
1.了解麦克斯韦电磁场理论的主要观点,知道电磁波的概念及通过电磁波体会电磁场的物质性。
2.认识电磁波谱。
3.了解电磁波谱中各波段的波的特征及它们在科技、经济、社会发展中的作用。
4.知道电磁波是一种物质,具有能量。
引入
当把食物放到电烤箱中进行加热或烘烤时，实际上用到的是电磁波
引入
GPS导航装置的工作实际上是依靠电磁波的发射和接收
引入
医院中的CT检查同样用到了电磁波
引入
射电望远镜通过收集来自外太空的电磁波来对外太空进行分析
引入
电磁波的应用如此广泛，那么最初电磁波是如何被发现的呢？
麦克斯韦对电磁场的理论
麦克斯韦通过对法拉第等人成果的研究，逐渐形成了自己的核心观点，并完成了《电磁学通论》，成为经典电磁场理论的主要内容。
下面我们一起经历一下他的研究过程
麦克斯韦
动生电动势
感生电动势
洛伦兹力充当非静电力
闭合电路的磁通量发生变化时，会产生感应电流
谁充当非静电力？
麦克斯韦对电磁场的理论
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
变化的磁场
涡旋电场
闭合回路
感应电流
感应电流
麦克斯韦对电磁场的理论
①如果用不导电的塑料线绕制线圈，线圈中还有电流和电场吗？
②线圈不存在时，线圈所处的空间还有电场吗？
③若改成恒定的直流电，还有电场吗？
有电场，无电流
有
无
麦克斯韦对电磁场的理论
变化的磁场产生电场
电磁场理论的核心之一
麦克斯韦认为在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，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）
麦克斯韦对电磁场的理论
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。
磁场
电场
磁场
电场
变化
变化
麦克斯韦对电磁场的理论
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。
麦克斯韦对电磁场的理论
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
变化的电场产生磁场
电磁场理论的核心之二?
麦克斯韦对电磁场的理论
进一步推断（预言）
空间可能存在变化的“电磁场”
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。
麦克斯韦对电磁场的理论
电磁场
1.麦克斯韦电磁场理论的两个基本观点:变化的磁场产生电场;变化的电场产生磁场。
2.变化的电场和磁场总是相互联系的,形成一个不可分割的统一的电磁场。
麦克斯韦电磁场理论的理解
变化的磁场周围产生电场,与是否有闭合电路存在无关
例1 根据麦克斯韦电磁场理论,下列说法正确的是 (　　)
A.有电场的空间一定存在磁场,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.均匀变化的电场周围一定产生均匀变化的磁场
D.周期性变化的磁场周围空间一定产生周期性变化的电场
解析:根据麦克斯韦电磁场理论,只有变化的电场才能产生磁场,均匀变化的电场产生恒定的磁场,非均匀变化的电场产生变化的磁场,只有选项D正确。
答案:D
麦克斯韦电磁场理论的理解
电磁波的产生
理论分析：
空间某处产生一个随时间变化的电场，这个电场就会产生磁场。
如果这个磁场也是随时间变化的，那么这个磁场就会产生新的电场。
……
这样下去，电磁场就会在空间区域不断向外传播形成了电磁波。
捕捉电磁波
遗憾的是，麦克斯韦英年早逝，而真正用科学实验论证电磁场理论的是赫兹。
1887-1888年德国物理学家赫兹用实验手段验证了电磁波的存在
赫兹
通过改变两平行天线之间的距离我们会发现什么现象？
当CD靠近AB时，电流表指针摆动的角度变大；
当CD远离AB时，电流表指针摆动的角度变小。
说明电磁波是存在的！
捕捉电磁波
电磁波的图像
波峰：凸起最高处
波谷：凹下的最低处
波长：邻近的两个波峰（或波谷）的距离
电磁波谱
1.波速、波长、频率三者之间的关系是:波速=波长×频率。
2.电磁波在真空中的传播速度c=3×108 m/s。?
3.电磁波谱: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。
4.电磁波谱按波长由长到短依次为无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线。
电磁波谱
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，
不同的电磁波具有性质。
可见光只电磁波的一小部分，而红外线紫外线等电磁波在生产
生活中有着广泛的应用。
电磁波谱
从无线电波到γ射线都是本质相同的电磁波,其行为遵从共同的规律,但因波长(频率)不同,又表现出不同的特点。
1.共性
(1)它们在本质上都是电磁波,它们的行为遵从相同的规律,各波段之间的区别并没有绝对的意义。
(2)都遵守公式v=λf,它们在真空中的传播速度都是c=3.0×108 m/s。
(3)它们的传播都不需要介质。
电磁波谱
2.个性
(1)不同电磁波的频率或波长不同,表现出不同的特性。波长越短穿透能力越强。
(2)同频率的电磁波,在不同介质中速度不同。不同频率的电磁波,在同一种介质中传播时,频率越大,速度越小。
(3)用途不同:无线电波用于通信和广播,红外线用于加热和遥感技术,紫外线用于杀菌消毒,X射线应用于医学上的X光照相,γ射线用于检查金属部件的缺陷,摧毁病变的细胞等。
不同的电磁波由于具有不同的波长(频率),才具有不同的特性
电磁波谱
例2 下列有关电磁波的特性和应用,说法正确的是 (　　)
A.红外线和X射线都有很高的穿透本领,常用于医学上透视人体
B.过强的紫外线照射有利于人的皮肤健康
C.电磁波中频率最高的为γ射线,可用于消毒
D.紫外线和X射线都可以使感光底片感光
解析:X射线有很高的穿透本领,医学上常用于透视人体,红外线不能,A错误;过强的紫外线照射对人的皮肤有害,B错误;电磁波中频率最高的为γ射线,可以摧毁病变的细胞,C错误;紫外线和X射线都可以使感光底片感光,D正确。
答案:D
本课结束

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