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(共35张PPT)
4.1电磁波的产生
我们能在电视上欣赏到月球车“玉兔号”拍摄的月球表面的高清晰图片，能用智能手机查阅信息、通话、导航……这一切都要归功于电磁波。
除了传递信息，微波炉烹饪美味佳肴、医用 CT 机检查体……都离不开电磁波。
1 麦克斯韦的预言
1820 年，丹麦物理学家奥斯特发现了通电导线会使磁针偏转，揭示了电流的磁效应。
1831 年，英国物理学家法拉第发现电磁感应现象，表明磁也会“生电”。
电“生”磁
磁“生”电
19 世纪 60 年代，英国物理学家麦克斯韦建立了完整的电磁场理论，精辟地揭示了电场与磁场之间的联系，预言了电磁波的存在。
电磁场理论
（1）变化的磁场周围会产生电场
麦克斯韦提出假设：
①在变化的磁场周围会激发出一种电场——涡旋电场（感生电场）。
恒定的磁场不产生电场
③如果磁场随时间不均匀变化，则激发的涡旋电场随时间变化。
②如果磁场随时间均匀变化，则激发的涡旋电场是稳定的；
（2）变化的电场周围会产生磁场
从场的观点出发，麦克斯韦提出：
①即使没有电流存在，只要空间某处的电场发生变化，也会在其周围产生涡旋磁场。
②如果电场随时间均匀变化，则激发的磁场是稳定的；
电容器在充电过程中，随着电荷的增加，电容器两极板间的电场发生变化，就会在周围产生涡旋磁场。
③如果电场随时间不均匀变化，则激发的磁场随时间变化。
交变的电场周围产生频率相同的交变的磁场，
交变的磁场周围产生频率相同的交变的电场。
交变的电场和交变的磁场相互联系在一起，就会在空间形成一个统一的、不可分割的电磁场。这种在空间交替变化并传播出去的电磁场就形成了电磁波。
自然界存在许多不同频率的电磁波，它们都以光速在空间传播，可见光是人眼可见的、频率范围很小的电磁波。
涡旋电场、位移电流与麦克斯韦方程组的意
涡旋电场与位移电流是麦克斯韦电磁场理论的两个核心概念。
涡旋电场是指变化的磁场在其周围空间激发出的电场。它不同于静电场，静电电场线起于正电荷，止于负电荷，涡旋电场的电场线是闭合曲线；静电场做功与路关，但涡旋电场做功与路径有关。
麦克斯韦认为，电流能激发磁场，电容器在两极间的电场发生变化时也能激场，就好像两极间存在"电流"一样，他把这种电流称为位移电流。位移电流不是荷定向移动形成的电流，其本质是变化的电场，它可存在于真空、导体、电介质中, 不会产生焦耳热，也不会产生化学效应。
层次上应该是统一的。
麦克斯韦提出的涡旋电场和位移电流假说的核心思想是：变化的磁场可激发涡旋电场，变化的电场可激发涡旋磁场;电场和磁场不是彼此孤立的，它们相互联系、相发，组成一个统一的电磁场。麦克斯韦进一步将电场和磁场的所有规律综合起来，另了完整的电磁场理论体系。这个电磁场理论体系的核心就是麦克斯韦方程组。从麦韦方程组可预见电磁波的存在，确定电磁波的传播速度为光速，且光也是某种频率磁波。
牛顿的万有引力定律将力学体系完美统一起来，而麦克斯韦方程组则将电磁学统一起来。它所揭示出的电磁相互作用的完美统一，使物理学家相信物质的各种相用在更高层次上应该是统一的。
2 赫兹实验
当与感应线圈两极相连的金属球间有火花跳过时，环的间隙处也有火花跳过。
当火花在 A、B 间跳动时，在周围空间建立了一个迅速变化的电磁场，这种变化的电磁场以电磁波的形式在空间传播。当电磁波经过接收器时，导致接收器产生感应电动势，使接收器两球间隙处产生电压；当电压足够高时，两球之间就会产生火花放电现象，从而证明了电磁波的存在。
1888 年，德国物理学家赫兹第一次用实验证实了电磁波的存在。
麦克斯韦电磁场理论的建立和实验验证是 19 世纪物理学领域最重大的事件之一。它全面地总结了电磁学研究的成果，在此基础上建立了完整的电磁场理论体系，并且科学地预言了电磁波的存在，从理论上预见了电磁波在真空中的传播速度等于光速，由此揭示了光、电、磁现象的内在联系及统一性，完成了物理学的又一次大综合。
赫兹的实验证明了麦克斯韦的预言，为麦克斯韦的电磁场理论奠定了坚实的实验基础。
3 电磁振荡
按图 4-4 所示电路图连接电路，将开关拨到 1，给电容器充电。然后把开关拨到 2，注意观察灵敏电流计指针如何偏转。你能从中得到什么结论？
电磁振荡
灵敏电流计的指针左右摆动，摆幅逐渐减小，最后指针停在零点位置。
①电流计指针的来回摆动，表明电路中产生了大小和方向都周期性变化的电流。
②摆幅逐渐减小，说明电路中存在能量损失。
大小和方向都周期性变化的电流称为振荡电流，产生振荡电流的电路称为振荡电路，由电感线圈 L 和电容器 C 所组成的电路就是一种基本的振荡电路，称为 LC 振荡电路。
在 LC 振荡电路中，已充电的电容器未放电时，电路中没有电流，电容器内电场最强。此时，电路的全部能量是电容器里存储的电场能。
闭合开关，电容器放电，其电荷量减少，由于线圈自感的阻碍作用，电流逐渐增大，磁场的磁感应强度与能量也逐渐增大。放电完毕时，电流最大，电场能全部转化为磁场能。
由于线圈的自感作用，线圈中的电流继续保持原来的方向并且逐渐减小，同时给电容器反向充电，电容器的电荷量逐渐增多，电场的强度与电场能逐渐增大，电流与磁场逐渐减弱。电流减为零时，磁场能全部转化为电场能。
此后，电容器又开始反向放电，两极板上电荷不断减少，电路中的电流逐渐增大，但电流方向与（b）所示的电流方向相反。在此过程中，电场能逐渐转化为磁场能，放电完毕的瞬间，电场能又全部转化为磁场能。
由于线圈的自感作用，电流继续流动，电容器又被充电，磁场能又转化为电场能。
电场能
磁场能
电场能
磁场能
电场能
上述过程周而复始地进行，就产生了方向和大小随时间做周期性变化的振荡电流，与振荡电流相联系的电场和磁场也周期性交替变化，电场能和磁场能相互转化。这种现象称为电磁振荡。
在实际的充、放电过程中，由于电感线圈和电路中存在电阻，电路中有能量损失，灵敏电流计指针摆动一会儿就停止。
周期：完成一次周期性变化的时间称为电磁振荡的周期
频率：一段时间内完成周期性变化的次数与这段时间之比称为电磁振荡的频率。
如果没有能量损失，也没有外界影响，电磁振荡的周期和频率称为振荡电路的固有周期和固有频率，简称振荡电路的周期和频率。
只要改变 LC 电路中电感线圈的自感或者电容器的电容，就能改变振荡电路的周期和频率。
如何描述电磁振荡的快慢呢？
例、如图所示为理想LC振荡回路，某时刻电容器极板带电情况和线圈中的磁场方向如图，下列哪些说法是正确的（　）
A.此时电容器正在充电
B.此时线圈中的磁场能在减少
C.若在线圈中插入铁芯，振荡电流的频率增大
D.若增大电容器极板间距，振荡电流的频率增大
D
谐振腔与石英晶体振荡器
LC 振荡电路中，可减小电感线圈的自感或电容器的电容，以此增大振荡频率。但频率超过 1 GHz 时，由分立元件组成的 LC 电路就不再有效。高频振荡可由谐振腔产生，谐振腔是矩形的金属盒，它可替代线圈和电容器的共同作用（图 4-6）。盒子的大小决定了振荡的频率。微波信号源、微波炉等就是通过这种谐振腔来产生微波的。
谐振腔与石英晶体振荡器
除 LC 振荡电路外，石英晶体振荡器（图 4-7）也能产生振荡电流。石英晶体有一种称为压电效应的特性：当在石英晶体的两侧加上电压时，它就会发生形变；反之，当晶体发生形变时，在相应的方向上也会产生电压。若在石英晶体的两侧施加交变电压，石英晶体就会产生机械振动，同时晶体的振动又会产生交变电压，从而形成振荡电流。石英晶体振荡器的振荡频率非常稳定，被广泛应用于计算机、手表、遥控器等设备中。
书山有路勤为径！

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