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第四章 电磁振荡与电磁波
人教物理选择性必修第二册
第四章 电磁振荡与电磁波
4.2
电磁场与电磁波
一 电磁场
在变化的磁场中放一个闭合电路，电路里就会产生感应电流。麦克斯韦从场的观点出发，认为电路里能产生感应电流，是因为变化的磁场产生了电场，正是这个电场促使导体中的自由电荷做定向运动，产生感应电流。他将这种用场描述电磁感应现象的观点，推广到不存在闭合电路的情形，即变化的磁场产生电场 (图4.2-1)。这是一个普遍规律，跟闭合电路是否存在无关。
“变化的磁场产生电场”，这实际上是个假设这个假设基于电磁感应现象，是很自然的。
注意：这种电场的电场线是闭合的（涡旋电场）
静止的电荷，它产生的是静电场，即空间各点的电场强度不随时间变化。当电荷从静止到运动时，电场就发生变化，即空间各点的电场强度将随时间变化。运动的电荷在空间要产生磁场。从场的观点出发，麦克斯韦假设：变化的电场就像运动的电荷，也会在空间产生磁场，即变化的电场产生磁场。
“变化的电场产生磁场”，这是另一个假设这个假设没有直接的实验做基础，它出于对自然规律的洞察力，是很大胆的，但却更具有创造性。
例如，在电容器充、放电的过程中，不仅导体中的电流产生磁场，而且在电容器两极板间周期性变化的电场也产生磁场 (图4.2-2)。
根据麦克斯韦的上述两个观点可以得出，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。如果在空间某区域有周期性变化的电场，就会在周围引起变化的磁场，变化的电场和磁场又会在较远的空间引起新的变化的电场和磁场。这样变化的电场和磁场由近及远地向周围传播，形成了电磁波。
电场
磁场
电场
电场
磁场
电场
周期性变化的电场
二 电磁波
在机械波中，振动的传播需要具有弹性的介质，而电磁波则不需要任何介质，在真空中也能传播，这是由电磁波的本性所决定的。因为电磁波的传播，靠的是电和磁的相互“感应”，而不是靠介质的机械传递。
在机械波中，位移这个物理量随时间和空间做周期性变化。而在电磁波中，电场强度 E 和磁感应强度 B 这两个物理量随时间和空间做周期性变化。
麦克斯韦从理论上预见，电磁波在真空中的传播速度等于光速 c，由此，麦克斯韦预言了光是电磁波! 他说：“我们有充分的理由断定，光本身是 ……按电磁波规律传播的一种电磁振动。”
麦克斯韦
光是按电磁波规律传播的一种电磁振荡——光是一种电磁波。
根据麦克斯韦的电磁场理论，电磁波在真空中传播时，它的电场强度 E 与磁感应强度 B 互相垂直，而且二者均与波的传播方向垂直。图4.2-3表示做正弦变化的电场或磁场所引起的电磁波在某一时刻的图像。
1886年，赫兹在做放电实验时发现附近未闭合的线也出现了电火花。于是他制作了一套仪器，试图用来发射和接收电磁波(图4.2-4)。仪器中有一对抛光的金属小球两球之间有很小的空气间隙。将两个球连接到产生高电压的感应圈的两端时，两球之间就出现了火花放电。
赫兹
仪器的另一部分是弯成环状的导线，导线两端也安装两个金属小球，小球之间也有空隙。当把这个导线环放在距感应圈不太远的位置时，他观察到：当感应圈两个金属球间有火花跳过时，导线环两个小球间也跳过了火花。
这是一个令人振奋的现象! 电磁波从发射器到达了接收器。这个过程是怎样发生的呢
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。
在以后的一系列实验中，赫兹观察到了电磁波的反射折射、干涉、偏振和衍射等现象。他还测得电磁波在真空中的速度等于光速c，证明了电磁波与光的统一性。这样赫兹证实了麦克斯韦的电磁场理论。赫兹的实验为无线电技术的发展开拓了道路，后人为了纪念他，把频率的单位定为赫兹。
赫兹实验的模拟
根据电磁场理论，电磁场的转换就是电场能量和磁场能量的转换，因而电磁波的发射过程就是辐射能量的过程，传播过程就是能量传播的过程。能量是电磁场的物质性最有说服力的证据之一。当法拉第提出“力线”和“场”的概念时，它们还仅仅被看作是一种描述电磁力的方法，但是当麦克斯韦提出电磁场理论并被赫兹的实验证实以后，电磁场就像光一样真实了。由此，人们认识到物质存在两种形式，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。
电磁波与机械波的比较
电磁波 机械波
不同点 在真空或介质中均可传播 有介质才能传播
传播速度与介质和频率有关（频率越高的电磁波在同一种介质中的传播速度越小） 波速度由介质决定
相同点 都会发生折射、反射、衍射、干涉现象
υ ＝λ·f，都是周期性的，都是传播能量的过程
电磁波与机械波的比较
“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
麦克斯韦电磁场理论的建立
法拉第发现电磁感应现象那年，麦克斯韦在苏格兰爱丁堡附近诞生了。他从小热爱科学喜欢思考。1854年从剑桥大学毕业以后，他精心研读了法拉第的著作。麦克斯韦被法拉第关于“场”和“力线”的思想深深吸引，但他也看到了法拉第定性表述的弱点。因此，这位初出茅庐的科学家下定决心，要把法拉第的物理思想用数学公式定量化地表达出来。
1860年初秋，麦克斯韦特意去拜访法拉第。两人虽然在年龄上相差40岁，在性情、爱好、特长方面也迥然各异，可是对物质世界的看法却产生了共鸣。法拉第鼓励麦克斯韦：“你不应停留在用数学解释我的观点，而应该突破它!”
在麦克斯韦研究电磁现象的时候，科学家的研究已经从静止的、恒定的特殊情形扩展到运动变化的普遍情形；从孤立的电作用、磁作用扩展到彼此的联系。在这些研究的基础上，麦克斯韦历时10年终于建立了普遍的电磁场理论。
麦克斯韦首先从类比研究入手，借用适当的数学工具表述法拉第的“力线”；后来，为了进一步说明“力线”的分布和性质，他转而建立新的模型并提出位移电流与电磁波的概念；最后，他把电磁场作为客体放在核心位置，总结出麦克斯韦方程组(图4.2-5)，建立了完整的电磁场理论。
麦克斯韦电磁场理论的意义足以跟牛顿力学体系相媲美，它是物理学发展中一个划时代的里程碑。电磁波的发现使得我们进入了无线电科学与技术的时代，从对电磁波的利用中诞生了收音机和电视机，再到后来的卫星通信、互联网和移动电话。
1.“变化的磁场产生电场”，这是麦克斯韦电磁场理论的重要支柱之一。请你通过相关的实验事实和一定的逻辑推理，说明这个结论的正确性。
解：在变化的磁场中放一个闭合回路，回路中就会产生感应电流，感应电流是由于电荷的定向移动产生的，电荷之所以会定向移动，是因为受到了电场力的作用，这个电场是变化的磁场引起的. 即使没有闭合回路，变化的磁场也会产生电场.
2. 赫兹在1886年做了一个有名的实验，证明了电磁波的存在。他把环状导线的两端各固定一个金属小球，两小球之间有一很小间隙，他把这个装置放在一个距离正在放电发生电火花的感应圈不远的地方，令他振奋的现象发生了。他当时看到了什么现象 为什么说这个现象让他捕捉到了电磁波
解：当感应圈两个金属球间有火花跳过时，导线环两个小球间也跳过了火花.和高压感应圈相连的抛光金属球间产生电火花时，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传到了导线环，导线环中激发出感应电动势，使与导线环相连的金属球间也产生了电火花，这个导线环实际上是电磁波的检测器.
3. 你能否用生活中的例子说明电磁波的存在
解：我们可以用如图所示的实验来证明电磁波的存在. 当导线头在锉的表面滑动时，收音机会发出“喀喀”的声音.由电池、导线、锉组成的闭合电路中，当导线头在锉的表面滑动时，在电路中产生变化的电流，发射出的电磁波被收音机接收后发出声音.
4. 我们通常听到的声音是靠声波来传播的而手机接收的是电磁波。请你小结一下：声波和电磁波有哪些地方是相同的 有哪些地方存在着差异
解：如下表所示.
项目 电磁波 声波
不同点 对象 研究电磁现象 研究力学现象
本质 是物质，是电磁振荡的传播 不是物质，是机械振动在介质中的传播
传播机理 电场和磁场交替“感应” 质点间相互作用
传播介质 不需要介质 需要介质
项目 电磁波 声波
不同点 影响波速的因素 在真空中波速总等于c，在介质中传播时波速与介质及频率都有关 波速与介质有关，与频率无关
周期性变化的量 电场强度E与磁感应强度B随时间和空间周期性变化 质点的位移x、加速度a等随时间和空间周期性变化
波的种类 横波 通常是纵波，也有横波
产生 由周期性变化的电场激发 由波源的振动产生
项目 电磁波 声波
相同点 能量 都携带能量并传播能量
速度公式 v＝λf
遵循规律 均可发生反射、折射、干涉、衍射等现象
结束
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