普通高中物理选择性必修二 第四章第2节 电磁场与电磁波

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• 普通高中物理选择性必修二 第四章第2节 电磁场与电磁波
• 内容来源|普通高中教科书 物理 选择性必修第二册 人民教育出版社 软件|亿图脑图MindMaster
• 电磁振荡电路中的能量有一部分要以电磁波的形式辐射到周围空间中去，那么这些电磁波是怎样产生的？
• 电磁场
• 麦克斯韦的观点
  • 变化的磁场产生电场
    • 现象
      • 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。
    • 场的观点
      • 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。
    • 推广
      • 变化的磁场产生电场。这是一个普遍规律，跟闭合电路是否存在无关。
        • 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。
  • 变化的电场产生磁场
    • 现象
      • 运动的电荷在空间要产生磁场。
    • 场的观点
      • 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，即空间各占的电场强度将随时间变化。
      • 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。
    • 推广
      • 变化的电场产生磁场。
        • 这也是一个假设，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。
    • 实例
      • 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。
• 电磁场
  • 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。
• 电磁波
  • 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。
• 电磁波
• 电磁波与机械波
  • 介质
    • 在机械波中，振动的传播需要具有弹性的介质。
    • 电磁波的传播不需要任何介质，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。
  • 物理量
    • 在机械波中，位移随时间和空间做周期性变化。
    • 在电磁波中，电场强度E和磁感应强度B随时间和空间做周期性变化。
      • 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。
• 光是电磁波
  • 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。
  • “我们有充分的理由断定，光本身是¼¼按电磁波规律传播的一种电磁振动。”——麦克斯韦
  • 赫兹通过实验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。
• 赫兹的实验
  • 1886年，赫兹在做放电实验时发现附近未闭合的线圈也出现了电火花，于是他制作了一套实验仪器，试图用来发射和接收电磁波。
  • 实验装置
    • 发射
      • 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。
    • 接收
      • 弯成环状的导线，导线两端安装两个金属小球不，小球之间有空隙。
  • 观察现象
    • 把接收的导线环放在距发射的感应圈不太远的位置时，观察到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。
  • 现象解释
    • 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。
  • 意义
    • 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。
    • 测得了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。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，为了纪念他，把频率的单位定为赫兹。
• 电磁场
  • 电磁场的转换就是电场能量和磁场能量的转换
    • 电磁波的发射过程就是辐射能量的过程。
    • 电磁波的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明力的证据之一。
  • 物质存在的两种形式，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。
    • 当法拉第得出“力线”和场的概念时，它们仅仅被看作是一种描述电磁力的方法。
    • 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。
• 科学漫步 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。
  • 1854年从剑桥大学毕业以后，麦克斯韦精心研讨了法拉第的著作。
  • 1860年，麦克斯韦拜访了法拉第。两人在年龄上相差40岁，在性情、爱好、特长方面也迥然各异，但对物质世界的看法却产生了共鸣。
  • 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。
  • 麦克斯韦历时10年建立了普遍的电磁理论。
    • 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”。
    • 为了说明“力线”的分布和性质，建立新的模型并提出位移电流与电磁波的概念。
    • 电磁场作为客体放在核心位置，总结出麦克斯韦方程组，建立完整的电磁场理论。
  • 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。
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