高中物理《电磁波的发现》文字素材 新人教版选修3-4

电磁波电磁波（又称电磁辐射）是由同相振荡且互相垂直的电场与磁场在空间中以波的形式移动，其传播方向垂直于电场与磁场构成的平面，有效的传递能量和动量。电磁辐射可以按照频率分类，从低频率到高频率，包括有无线电波、微波、红外线、可见光、紫外光、X-射线和伽马射线等等。人眼可接收到的电磁辐射，波长大约在380至780纳米之间，称为可见光。只要是本身温度大于绝对零度的物体，都可以发射电磁辐射，而世界上并不存在温度等于或低于绝对零度的物体。电磁波简介电磁波（Electromagnetic wave)：（又称：电磁辐射、电子烟雾）是能量的一种。 定义从科学的角度来说，电磁波是能量的一种，凡是高于绝对零度的物体，都会释出电磁波。 正像人们一直生活在空气中而眼睛却看不见空气一样，除光波外，人们也看不见无处不在的电磁波。电磁波就是这样一位人类素未谋面的“朋友”。 产生电磁波是电磁场的一种运动形态。电与磁可说是一体两面，变化的电场会产生磁场（即电流会产生磁场），变化的磁场则会产生电场。变化的电场和变化的磁场构成了一个不可分离的统一的场1，这就是电磁场，而变化的电磁场在空间的传播形成了电磁波，电磁的变动就如同微风轻拂水面产生水波一般，因此被称为电磁波，也常称为电波。 性质电磁波频率低时，主要借由有形的导电体才能传递。原因是在低频的电振荡中，磁电之间的相互变化比较缓慢，其能量几乎全部返回原电路而没有能量辐射出去；电磁波频率高时即可以在自由空间内传递，也可以束缚在有形的导电体内传递。在自由空间内传递的原因是在高频率的电振荡中，磁电互变甚快，能量不可能全部返回原振荡电路，于是电能、磁能随着电场与磁场的周期变化以电磁波的形式向空间传播出去，不需要介质也能向外传递能量，这就是一种辐射。举例来说，太阳与地球之间的距离非常遥远，但在户外时，我们仍然能感受到和煦阳光的光与热，这就好比是“电磁辐射借由辐射现象传递能量”的原理一样。 电磁波为横波。电磁波的磁场、电场及其行进方向三者互相垂直。振幅沿传播方向的垂直方向作周期性交变，其强度与距离的平方成反比，波本身带动能量，任何位置之能量功率与振幅的平方成正比。 其速度等于光速c（每秒310八次方）。在空间传播的电磁波，距离最近的电场（磁场）强度方向相同，其量值最大两点之间的距离，就是电磁波的波长，电磁每秒钟变动的次数便是频率f。三者之间的关系可通过公式c=f。 通过不同介质时，会发生折射、反射、绕射、散射及吸收等等。电磁波的传播有沿地面传播的地面波，还有从空中传播的空中波以及天波。波长越长其衰减也越少，电磁波的波长越长也越容易绕过障碍物继续传播。 机械波与电磁波都能发生折射、反射、衍射、干涉,因为所有的波都具有波粒两象性.折射、反射属于粒子性； 衍射、干涉为波动性。 能量电磁波的能量大小由坡印廷矢量决定，即S=EH,其中s为坡印庭矢量，E为电场强度，H为磁 场强度。E、H、S彼此垂直构成右手螺旋关系；即由S代表单位时间流过与之垂直的单位面积的电磁能，单位是Wm²。 电磁波具有能量，电磁波是一种物质。 电磁波的计算c=f c：光速(这是一个常量，约等于3108m/s) 单位：m/s f：频率(单位：Hz,1MHz=1000kHz=1106Hz) ：波长（单位：m） 电磁波的发现1864年，英国科学家麦克斯韦在总结前人研究电磁现象的基础上，建立了完整的电磁波理论。他断定电磁波的存在，推导出电磁波与光具有同样的传播速度。 1887年德国物理学家赫兹用实验证实了电磁波的存在。之后，1898年， 马可尼又进行了许多实验，不仅证明光是一种电磁波，而且发现了更多形式的电磁波，它们的本质完全相同，只是波长和频率有很大的差别。 电磁波谱按照波长或频率的顺序把这些电磁波排列起来，就是电磁波谱。如果把每个波段的频率由低至高依次排列的话，它们是工频电磁波、无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线及射线。以无线电的波长最长，宇宙射线的波长最短。 无线电波 3000米0.3毫米。（微波 0.1100厘米） 红外线 0.3毫米0.75微米。（其中：近红外为0.763微米，中红外为36微米，远红外为615微米，超远红外为15300微米） 可见光 0.7微米0.4微米。 紫外线 0.4微米10毫微米 X射线 10毫微米0.1毫微米 射线 0.1毫微米0.001毫微米 高能射线 小于0.001毫微米 传真（电视）用的波长是36米；雷达用的波长更短，3米到几毫米。 电磁辐射广义的电磁辐射通常是指电磁波频谱而言。狭义的电磁辐射是指电器设备所产生的辐射波，通常是指红外线以下部分。 电磁辐射是传递能量的一种方式，辐射种类可分为三种： 游离辐射 有热效应的非游离辐射 无热效应的非游离辐射 基地台电磁波 绝非游离辐射波 电磁辐射对人体的伤害电磁辐射危害人体的机理主要是热效应、非热效应和积累效应等。 热效应：人体内70%以上是水，水分子受到电磁波辐射后相互摩擦，引起机体升温，从而影响到身体其他器官的正常工作。 非热效应：人体的器官和组织都存在微弱的电磁场，它们是稳定和有序的，一旦受到外界电磁波的干扰，处于平衡状态的微弱电磁场即遭到破坏，人体正常循环机能会遭受破坏。 累积效应：热效应和非热效应作用于人体后，对人体的伤害尚未来得及自我修复之前再次受到电磁波辐射的话，其伤害程度就会发生累积，久之会成为永久性病态或危及生命。对于长期接触电磁波辐射的群体，即使功率很小，频率很低，也会诱发想不到的病变，应引起警惕！ 各国科学家经过长期研究证明：长期接受电磁辐射会造成人体免疫力下降、新陈代谢紊乱、记忆力减退、提前衰老、心率失常、视力下降、听力下降、血压异常、皮肤产生斑痘、粗糙，甚至导致各类癌症等；男女生殖能力下降、妇女易患月经紊乱、流产、畸胎等症。 随着人们生活水平的日益提高，电视、电脑、微波炉、电热毯、电冰箱等家用电器还有手机等越来越普及，电磁波辐射对人体的伤害越来越严重。但由于电磁波是看不见，摸不着，感觉不到，且其伤害是缓慢、隐性的，所以尚未引起人们的广泛注意。家用电器尽量勿摆放于卧室，也不宜集中摆放或同时使用。 看电视勿持续超过3小时，并与屏幕保持3米以上的距离；关机后立即远离电视机，并开窗通风换气，以洗面奶或香皂等洗脸。 用手机通话时间不宜超过3分钟，通话次数不宜多。尽量在接通1一2秒钟之后再移至面部通话，这样可减少手机电磁波对人体的辐射危害。 具有防电磁波辐射危害的食物有：绿茶、海带、海藻、裙菜、Va、Vc、Vb1、卵磷脂、猪血、牛奶、甲鱼、蟹等动物性优质蛋白等。 电磁波的降低降低电磁波的不良影响，就必须养成自我防范的习惯。一般电器行都有贩售电磁波测试笔，可以轻易测出电磁波的强度，只要超过标准就会发出警讯，使用者就应远离被测物直至警讯消失为止。 要测知电气产品是否有辐射或电磁波，也可以采取比较简便的方式，就是利用家用、小型可接收AM（调幅）频道的收音机，打开后将频道调在没有广播的地方，并且靠近所要测量的 电视、冰箱、微波炉或电脑等家电用品，就会发现收音机所传出的 噪音突然变大，走出一段距离后，才会恢复原来较小的噪音量；如此即可测出安全距离来。 不同的电器也有不同的防范办法，像电脑用过最好只关萤幕不关机，电脑萤幕改换成液晶萤幕；接听手机时，手机最好不要放在腰间或裤子口袋中，而应该用手持或放置于距离人体五十公分处；购买住宅则在远离变电设备及基地台设置地点。 1993 年瑞典北欧三国研究调查公布，受到2mG 以上电磁辐射影响，罹患白血病的机会是正常人的 2.1 倍，罹患脑肿疡的机会是正常人的1.5 倍，以上资料摘自日本1996.3 出版SAPIO 杂志。 (4-1), 专家建议： 防止电磁波的10 大对策原 因 说 明1.尽量远离电化制品距离愈远，受电磁波的影响愈小。2.无法远离时要尽量缩短使用时间再强的电磁波，时间愈短，影响愈小。3.选用电磁波小的制品电灯泡比日光灯小，无线电话比行动电话小4.与其选用大型，尽量选用小型同种的家电制品，大型的不但耗电量高，电磁波也强。5.年轻人要特别注意细胞分裂正值旺盛的年轻人容易受影响，孕妇特别要注意。6.要晓得测定出的安全距离厂家的电磁波数字不准，要明确的测出才好。7.注意后方及两侧电视机与个人电脑的后方及两侧所释出的电磁波极强。8.插头不用的时候要拔掉插头插着的时候，大多数的电磁波即会释出。9.睡觉时要特别注意睡觉时间通常很长，即使微量的曝露其影响也会很大10.改变非依赖电不可的心态电化制品环绕着的生活，曝露于电磁波的机会乃大增。电磁波的特性与声波和水波相似，电磁波具有波的性质。可以发生折射等现象。它的速度，波长，频率之间满足关系式： 传播速度=波长频率。 电磁波在空气中的传播速度为光速，波长=300/频率F（GHz）mm。从同步卫星到地球的传播时间大约1/8秒，因此收看卫星直播明显可以觉察到节目的滞后效应。 电磁波的应用电磁波为横波，可用于探测、定位、通信等等。 电磁波谱(波长从长到短)是无线电波,微波,红外线,可见光,紫外线,伦琴射线(X射线),伽玛射线. 应用： 无线电波用于通信等 微波用于微波炉 红外线用于遥控、热成像仪、红外制导导弹等 可见光是所有生物用来观察事物的基础 紫外线用于医用消毒,验证假钞,测量距离,工程上的探伤等 X射线用于CT照相 伽玛射线用于治疗,使原子发生跃迁从而产生新的射线等. 无线电波。无线电广播与电视都是利用电磁波来进行的。在无线电广播中，人们先将声音信号转变为电信号，然后将这些信号由高频振荡的电磁波带着向周围空间传播。而在另一地点，人们利用接收机接收到这些电磁波后，又将其中的电信号还原成声音信号，这就是无线广播的大致过程。而在电视中，除了要像无线广播中那样处理声音信号外，还要将图像的光信号转变为电信号，然后也将这两种信号一起由高频振荡的电磁波带着向周围空间传播，而电视接收机接收到这些电磁波后又将其中的电信号还原成声音信号和光信号，从而显示出电视的画面和喇叭里的声音。 电磁波的电场(或磁场)随时间变化，具有周期性。在一个振荡周期中传播的距离叫波长。振荡周期的倒数，即每秒钟振动(变化)的次数称频率。 很显然，波长与频率的乘积就是每秒钟传播的距离，即波速。令波长为，频率为f，速度为V，得： =V/f波长入的单位是米(m)，速度的单位是米/秒(m/sec)，频率的单位为赫兹(Hertz，Hz)。 整个电磁频谱，包含从电波到宇宙射线的各种波、光、和射线的集合。不同频率段落分别命名为无线电波(3KHz3000GHz)、红外线、可见光、紫外线、X射线、射线(伽马射线)和宇宙射线。 在19世纪末，意大利人马可尼和俄国人波波夫同在1895年进行了无线电通信试验。在此后的100年间，从3KHz直到3000GHz频谱被认识、开发和 逐步利用。根据不同的持播特性，不同的使用业务，对整个无线电频谱进行划分，共分9段：甚低频(VLF）、低频(LF)、中频(MF)，高频(HF)、甚 高频(VHF)特高频(uHF)超高频(sHF)极高频(EHF)和至高频，对应的波段从甚(超)长波、长波、中波、短波、米波、分米波、厘米波、 毫米波和丝米波(后4种统称为微波)。见下表。无线电频谱和波段划分 段号 频段名称 频段范围（含上限不含下限） 波段名称 波长范围（含上限不含下限） 1 甚低频（VLF） 330千赫（KHz） 甚长波 10010km 2 低频（LF） 30300千赫（KHz） 长波 101km 3 中频（MF） 3003000千赫（KHz） 中波 1000100m 4 高频（HF） 330兆赫（MHz） 短波 10010m 5 甚高频（VHF） 30300兆赫（MHz） 米波 101m 6 特高频（UHF） 3003000兆赫（MHz） 分米波 微波 10010cm 7 超高频（SHF） 330吉赫（GHz） 厘米波 101cm 8 极高频（EHF） 30300吉赫（GHz） 毫米波 101mm 9 至高频 3003000吉赫（GHz） 丝米波 10.1mm 电磁波治疗应用“特定电磁波谱”（TDP）是由特定的加热器对治疗板产生的波长范围在2-25m，强度范围（28-35mwcmsup2）内分布的特定电磁波，当人体2匹配接收后与体内细胞所含相同物质产生谐振，因而可增强微循环作用，促进新陈代谢，产生对人体病变的修复，使病患者能迅速康复，非病患者能提高自身的抵抗能力。 例如国仁TDP，在经大量临床试验的基础上，确认特定电磁波谱的照射可应用于治疗颈椎病，腰椎间盘突出、腰痛，腰饥劳损，风湿关节炎，坐骨神经痛，面神经麻痹，术后伤口愈合，外伤感染，冻疮，胃炎、横隔膜痉挛、神经性皮炎、湿疹，偏头痛、头痛、痛经，痔疮等。被广泛应用到外科、内科、妇科、儿科、神经科及其它疾病。同时经过国家计量科学院等权威机构的精确测定，证实对人体无任何副作用。 电磁波的传导电磁波为横波。电磁波的磁场、电场及其行进方向三者互相垂直。振幅沿传播方向的垂直方向作周期性交变，其强度与距离的平方成反比，波本身带动能量，任何位置之能量功率与振幅的平方成正比。 其速度等于光速c（每秒3108米）。在空间传播的电磁波，距离最近的电场（磁场）强度方向相同，其量值最大两点之间的距离，就是电磁波的波长，电磁每秒钟变动的次数便是频率f。三者之间的关系可通过公式c=f。 通过不同介质时，会发生折射、反射、绕射、散射及吸收等等。电磁波的传播有沿地面传播的地面波，还有从空中传播的空中波以及天波。波长越长其衰减也越少，电磁波的波长越长也越容易绕过障碍物继续传播。电磁波的应用。 电磁波为横波，可用于探测、定位、通信等等。 电磁波谱电磁波谱是无线电波,微波,红外线,可见光,紫外线,伦琴射线(X射线),伽玛射线.首先,无线电波用于通信等,微波用于微波炉,红外线用于遥控,热成像仪，红外制导导弹等,可见光是所有生物用来观察事物的基础,紫外线用于医用消毒,验证假钞,测量距离,工程上的探伤等,X射线用于CT照相,伽玛射线用于治疗,使原子发生跃迁从而产生新的射线等. 电磁波用途无线电广播与电视都是利用电磁波来进行的。在无线电广播中，人们先将声音信号转变为电信号，然后将这些信号由高频振荡的电磁波带着向周围空间传播。而在另一地点，人们利用接收机接收到这些电磁波后，又将其中的电信号还原成声音信号，这就是无线广播的大致过程而在电视中，除了要象无线广播中那样处理声音信号外，还要将图象的光信号转变为电信号，然后也将这两种信号一起由高频振荡的电磁波带着向周围空间传播，而电视接收机接收到这些电磁波后又将其中的电信号还原成声音信号和光信号，从而显示出电视的画面和喇叭里的声音。 无线电广播利用的电磁波的频率很高，范围也非常大，而电视所利用的电磁波的频率则更高，范围也更大。 电磁波穿透力因为电磁波具有波粒二象性,波长与光子能量成反比关系,当波长越短光子能量越大,则穿透力越强。 电磁波对人体的副作用及防护一、 电磁污染对人体的副作用 （1）电磁辐射是心血管疾病、糖尿病、癌突变的主要诱因之一； （2）电磁辐射会对人体生殖系统、神经系统和免疫系统造成直接伤害； （3）电磁辐射是造成孕妇流产、不育、畸胎等病变的诱发因素之一； （4）过量的电磁辐射直接影响儿童身体组织、骨骼发育，导致视力、肝脏造血功能下降，严重者可导致视网膜脱落； （5）电磁辐射可使男性性功能下降、女性内分泌紊乱。 二、电磁波的防护 1、电磁环境标准及相关规定。为控制现代生活中电磁波对环境的污染，保护人们身体健康，1989年12月22日我国卫生部颁布了环境电磁波卫生标准( GB917588)，规定居住区环境电磁波强度限制值：长、中、短波应小于lOV/m，超短波应小于5V/m，微波应小于10W/cm2。我国有关部门还制订了电视塔辐射卫生防护距离标准，国家环保局也颁布了电磁辐射环境保护管理办法。 针对移动通信发展状况，北京市环保局于2000年2月17日颁布了全国首例对电磁污染进行规范管理的北京市移动通讯建设项目环境保护管理规定(试行)，以规范移动通信台(站)的建设和运行，防止其对环境造成电磁污染。该规定中明确了能够产生电磁辐射的移动通信台(站)在建设前均要履行环保审批手续，并要办理环保验收审批，经环保部门的监测，当地功率密度符合国家电磁辐射防护规定中的频率在20 MHz3000 MHz范围内、照射导出限值的功率密度在40W/cm2这一标准，才可正式投人使用，大于这一标准的必须停用或整改；建设蜂窝移动通讯基站前要预测用户密度分布，采用最佳频率复用方式，尽量减少基站个数；在居民楼上建设移动通信台(站)，事前建筑物产权单位或物业管理单位必须征得所住居民意见；无线寻呼通信、集群通信天线最低允许高度不得低于40m,而蜂窝移动通信基站室外天线一般不得低于25m,发射天线主射方向50m范围内、非主射方向30m范围内，一般不得建高于天线的医院、幼儿园、学校、住宅等建筑；建设单位应在上述各类天线安装地点设置电磁辐射警示牌。 2、 电磁波防护措施。根据电磁波随距离衰减的特性，为减少电磁波对居民的危害，应使发射电磁功率较大、可能产生强电磁波的工作场所和设施，如电视台、广播电台、雷达通信台站、微波传送站等，尽量设在远离居住区的远郊区县或地势高的地区。必须设置在城市内、邻近居住区域和居民经常活动场所范围内的设施，如变电站等，应与居住区间保持一定安全防护距离，保证其边界符合环境电磁波卫生标准的要求。同时，对电磁波辐射源需选用能屏蔽、反射或吸收电磁波的铜、铝、钢等金属丝或高分子膜等材料制成的物品进行电