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第九节电磁场和电磁波,复习系列课件振动和波,伽利略,自然科学之父,牛顿,力学之父,法拉第,电学之父,麦克斯韦,电波之父,伽利略,法拉第,铺垫式的人物,牛顿,麦克斯韦,集大成式的人物,科学家简介,一、电磁场,19世纪60年代，英国物理学家麦克斯韦在总结前人研究的基础上，建立了完整的电磁场理论。这个理论不仅说明了当时已知的电磁现象，而且预言存在着一种新的能量传输形式，这就是电磁波。电磁场理论的诞生，不仅具有深刻的理论意义，而且具有广泛的应用前景，对人类社会发展产生了巨大而深远的影响。麦克斯韦对科学的伟大贡献在于他提出和发展了新的世界观，为未来的科学研究指明了方向。他的电磁学理论通向相对论；他的气体动力学理论对量子论起过作用；他筹建并领导的卡文迪许实验室引导了实验原子物理学的发展。这一切使他成为牛顿之后、爱因斯坦之前最重要的物理学家。,麦克斯韦电磁场理论:,变化的磁场产生电场,变化的电场产生磁场,例1：如图所示，有一匝电阻为1的闭合金属圆环a，面积为0.1m2,圆环平面与磁场方向垂直，磁场的磁感应强度随时间的变化关系如图b所示，求线圈中的电流大小？,结论：均匀变化的磁场产生稳定的电场。,电磁场：变化的磁场产生电场，变化的电场产生磁场，变化的电场和磁场总是相互联系的，形成一个不可分离的统一的场，这就是电磁场。（电场和磁场只是这个统一的电磁场的两种具体表现）,随堂练习：根据麦克斯韦的电磁理论，下列说法正确的是（）A.在电场周围一定产生磁场，磁场周围一定产生电场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均匀变化的电场周围一定产生均匀变化的磁场D.振荡的电场一定产生同频率振荡的磁场,D,1.电磁波的产生：如果在空间某处发生了变化的电场，就会在空间引起变化的磁场，这个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，变化的电场和磁场并不局限于空间某个区域，而是由近及远向周围空间传播开去。电磁场这样由近及远地传播，形成电磁波。,思考：为什么普通的LC振荡电路不能有效地发射电磁波？,二、电磁波,普通的LC振荡电路中电场主要集中在电容器极板之间，磁场主要集中在线圈内部，振荡过程中电场能和磁场能主要是在电路内部互相转化，辐射出去的能量很少，不能有效发射电磁波。,思考：要有效向外发射电磁波，振荡电路必须具有哪些特点？,2.振荡电路必须具有如下特点：第一、要有足夠高的频率。频率越高，发射电磁波的本领越大。（单位时间内辐射出去的能量与频率的四次方成正比）,3.由闭合电路变成开放电路,第二、振荡电路的电场和磁场必须分散到尽可能大的空间。即成为开放电路。,（1）电磁场中的电场和磁场互相垂直，电磁波在与两者均垂直的方向传播。,（2）相邻两个波峰或相邻的两个波谷之间的距离等于电磁波的波长。（波峰、波谷的意义）,（3）在传播方向上任一点E和B都随时间作正弦变化，它们彼此垂直，而且都跟波的传播方向垂直，因此电磁波是横波。,4、电磁波的特点,5.电磁波在空间以一定的速度传播，其波长、频率f、和波速v的关系遵从波动的一般关系,机械波的波长、频率、波速三者之间的关系是怎样的？,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在真空中的传播速度。即电磁波在真空中的传播速度C=3.0108m/s这个预见后来得到了证实,6.电磁场具有电磁能，电磁波在空间传播，电磁能就随之一起传播。,问题：机械波传播需要介质吗？电磁波传播需要介质吗？机械波产生的机理是什么？电磁波产生的机理是什么？,7.电磁波的传播不需要任何介质。,赫兹用实验证实了麦克斯韦理论的正确性（1888年）,1、电磁波是_波，在垂直传播方向上的振动有_个，一个是_场，一个是_场,2、电磁波的频率等于发射电磁波的振荡电路的_，在不同介质中传播时，其频率不变。,4、电磁波的波长：_，取决于,3、在不同介质中其传播速度，在真空中的传播速度为，在同一介质中其速度还与频率有关,5、电磁波具有能，电磁波的发射过程就是向外辐射能量、传递信息的过程。,6、也会发生、等现象,横,两,电,磁,振荡频率,不同,3108m/s,v/f,电磁,反射,折射,衍射,干涉,多普勒效应,介质与频率,填空题：,随堂练习：1、关于电磁波在真空中的传播，下列说法中正确的是（）A.频率越高，传播速度越大B.波长越长，传播速度越大C.电磁波的能量越大，传播的速度越大D.频率、波长、能量的强弱都不影响电磁波的传播速度,D,2.关于电磁波和电磁场，下列说法中正确的是（）A.均匀变化的电场在它的周围空间产生均匀变化的磁场B.电磁波中每一处的电场强度和磁感应强度总是互相垂直的，且与波的传播方向垂直C.电磁波和机械波一样依赖于介质传播D.只要空间某区域有振荡的电场或磁场，就能产生电磁波,B,调制：使电磁波随各种信号而改变叫做调制。,调幅：使高频遮挡的振幅随信号而改变叫做调幅。,调频：使高频振荡的频率随信号而改变叫做调频。,电谐振：当接收电路的固有频率跟接收道的电磁波的频率相同时，接收电路中产生的振荡电路最强，这种现象叫做电谐振。,调谐：使接收电路产生电谐振的过程叫做调谐。,检波：从接受到的高频振荡中“检”出所携带的信号，叫做检波。检波是调制的逆过程，因此也叫解调。,三、电磁波的发射、传播和接收,无线电波的传播方式有三种：,天波、地波、直线传播,1、无线电波的发射,有效的向外界发射电磁波的条件是什么？,1、要有足够高的振荡频率，因为频率越高，发射电磁波的本领越大。2、振荡电路的电场和磁场必须分散到尽可能大的空间，才有可能有效的将电磁场的能量传播出去。,改造LC振荡电路由闭合电路成开放电路（如图）,采用什么手段可以有效的向外界发射电磁波？,2、无线电波的接收,电磁波在空间传播时，如果遇到导体，会使导体产生感应电流，感应电流的频率跟激起它的电磁波的频率相同。因此利用放在电磁波传播空间中的导体，就可以接收到电磁波了。,发射的无线电波如何被接收到呢？,如何使我们需要的电磁波在接收天线中激起的感应电流最强呢？,当接收电路的固有频率跟接收到的电磁波的频率相同时，接收电路中产生的振荡电流最强。（这种现象叫做电谐振）,光的干涉现象,光的衍射现象,光是一种波,19世纪中叶，光的波动说已经得到了公认，但是光波的本质到底是什么，是像水波？还是像声波呢？,19世纪60年代，麦克斯韦预言了电磁波的存在，并从理论上得出电磁波在真空中的传播速度应为：,光是一种电磁波？,四、电磁波谱,1、红外线：波长在770nm106nm的电磁波，波长比红光的长，它在红光的左边。,2、发现者：英国物理学家赫谢耳在1800年发现的。,3、显著特征：热效应,4、应用：用于烘干，夜视，遥控技术，红外线摄影,红外线,一切物体都在不断地向外辐射红外线。,紫外线,注意：红外线与紫外线人眼都是看不到的,1、紫外线有荧光作用，如日光灯，防伪,2、能合成维生素D，有助于促进钙的吸引,3、紫外线能够杀灭多种细菌.,一切高温物体发的光中都含有紫外线,化学作用、荧光作用、杀菌消毒作用,3、特点:,4、作用:,1、紫外线：波长在5nm400nm的电磁波，波长比紫光的短，它在紫光的右边。,2、发现者：德国物理学家里特在1801年发现的。一切高温物体（如太阳）发出的光中均含有大量的紫外线。,伦琴射线,伦琴射线，也叫X射线是德国物理学家伦琴在1895年发现的波长比紫外线更短。他的穿透能力很强，能使包在黑纸里的照像底片感光，下图是产生X射线的装置，叫做X射线管：,1、K是阴极,2、A是阳极（也叫对阴极）,来源：特点：应用：,X射线管,穿透能力很强,人体透视、检查金属部件裂纹,注：高速电子流射到任何固体上都能产生伦琴射线。,比伦琴射线波长更短的电磁波，那就是射线，我们将在以后学习,射线,特点：穿透能力更强,应用：,射线的穿透本领更大，在工业和医学等领域有广泛的应用，如探伤，测厚或用刀进行手术,1、定义：,把无线电波、红外线、可见光、紫外线、伦琴射线、射线等合起来，构成了范围非常广阔的电磁波谱。,无线电波、红外线、可见光、紫外线、伦琴射线、射线,波长逐渐减小、频率逐渐增大,干涉、衍射越来越困难,电磁波谱,2、各种电磁波的产生机理,（1）无线电波：,振荡电路中自由电子的周期性运动产生的,（2）红外线、可见光、紫外线：,原子外层电子受激发产生的,（3）伦琴射线：,原子内层电子受激发产生的,（4）射线：,原子核受激发产生的,3、电磁波与机械波的比较,有横波也有纵波,是横波,种类,取决于介质,真空中：恒定介质：取决于介质与频率,速度,需要介质传播机械能及信息,不需介质传播电磁能及信息,传播,本身不是物质，是运动形式的传播,是一种客观存在的物质,本质,都是波，都会发生干涉、衍射等现象都满足关系：v=f,联系,机械波,电磁波,移动通信系统是一个有线与无线相结合的综合通信系统。以甲市移动用户A与乙市移动用户B进行移动通信为例，其信号流程图如图：,移动用户A,邻近基站,移动交换中心,甲市话局,乙市话局,移动交换中心,邻近基站,移动用户B,4、手机信号的流程图,1、下列关于电磁波的叙述中，正确的是（）A.电磁波是电磁场由发生区域向远处的传播B.在任何介质中的传播速度均为3108m/sC.波由真空进入介质传播时，波长将变短D.波不能产生干涉、衍射现象,五、思考与讨论,AC,2、关于电磁波和机械波的性质比较，下列说法正确的是（）A、都可以在真空中传播B、都可以产生衍射、干涉现象C、都是能量由近及远地向外传播D、都能产生反射、折射现象,BCD,7、关于电磁波和电磁场，下列说法中正确的是()A.均匀变化的电场在它的周围空间产生均匀变化的磁场B.电磁波中每一处的电场强度和磁感应强度总是互相垂直的，且与波的传播方向垂直C.电磁波和机械波一样依赖于介质传播D.只要空间某区域有振荡的电场或磁场，就能产生电磁波,B,思考与讨论,8、下列各组电磁波中,接波长由长到短排列正确的是（）A、红外线、紫外线、可见光、射线B、射线、紫外线、红外线、可见光C、射线、紫外线、可见光、红外线D、红外线、可见光、紫外线、射线,D,9、有些动物在夜间几乎什么也看不见，而猫头鹰在夜间却有很好的视力，其原因为（）A不需要光线，也能看到B自身眼睛发光，照亮搜索目标C可对红外线产生视觉D可对紫外线产生视觉,C,10、各种电磁波产生的机理不同，下面给出的几组电磁波中，哪一组中的电磁波都是由原子外层电子受激发后产生的（）A、红光、紫光、伦琴射线B、微波、红外线、紫光、紫外线C、无线电波、微波、红外线D、黄光、绿光、紫光11、对红外线的作用和来源正确的叙述有（）A、一切物体都在不停地辐射红外线B、红外线有很强的荧光效应C、红外线最显著的作用是热作用D、红外线容易穿过云雾烟尘,D,ACD,12、电磁波包括的范围很广，产生的机理有所不同，下列说法中正确的是（）A、红外线、可见光、紫外线是原子的外层电子受激发而产生的B、伦琴射线是原子内层电子受激发而产生的C、射线是原子核受到激发而产生的D、无线电波是振荡电路中自由电子的周期性运动产生的,ABCD,思考与讨论,13、下列各组电磁波，按衍射能力由强到弱正确排列的是（）A、射线、红外线、紫外线、可见光B、可