麦克斯韦的电磁场理论及电磁波的发现 教学课件

4.1、4.4麦克斯韦的电磁场理论及电磁波的发现奥斯特电流的磁效应法拉第电磁感应现象第一页，共二十六页。

英国物理学家经典电磁理论的奠基人。1831年6月13日出生于爱丁堡。15岁那年他的一篇关于卵形曲线画法的论文发表在《爱丁堡皇家学会会刊》上，比笛卡尔的方法还简便。16岁进入爱丁堡大学听课，专攻数学，很重视实验。19岁考入剑桥大学，23岁以优异的成绩毕业，并留校工作。29岁起任伦敦皇家学院物理学和天文学教授。1871年起负责筹划卡文迪许实验室。1879年因癌症逝世，终年48岁。麦克斯韦第二页，共二十六页。伟大的预言

麦克斯韦的电磁场理论要点——伟大的预言

变化的磁场产生电场:线圈中为什么会产生感应电动势：总结：麦克斯韦认为线圈只不过用来显示电场的存在，线圈不存在时，变化的磁场同样在周围空间产生电场，即这是一种普遍存在的现象，跟闭合电路是否存在无关。

当穿过螺线管的磁场随时间变化时，上面的线圈中产生感应电动势，引起感应电流使灯泡发光。麦克斯韦认为变化的磁场在线圈中产生电场，正是这种涡旋电场在线圈中驱使自由电子做定向的移动，引起了感应电流。第三页，共二十六页。恒定的磁场不产生电场均匀变化的磁场产生恒定的电场周期性变化的磁场产生同频率的振荡电场非均匀变化的磁场产生变化的电场一、麦克斯韦的电磁场理论1、变化的磁场产生电场EtOBtOtBOEOt正弦曲线振荡磁场振荡电场E与B频率相同变化的磁场能够在空间产生电场，变化的电场能不能够在空间产生磁场？第四页，共二十六页。2、变化的电场产生磁场恒定的电场不产生磁场均匀变化的电场产生恒定的磁场周期性变化的电场产生同频率的振荡磁场非均匀变化的电场产生变化的磁场麦克斯韦经过反复思考提出另一假设：BtOEtOtEOBOt正弦曲线振荡电场振荡磁场B与E频率相同变化的电场也相当于一种电流（位移电流），也在空间产生磁场，即变化的电场在空间产生磁场。第五页，共二十六页。二．电磁场和电磁波变化的电场和变化的磁场交替产生，由近及远地传播。BBEEEE+-振荡电偶极子附近的电磁场线

1、电磁场：变化的电场和变化的磁场是相互联系的，形成一个不可分离的统一体，这就是电磁场。2、电磁波：变化的电磁场在空间以一定的速度传播的过程叫做电磁波。麦克斯韦根据自己的理论，用一组偏微分方程展示了自然界这种对称的美，并进一步预言了电磁场和电磁波的存在第六页，共二十六页。不同时刻振荡电偶极子附近的电场线+++++++-振荡电偶极子附近的电磁场线第七页，共二十六页。3、电磁波的特点1）电磁波是横波E⊥B⊥V2)波速计算满足：4)电磁波的频率由振源决定，同一电磁波在不同介质中传播，v和λ变化，

v介<C3）电磁波可以在真空中传播，速度等于光速c=3×108m/s6）具有波的共性，能发生反射、折射、干涉、衍射、多普勒效应和偏振现象。7）电磁波有能量。5)不同电磁波在同一介质中传播，速度不同，f越高，v越小；f越低，v越大第八页，共二十六页。三．赫兹的电火花1、麦克斯韦英年早逝，没有见到科学实验对电磁场理论的证明。把天才的预言变成世人公认的真理，是赫兹的功劳。2、赫兹用实验证实电磁波的存在：1）观察到了电磁波的反射,折射,干涉,偏振和衍射等现象2）还测量出光的λ和f，算出电磁波和光有相同的速度.3）奠定了无线电技术基础赫兹在人类历史上首先捕捉到了电磁波令人振奋的电火花第九页，共二十六页。第十页，共二十六页。1）传播条件：2）传播规律：3）传播本质：4）产生本质不同：机械波传播需要介质；而电磁波不需要介质也能传播。都遵循

这个关系式；且电磁波也能发生反射、折射、衍射、干涉等现象。机械波传播的是机械能；电磁波传播的是电磁能。机械波是机械振动产生；电磁波是电磁振荡产生。3.电磁波与机械波比较：4、麦克斯韦的电磁场理论的意义1）实现了电磁光的统一，被认为是19世纪科学史上最伟大的统一2）实现了从经典物理学向现代物理学的重大转折第十一页，共二十六页。四、电磁波谱：

1、定义：按电磁波的波长或频率大小的顺序把他们排列成谱，叫做电磁波谱。第十二页，共二十六页。可见光（赤橙黄绿蓝靛紫）红外线无线电波紫外线X射线和γ射线（700nm>λ>400nm）（400nm>λ>5nm）λ小大（1mm>λ>700nm）（λ>1mm）（5nm>λ）第十三页，共二十六页。2）红外线

是一种光波，λ比无线电波短，比可见光长。所有物体都辐射红外线。主要作用是热作用。人眼看不见红外线。利用红外线测量体温

2、电磁波特性1）可见光：能引起视觉的电磁波叫做可见光。只占电磁波中的一个很狭窄的波段（赤橙黄绿蓝靛紫）真空中波长（700nm>λ>400nm）真空中波长（1mm>λ>700nm）第十四页，共二十六页。红外线主要作用是热作用，可以利用红外线来加热物体和进行红外线遥感红外线技术的应用注意:烤箱中的红光,不是红外线,红外线是看不见的.

利用红外线检测人体的健康状态，本图片是人体的背部热图，透过图片可以根据不同颜色判断病变区域．

红外线卫星云图显示一九九九年九月十六日台风约克于清晨靠近香港时,中心的风眼清晰可见．第十五页，共二十六页。3)无线电波λ＞1㎜的电磁波。用通信和广播。微波炉用的也是无线电波。电视塔能发射无线电波利用微波加热4)紫外线波长范围在5---400nm的电磁波是紫外线。紫外线具有较高的能量。紫外线消毒紫外线验钞第十六页，共二十六页。5）X射线和γ射线波长比紫外线更短的电磁波就是X射线和γ射线X射线和γ射线的波长很短，具有很强的穿透性。

可用于医疗透视，工业探伤等γ射线的波长更短，穿透能力更强，能穿透几cm厚的铅板或3m的水泥墙

频率(波长)不同的电磁波表现出作用不同红外线主要作用是热作用，可以利用红外线来加热物体和进行红外线遥感；紫外线主要作用是化学作用，可用来杀菌和消毒；伦琴射线有较强的穿透本领，利用其穿透本领与物质的密度有关，进行对人体的透视和检查部件的缺陷；γ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γ刀进行手术．归纳

频率不同的电磁波产生的机理不同无线电波是由振荡电流产生的红外线、可见光、紫外线是由原子外层电子受到激发后产生的伦琴射线由原子内层电子受到激发后产生的γ射线是原子核受到激发产生的第十七页，共二十六页。无线电波红外线可见光紫外线X射线γ射线组成

波长：由大到小波动性：逐渐减弱

频率：由小到大粒子性：逐渐增强产生机理在振荡电路中，自由电子作周期性运动产生原子的外层电子受到激发产生的原子的内层电子受激发后产生的原子核受激发后产生的种

类产

生主要性质应用举例红外线一切物体都能发出热效应遥感、遥控、加热紫外线一切高温物体能发出化学效应荧光、杀菌X射线阴极射线射到固体表面穿透能力强人体透视、金属探伤红外线、紫外线、X射线的主要性质及其应用举例．各种电磁波中，除可见光以外，相邻两个波段间都有重叠第十八页，共二十六页。3、太阳辐射的电磁波太阳辐射中含有可见光、红外线、紫外线，同时还有X射线、γ射线、无线电波。太阳辐射的能量集中在可见光、红外线和紫外线三个区域内，如下图。波长在黄绿光附近，辐射的能量最强。第十九页，共二十六页。小结一、麦克斯韦电磁场理论1．变化的磁场产生电场2．变化的电场产生磁场3．电磁场→传播→电磁波4、电磁波不需介质，以光速传播。二、赫兹证实：1、电磁场、电磁波的存在。2、电磁波能反射、折射、干涉、衍射和偏振等现象，证明了电磁波与光具有相同的性质。三、电磁波谱1、电磁波谱：按电磁波的波长或频率大小的顺序把它们排列成谱。2、波长从大到小的顺序：无线电波、光波（红外线、可见光、紫外线）、X射线、γ射线电磁波的能量：电磁波有能量。电磁波是一种物质。3、太阳辐射 太阳辐射的能量主要集中在可见光、红外线和紫外线三个区域。黄绿光附近，辐射的能量最强。3、电磁波是客观存在的物质电磁波具有能量。第二十页，共二十六页。1、按照麦克斯韦的电磁场理论，以下说法中正确的是（）A、恒定的磁场在周围产生恒定的电场B、变化的磁场在周围产生变化的电场C、均匀变化的磁场在周围产生均匀变化的电场D、均匀变化的磁场在周围产生恒定的电场例与练均匀变化的磁场（电场）产生恒定的电场（磁场）D2、按照麦克斯韦的电磁场理论，以下说法中正确的是（）A、振荡的磁场在周围产生恒定的电场B、振荡的磁场在周围产生均匀变化的电场C、振荡的电场在周围产生不同频率的振荡磁场D、振荡的电场在周围产生同频率的振荡磁场振荡磁场（电场）产生同频率的振荡电场（磁场）D第二十一页，共二十六页。电磁波是横波3、关于电磁波，下列说法中正确的是A、均匀变化的电场和均匀变化的磁场互相激发，由产生处向远处传播形成电磁波B、振荡电场和振荡磁场互相激发，由产生处向远处传播形成电磁波C、电磁波的振荡电场和振荡磁场方向互相垂直，且与传播方向互相垂直D、电磁波能够发生反射、干涉、衍射、偏振现象例与练BCD4、比较电磁波和机械波，下列说法中正确的是（）A、电磁波和机械波都可以在真空中传播B、电磁波和机械波都是传递能量的一种形式C、电磁波和机械波都能产生反射、干涉、衍射、偏振现象D、电磁波和声波都是纵波机械波只能在介质中传播电磁波是横波，声波是纵波BC第二十二页，共二十六页。5、2008年9月27日，我国神舟七号航天员翟志刚首次实现了中国航天员在太空的舱外活动（如图所示），神舟七号载人航天飞行取得了圆满成功，这是我国航天发展史上的又一里程碑。舱外的航天员与舱内的航天员近在咫尺，但要进行对话，一般需要利用（）A．紫外线B．无线电波C．γ射线D．X射线6、目前雷达发射的电磁波频率多在200MHz至1000MHz的范围内．下列关于雷达和电磁波说法正确的是（）A．真空中上述雷达发射的电磁波的波长范围在0.3m至1.5m之间B．电磁波是由恒定不变的电场或磁场产生的C．测出从发射电磁波到接收反射波的时间间隔可以确定雷达和目标的距离D．波长越短的电磁波，反射性能越强根据电磁波的定义及电磁场理论可知Ｂ不正确．根据电磁波的特点可知C、D正确．[解析]由可知A正确．【答案】A、C、DA、C、DB第二十三页，共二十六页。7．如图11-3-1所示，内壁光滑、水平放置的玻璃圆环内，有一直径略小于环口径的带正电的小球，正以速率v0沿逆时针方向匀速转动．若在此空间突然加上竖直向上、磁感应强度B随时间成正比例增加的变化磁场，设小球运动过程中的电量不变，那么（）A．小球对玻璃环的压力不断增大B．小球受到的磁场力不断增大C．小球先沿逆时针方向做减速运动，过一段时间后，沿顺时针方向做加速运动D．磁场力一直对小球不做功C、D[由题可知感应产生的环形电场对小球的作用力与小球速度方向相反]CD8．德国《世界报》曾报道过个别西方发达国家正在研制电磁脉冲波武器——电磁炸弹。若一枚原始脉冲波功率10千瓦，频率5兆赫的电磁炸弹在不到100m的高空爆炸，它将使方圆400－500m2地面范围内电场强度达到每米