大学物理学简明教程 课件 14电磁波

第十四章电磁波电磁场与电磁波的传播及应用本章内容

电磁波的发现与意义：麦克斯韦方程组的贡献：统一电磁场，预言电磁波存在赫兹实验（1887年）：首次证实电磁波，验证反射、折射、偏振等特性电磁波的影响：无线电、雷达、电视、通信技术的基础前言海因里希·赫兹（HeinrichRudolfHertz，1857—1894）是德国著名物理学家。赫兹在1886年至1889年间成功完成了一系列关键实验，为麦克斯韦的电磁理论提供了直接证据，并奠定了无线电通信的物理基础。电磁波的应用场景通讯领域：无线电广播、手机通信、卫星导航医疗领域：X光检测、核磁共振科学研究：光谱分析、天体物理观测日常生活：微波炉、WiFi、电视信号本章学习重点：◎电磁波的产生机制（振荡电路→偶极振子）◎平面电磁波的数学描述与特性◎能量与动量的传播规律◎波谱分布及实际应用本章学习目标：◎理解电磁波的产生机制与传播规律◎掌握平面电磁波的特性及波动方程◎熟悉电磁波的能量、动量及波谱应用1.电磁波的形成——物理图像14.1从电路中的电磁振荡到电磁辐射

麦克斯韦方程组（积分形式）

电磁波形成和传播

电磁波传播示意图涡旋电场涡旋磁场

无阻尼自由电磁振荡过程中，电场能量及磁场能量不断地相互转换，但在任意时刻，总能量保持不变，即能量守恒。

实际LC电路的能量损耗

3.偶极振子的电磁辐射——电路改造在闭合环状的电场产生后，由麦克斯韦假说——变化的电场可以产生磁场。磁场线是以偶极振子为轴的疏密相间的同心圆。电场线与磁场线相互垂直、相互套合，以一定的速度由近及远向外传播。

电磁波传播示意图

偶极振子的电磁场分布若振荡偶极子周围空间无限大且为真空时

电磁波的存在性直到麦克斯韦给出预言之后的20年才真正被实验所证实。1887年，德国实验物理学家赫兹正式应用上述类似的偶极振子，成功实现了发送和接收电磁波。

赫兹实验的意义：验证麦克斯韦理论的正确性证明电磁波与光波的统一性为无线电通信技术奠定实验基础

14.2从麦克斯韦方程组到波动方程麦克斯韦方程组（无源理想介质）微分形式：：

波动方程的推导

波类型传播介质场量性质速度公式电磁波无需介质机械波需弹性介质位移/压强（标量）

波动方程与机械波的对比1.均匀平面波的定义14.3理想介质中的均匀平面波

一般情况下，电磁波在空间传播时，其幅度和相位都会随空间和时间发生变化，等相位面不一定是平面，等相面上场强幅度大小也不一定相等。比如之前展示的振荡偶极子发出的电磁波。这里讨论电磁波传播的一种最简单的情况—平面波。

平面波的场分量特性

理想介质中均匀平面波的一维波动方程式

平面电磁波具有的性质

意义2.电磁波的能量和能量密度

它描述了单位体积内电磁场所包含的能量。在电磁波传播的过程中，量会随着波的传播而转移，也会与带电体相互作用，将能量传递给带电体。

3.电磁波的能流密度

负载上以及在导线上消耗的功率完全是在场中传输的。电场能量在导线附近的电磁场中沿一定方向传输。在传输过程中，一部分能量进入导线内部变为焦耳热损耗；在负载电阻上，电场能量从场中流入电阻内，供给负载所消耗的能量。

14.4电磁波动量

1901年由俄国物理学家列别捷夫首次测量出来，一些轻而薄的叶片用很细的石英丝悬挂在高真空容器中，其中一组叶片涂黑，另一组叶片反光。当强光照射时，由于两组叶片吸收不同，将受到不同的辐射压力从而产生净力矩，使旋丝扭转。通过固定在旋丝上的反射镜测出扭转的角度，由扭角的大小可以估测测辐射压力。

电磁波动量的应用场景光帆推进：利用太阳光压推动航天器（星际旅行潜力）激光冷却：通过光子动量减速原子（达到接近绝对零度）14.5电磁波谱

波段典型波长能量范围核心应用无线电波通信、雷达可见光视觉、照明医疗成像放疗、核物理波谱应用对比表

14.6电磁波的应用拓展光谱：复色光经色散后按波长排列的图案类型：发射光谱（线状、带状、连续）、吸收光谱、拉曼光谱1.光谱分析——基本概念发射光谱的特点线状光谱：原子发光（如氢原子光谱，离散谱线）带状光谱：分子发光（如气体放电，谱线密集成带）连续光谱：高温固液（如白炽灯，全波长辐射）吸收光谱的应用太阳光谱中的暗线（夫琅禾费线）：大气成分吸收特定波长应用：检测物质成分（如大气污染物、水中重金属）拉曼光谱（非弹性散射）原理：光与分子碰撞，能量交换导致波长变化特点：谱线偏移反映分子振动模式应用：材料成分分析、文物鉴定2.雷达

随着波长的降低，定位精度逐步提高

AN/SPS-49

Type965AN/SPG-62

相控阵雷达的优势电子扫描：通过调整阵元相位