大學(xué)物理第五版平面電磁波

1、第十章第十章 波動(dòng)波動(dòng)物理學(xué)物理學(xué)第五版第五版1復(fù)習(xí)復(fù)習(xí): : 1.1.駐波方程駐波方程2cos 2cos 2xyAt駐波振幅隨駐波振幅隨x 而異而異, ,與時(shí)間無(wú)關(guān)。與時(shí)間無(wú)關(guān)。4) 12(kx( 的奇數(shù)倍的奇數(shù)倍)4( 的偶數(shù)倍的偶數(shù)倍)42kx 4 2. 2.波腹波腹, ,波節(jié)位置波節(jié)位置: : 波腹位置波腹位置: : 波節(jié)位置波節(jié)位置: : )2, 1, 0(，k第十章第十章 波動(dòng)波動(dòng)物理學(xué)物理學(xué)第五版第五版2相鄰相鄰波腹（節(jié)）波腹（節(jié)）間距間距 24相鄰波相鄰波腹腹和波和波節(jié)節(jié)間距間距3.3.半波損失半波損失（相位躍變）（相位躍變）當(dāng)波由波疏介質(zhì)入射當(dāng)波由波疏介質(zhì)入射波密介質(zhì)波密介質(zhì)

2、 而在波密媒質(zhì)界面上反射時(shí)，反射波在反射而在波密媒質(zhì)界面上反射時(shí)，反射波在反射點(diǎn)產(chǎn)生點(diǎn)產(chǎn)生 的相位的相位躍變躍變，相當(dāng)于出現(xiàn)了，相當(dāng)于出現(xiàn)了( (消失了）半消失了）半個(gè)波長(zhǎng)的波程差，稱個(gè)波長(zhǎng)的波程差，稱半波損失半波損失。第十章第十章 波動(dòng)波動(dòng)物理學(xué)物理學(xué)第五版第五版34.4.多普勒效應(yīng)多普勒效應(yīng) 因波源或觀察者相對(duì)于介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)，而使觀察者接因波源或觀察者相對(duì)于介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)，而使觀察者接收到的波的頻率有所變化的現(xiàn)象稱為多普勒效應(yīng)。收到的波的頻率有所變化的現(xiàn)象稱為多普勒效應(yīng)。一、波源不動(dòng)一、波源不動(dòng), ,觀察者相對(duì)介質(zhì)以觀察者相對(duì)介質(zhì)以 運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)0v（1 1）觀察者）觀察者向著向著波源運(yùn)動(dòng)時(shí)波源運(yùn)動(dòng)

3、時(shí)0vu0suuvs結(jié)論：接收到的頻率較波源頻率升高。結(jié)論：接收到的頻率較波源頻率升高。第十章第十章 波動(dòng)波動(dòng)物理學(xué)物理學(xué)第五版第五版4（2 2）觀察者）觀察者遠(yuǎn)離遠(yuǎn)離波源運(yùn)動(dòng)波源運(yùn)動(dòng)0suuvs結(jié)論：接收到的頻率降低。結(jié)論：接收到的頻率降低。二二 觀察者不動(dòng)觀察者不動(dòng), ,波源相對(duì)于介質(zhì)以波源相對(duì)于介質(zhì)以 運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)sv（1 1）波源）波源向著向著觀察者運(yùn)動(dòng)時(shí)觀察者運(yùn)動(dòng)時(shí)suuvss結(jié)論：接收到的頻率較波源頻率升高。結(jié)論：接收到的頻率較波源頻率升高。第十章第十章 波動(dòng)波動(dòng)物理學(xué)物理學(xué)第五版第五版5bAs sTsv（2 2）波源）波源遠(yuǎn)離遠(yuǎn)離觀察者運(yùn)動(dòng)觀察者運(yùn)動(dòng)ssuuV s結(jié)論：接收到的頻率降

4、低。結(jié)論：接收到的頻率降低。第十章第十章 波動(dòng)波動(dòng)物理學(xué)物理學(xué)第五版第五版6三三 波源與觀察者同時(shí)相對(duì)介質(zhì)運(yùn)動(dòng)波源與觀察者同時(shí)相對(duì)介質(zhì)運(yùn)動(dòng)),(0svv0ssuuvv: 0v觀察者觀察者向向波源運(yùn)動(dòng)取波源運(yùn)動(dòng)取 “ “+ +”遠(yuǎn)離取遠(yuǎn)離取 “ “ - - ” ” 波源波源向向觀察者運(yùn)動(dòng)觀察者運(yùn)動(dòng) “ “ - - ” ” 遠(yuǎn)離遠(yuǎn)離 “ “ + + ” ”: sv第十章第十章 波動(dòng)波動(dòng)物理學(xué)物理學(xué)第五版第五版7一一 電磁波的產(chǎn)生與傳播電磁波的產(chǎn)生與傳播 10-7 10-7 平面電磁波平面電磁波 變化的電場(chǎng)和變化的磁場(chǎng)互相依存、又互相激變化的電場(chǎng)和變化的磁場(chǎng)互相依存、又互相激發(fā)發(fā), , 并以有限的速

5、度在空間傳播，就是電磁波。并以有限的速度在空間傳播，就是電磁波。 LC振蕩電路原則上可作發(fā)射電磁波的波源。振蕩電路原則上可作發(fā)射電磁波的波源。 電荷和電流隨時(shí)間作周期性變化的現(xiàn)象，稱為電荷和電流隨時(shí)間作周期性變化的現(xiàn)象，稱為電磁振蕩電磁振蕩。固有振蕩頻率為。固有振蕩頻率為 12fLCEEEEHHHHLC第十章第十章 波動(dòng)波動(dòng)物理學(xué)物理學(xué)第五版第五版8 發(fā)射電磁波須具備兩個(gè)條件發(fā)射電磁波須具備兩個(gè)條件: : 一是振蕩頻率要高，二是電路要開放。一是振蕩頻率要高，二是電路要開放。以偶極振子為天線可有效地在空間激發(fā)電磁波。以偶極振子為天線可有效地在空間激發(fā)電磁波。 提高頻率，須減小線圈自感提高頻率，須

6、減小線圈自感L和電容和電容C；開放開放振蕩電路，不讓電（磁）場(chǎng)和振蕩電路，不讓電（磁）場(chǎng)和電（磁）電（磁）能集中在能集中在電容器和線圈之中，而要分散到空間去。電容器和線圈之中，而要分散到空間去。 改造改造LC振蕩電路使之演變?yōu)橐桓睂?dǎo)線，電振蕩電路使之演變?yōu)橐桓睂?dǎo)線，電流往返振蕩，兩端出現(xiàn)正負(fù)交替變化的等量異號(hào)流往返振蕩，兩端出現(xiàn)正負(fù)交替變化的等量異號(hào)電荷，此電路就稱為電荷，此電路就稱為振蕩偶極子振蕩偶極子，或，或偶極振子偶極振子(dipole oscillator) (dipole oscillator) 。第十章第十章 波動(dòng)波動(dòng)物理學(xué)物理學(xué)第五版第五版9 磁感應(yīng)線是以偶極振子為軸、疏密相

7、間的同磁感應(yīng)線是以偶極振子為軸、疏密相間的同心圓，并與電場(chǎng)線互相套連。心圓，并與電場(chǎng)線互相套連。 離振子的距離離振子的距離r遠(yuǎn)大于電磁波波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于電磁波波長(zhǎng) 的波場(chǎng)區(qū)的波場(chǎng)區(qū)，波面趨于球面，電磁場(chǎng)分布比較簡(jiǎn)單。波面趨于球面，電磁場(chǎng)分布比較簡(jiǎn)單。 一條閉合電場(chǎng)線的形成過(guò)程一條閉合電場(chǎng)線的形成過(guò)程: :第十章第十章 波動(dòng)波動(dòng)物理學(xué)物理學(xué)第五版第五版10二、偶極振子發(fā)射的電磁波二、偶極振子發(fā)射的電磁波 距振子中心小于波長(zhǎng)的近心區(qū)，電磁場(chǎng)分布比距振子中心小于波長(zhǎng)的近心區(qū)，電磁場(chǎng)分布比較復(fù)雜，可從一條電場(chǎng)線由出現(xiàn)到形成閉合圈并較復(fù)雜，可從一條電場(chǎng)線由出現(xiàn)到形成閉合圈并向外擴(kuò)展的過(guò)程中看出。向外擴(kuò)展的過(guò)程

8、中看出。 第十章第十章 波動(dòng)波動(dòng)物理學(xué)物理學(xué)第五版第五版11不同時(shí)刻振蕩電不同時(shí)刻振蕩電偶極子附近的電偶極子附近的電場(chǎng)線場(chǎng)線+EBEcccc+-B振蕩電偶極子附近的電磁場(chǎng)線振蕩電偶極子附近的電磁場(chǎng)線 振蕩電偶極子不僅產(chǎn)生電場(chǎng)，而振蕩電偶極子不僅產(chǎn)生電場(chǎng)，而且產(chǎn)生磁場(chǎng)。振蕩電偶極子周圍的電且產(chǎn)生磁場(chǎng)。振蕩電偶極子周圍的電磁場(chǎng)線如上圖所示：磁場(chǎng)線如上圖所示：第十章第十章 波動(dòng)波動(dòng)物理學(xué)物理學(xué)第五版第五版12 以振子中心為球心、軸線為極軸作球面，作為電以振子中心為球心、軸線為極軸作球面，作為電磁波的波面。面上任一點(diǎn)磁波的波面。面上任一點(diǎn)A處，場(chǎng)強(qiáng)矢量處，場(chǎng)強(qiáng)矢量 處于過(guò)點(diǎn)處于過(guò)點(diǎn)A的子午面內(nèi)，磁場(chǎng)強(qiáng)

9、度矢量的子午面內(nèi)，磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量 處于過(guò)點(diǎn)處于過(guò)點(diǎn)A并平行于并平行于赤道平面的平面內(nèi)，兩者互相垂直，并且都垂直于赤道平面的平面內(nèi)，兩者互相垂直，并且都垂直于點(diǎn)點(diǎn)A的位置矢量的位置矢量 ，即垂直于波的傳播方向。，即垂直于波的傳播方向。 EHr采用極坐標(biāo)表示電場(chǎng)和磁場(chǎng)：采用極坐標(biāo)表示電場(chǎng)和磁場(chǎng)：)(cos4sin),(20urtrptrE)(cos4sin),(20urtrptrH第十章第十章 波動(dòng)波動(dòng)物理學(xué)物理學(xué)第五版第五版1300coscos2xtxEEtEcT可寫作：可寫作：00coscos2xtxHHtEcT分別對(duì)分別對(duì)x及及t 求二階偏導(dǎo)：求二階偏導(dǎo)：22221EEtx22221HHtx1

10、u 從兩式可以看到，從兩式可以看到，E 和和H 有相同的頻率，且兩者是有相同的頻率，且兩者是同相位的。同相位的。第十章第十章 波動(dòng)波動(dòng)物理學(xué)物理學(xué)第五版第五版14*三、三、赫茲實(shí)驗(yàn)赫茲實(shí)驗(yàn)(Hertzian experiment) 赫茲利用電容器充電赫茲利用電容器充電后通過(guò)火花隙放電會(huì)產(chǎn)后通過(guò)火花隙放電會(huì)產(chǎn)生振蕩的原理，做成了生振蕩的原理，做成了如圖所示的振蕩器。如圖所示的振蕩器。 赫茲實(shí)驗(yàn)在人類歷史上赫茲實(shí)驗(yàn)在人類歷史上首次首次發(fā)射和接收了電磁發(fā)射和接收了電磁波，且通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)證明了電磁波與光波一樣能波，且通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)證明了電磁波與光波一樣能夠發(fā)生反射、折射、干涉、衍射和偏振，驗(yàn)證了夠發(fā)生反

11、射、折射、干涉、衍射和偏振，驗(yàn)證了麥克斯韋的預(yù)言，揭示了光的電磁本質(zhì)，從而麥克斯韋的預(yù)言，揭示了光的電磁本質(zhì)，從而將將光學(xué)與電磁學(xué)統(tǒng)一起來(lái)。光學(xué)與電磁學(xué)統(tǒng)一起來(lái)。 TDCP:KQ第十章第十章 波動(dòng)波動(dòng)物理學(xué)物理學(xué)第五版第五版15 赫茲利用電容器充電后通過(guò)火花隙放電會(huì)產(chǎn)生赫茲利用電容器充電后通過(guò)火花隙放電會(huì)產(chǎn)生振蕩的原理，做成了如圖所示的振蕩器。振蕩的原理，做成了如圖所示的振蕩器。 第十章第十章 波動(dòng)波動(dòng)物理學(xué)物理學(xué)第五版第五版16四四. .平面電磁波的特性平面電磁波的特性1. 1. 橫波橫波4.4. E和和H量值成比例量值成比例 2. 2. 偏振性偏振性 3. 3. E和和H 同相位同相位5.

12、 5. 電磁波的傳播速度為電磁波的傳播速度為 通常通常和和 與電磁波的頻率有關(guān)，在介質(zhì)中不同與電磁波的頻率有關(guān)，在介質(zhì)中不同頻率的電磁波具有不同的傳播速度，此即電磁波在介頻率的電磁波具有不同的傳播速度，此即電磁波在介質(zhì)中的質(zhì)中的色散現(xiàn)象色散現(xiàn)象。 uEHxyzEuH1u第十章第十章 波動(dòng)波動(dòng)物理學(xué)物理學(xué)第五版第五版17(1)(1)電磁波是橫波電磁波是橫波, , ; ;Eu Hu (2)(2) 和和 同相位同相位 E H E H u ( (3) ) 和和 數(shù)值成比例數(shù)值成比例 E H EH(4)(4)電磁波傳播速度電磁波傳播速度 , , 真空中波速真空中波速 等于光速等于光速 /1u1800sm

13、10998. 2/1cu熟記熟記: :練習(xí)練習(xí): :第十章第十章 波動(dòng)波動(dòng)物理學(xué)物理學(xué)第五版第五版18 z y x O 例題：在真空中沿著z軸負(fù)方向傳播的平面電磁波，O點(diǎn)處電場(chǎng)強(qiáng)度為 ：300cos(2/3)xEt寫出O點(diǎn)處磁場(chǎng)強(qiáng)度。解：根據(jù)平面電磁波的性質(zhì)E H u 0000Eu H由已知0300E 根據(jù)在真空中：有0000HEu0.7960.796cos(2/3)yHt 方向沿y軸負(fù)向。第十章第十章 波動(dòng)波動(dòng)物理學(xué)物理學(xué)第五版第五版19五五. . 電磁波的能量電磁波的能量輻射能輻射能 以電磁波的形式傳播出去的能量以電磁波的形式傳播出去的能量. . 電磁波的電磁波的能流密度能流密度 wuS

14、)(2122meHEwww 電磁場(chǎng)電磁場(chǎng)能量密度能量密度 電磁波的電磁波的能流密度能流密度( (坡印廷坡印廷) )矢量矢量 HES22()2uSEHEH又又/1uEH第十章第十章 波動(dòng)波動(dòng)物理學(xué)物理學(xué)第五版第五版20平面電磁波平面電磁波能流密度能流密度平均值平均值 0021HES 振蕩偶極子的平均振蕩偶極子的平均輻射功率輻射功率442012uppH E S 另外另外第十章第十章 波動(dòng)波動(dòng)物理學(xué)物理學(xué)第五版第五版21760 nm400 nm 可見光可見光 電電 磁磁 波波 譜譜紅外線紅外線 紫外線紫外線 射射 線線X射線射線長(zhǎng)波無(wú)線電波長(zhǎng)波無(wú)線電波610101014101810221021041

15、08101210161020102410010頻率頻率Hz1610810波長(zhǎng)波長(zhǎng)m4104100108101210短波無(wú)線電波短波無(wú)線電波四四 電磁波譜電磁波譜第十章第十章 波動(dòng)波動(dòng)物理學(xué)物理學(xué)第五版第五版22名稱長(zhǎng)波中波中短波短波米波微波分米波厘米波毫米波波長(zhǎng)300003000m3000200m20050m5010m101m10010cm101cm10.1cm頻率10100kHz1001500kHz1.56MHz630MHz30300MHz3003000MHz300030000MHz30000300000MHz主要用途越洋長(zhǎng)距離通信和導(dǎo)航無(wú)線電廣播電報(bào)通信無(wú)線電廣播和電報(bào)通信調(diào)頻無(wú)線電廣播、電視廣播和無(wú)線電導(dǎo)航電視、雷達(dá)、無(wú)線電導(dǎo)航等無(wú)線電波的波長(zhǎng)范圍和用途：無(wú)線電波的波長(zhǎng)范圍和用途：無(wú)線電波無(wú)線電波第十章第十章 波動(dòng)波動(dòng)物理學(xué)物理學(xué)第五版第五版23紅外線紅外線 ：0.6 mm760 nm 熱效應(yīng)；不易被大氣和濃霧吸收。熱效應(yīng)；不易被大氣和濃霧吸收。 可見光：可見光： 760 nm400 nm 能使人眼產(chǎn)生光的感覺。能使人眼產(chǎn)