第十四章_電磁波課件

1、十四章十四章 電磁波電磁波分析：分析：麥克斯韋認(rèn)為變化的磁場在線圈中產(chǎn)生麥克斯韋認(rèn)為變化的磁場在線圈中產(chǎn)生電場，正是這種電場電場，正是這種電場( (渦旋電場渦旋電場) )在線圈中驅(qū)使在線圈中驅(qū)使自由電子做定向的移動，引起了感應(yīng)電流。自由電子做定向的移動，引起了感應(yīng)電流。 變化的磁場產(chǎn)生電場變化的磁場產(chǎn)生電場現(xiàn)象：變化的電場周圍小磁針發(fā)生擺動現(xiàn)象：變化的電場周圍小磁針發(fā)生擺動分析：電荷運動時，周圍的小磁針擺動，說明電荷運動時，周圍的小磁針擺動，說明小磁針?biāo)谔幃a(chǎn)生了另一個磁場，使小磁針發(fā)小磁針?biāo)谔幃a(chǎn)生了另一個磁場，使小磁針發(fā)生擺動，這個磁場是由電荷運動在周圍空間產(chǎn)生擺動，這個磁場是由電荷運動在

2、周圍空間產(chǎn)生的變化電場引起的。生的變化電場引起的。 變化的電場產(chǎn)生磁場變化的電場產(chǎn)生磁場 變化的電場產(chǎn)生磁場變化的電場產(chǎn)生磁場 根據(jù)這兩個基本論點，麥克斯韋推斷：如果在根據(jù)這兩個基本論點，麥克斯韋推斷：如果在空間某域中有周期性變化的電場，那么，它就在空空間某域中有周期性變化的電場，那么，它就在空間產(chǎn)生周期性變化的磁場；這個變化的磁場又引起間產(chǎn)生周期性變化的磁場；這個變化的磁場又引起新的周期性變化的電場新的周期性變化的電場。于是，變化的電場和。于是，變化的電場和變化的磁場交替產(chǎn)生，由近及遠(yuǎn)地向周圍傳播。變化的磁場交替產(chǎn)生，由近及遠(yuǎn)地向周圍傳播。BBEEEE電磁場由產(chǎn)生區(qū)域向外傳播就形成了電磁波。

3、電磁場由產(chǎn)生區(qū)域向外傳播就形成了電磁波。 電磁波傳播的速度等于光速。光是一種電磁波。電磁波傳播的速度等于光速。光是一種電磁波。電磁波在空間傳播時，在任一位置上（或任一時電磁波在空間傳播時，在任一位置上（或任一時刻）刻）E E、B B、v v三矢量相互垂直。三矢量相互垂直。電磁波電磁波捕捉電磁波捕捉電磁波一一.麥克斯韋理論麥克斯韋理論：變化的磁場產(chǎn)生電場：變化的磁場產(chǎn)生電場 變化的電場產(chǎn)生磁場變化的電場產(chǎn)生磁場二電磁場二電磁場：按照麥克斯韋的電磁場理論，變化的：按照麥克斯韋的電磁場理論，變化的電場和磁場總是相互聯(lián)系的，形成一個不可分離的電場和磁場總是相互聯(lián)系的，形成一個不可分離的統(tǒng)一場，稱為統(tǒng)一

4、場，稱為電磁場電磁場。電場和磁場只是這個統(tǒng)一的。電場和磁場只是這個統(tǒng)一的電磁場的兩種具體表現(xiàn)。電磁場的兩種具體表現(xiàn)。三電磁波：三電磁波：不均勻變化的電場產(chǎn)生磁場，不均勻變化的電場產(chǎn)生磁場，不均勻變化的磁場產(chǎn)生電場，于是不均勻不均勻變化的磁場產(chǎn)生電場，于是不均勻變化的電場和磁場交替產(chǎn)生，由近及遠(yuǎn)向變化的電場和磁場交替產(chǎn)生，由近及遠(yuǎn)向周圍傳播，就形成了電磁波。周圍傳播，就形成了電磁波。 四電磁波的特點：四電磁波的特點： 電磁波是橫波。電磁波是橫波。在電磁波傳播方向上的任在電磁波傳播方向上的任一點，場強一點，場強E和磁感應(yīng)強度和磁感應(yīng)強度B均與傳播方向垂均與傳播方向垂直且隨時間變化，因此電磁波是橫波

5、。直且隨時間變化，因此電磁波是橫波。 電磁波的傳播不需要介質(zhì)電磁波的傳播不需要介質(zhì)，在真空中也能，在真空中也能傳播。在真空中的波速為傳播。在真空中的波速為c=3.0108m/s。 波速和波長、頻率的關(guān)系波速和波長、頻率的關(guān)系：cf 電磁波速與介質(zhì)、電磁波速與介質(zhì)、頻率有關(guān)頻率有關(guān) 實驗表明，實驗表明，LCLC回路里產(chǎn)生的振蕩電流是按正回路里產(chǎn)生的振蕩電流是按正弦規(guī)律變化的。弦規(guī)律變化的。在一個周期內(nèi)，振蕩電流的方向改變兩次；電場在一個周期內(nèi)，振蕩電流的方向改變兩次；電場能或磁場能）完成兩次周期性變化能或磁場能）完成兩次周期性變化LC回路振蕩過程阻尼振蕩和無阻尼振蕩 2 2阻尼振蕩：任何電磁振蕩

6、電路中，總存在能量阻尼振蕩：任何電磁振蕩電路中，總存在能量損耗，使振蕩電流的振幅逐漸減小，這種振蕩叫損耗，使振蕩電流的振幅逐漸減小，這種振蕩叫做做阻阻尼振蕩尼振蕩，或叫做，或叫做減幅振蕩減幅振蕩 （1 1）振蕩電路中的能量損耗有一部分轉(zhuǎn)化為內(nèi)）振蕩電路中的能量損耗有一部分轉(zhuǎn)化為內(nèi)能（產(chǎn)生焦耳熱），還有一部向外輻射出去而損失能（產(chǎn)生焦耳熱），還有一部向外輻射出去而損失 （2 2）如果用振蕩器不斷地將電源的能量補充到）如果用振蕩器不斷地將電源的能量補充到振蕩電路中去，就可以保持等幅振蕩振蕩電路中去，就可以保持等幅振蕩 1 1無阻尼振蕩：在電磁振蕩中，如果沒有能量損無阻尼振蕩：在電磁振蕩中，如果沒有

7、能量損失，振蕩電流的振幅保持不變，這種振蕩叫做失，振蕩電流的振幅保持不變，這種振蕩叫做無無阻尼振阻尼振蕩蕩，也叫做，也叫做等幅振蕩等幅振蕩 五五.電磁波的物質(zhì)基礎(chǔ)電磁波的物質(zhì)基礎(chǔ)-電磁振蕩電磁振蕩 1振蕩電路：大小和方向都隨時間做周期性變振蕩電路：大小和方向都隨時間做周期性變化的電流叫做振蕩電流，能夠產(chǎn)生振蕩電流的電化的電流叫做振蕩電流，能夠產(chǎn)生振蕩電流的電路叫振蕩電路，路叫振蕩電路，LC回路回路是一種簡單的振蕩電路。是一種簡單的振蕩電路。 2LC回路的電磁振蕩過程：可以用圖象來形象回路的電磁振蕩過程：可以用圖象來形象分析電容器充、放電過程中各物理量的變化規(guī)律，分析電容器充、放電過程中各物理量

8、的變化規(guī)律，如圖所示如圖所示 3LC回路的振蕩周期和頻率回路的振蕩周期和頻率 LCT2LCf21分析電磁振蕩要掌握以下三個要點分析電磁振蕩要掌握以下三個要點（突出能量守恒的觀點突出能量守恒的觀點）：）：理想的理想的LC回路中電場能回路中電場能E電電和磁場能和磁場能E磁磁在轉(zhuǎn)化過程中在轉(zhuǎn)化過程中的總和不變。的總和不變?；芈分须娏髟酱髸r，回路中電流越大時，L中的磁場能越大（中的磁場能越大（磁通量越大磁通量越大）。）。極板上電荷量越大時，極板上電荷量越大時，C中電場能越大（中電場能越大（板間場強越大、板間場強越大、兩板間電壓越高、磁通量變化率越小兩板間電壓越高、磁通量變化率越?。?。）。LC回路中的電

9、流圖象和電荷圖象總是互為余函數(shù)（見右回路中的電流圖象和電荷圖象總是互為余函數(shù)（見右圖）。圖）。一、無線電波的發(fā)射一、無線電波的發(fā)射1.要有效發(fā)射電磁波，振蕩電路須具有如下特點：要有效發(fā)射電磁波，振蕩電路須具有如下特點：要有足夠高的振蕩頻率。要有足夠高的振蕩頻率。振蕩電路的電場和磁場必須分散到盡可能大的空振蕩電路的電場和磁場必須分散到盡可能大的空間，這樣才能有效地把能量輻射出去。間，這樣才能有效地把能量輻射出去。振蕩電路振蕩電路聲音信號聲音信號高頻振蕩電流高頻振蕩電流使電磁波隨使電磁波隨各種信號而各種信號而改變改變,叫做叫做調(diào)調(diào)制制調(diào)調(diào) 幅幅無線電波的發(fā)射無線電波的發(fā)射振蕩電路振蕩電路聲音信號聲

10、音信號高頻振蕩電流高頻振蕩電流使電磁波隨使電磁波隨各種信號而各種信號而改變改變,叫做叫做調(diào)調(diào)制制調(diào)調(diào) 頻頻無線電波的發(fā)射無線電波的發(fā)射無線電波的接收無線電波的接收1、接收無線電波的裝置：、接收無線電波的裝置：上圖為收音機的調(diào)諧電路上圖為收音機的調(diào)諧電路 圖示為收音機的圖示為收音機的簡單的調(diào)諧電路，通簡單的調(diào)諧電路，通過可變電容改變調(diào)諧過可變電容改變調(diào)諧電路的固有頻率，使電路的固有頻率，使其與接收電臺的電磁其與接收電臺的電磁波頻率相同，這個頻波頻率相同，這個頻率的電磁波就在調(diào)諧率的電磁波就在調(diào)諧電路里激起較強的感電路里激起較強的感應(yīng)電流，這樣就選出應(yīng)電流，這樣就選出了電臺。了電臺?？勺冸娙菘勺冸?/p>

11、容彩塔接收天線彩塔接收天線電報大樓上的接收天線電報大樓上的接收天線信號信號調(diào)制調(diào)制振蕩電流振蕩電流發(fā)射發(fā)射調(diào)諧電路調(diào)諧電路解調(diào)解調(diào)輸出輸出無線電波發(fā)射和接受流程圖無線電波發(fā)射和接受流程圖無線電波的發(fā)射無線電波的發(fā)射無線電波的接收無線電波的接收六六.電磁波的發(fā)射和接收電磁波的發(fā)射和接收有效發(fā)射電磁波條件：有效發(fā)射電磁波條件：a.足夠高的頻率足夠高的頻率 b.采用開放電路采用開放電路發(fā)射發(fā)射： 發(fā)射端發(fā)射端 接收端接收端調(diào)制調(diào)制調(diào)頻調(diào)頻調(diào)幅調(diào)幅接收：接收：調(diào)諧調(diào)諧檢波（解調(diào)）檢波（解調(diào)）七七.電磁波與信息化社會電磁波與信息化社會廣播、電視、雷達、無線通信廣播、電視、雷達、無線通信等都是電磁波的具體

12、應(yīng)用。等都是電磁波的具體應(yīng)用。雷達：無線電定位的儀器，波雷達：無線電定位的儀器，波長越短的電磁波，傳播的直長越短的電磁波，傳播的直線性越好，反射性能強，多線性越好，反射性能強，多數(shù)的雷達工作于微波波段。數(shù)的雷達工作于微波波段。缺點，沿地面?zhèn)鞑ヌ綔y距離缺點，沿地面?zhèn)鞑ヌ綔y距離短。中、長波雷達沿地面的短。中、長波雷達沿地面的探測距離較遠(yuǎn)，但發(fā)射設(shè)備探測距離較遠(yuǎn)，但發(fā)射設(shè)備復(fù)雜復(fù)雜。電磁波可能造成的傷害電磁波可能造成的傷害 1、手機釋放的電磁輻射對腦細(xì)胞的影響。、手機釋放的電磁輻射對腦細(xì)胞的影響。 2、電磁輻射的遺害會不斷累積在十至十五年后，、電磁輻射的遺害會不斷累積在十至十五年后，很可能出現(xiàn)更多因

13、手機普及而導(dǎo)致的癌癥病例很可能出現(xiàn)更多因手機普及而導(dǎo)致的癌癥病例 3、電磁輻射對胎兒的發(fā)育起到極大的影響。容易導(dǎo)、電磁輻射對胎兒的發(fā)育起到極大的影響。容易導(dǎo)致胎兒畸形和發(fā)育不良。致胎兒畸形和發(fā)育不良。八八.電磁波譜電磁波譜無線電波無線電波紅外線紅外線可見光可見光紫外線紫外線可見光可見光X X射線射線射線射線太陽輻射太陽輻射陽光含有：無線電波、紅外線、可見光、紫外線、陽光含有：無線電波、紅外線、可見光、紫外線、x射線、射線、射線射線太陽輻射的能量集中在可見光、紅外線、紫外線太陽輻射的能量集中在可見光、紅外線、紫外線三個區(qū)域三個區(qū)域陽光中波長在陽光中波長在5.5x10-7m的黃綠光附近，輻射的的黃

14、綠光附近，輻射的能量最強，這區(qū)域恰好是人眼最敏感能量最強，這區(qū)域恰好是人眼最敏感電磁波電磁波譜譜無線電無線電波波紅外線紅外線可見可見光光紫外線紫外線X射線射線（倫琴射（倫琴射線）線）r射線射線頻率頻率由左向右，頻率逐漸增大。由左向右，頻率逐漸增大。真空中真空中波長波長由左向右，波長逐漸增小。由左向右，波長逐漸增小。特性特性波動性波動性強強波長較波長較長、熱長、熱效應(yīng)顯效應(yīng)顯著著可見、可見、感光感光性強性強熒光、熒光、化學(xué)作化學(xué)作用、殺用、殺菌消毒菌消毒穿透力穿透力強強穿透力最穿透力最強強用途用途通信、通信、廣播和廣播和天體物天體物理研究理研究紅外攝紅外攝影、紅影、紅外遙感外遙感觀察觀察物體物體

15、、照像照像熒光防熒光防偽、殺偽、殺菌消毒、菌消毒、治療皮治療皮膚病膚病檢查、檢查、探測、探測、透視、透視、治療治療探測、治探測、治療療 按頻率由小到大（波長由大到?。┡帕行纬砂搭l率由小到大（波長由大到?。┡帕行纬傻碾姶挪ㄗV是：無線電波、紅外線、可見光、紫外的電磁波譜是：無線電波、紅外線、可見光、紫外線、倫琴射線、線、倫琴射線、射線射線 這些頻率不同的電磁波本質(zhì)是相同的它們的這些頻率不同的電磁波本質(zhì)是相同的它們的行為服從共同的規(guī)律，行為服從共同的規(guī)律， 但是他們產(chǎn)生的機理不同，因而具有不同的特但是他們產(chǎn)生的機理不同，因而具有不同的特性在觀察方法和應(yīng)用上也有所不同性在觀察方法和應(yīng)用上也有所不同 關(guān)

16、于電磁波譜的幾點強調(diào)關(guān)于電磁波譜的幾點強調(diào) 1 1不同電磁波產(chǎn)生的機理不同電磁波產(chǎn)生的機理 無線電波是振蕩電路中自由電子作周期性無線電波是振蕩電路中自由電子作周期性的運動產(chǎn)生的的運動產(chǎn)生的 紅外線、可見光、紫外線是原子外層電子紅外線、可見光、紫外線是原子外層電子受激發(fā)產(chǎn)生的受激發(fā)產(chǎn)生的 倫琴射線是原子內(nèi)層電子受激發(fā)產(chǎn)生的倫琴射線是原子內(nèi)層電子受激發(fā)產(chǎn)生的 射線是原子核受激發(fā)產(chǎn)生的射線是原子核受激發(fā)產(chǎn)生的關(guān)于電磁波譜的幾點強調(diào)關(guān)于電磁波譜的幾點強調(diào) 2 2、頻率、頻率( (波長波長) )不同的電磁波表現(xiàn)出作用不同不同的電磁波表現(xiàn)出作用不同 紅外線主要作用是熱作用，可以利用紅外線來加熱紅外線主要作

17、用是熱作用，可以利用紅外線來加熱物體和進行紅外線遙感；物體和進行紅外線遙感； 紫外線主要作用是化學(xué)作用、熒光作用和殺菌消毒紫外線主要作用是化學(xué)作用、熒光作用和殺菌消毒作用，可用來防偽、預(yù)防疾病、醫(yī)用殺菌和消毒；作用，可用來防偽、預(yù)防疾病、醫(yī)用殺菌和消毒； 倫琴射線有較強的穿透本領(lǐng)，利用其穿透本領(lǐng)與物倫琴射線有較強的穿透本領(lǐng)，利用其穿透本領(lǐng)與物質(zhì)的密度有關(guān)，進行對人體的透視和檢查部件的缺陷；質(zhì)的密度有關(guān)，進行對人體的透視和檢查部件的缺陷； 射線的穿透本領(lǐng)更大，在工業(yè)和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有廣射線的穿透本領(lǐng)更大，在工業(yè)和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，如探傷，測厚或用泛的應(yīng)用，如探傷，測厚或用刀進行手術(shù)刀進行手術(shù)關(guān)

18、于電磁波譜的幾點強調(diào)關(guān)于電磁波譜的幾點強調(diào) 紫外線紫外線 紫外線有熒光作用，有些物質(zhì)受到紫外線照射紫外線有熒光作用，有些物質(zhì)受到紫外線照射時可以發(fā)出可見光時可以發(fā)出可見光 紫外線可以促使人體合成維生素紫外線可以促使人體合成維生素D D，有助于人，有助于人體對鈣的吸收，所以兒童經(jīng)常曬太陽能夠預(yù)防缺體對鈣的吸收，所以兒童經(jīng)常曬太陽能夠預(yù)防缺鈣引起的佝僂病，但是過多的紫外線會使皮膚粗鈣引起的佝僂病，但是過多的紫外線會使皮膚粗糙，甚至誘發(fā)皮膚癌糙，甚至誘發(fā)皮膚癌 紫外線能夠殺滅多種細(xì)菌，可以用紫外線進行紫外線能夠殺滅多種細(xì)菌，可以用紫外線進行消毒消毒 【例【例1】 某時刻某時刻LC回路中電容器中的電場

19、方回路中電容器中的電場方向和線圈中的磁場方向如右圖所示。則這時向和線圈中的磁場方向如右圖所示。則這時電容器正在電容器正在_（充電還是放電），電流（充電還是放電），電流大小正在大小正在_（增大還是減?。?。（增大還是減小）。 C L【例【例2】右邊兩圖中電容器的電容都是】右邊兩圖中電容器的電容都是C=410-6F，電感都是，電感都是L=910-4H，左圖中電鍵，左圖中電鍵K先接先接a，充電結(jié)束后將，充電結(jié)束后將K扳到扳到b；右圖中電鍵；右圖中電鍵K先閉先閉合，穩(wěn)定后斷開。兩圖中合，穩(wěn)定后斷開。兩圖中LC回路開始電磁振回路開始電磁振蕩蕩t=3.1410-4s時刻，時刻，C1的上極板正在的上極板正在_

20、電（充電還是放電）電（充電還是放電）,帶帶_電（正電還是負(fù)電（正電還是負(fù)電）；電）；L2中的電流方向向中的電流方向向_(左還是右左還是右)，磁，磁場能正在場能正在_（增大還是減?。?。（增大還是減?。?a K b C1 L1L2 C2 K【例【例3】右圖中，內(nèi)壁光滑、水平放置的玻璃】右圖中，內(nèi)壁光滑、水平放置的玻璃圓環(huán)內(nèi)，有一直徑略小于環(huán)口徑的帶正電的圓環(huán)內(nèi)，有一直徑略小于環(huán)口徑的帶正電的小球，正以速率小球，正以速率v0沿逆時針方向勻速轉(zhuǎn)動。沿逆時針方向勻速轉(zhuǎn)動。若在此空間突然加上豎直向上、磁感應(yīng)強度若在此空間突然加上豎直向上、磁感應(yīng)強度B隨時間成正比例增加的變化磁場，設(shè)小球隨時間成正比例增加

21、的變化磁場，設(shè)小球運動過程中的電量不變，那么（運動過程中的電量不變，那么（ ） A.小球?qū)ΣＡЛh(huán)的壓力不斷增大小球?qū)ΣＡЛh(huán)的壓力不斷增大 B.小球受到的磁場力不斷增大小球受到的磁場力不斷增大 C.小球先沿逆時針方向做減速運動，過一段小球先沿逆時針方向做減速運動，過一段時間后，沿順時針方向做加速運動時間后，沿順時針方向做加速運動 D.磁場力一直對小球不做功磁場力一直對小球不做功v0B 【例【例4】 一臺收音機，把它的調(diào)諧電路中的可一臺收音機，把它的調(diào)諧電路中的可變電容器的動片從完全旋入到完全旋出，仍然變電容器的動片從完全旋入到完全旋出，仍然收不到某一較高頻率的電臺信號。要想收到該收不到某一較高頻

22、率的電臺信號。要想收到該電臺信號，應(yīng)該電臺信號，應(yīng)該_（增大還是減?。╇姡ㄔ龃筮€是減?。╇姼芯€圈的匝數(shù)。感線圈的匝數(shù)?！纠纠?】 某防空雷達發(fā)射的電磁波頻率為某防空雷達發(fā)射的電磁波頻率為f=3103MHZ，屏幕上尖形波顯示，從發(fā)射，屏幕上尖形波顯示，從發(fā)射到接受經(jīng)歷時間到接受經(jīng)歷時間t=0.4ms，那么被監(jiān)視的，那么被監(jiān)視的目標(biāo)到雷達的距離為目標(biāo)到雷達的距離為_km。該雷達發(fā)。該雷達發(fā)出的電磁波的波長為出的電磁波的波長為_m?！纠纠?】 電子感應(yīng)加速器是利用變化磁場產(chǎn)生的電場來加速電子感應(yīng)加速器是利用變化磁場產(chǎn)生的電場來加速電子的。如圖所示，在圓形磁鐵的兩極之間有一環(huán)形真空電子的。如圖所示

23、，在圓形磁鐵的兩極之間有一環(huán)形真空室，用交變電流勵磁的電磁鐵在兩極間產(chǎn)生交變磁場，從室，用交變電流勵磁的電磁鐵在兩極間產(chǎn)生交變磁場，從而在環(huán)形室內(nèi)產(chǎn)生很強的電場，使電子加速被加速的電而在環(huán)形室內(nèi)產(chǎn)生很強的電場，使電子加速被加速的電子同時在洛倫茲力的作用下沿圓形軌道運動。設(shè)法把高能子同時在洛倫茲力的作用下沿圓形軌道運動。設(shè)法把高能電子引入靶室，就能進一步進行實驗工作。電子引入靶室，就能進一步進行實驗工作。已知在一個已知在一個軌道半徑為軌道半徑為r=0.84m的電子感應(yīng)加速器中，電子在的電子感應(yīng)加速器中，電子在被加速的被加速的4.2ms內(nèi)獲得的能量為內(nèi)獲得的能量為120MeV設(shè)在這設(shè)在這期間電子軌道內(nèi)的高頻交變磁場是線性變化的，期間電子軌道內(nèi)的高頻交變磁場是線性變化的，磁通量的最小值為零，最大值磁通量的最小值為零，最大值 為為1.8Wb，試求電子在加速器，試求電子在加速器中共繞行了多少周？中共繞行了多少周？【例【例7】 如圖所示，半徑為如圖所示，半徑為 r 且水平放置的光滑絕緣的且水平放置的光滑絕緣的環(huán)形管道內(nèi)，有一個電荷量為環(huán)形管道內(nèi)，有一個電荷量為 e，質(zhì)量為，