麥克斯韋的電磁場理論及電磁波的發(fā)現(xiàn) 教學課件

4.1、4.4麥克斯韋的電磁場理論及電磁波的發(fā)現(xiàn)奧斯特電流的磁效應法拉第電磁感應現(xiàn)象第一頁，共二十六頁。

英國物理學家經(jīng)典電磁理論的奠基人。1831年6月13日出生于愛丁堡。15歲那年他的一篇關于卵形曲線畫法的論文發(fā)表在《愛丁堡皇家學會會刊》上，比笛卡爾的方法還簡便。16歲進入愛丁堡大學聽課，專攻數(shù)學，很重視實驗。19歲考入劍橋大學，23歲以優(yōu)異的成績畢業(yè)，并留校工作。29歲起任倫敦皇家學院物理學和天文學教授。1871年起負責籌劃卡文迪許實驗室。1879年因癌癥逝世，終年48歲。麥克斯韋第二頁，共二十六頁。偉大的預言

麥克斯韋的電磁場理論要點——偉大的預言

變化的磁場產(chǎn)生電場:線圈中為什么會產(chǎn)生感應電動勢：總結(jié)：麥克斯韋認為線圈只不過用來顯示電場的存在，線圈不存在時，變化的磁場同樣在周圍空間產(chǎn)生電場，即這是一種普遍存在的現(xiàn)象，跟閉合電路是否存在無關。

當穿過螺線管的磁場隨時間變化時，上面的線圈中產(chǎn)生感應電動勢，引起感應電流使燈泡發(fā)光。麥克斯韋認為變化的磁場在線圈中產(chǎn)生電場，正是這種渦旋電場在線圈中驅(qū)使自由電子做定向的移動，引起了感應電流。第三頁，共二十六頁。恒定的磁場不產(chǎn)生電場均勻變化的磁場產(chǎn)生恒定的電場周期性變化的磁場產(chǎn)生同頻率的振蕩電場非均勻變化的磁場產(chǎn)生變化的電場一、麥克斯韋的電磁場理論1、變化的磁場產(chǎn)生電場EtOBtOtBOEOt正弦曲線振蕩磁場振蕩電場E與B頻率相同變化的磁場能夠在空間產(chǎn)生電場，變化的電場能不能夠在空間產(chǎn)生磁場？第四頁，共二十六頁。2、變化的電場產(chǎn)生磁場恒定的電場不產(chǎn)生磁場均勻變化的電場產(chǎn)生恒定的磁場周期性變化的電場產(chǎn)生同頻率的振蕩磁場非均勻變化的電場產(chǎn)生變化的磁場麥克斯韋經(jīng)過反復思考提出另一假設：BtOEtOtEOBOt正弦曲線振蕩電場振蕩磁場B與E頻率相同變化的電場也相當于一種電流（位移電流），也在空間產(chǎn)生磁場，即變化的電場在空間產(chǎn)生磁場。第五頁，共二十六頁。二．電磁場和電磁波變化的電場和變化的磁場交替產(chǎn)生，由近及遠地傳播。BBEEEE+-振蕩電偶極子附近的電磁場線

1、電磁場：變化的電場和變化的磁場是相互聯(lián)系的，形成一個不可分離的統(tǒng)一體，這就是電磁場。2、電磁波：變化的電磁場在空間以一定的速度傳播的過程叫做電磁波。麥克斯韋根據(jù)自己的理論，用一組偏微分方程展示了自然界這種對稱的美，并進一步預言了電磁場和電磁波的存在第六頁，共二十六頁。不同時刻振蕩電偶極子附近的電場線+++++++-振蕩電偶極子附近的電磁場線第七頁，共二十六頁。3、電磁波的特點1）電磁波是橫波E⊥B⊥V2)波速計算滿足：4)電磁波的頻率由振源決定，同一電磁波在不同介質(zhì)中傳播，v和λ變化，

v介<C3）電磁波可以在真空中傳播，速度等于光速c=3×108m/s6）具有波的共性，能發(fā)生反射、折射、干涉、衍射、多普勒效應和偏振現(xiàn)象。7）電磁波有能量。5)不同電磁波在同一介質(zhì)中傳播，速度不同，f越高，v越?。籪越低，v越大第八頁，共二十六頁。三．赫茲的電火花1、麥克斯韋英年早逝，沒有見到科學實驗對電磁場理論的證明。把天才的預言變成世人公認的真理，是赫茲的功勞。2、赫茲用實驗證實電磁波的存在：1）觀察到了電磁波的反射,折射,干涉,偏振和衍射等現(xiàn)象2）還測量出光的λ和f，算出電磁波和光有相同的速度.3）奠定了無線電技術基礎赫茲在人類歷史上首先捕捉到了電磁波令人振奮的電火花第九頁，共二十六頁。第十頁，共二十六頁。1）傳播條件：2）傳播規(guī)律：3）傳播本質(zhì)：4）產(chǎn)生本質(zhì)不同：機械波傳播需要介質(zhì)；而電磁波不需要介質(zhì)也能傳播。都遵循

這個關系式；且電磁波也能發(fā)生反射、折射、衍射、干涉等現(xiàn)象。機械波傳播的是機械能；電磁波傳播的是電磁能。機械波是機械振動產(chǎn)生；電磁波是電磁振蕩產(chǎn)生。3.電磁波與機械波比較：4、麥克斯韋的電磁場理論的意義1）實現(xiàn)了電磁光的統(tǒng)一，被認為是19世紀科學史上最偉大的統(tǒng)一2）實現(xiàn)了從經(jīng)典物理學向現(xiàn)代物理學的重大轉(zhuǎn)折第十一頁，共二十六頁。四、電磁波譜：

1、定義：按電磁波的波長或頻率大小的順序把他們排列成譜，叫做電磁波譜。第十二頁，共二十六頁?？梢姽猓ǔ喑赛S綠藍靛紫）紅外線無線電波紫外線X射線和γ射線（700nm>λ>400nm）（400nm>λ>5nm）λ小大（1mm>λ>700nm）（λ>1mm）（5nm>λ）第十三頁，共二十六頁。2）紅外線

是一種光波，λ比無線電波短，比可見光長。所有物體都輻射紅外線。主要作用是熱作用。人眼看不見紅外線。利用紅外線測量體溫

2、電磁波特性1）可見光：能引起視覺的電磁波叫做可見光。只占電磁波中的一個很狹窄的波段（赤橙黃綠藍靛紫）真空中波長（700nm>λ>400nm）真空中波長（1mm>λ>700nm）第十四頁，共二十六頁。紅外線主要作用是熱作用，可以利用紅外線來加熱物體和進行紅外線遙感紅外線技術的應用注意:烤箱中的紅光,不是紅外線,紅外線是看不見的.

利用紅外線檢測人體的健康狀態(tài)，本圖片是人體的背部熱圖，透過圖片可以根據(jù)不同顏色判斷病變區(qū)域．

紅外線衛(wèi)星云圖顯示一九九九年九月十六日臺風約克于清晨靠近香港時,中心的風眼清晰可見．第十五頁，共二十六頁。3)無線電波λ＞1㎜的電磁波。用通信和廣播。微波爐用的也是無線電波。電視塔能發(fā)射無線電波利用微波加熱4)紫外線波長范圍在5---400nm的電磁波是紫外線。紫外線具有較高的能量。紫外線消毒紫外線驗鈔第十六頁，共二十六頁。5）X射線和γ射線波長比紫外線更短的電磁波就是X射線和γ射線X射線和γ射線的波長很短，具有很強的穿透性。

可用于醫(yī)療透視，工業(yè)探傷等γ射線的波長更短，穿透能力更強，能穿透幾cm厚的鉛板或3m的水泥墻

頻率(波長)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物體和進行紅外線遙感；紫外線主要作用是化學作用，可用來殺菌和消毒；倫琴射線有較強的穿透本領，利用其穿透本領與物質(zhì)的密度有關，進行對人體的透視和檢查部件的缺陷；γ射線的穿透本領更大，在工業(yè)和醫(yī)學等領域有廣泛的應用，如探傷，測厚或用γ刀進行手術．歸納

頻率不同的電磁波產(chǎn)生的機理不同無線電波是由振蕩電流產(chǎn)生的紅外線、可見光、紫外線是由原子外層電子受到激發(fā)后產(chǎn)生的倫琴射線由原子內(nèi)層電子受到激發(fā)后產(chǎn)生的γ射線是原子核受到激發(fā)產(chǎn)生的第十七頁，共二十六頁。無線電波紅外線可見光紫外線X射線γ射線組成

波長：由大到小波動性：逐漸減弱

頻率：由小到大粒子性：逐漸增強產(chǎn)生機理在振蕩電路中，自由電子作周期性運動產(chǎn)生原子的外層電子受到激發(fā)產(chǎn)生的原子的內(nèi)層電子受激發(fā)后產(chǎn)生的原子核受激發(fā)后產(chǎn)生的種

類產(chǎn)

生主要性質(zhì)應用舉例紅外線一切物體都能發(fā)出熱效應遙感、遙控、加熱紫外線一切高溫物體能發(fā)出化學效應熒光、殺菌X射線陰極射線射到固體表面穿透能力強人體透視、金屬探傷紅外線、紫外線、X射線的主要性質(zhì)及其應用舉例．各種電磁波中，除可見光以外，相鄰兩個波段間都有重疊第十八頁，共二十六頁。3、太陽輻射的電磁波太陽輻射中含有可見光、紅外線、紫外線，同時還有X射線、γ射線、無線電波。太陽輻射的能量集中在可見光、紅外線和紫外線三個區(qū)域內(nèi)，如下圖。波長在黃綠光附近，輻射的能量最強。第十九頁，共二十六頁。小結(jié)一、麥克斯韋電磁場理論1．變化的磁場產(chǎn)生電場2．變化的電場產(chǎn)生磁場3．電磁場→傳播→電磁波4、電磁波不需介質(zhì)，以光速傳播。二、赫茲證實：1、電磁場、電磁波的存在。2、電磁波能反射、折射、干涉、衍射和偏振等現(xiàn)象，證明了電磁波與光具有相同的性質(zhì)。三、電磁波譜1、電磁波譜：按電磁波的波長或頻率大小的順序把它們排列成譜。2、波長從大到小的順序：無線電波、光波（紅外線、可見光、紫外線）、X射線、γ射線電磁波的能量：電磁波有能量。電磁波是一種物質(zhì)。3、太陽輻射 太陽輻射的能量主要集中在可見光、紅外線和紫外線三個區(qū)域。黃綠光附近，輻射的能量最強。3、電磁波是客觀存在的物質(zhì)電磁波具有能量。第二十頁，共二十六頁。1、按照麥克斯韋的電磁場理論，以下說法中正確的是（）A、恒定的磁場在周圍產(chǎn)生恒定的電場B、變化的磁場在周圍產(chǎn)生變化的電場C、均勻變化的磁場在周圍產(chǎn)生均勻變化的電場D、均勻變化的磁場在周圍產(chǎn)生恒定的電場例與練均勻變化的磁場（電場）產(chǎn)生恒定的電場（磁場）D2、按照麥克斯韋的電磁場理論，以下說法中正確的是（）A、振蕩的磁場在周圍產(chǎn)生恒定的電場B、振蕩的磁場在周圍產(chǎn)生均勻變化的電場C、振蕩的電場在周圍產(chǎn)生不同頻率的振蕩磁場D、振蕩的電場在周圍產(chǎn)生同頻率的振蕩磁場振蕩磁場（電場）產(chǎn)生同頻率的振蕩電場（磁場）D第二十一頁，共二十六頁。電磁波是橫波3、關于電磁波，下列說法中正確的是A、均勻變化的電場和均勻變化的磁場互相激發(fā)，由產(chǎn)生處向遠處傳播形成電磁波B、振蕩電場和振蕩磁場互相激發(fā)，由產(chǎn)生處向遠處傳播形成電磁波C、電磁波的振蕩電場和振蕩磁場方向互相垂直，且與傳播方向互相垂直D、電磁波能夠發(fā)生反射、干涉、衍射、偏振現(xiàn)象例與練BCD4、比較電磁波和機械波，下列說法中正確的是（）A、電磁波和機械波都可以在真空中傳播B、電磁波和機械波都是傳遞能量的一種形式C、電磁波和機械波都能產(chǎn)生反射、干涉、衍射、偏振現(xiàn)象D、電磁波和聲波都是縱波機械波只能在介質(zhì)中傳播電磁波是橫波，聲波是縱波BC第二十二頁，共二十六頁。5、2008年9月27日，我國神舟七號航天員翟志剛首次實現(xiàn)了中國航天員在太空的艙外活動（如圖所示），神舟七號載人航天飛行取得了圓滿成功，這是我國航天發(fā)展史上的又一里程碑。艙外的航天員與艙內(nèi)的航天員近在咫尺，但要進行對話，一般需要利用（）A．紫外線B．無線電波C．γ射線D．X射線6、目前雷達發(fā)射的電磁波頻率多在200MHz至1000MHz的范圍內(nèi)．下列關于雷達和電磁波說法正確的是（）A．真空中上述雷達發(fā)射的電磁波的波長范圍在0.3m至1.5m之間B．電磁波是由恒定不變的電場或磁場產(chǎn)生的C．測出從發(fā)射電磁波到接收反射波的時間間隔可以確定雷達和目標的距離D．波長越短的電磁波，反射性能越強根據(jù)電磁波的定義及電磁場理論可知Ｂ不正確．根據(jù)電磁波的特點可知C、D正確．[解析]由可知A正確．【答案】A、C、DA、C、DB第二十三頁，共二十六頁。7．如圖11-3-1所示，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)口徑的帶正電的小球，正以速率v0沿逆時針方向勻速轉(zhuǎn)動．若在此空間突然加上豎直向上、磁感應強度B隨時間成正比例增加的變化磁場，設小球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B．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C、D[由題可知感應產(chǎn)生的環(huán)形電場對小球的作用力與小球速度方向相反]CD8．德國《世界報》曾報道過個別西方發(fā)達國家正在研制電磁脈沖波武器——電磁炸彈。若一枚原始脈沖波功率10千瓦，頻率5兆赫的電磁炸彈在不到100m的高空爆炸，它將使方圓400－500m2地面范圍內(nèi)電場強度達到每米