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散度 利用哈密顿算子的性质可以证明 散度运算符合下列规则 旋度 利用哈密顿算子的性质可以证明 旋度运算符合下列规则 梯度 利用哈密顿算子的性质可以证明 梯度运算符合下列规则 电磁场异常 1855年 在日本江户闹市区有一位开眼镜铺的商人 他用长3日尺 1日尺等于30 3厘米 的一个马蹄铁 在马蹄铁上面粘满铁钉 用此来招引顾客 但是 在1855年江户大地震发生的当天 吸到磁铁上的铁钉及其他铁制商品 突然掉落在地 使他大为惊愕 时过两小时 一次破坏性大地震发生了 震撼了整个市区 地震过后 发现那块磁铁又恢复了往日的吸铁功能 类似的事件 在我们国家也曾多次出现 1970年1月5日 在云南通海发生7 8级大地震 震前 震中区有些人在收听中央人民广播电台的广播 忽然发现收音机音量减小 声音嘈杂不清 特别是在震前几分钟 播音干脆中断 再如 1973年2月6日四川炉霍7 9级地震之前 县广播站的人发现 在震前5 30分钟 收音机杂音很大 无法调试 接着发生了大地震 地震前磁场变化 很早就被人们注意到了 1872年12月15日印度发生地震前 巴西里亚至伦敦的电报线上出现了异常电流 1930年日本北伊豆地震时 电流计也记到了海底电线上的异常电流 地震能引起电磁场的变化 一般认为磁场变化的原因有两个 一是地震前岩石在地应力作用下出现 压磁效应 从而引起地磁场局部变化 二是地应力使岩石被压缩或拉伸 引起电阻率变化 使电磁场有相应的局部变化 岩石温度的改变也能使岩石电磁性质改变 唐山地震前两天 距唐山200多公里的延庆县测雨雷达站和空军雷达站 都连续收到来自京 津 唐上空的一种奇异的电磁波 因此 观测电磁场的变化也成为预报地震的主要手段之一 是谁敲开了电磁波的 大门 今天 当我们打开收音机欣赏音乐 开启电视机了解世界要闻 饱览全球各地的风土人情时 不知你可曾想过 这些都是电磁波所创造的奇迹 那么 又是谁敲开了电磁波的大门 揭开它那神秘的面纱呢 摩擦能产生电 天然磁石能吸铁 这些自然的电磁现象早已为人类所发现 可是 一直到19世纪20年代 人们才开始逐步找到电与磁之间的关系 1820年 丹麦物理学家奥斯特发现 当导线中有电流流过时 放在它附近的磁针会发生偏转 学徒出身的英国物理学家法拉第 1791 1867 明确指出 奥斯特的实验说明了电能生磁 他还通过艰苦的实验 发现了导线在磁场中运动时会产生电流 这就是所谓的 电磁感应 现象 英国物理学家法拉第 著名的科学家麦克斯韦用数学公式表达了法拉第等人的成果 而且把法拉第的电磁感应理论推广到了空间 认为在变化磁场的周围 能产生变化的电场 如此循环下去 交替变化的电磁场就会像水波一样向远处传播 于是 麦克斯韦在人类历史上首次指出了电磁波的存在 那么 又是谁证实了电磁波的存在呢 这个人就德国青年物理学家赫兹 1887年的一天 赫兹在一间暗室里做实验 他从两个相距很近的金属小球接上交流高压电 他身后有一个没封口的圆环 随着一阵阵噼噼啪啪的电火花声 他发现 当他把圆环的开口调得越来越小时 便有火花越过缝隙 这便提供了能量能越过空间进行传播的有力证据 一次看来十分平常实验 却揭示了电磁波存在的伟大真理 开辟了人类利用无线电波的广阔前景 德国物理学家赫兹 人体也有电磁场 测量人脑在不同情况下的脑电波 根据电学知识 电荷的运动要产生磁场 而人的体内也存在电流 因此 也产生磁场 即人体磁场 人体磁场与人体器官有直接的关系 脑电图就是根据脑电流的变化而制作的 脑电流会产生磁场 但这个磁场比较弱 利用电磁检测的方法测量大脑周围非常微弱的磁场变化 记录脑电波动图 人思考的时候 磁场会发生改变 形成一种生物电流通过磁场 而形成的东西 我就把它定位为 脑电波 因能量守恒 所以我们思考得越用力 形成的脑电波也就越强 于是也就能解释为什么大量的脑力劳动会产生比体力劳动更大的饥饿感 用脑程度不同脑电波电压也不同 我们的大脑无时无刻不在产生脑电波 早在1857年 英国的一位青年生理科学工作者卡通在兔脑和猴脑上记录到了脑电活动 并发表了 脑灰质电现象的研究 论文 但当时并没有引起重视 十五年后 贝克再一次发表脑电波的论文 才掀起研究脑电现象的热潮 直至1924年德国的精神病学家贝格尔才真正地记录到了人脑的脑电波 从此诞生了人的脑电图 电磁波使世界变得更精彩 电磁波这一伟大的发现 改变了人类社会生活 使我们的生活更加丰富多彩 它虽然无形 却处处存在 在我们中学生身边随时都可以看到它的作用 电磁波把丰富多彩的广播电视节目送到我们的面前 丰富了我们的文化生活 手机和可视电话缩短了人们之间的距离 加深了人与人之间的感情 就在我的家中也有它的身影 微波炉 电磁炉 电饭锅 电炒锅使厨房劳动发生了革命 更加欣慰的是 嫦娥奔月 圆了中华民族的千年梦想 射电望远镜的发明使人类可以放眼宇宙 如今微波的应用大大提高了医疗水平 就是在军事领域也更加显示了它的神通 食品膨化 工业干燥 电磁波在其他工 农业领域也有广泛的作用 它可以对食品进行膨化 烘干 脱腥和保鲜处理 它可以对木材加工进行均匀 快速烘干 同时杀死木材内部的卵虫和幼虫 灭霉杀菌 在橡胶工业中 微波加热设备可对轮胎作一次加热 提高轮胎硫化质量 微波还可以用于脱硫 探测 检测 测量 化学工业等 医学诊疗 激光测量 家庭生活 军事领域 电磁波与广播电视信号传送 无线电广播与电视都是利用电磁波来进行传播的 在无线电广播中 人们先将声音信号转变为电信号 然后将这些信号由高频振荡的电磁波带着向周围空间传播 而在另一地点 人们利用接收机接收到这些电磁波后 又将其中的电信号还原成声音信号 这就是无线广播的大致过程 而在电视中 除了要像无线广播中那样处理声音信号外 还要将图像的光信号转变为电信号 然后再将这两种信号一起由高频振荡的电磁波带着向周围空间传播 而电视接收机接收到这些电磁波后又将其中的电信号还原成声音信号和光信号 从而显示出电视的画面和喇叭里的声音 有了广播电视 特别是卫星电视 彻底改变了人们的文化生活方式 使人们的文化生活更加丰富多彩 嫦娥奔月 与电磁波技术 2007年10月24日 中国第一颗探月卫星 嫦娥一号 在中国西昌卫星发射中心成功发射 飞向太阳系家族中离地球最近 最亮的星球 月球 人类至今已先后将各种卫星 飞船 航天飞机和空间站等5000多个航天器送入太空 然而 太空并未因此变得杂乱无序 每一个航天器始终按照自己的轨道飞行 偶尔偏离轨道 也能很快 迷途知返 这主要依靠地球上庞大的航天测控网 我国月球探测一期工程的测控通信系统使用 统一S波段 USB 航天测控网 满足 嫦娥一号 月球探测器各飞行阶段的遥测 遥控 轨道测量和导航任务 统一S波段 USB 航天测控网是指使用S波段的微波统一测控系统 这里的微波统一测控系统是指利用公共射频信道 将航天器的跟踪测轨 遥测 遥控和天地通信等功能合成一体的无线电测控系统 嫦娥登月 五大系统图 嫦娥一号 上的几种探测仪 嫦娥一号 在中国西昌卫星发射中心成功升空 为满足月球探测任务的需要 嫦娥一号卫星携带了八种仪器 相机和激光高度计共同承担月球表面三维影像探测任务 干涉成像光谱仪 射线谱仪 射线谱仪共同承担月表化学元素与物质成分及丰度探测任务 微波探测仪承担月壤厚度探测任务 太阳高能粒子探测器和两台低能离子探测器共同进行地月空间环境探测 激光高度计 提供三维影像处理所需的参数 X射线谱仪 确定月球表面位置类型和资源分布功能 射线谱仪 确定月球表面位置类型和资源分布功能 微波探测仪 测量反演月表不同地区月壤厚度信息 高能粒子探测器 探测高能带电粒子的成分 能谱 通量和随时间的变化特征 太阳风离子探测器 探测原始太阳风等离子的能谱 包括太阳风的体速度 离子温度等 电磁波与空间望远镜 我们知道 地球大气对电磁波有较多的吸收 我们在地面上只能进行射电 可见光和部分红外波段的观测 随着空间技术的发展 在大气外进行观测已成为可能 所以就有了可以在大气层外观测的空间望远镜 空间观测设备与地面观测设备相比 有极大的优势 以光学望远镜为例 望远镜可以接收到宽得多的波段 短波甚至可以延伸到100纳米 没有大气抖动后 分辨本领可以得到很大的提高 空间没有重力 仪器就不会因自重而变形 紫外望远镜 X射线望远镜 射线望远镜以及部分红外望远镜的观测都是在地球大气层外进行的 属于空间望远镜 世界第一台空间望远镜 哈勃望远镜 月基望远镜想像图 电磁波在移动通讯中的应用 移动通讯示意图 移动电话与其他用户的通话要由较大的固定的无线电台转接 这种固定的电台叫做基台或者叫基站 在城市中 移动通信基地台的天线建在高大建筑物上 在一个大的区域内被划分成很小的区域 又名蜂窝 两个不相邻的蜂窝可以使用相同的频率 这样整个城市中的不相邻蜂窝可以广泛地使用相同的频率 无论城市多大 蜂窝方案都要求有大量的基站 一般大城市可能有数百个基站 每个运营商还运营一个称作移动交换中心局 每天可以为成千上万的通话和用户提供服务 我们经常使用的手机和小灵通的工作原理都基本相同 他们之间的区别 不是发射频率低 而是发射功率低 其他通讯设备如对讲机 固定电话子母机 以及蓝牙设备等都是利用电磁波的辐射原理进行通讯的 有了移动通信 使人与人之间的联系毫无障碍 使人们之间的联系更加紧密 既方便了工作 使工作效率大大提高 又加深了人与人之间友谊和感情 极大地推进了社会进步 电磁波在移动通讯中的应用 电磁波在测距上的应用 电磁波测距 是利用电磁波作为载波 经过调制后由测线一端发射出去 由另一端反射或转送回来 测定发射波与回波的相位差或相隔的时间 以测量距离的方法 电磁波测距仪根据载波不同可分为光电测距仪和微波测距仪 前者又因光源和电子部件的改进 发展成为激光测距仪和红外测距仪 后者微波测距仪 原理是将测距频率调制在载波上 由主台发射出去 经副台接收和转送回来之后 测量调制波的相位 而确定距离 电磁波测距技术广泛应用于城市测量 工程测量和地形测量 虽然微波测距仪是一种很方便的测距仪器 但因它的波束角比光电测距仪的大 多路径效应严重 地表和地物的反射波使接收波的组成极为复杂 而又无法区分 给观测结果带来误差 此外 大气湿度对微波测距的影响相当大 而在野外湿度又难于测定 因此 微波测距的精度低于光电测距 激光测距系统示意图 电磁波在测距上的应用 激光测距地球表面成像示意图 电磁波在医学诊断中的应用 自1895年以来 电磁波在医学上的应用得到了广泛而深入的发展 当伦琴发现X射线以后 不久就被应用在医学上的诊断 因为X光是一种有能量的电磁波或辐射 利用X光的贯穿作用 医学上可以进行X光透视 一般用来检查骨的损伤情况 但在当时X射线机的结构非常简单 X光透视机 随着对电磁波的了解 更精确 更安全的诊断仪器在医学上发挥作用 如CT和核磁共振成像技术 核磁共振成像是目前头部和颈部诊断成像的最佳技术 磁共振成像技术是利用物质中原子核的磁矩在恒定磁场作用下对高频电磁场产生的共振吸收现象而得到断层图像的方法 磁共振成像技术与常用的X射线透射电脑断层照相术 X CT 及超声相比 有很大优点 能提高与分子环境有关的驰像时间 因热量而导致的动态平衡所用的时间 等参数 提高分辨率的三维结构图像 从而得到病变性质的判断依据和血流 代谢过程的一些参数 所以磁共振成像技术正在得到广泛的应用 用肌磁场得到相关的体电流分布 用核磁共振谱诊断肿瘤 电磁波在医学诊断中的应用 核磁共振成像技术已是当今医疗中的重要诊断依据 现代医学中的微波治疗 微波是指频率从300MHZ到300GHZ范围内的电磁波 在临床上 微波与生物体的相互作用可以分为两大类 即微波致热效应和非微波致热效应 微波治疗仪所采用的微波热疗是一种非接触加热方式 不存在因电接触造成的热灼伤和电灼伤的可能 近几年 由于各项技术的日臻完善 使得微波治疗无需麻醉 可在门诊完成 具有简便 安全的特点 如今微波技术已广泛应用于医学治疗 微波治疗在手术时以其优越的止血效果 先进的作用原理 微小的组织损伤 而被喻为取代电灼 冷冻 激光的新技术 微波治疗仪是一种利用微波对各种疾病进行治疗的新型医疗仪器 它除具有深表加热的特点外 还具有操作方便 定位准确 安全性高以及造价低 适用于妇科 泌尿科 肛肠科 耳鼻喉科 外科 皮肤科等科室 微波治疗的特点是采用高频率局部辐射 在较小的微波功率输出条件下 即可达到预期的治疗效果 微波对人体组织的热效应效率高 穿透力强 具有内外同时产生热的优点 微波在人体组织内产生热量 作用可达5 8厘米 可穿透衣物和石膏等体表覆盖物 直达病灶部位促进血液循环 水中吸收和新肉芽生长 电磁波炊具引发厨房革命 微波炉的发明人 美国人斯本塞 就职于专门制造电子管的雷声公司 1945年 他观察到微波能使周围的物体发热 有一次 他走过一个微波发射器时 身体有热感 不久他发现装在口袋内的糖果被微波溶化 还有一次 他把一袋玉米粒放在波导喇叭口前 然后观察玉米粒的变化 他发现玉米粒与放在火堆前一样 第二天 他又将一个鸡蛋放在喇叭口前 结果鸡蛋受热突然爆炸 溅了他一身 这更坚定了他的微波能使物体发热的论点 雷声公司受斯本塞实验的启发 决定与他一同研制利用微波热量烹饪的炉子 1947年 雷声公司推出了第一台家用微波炉 微波炉 电磁炉的产生 减轻了家庭的劳动 是现代厨房革命的产物 使人们远离了又脏又累的煤炉时代 又节约了石油液化气和天然气 减少了二氧化碳的排放量 使人们的家庭生活更加干净和温馨 告别烟火弥漫的厨房战场 是现代人的一大心愿 第四维战场的主角 电子战是指敌对双方争夺电磁频谱使用和控制权的军事斗争 包括电子侦察与反侦察 电子干扰与反干扰 电子欺骗与反欺骗 电子隐身与反隐身 电子摧毁与反摧毁等 由于军队电子化程度的迅速提高 电子战被作为直接用于攻防的作战手段 形成了 陆 海 空 天 电 多维立体战 电子战的攻击重点是敌C4I系统 军队指挥自动化的英文缩写 即指挥 控制 通信 计算机与情报系统 海湾战争中 在多国部队连续高强度电子战软硬打击下 75 的伊军电子系统无法正常工作 使伊军成了聋子 哑巴 瞎子 保护己使用电磁频谱 防止敌方使用电磁频谱的斗争成为现代战争的第四维战场 大规模电子战将贯穿于战争的始终 未来的高技术战争 电子战将发挥巨大作用 没有制电磁权就谈不上 制天 制空 制海 制陆 权 战争中的电磁频谱应用示意图 现代战争中的电磁环境 战场电磁环境的形成是以电磁空间的发展和战场电磁应用与反应用的开展为基础的 在各自部队中用无线电通信进行通信联系成为人类电磁波军事应用中最早开辟的领域 随着电磁理论和电磁应用不断取得重大突破 雷达 导航 卫星等先进武器系统先后投入使用 电磁频谱利用资源越来越宽 对抗手段层出不穷 电磁波已经成为人类传递信息和能量的最重要形式 由此形成了复杂的战场电磁环境 战争中的电磁环境 我军在 铁拳2007 复杂电磁环境下的指挥作战演习 电磁环境难以直接被人感知 但是从电磁辐射原理出发 可以发现空间状态 时间分布 频谱范围和能量密度等是战场电磁环境形态描述的常用指标 空间状态无形无影却纵横交错 时间分布持续连贯却集中突发 频谱范围无限宽广却使用拥挤 能量密度流量密集却跌宕起伏 战场电磁环境的复杂性特征通常表现在四个方面 信号密集 样式复杂 冲突激烈和动态交迭 各种各样的电磁波信号充斥了整个战场空间 电磁设备兼容矛盾突出 电磁领域的恶意对抗活动是战场电磁环境复杂性的最活跃 最不可控 最有针对性和破坏性的主要因素 战场电磁环境因而更加复杂 战场电磁环境存在方式不确定 既取决于电子设备的工作状态 系统的数量和性能 也取决于战场空间的季节 天候 地形等条件的不同和电离层高度 电介质性质 地磁场分布等因素的变化 现代战争中的电磁环境 伊拉克战争中的 人工闪电 伊拉克战争又称美伊战争 第二次海湾战争 2003年3月20日 以美国和英国为首的多国部队正式宣布对伊拉克开战 在3月26日美国哥伦比亚广播公司报道美国军队第一次在伊拉克使用了 微波炸弹 轰炸的结果使得伊拉克电视台转播信号被迫中断 巡航导弹携带着微波炸弹飞向目标 微波炸弹通过巡航导弹发射 该炸弹利用微波发生器产生快速脉冲波束 能以高能量微波辐射攻击敌方武器平台的电子设备 在其内部骤然加热 熔化或烧毁其电子元件 试验表明 在目标区内当微波束能量密度达到10 100瓦 平方厘米时 可烧毁任何工作波段的电子元件 在距离 微波炸弹 2 5公里之内 敌方的所有无线电电子系统 雷达系统 通信系统 计算机都会在一瞬间失去作用 敌方指挥中枢将丧失作战能力 其中一种被称为 人工闪电 由巡航导弹携带的 高能微波 装置在击中目标后 瞬间产生的能量 相当于世界上最大的水力发电站在24小时内产生的电能 它的电磁脉冲可以通过通风口 管道和天线进入各种建筑包括厚厚的地下掩体 把300米以内的所有计算机内部的电子元件 烤焦 威力巨大的电磁武器 电磁波辐射会对人体造成损伤 这是已被科学所证实了的 一些国家正在利用这一原理 研制威力巨大的电磁武器 根据电磁波长 电磁武器分为5类 低频和极低频武器 射频武器 超高频 或微波 简称MO 武器 光频武器和粒子武器 低频和极低频武器威力较小 它不会摧毁人的细胞而伤害人的性命 但仍不失为一种令人生畏的武器 它的射线能够改变人的新陈代谢过程 特别是干扰甲状腺的功能 从而使人的反应速度降低 记忆力减退 动作变得笨拙 射线的频率越高 其威力就越大 据报道 一些国家正在开发新的电磁能源和武器 它能使人的肌肉不能随意运动 能控制人的感情和行动 给人催眠或给人传递睡眠暗示 干扰人的记忆 使记忆发生错乱 甚至消失 另一种研制中的电磁武器能够摧毁物质目标 尤其是电子目标 甚至摧毁有生命的目标 人体对电场和微波束的抵抗能力很强 因而只有功率强大的电磁武器才能杀伤人类 它杀伤人类的原理是它能够在人体内诱导出有害的生物学反应 特别是对人的大脑功能造成干扰 有的国家还在研制一种装置 它可以向电离层发射高频电磁波来局部干扰电离层 从而使依靠电离层作为反射层的广播电台和雷达失效 足够强大的电磁波能使一些气象要素受到干扰 从而引起气象灾害 暴风雨 龙卷风 持续干旱 人们甚至打算将来利用可控能源在太空操纵气象 威力巨大的电磁武器 电磁武器的一大优点是 它的 子弹 是各类电磁波 其速度等于光速 即每秒30万公里 而常规火器中飞行速度最快的导弹 其飞行速度每小时超不过3万公里 常规火器按枪管或炮管的口径分类 而电磁武器则是根据其所发射电磁波的频率长短和调制方式分类 未来战争的激光武器 前苏联激光武器想象图 激光作为武器 有很多独特的优点 首先 它可以以光速飞行 每秒30万公里 任何武器都没有这样高的速度 它一旦瞄准 几乎不要什么时间就立刻击中目标 用不着考虑提前量 另外 它可以在极小的面积上 在极短的时间里集中超过核武器100万倍的能量 还能很灵活地改变方向 没有任何发射性污染 这和惊天动地的核武器相比 完全是两种风格 未来战争的激光武器 激光武器分为三类 一是致盲型 二是近距离战术型 可用来击落导弹和飞机 三是远距离战略型 这类的研制困难最大 但一旦成功 作用也最大 它可以反卫星 反洲际弹道导弹 成为最先进的防御武器 激光怎样击毁目标呢 科学家们认为有两个方面 一是穿孔 二是层裂 所谓穿孔 就是高功率密度的激光束使靶材表面急剧熔化 进而汽化蒸发 汽化物质向外喷射 反冲力形成冲击波 在靶材上穿一个孔 所谓层裂 就是靶材表面吸收激光能量后 原子被电离 形成等离体 云 云 向外膨胀喷射形成应力波向深处传播 应力波的反射造成靶材被拉断 形成 层裂 破坏 除此以外 等离子体 云 还能辐射紫外线或X光 破坏目标结构和电子元件 电磁波与未来新型士兵 请设想一下这样的士兵 他们身上配备着电子仪器 身穿完全能抵御化学制剂或细菌制剂侵害的连衣被 头上戴着内部有屏幕的红外线头盔 头盔内屏幕上可以显示士兵所处的实际位置 并能显示出士兵射出的枪弹的轨迹 手臂上端着激光步枪或微波手枪 激光步枪或微波手枪可通过卫星与指挥中建立联系 今后20年内 现在还只出现在科幻电影中的这种可怕的步兵将会出现在战场上 美国测试未来士兵战斗力 德国IdZ未来士兵系统 我国演练中的新型单兵 自冷战结束以来 军事领域在战略战术上发生了深刻的变化 由此将导致出现上述这种新型士兵 特别是在美国 法国 英国和以色列等国家 当然我国也在这方面加大了研究 目前对未来士兵领域转化为5个易于使用的模块 服装 装备 通信与信息 武器和能源供给 对这5个模块中子项目的不断改进 提高这些模块间的凝合力 逐渐形成未来士兵作战系统 这套系统旨在显著提高单兵的态势感知能力 服装上采用热屏蔽面料制作而成 不易被敌方发现 带有激光瞄准的武器 微波通讯对讲机等装备 无一不与电磁波相关 关于面对 未来战争 所使用的可怕武器 人们在几十年以前就已经在着手研制 武器之一是 定向能量 武器 这种武器能发射电磁波或微波 在没有声音 没有烟雾 悄无声息地情况下就能将敌人击倒 而且还能长时间地射击而