第十四章_电磁波

1、十四章十四章 电磁波电磁波分析：分析：麦克斯韦认为变化的磁场在线圈中产生麦克斯韦认为变化的磁场在线圈中产生电场，正是这种电场电场，正是这种电场( (涡旋电场涡旋电场) )在线圈中驱使在线圈中驱使自由电子做定向的移动，引起了感应电流。自由电子做定向的移动，引起了感应电流。 变化的磁场产生电场变化的磁场产生电场现象：变化的电场周围小磁针发生摆动现象：变化的电场周围小磁针发生摆动分析：电荷运动时，周围的小磁针摆动，说明电荷运动时，周围的小磁针摆动，说明小磁针所在处产生了另一个磁场，使小磁针发小磁针所在处产生了另一个磁场，使小磁针发生摆动，这个磁场是由电荷运动在周围空间产生摆动，这个磁场是由电荷运动在

2、周围空间产生的变化电场引起的。生的变化电场引起的。 变化的电场产生磁场变化的电场产生磁场 变化的电场产生磁场变化的电场产生磁场 根据这两个基本论点，麦克斯韦推断：如果在根据这两个基本论点，麦克斯韦推断：如果在空间某域中有周期性变化的电场，那么，它就在空空间某域中有周期性变化的电场，那么，它就在空间产生周期性变化的磁场；这个变化的磁场又引起间产生周期性变化的磁场；这个变化的磁场又引起新的周期性变化的电场新的周期性变化的电场。于是，变化的电场和。于是，变化的电场和变化的磁场交替产生，由近及远地向周围传播。变化的磁场交替产生，由近及远地向周围传播。BBEEEE电磁场由产生区域向外传播就形成了电磁波。

3、电磁场由产生区域向外传播就形成了电磁波。 电磁波传播的速度等于光速。光是一种电磁波。电磁波传播的速度等于光速。光是一种电磁波。电磁波在空间传播时，在任一位置上（或任一时电磁波在空间传播时，在任一位置上（或任一时刻）刻）E E、B B、v v三矢量相互垂直。三矢量相互垂直。电磁波电磁波捕捉电磁波捕捉电磁波一一.麦克斯韦理论麦克斯韦理论：变化的磁场产生电场：变化的磁场产生电场 变化的电场产生磁场变化的电场产生磁场二电磁场二电磁场：按照麦克斯韦的电磁场理论，变化的：按照麦克斯韦的电磁场理论，变化的电场和磁场总是相互联系的，形成一个不可分离的电场和磁场总是相互联系的，形成一个不可分离的统一场，称为统一

4、场，称为电磁场电磁场。电场和磁场只是这个统一的。电场和磁场只是这个统一的电磁场的两种具体表现。电磁场的两种具体表现。三电磁波：三电磁波：不均匀变化的电场产生磁场，不均匀变化的电场产生磁场，不均匀变化的磁场产生电场，于是不均匀不均匀变化的磁场产生电场，于是不均匀变化的电场和磁场交替产生，由近及远向变化的电场和磁场交替产生，由近及远向周围传播，就形成了电磁波。周围传播，就形成了电磁波。 四电磁波的特点：四电磁波的特点： 电磁波是横波。电磁波是横波。在电磁波传播方向上的任在电磁波传播方向上的任一点，场强一点，场强E和磁感应强度和磁感应强度B均与传播方向垂均与传播方向垂直且随时间变化，因此电磁波是横波

5、。直且随时间变化，因此电磁波是横波。 电磁波的传播不需要介质电磁波的传播不需要介质，在真空中也能，在真空中也能传播。在真空中的波速为传播。在真空中的波速为c=3.0108m/s。 波速和波长、频率的关系波速和波长、频率的关系：cf 电磁波速与介质、电磁波速与介质、频率有关频率有关 实验表明，实验表明，LCLC回路里产生的振荡电流是按正回路里产生的振荡电流是按正弦规律变化的。弦规律变化的。在一个周期内，振荡电流的方向改变两次；电场在一个周期内，振荡电流的方向改变两次；电场能或磁场能）完成两次周期性变化能或磁场能）完成两次周期性变化LC回路振荡过程阻尼振荡和无阻尼振荡 2 2阻尼振荡：任何电磁振荡

6、电路中，总存在能量阻尼振荡：任何电磁振荡电路中，总存在能量损耗，使振荡电流的振幅逐渐减小，这种振荡叫损耗，使振荡电流的振幅逐渐减小，这种振荡叫做做阻阻尼振荡尼振荡，或叫做，或叫做减幅振荡减幅振荡 （1 1）振荡电路中的能量损耗有一部分转化为内）振荡电路中的能量损耗有一部分转化为内能（产生焦耳热），还有一部向外辐射出去而损失能（产生焦耳热），还有一部向外辐射出去而损失 （2 2）如果用振荡器不断地将电源的能量补充到）如果用振荡器不断地将电源的能量补充到振荡电路中去，就可以保持等幅振荡振荡电路中去，就可以保持等幅振荡 1 1无阻尼振荡：在电磁振荡中，如果没有能量损无阻尼振荡：在电磁振荡中，如果没有

7、能量损失，振荡电流的振幅保持不变，这种振荡叫做失，振荡电流的振幅保持不变，这种振荡叫做无无阻尼振阻尼振荡荡，也叫做，也叫做等幅振荡等幅振荡 五五.电磁波的物质基础电磁波的物质基础-电磁振荡电磁振荡 1振荡电路：大小和方向都随时间做周期性变振荡电路：大小和方向都随时间做周期性变化的电流叫做振荡电流，能够产生振荡电流的电化的电流叫做振荡电流，能够产生振荡电流的电路叫振荡电路，路叫振荡电路，LC回路回路是一种简单的振荡电路。是一种简单的振荡电路。 2LC回路的电磁振荡过程：可以用图象来形象回路的电磁振荡过程：可以用图象来形象分析电容器充、放电过程中各物理量的变化规律，分析电容器充、放电过程中各物理量

8、的变化规律，如图所示如图所示 3LC回路的振荡周期和频率回路的振荡周期和频率 LCT2LCf21分析电磁振荡要掌握以下三个要点分析电磁振荡要掌握以下三个要点（突出能量守恒的观点突出能量守恒的观点）：）：理想的理想的LC回路中电场能回路中电场能E电电和磁场能和磁场能E磁磁在转化过程中在转化过程中的总和不变。的总和不变。回路中电流越大时，回路中电流越大时，L中的磁场能越大（中的磁场能越大（磁通量越大磁通量越大）。）。极板上电荷量越大时，极板上电荷量越大时，C中电场能越大（中电场能越大（板间场强越大、板间场强越大、两板间电压越高、磁通量变化率越小两板间电压越高、磁通量变化率越小）。）。LC回路中的电

9、流图象和电荷图象总是互为余函数（见右回路中的电流图象和电荷图象总是互为余函数（见右图）。图）。一、无线电波的发射一、无线电波的发射1.要有效发射电磁波，振荡电路须具有如下特点：要有效发射电磁波，振荡电路须具有如下特点：要有足够高的振荡频率。要有足够高的振荡频率。振荡电路的电场和磁场必须分散到尽可能大的空振荡电路的电场和磁场必须分散到尽可能大的空间，这样才能有效地把能量辐射出去。间，这样才能有效地把能量辐射出去。振荡电路振荡电路声音信号声音信号高频振荡电流高频振荡电流使电磁波随使电磁波随各种信号而各种信号而改变改变,叫做叫做调调制制调调 幅幅无线电波的发射无线电波的发射振荡电路振荡电路声音信号声

10、音信号高频振荡电流高频振荡电流使电磁波随使电磁波随各种信号而各种信号而改变改变,叫做叫做调调制制调调 频频无线电波的发射无线电波的发射无线电波的接收无线电波的接收1、接收无线电波的装置：、接收无线电波的装置：上图为收音机的调谐电路上图为收音机的调谐电路 图示为收音机的图示为收音机的简单的调谐电路，通简单的调谐电路，通过可变电容改变调谐过可变电容改变调谐电路的固有频率，使电路的固有频率，使其与接收电台的电磁其与接收电台的电磁波频率相同，这个频波频率相同，这个频率的电磁波就在调谐率的电磁波就在调谐电路里激起较强的感电路里激起较强的感应电流，这样就选出应电流，这样就选出了电台。了电台。可变电容可变电

11、容彩塔接收天线彩塔接收天线电报大楼上的接收天线电报大楼上的接收天线信号信号调制调制振荡电流振荡电流发射发射调谐电路调谐电路解调解调输出输出无线电波发射和接受流程图无线电波发射和接受流程图无线电波的发射无线电波的发射无线电波的接收无线电波的接收六六.电磁波的发射和接收电磁波的发射和接收有效发射电磁波条件：有效发射电磁波条件：a.足够高的频率足够高的频率 b.采用开放电路采用开放电路发射发射： 发射端发射端 接收端接收端调制调制调频调频调幅调幅接收：接收：调谐调谐检波（解调）检波（解调）七七.电磁波与信息化社会电磁波与信息化社会广播、电视、雷达、无线通信广播、电视、雷达、无线通信等都是电磁波的具体

12、应用。等都是电磁波的具体应用。雷达：无线电定位的仪器，波雷达：无线电定位的仪器，波长越短的电磁波，传播的直长越短的电磁波，传播的直线性越好，反射性能强，多线性越好，反射性能强，多数的雷达工作于微波波段。数的雷达工作于微波波段。缺点，沿地面传播探测距离缺点，沿地面传播探测距离短。中、长波雷达沿地面的短。中、长波雷达沿地面的探测距离较远，但发射设备探测距离较远，但发射设备复杂复杂。电磁波可能造成的伤害电磁波可能造成的伤害 1、手机释放的电磁辐射对脑细胞的影响。、手机释放的电磁辐射对脑细胞的影响。 2、电磁辐射的遗害会不断累积在十至十五年后，、电磁辐射的遗害会不断累积在十至十五年后，很可能出现更多因

13、手机普及而导致的癌症病例很可能出现更多因手机普及而导致的癌症病例 3、电磁辐射对胎儿的发育起到极大的影响。容易导、电磁辐射对胎儿的发育起到极大的影响。容易导致胎儿畸形和发育不良。致胎儿畸形和发育不良。八八.电磁波谱电磁波谱无线电波无线电波红外线红外线可见光可见光紫外线紫外线可见光可见光X X射线射线射线射线太阳辐射太阳辐射阳光含有：无线电波、红外线、可见光、紫外线、阳光含有：无线电波、红外线、可见光、紫外线、x射线、射线、射线射线太阳辐射的能量集中在可见光、红外线、紫外线太阳辐射的能量集中在可见光、红外线、紫外线三个区域三个区域阳光中波长在阳光中波长在5.5x10-7m的黄绿光附近，辐射的的黄

14、绿光附近，辐射的能量最强，这区域恰好是人眼最敏感能量最强，这区域恰好是人眼最敏感电磁波电磁波谱谱无线电无线电波波红外线红外线可见可见光光紫外线紫外线X射线射线（伦琴射（伦琴射线）线）r射线射线频率频率由左向右，频率逐渐增大。由左向右，频率逐渐增大。真空中真空中波长波长由左向右，波长逐渐增小。由左向右，波长逐渐增小。特性特性波动性波动性强强波长较波长较长、热长、热效应显效应显著著可见、可见、感光感光性强性强荧光、荧光、化学作化学作用、杀用、杀菌消毒菌消毒穿透力穿透力强强穿透力最穿透力最强强用途用途通信、通信、广播和广播和天体物天体物理研究理研究红外摄红外摄影、红影、红外遥感外遥感观察观察物体物体

15、、照像照像荧光防荧光防伪、杀伪、杀菌消毒、菌消毒、治疗皮治疗皮肤病肤病检查、检查、探测、探测、透视、透视、治疗治疗探测、治探测、治疗疗 按频率由小到大（波长由大到小）排列形成按频率由小到大（波长由大到小）排列形成的电磁波谱是：无线电波、红外线、可见光、紫外的电磁波谱是：无线电波、红外线、可见光、紫外线、伦琴射线、线、伦琴射线、射线射线 这些频率不同的电磁波本质是相同的它们的这些频率不同的电磁波本质是相同的它们的行为服从共同的规律，行为服从共同的规律， 但是他们产生的机理不同，因而具有不同的特但是他们产生的机理不同，因而具有不同的特性在观察方法和应用上也有所不同性在观察方法和应用上也有所不同 关

16、于电磁波谱的几点强调关于电磁波谱的几点强调 1 1不同电磁波产生的机理不同电磁波产生的机理 无线电波是振荡电路中自由电子作周期性无线电波是振荡电路中自由电子作周期性的运动产生的的运动产生的 红外线、可见光、紫外线是原子外层电子红外线、可见光、紫外线是原子外层电子受激发产生的受激发产生的 伦琴射线是原子内层电子受激发产生的伦琴射线是原子内层电子受激发产生的 射线是原子核受激发产生的射线是原子核受激发产生的关于电磁波谱的几点强调关于电磁波谱的几点强调 2 2、频率、频率( (波长波长) )不同的电磁波表现出作用不同不同的电磁波表现出作用不同 红外线主要作用是热作用，可以利用红外线来加热红外线主要作

17、用是热作用，可以利用红外线来加热物体和进行红外线遥感；物体和进行红外线遥感； 紫外线主要作用是化学作用、荧光作用和杀菌消毒紫外线主要作用是化学作用、荧光作用和杀菌消毒作用，可用来防伪、预防疾病、医用杀菌和消毒；作用，可用来防伪、预防疾病、医用杀菌和消毒； 伦琴射线有较强的穿透本领，利用其穿透本领与物伦琴射线有较强的穿透本领，利用其穿透本领与物质的密度有关，进行对人体的透视和检查部件的缺陷；质的密度有关，进行对人体的透视和检查部件的缺陷； 射线的穿透本领更大，在工业和医学等领域有广射线的穿透本领更大，在工业和医学等领域有广泛的应用，如探伤，测厚或用泛的应用，如探伤，测厚或用刀进行手术刀进行手术关

18、于电磁波谱的几点强调关于电磁波谱的几点强调 紫外线紫外线 紫外线有荧光作用，有些物质受到紫外线照射紫外线有荧光作用，有些物质受到紫外线照射时可以发出可见光时可以发出可见光 紫外线可以促使人体合成维生素紫外线可以促使人体合成维生素D D，有助于人，有助于人体对钙的吸收，所以儿童经常晒太阳能够预防缺体对钙的吸收，所以儿童经常晒太阳能够预防缺钙引起的佝偻病，但是过多的紫外线会使皮肤粗钙引起的佝偻病，但是过多的紫外线会使皮肤粗糙，甚至诱发皮肤癌糙，甚至诱发皮肤癌 紫外线能够杀灭多种细菌，可以用紫外线进行紫外线能够杀灭多种细菌，可以用紫外线进行消毒消毒 【例【例1】 某时刻某时刻LC回路中电容器中的电场

19、方回路中电容器中的电场方向和线圈中的磁场方向如右图所示。则这时向和线圈中的磁场方向如右图所示。则这时电容器正在电容器正在_（充电还是放电），电流（充电还是放电），电流大小正在大小正在_（增大还是减小）。（增大还是减小）。 C L【例【例2】右边两图中电容器的电容都是】右边两图中电容器的电容都是C=410-6F，电感都是，电感都是L=910-4H，左图中电键，左图中电键K先接先接a，充电结束后将，充电结束后将K扳到扳到b；右图中电键；右图中电键K先闭先闭合，稳定后断开。两图中合，稳定后断开。两图中LC回路开始电磁振回路开始电磁振荡荡t=3.1410-4s时刻，时刻，C1的上极板正在的上极板正在_

20、电（充电还是放电）电（充电还是放电）,带带_电（正电还是负电（正电还是负电）；电）；L2中的电流方向向中的电流方向向_(左还是右左还是右)，磁，磁场能正在场能正在_（增大还是减小）。（增大还是减小）。 a K b C1 L1L2 C2 K【例【例3】右图中，内壁光滑、水平放置的玻璃】右图中，内壁光滑、水平放置的玻璃圆环内，有一直径略小于环口径的带正电的圆环内，有一直径略小于环口径的带正电的小球，正以速率小球，正以速率v0沿逆时针方向匀速转动。沿逆时针方向匀速转动。若在此空间突然加上竖直向上、磁感应强度若在此空间突然加上竖直向上、磁感应强度B随时间成正比例增加的变化磁场，设小球随时间成正比例增加

21、的变化磁场，设小球运动过程中的电量不变，那么（运动过程中的电量不变，那么（ ） A.小球对玻璃环的压力不断增大小球对玻璃环的压力不断增大 B.小球受到的磁场力不断增大小球受到的磁场力不断增大 C.小球先沿逆时针方向做减速运动，过一段小球先沿逆时针方向做减速运动，过一段时间后，沿顺时针方向做加速运动时间后，沿顺时针方向做加速运动 D.磁场力一直对小球不做功磁场力一直对小球不做功v0B 【例【例4】 一台收音机，把它的调谐电路中的可一台收音机，把它的调谐电路中的可变电容器的动片从完全旋入到完全旋出，仍然变电容器的动片从完全旋入到完全旋出，仍然收不到某一较高频率的电台信号。要想收到该收不到某一较高频

22、率的电台信号。要想收到该电台信号，应该电台信号，应该_（增大还是减小）电（增大还是减小）电感线圈的匝数。感线圈的匝数。【例【例5】 某防空雷达发射的电磁波频率为某防空雷达发射的电磁波频率为f=3103MHZ，屏幕上尖形波显示，从发射，屏幕上尖形波显示，从发射到接受经历时间到接受经历时间t=0.4ms，那么被监视的，那么被监视的目标到雷达的距离为目标到雷达的距离为_km。该雷达发。该雷达发出的电磁波的波长为出的电磁波的波长为_m。【例【例6】 电子感应加速器是利用变化磁场产生的电场来加速电子感应加速器是利用变化磁场产生的电场来加速电子的。如图所示，在圆形磁铁的两极之间有一环形真空电子的。如图所示

23、，在圆形磁铁的两极之间有一环形真空室，用交变电流励磁的电磁铁在两极间产生交变磁场，从室，用交变电流励磁的电磁铁在两极间产生交变磁场，从而在环形室内产生很强的电场，使电子加速被加速的电而在环形室内产生很强的电场，使电子加速被加速的电子同时在洛伦兹力的作用下沿圆形轨道运动。设法把高能子同时在洛伦兹力的作用下沿圆形轨道运动。设法把高能电子引入靶室，就能进一步进行实验工作。电子引入靶室，就能进一步进行实验工作。已知在一个已知在一个轨道半径为轨道半径为r=0.84m的电子感应加速器中，电子在的电子感应加速器中，电子在被加速的被加速的4.2ms内获得的能量为内获得的能量为120MeV设在这设在这期间电子轨道内的高频交变磁场是线性变化的，期间电子轨道内的高频交变磁场是线性变化的，磁通量的最小值为零，最大值磁通量的最小值为零，最大值 为为1.8Wb，试求电子在加速器，试求电子在加速器中共绕行了多少周？中共绕行了多少周？【例【例7】 如图所示，半径为如图所示，半径为 r 且水平放置的光滑绝缘的且水平放置的光滑绝缘的环形管道内，有一个电荷量为环形管道内，有一个电荷量为 e，质量为，