光的电磁理论

1、光的电磁理论第1页，共22页，2022年，5月20日，4点40分，星期一1.波动及其基本特征波动：振动在空间的传播形成波动。基本特征：具有时间、空间双周期性，并伴随着能量的传输。时空双周期：波场中每一点的物理状态随时间作周期性变化；在每一瞬时，波场中各点物理状态的空间分布也成一定的周期性第2页，共22页，2022年，5月20日，4点40分，星期一2.波动的描述标量波与矢量波：波面：等相位面；波线：能量传输的路径；球面波：平面波：第3页，共22页，2022年，5月20日，4点40分，星期一3.定态光波定态波场的性质：普遍的定态标量波的表达式：定态平面波波函数的特点：定态球面波波函数的特点：旁轴条

2、件与远场条件复振幅描述第4页，共22页，2022年，5月20日，4点40分，星期一物理光学第一章光的电磁理论第5页，共22页，2022年，5月20日，4点40分，星期一第一章光的电磁理论教学目的:1.了解光的电磁理论、电磁场的波动性；2.彻底掌握光波在介质中的传播速率、介质折射率的物理意义及其表达式；3.深入理解平面简谐光波场的时间、空间特性，以及描述平面简谐光波的数学表达式中各项参数的物理意义；4.牢固地掌握光强的概念和计算相对光强的方法；第6页，共22页，2022年，5月20日，4点40分，星期一第一章光的电磁理论教学目的:5. 理解菲涅耳公式的表达式以及它们所描述的物理内容，掌握利用菲涅

3、耳公式来计算当光波在介质界面上进行折射、反射时光波振幅、强度、能流的方法，学会解释反射时的半波损失现象；6. 掌握光波的全反射规律，了解光波在金属中的传播特性，学会解释光的色散、吸收、散射现象 第7页，共22页，2022年，5月20日，4点40分，星期一第一章光的电磁理论教学重点： 1.波动的描述，平面波、球面波；2.菲涅耳公式及其应用。 第8页，共22页，2022年，5月20日，4点40分，星期一第一章 光的电磁理论第一节 麦克斯韦方程组第9页，共22页，2022年，5月20日，4点40分，星期一第一节 麦克斯韦方程组一、概述 光的电磁理论的提出是人们在电磁学方面已有了深入研究的结果。186

4、4年麦克斯韦把电磁规律总结为麦克斯韦方程组，建立起完整的经典电磁理论，同时指出光也是一种电磁波，从而产生了光的电磁理论。到目前为止，它仍然是阐明大多数光学现象以及掌握现代光学的一个重要基础。第10页，共22页，2022年，5月20日，4点40分，星期一第一节 麦克斯韦方程组 电磁场的普遍规律总结为麦克斯韦方程组，它是麦克斯韦把稳恒电磁场（静电场和稳恒电流的磁场）的基本规律推广到交变电磁场的普遍情况而得到的。麦克斯韦方程组指出了函数E、B和电荷分布及运动的关系，特别指出了E和B变化之间的关系。它通常写成积分和微分两种形式。从方程组出发，结合具体条件，可以定量地研究在这些给定条件下发生的光学现象。

5、如光的辐射、传播、与物质的相互作用等现象。第11页，共22页，2022年，5月20日，4点40分，星期一第一节 麦克斯韦方程组二、对电磁场的基本认识：1：静电场、静磁场及其表现 在静止电荷周围有静电场，在恒定电流周围有静磁场。 电场的表现为：处在电场中的带电物质要受到电场力的作用，这个力的大小和方向与描述电场的物理量电场强度E有关。 磁场的表现为：处在磁场中的带电物质要受到磁场力的作用，这个力的大小和方向与描述磁场的物理量磁感应强度B有关。 电场和磁场由带电物质及其运动产生，并通过对带电物质的作用而表明其存在。 第12页，共22页，2022年，5月20日，4点40分，星期一第一节 麦克斯韦方程

6、组2：电磁场是矢量场：E和B都是矢量3：电荷做加速运动时，所产生的电磁场将随着时间变化， E和B不仅是位置坐标r的函数，还是时间t的函数。第13页，共22页，2022年，5月20日，4点40分，星期一第一节 麦克斯韦方程组三、积分形式的麦克斯韦方程组1来源：静电场和稳恒电流的磁场的基本规律高斯定理： 电场是有源场； 静电场是无旋场； 磁场是无源场；安培环路定理: 电流能产生环形磁场 D=0E+P P:极化强度 P= 0E :电极化率 ,标量张量第14页，共22页，2022年，5月20日，4点40分，星期一第一节 麦克斯韦方程组麦克斯韦的工作：以上4式只适用于稳恒场情况，要应用到交变场的情况，必

7、须对它们作适当修正和推广。麦克斯韦完成了这一工作。1.他假定在交变场情况下：第1、3式仍成立；2.第2式以法拉第电磁感应定律来代替；3.第4式需要修改。第15页，共22页，2022年，5月20日，4点40分，星期一第一节 麦克斯韦方程组法拉第电磁感应定律：一个闭合线圈处在变化的磁场中，会产生感应电动势，其大小与磁通量的时间变化率成比例，它的方向由左手定则决定。表达式： 式中 表示线圈内磁通量的变化率，面积分取以线圈为边界的任意曲面的积分，负号表示感应电动势的方向由左手定则确定。第16页，共22页，2022年，5月20日，4点40分，星期一第一节 麦克斯韦方程组麦克斯韦认为（猜想）：（1）感应电

8、动势的产生是一种电场对线圈中自由电荷作用的结果；（2）这种电场由变化的磁场产生，与静电场不同，它是涡旋电场；（3）这种电场的存在不依赖于线圈，即使没有线圈，只要在空间某一区域磁场变化，就会产生这种涡旋电场。（4）法拉第电磁感应定律实质上是表示变化的磁场和变化的电场之间联系的普遍规律。 第17页，共22页，2022年，5月20日，4点40分，星期一第一节 麦克斯韦方程组感应电动势的定义：单位正电荷沿闭合回路移动一周时，涡旋电场所作的功。即 因此得到： 此式即为法拉第电磁感应定律的数学表达式第18页，共22页，2022年，5月20日，4点40分，星期一第一节 麦克斯韦方程组麦克斯韦进一步猜想： 不

9、但变化的磁场能产生电场，变化的电场也能产生磁场；并且在激发磁场这一点上，电场的变化相当于一种电流，它被称为“位移电流”。这一点被后来的实验所证实。位移电流的引入，进一步揭示了电磁场互相密切联系的性质。第19页，共22页，2022年，5月20日，4点40分，星期一第一节 麦克斯韦方程组位移电流强度：为电通量的变化率。表达式：位移电流密度定义：位移电流强度与位移电流密度联系交变场情况：磁场包括由传导电流和位移电流两部分产生的磁场，故第4式应改写为：第20页，共22页，2022年，5月20日，4点40分，星期一第一节 麦克斯韦方程组2：积分形式的麦克斯韦方程组及其物理意义(1):(2):(3):(4):说明：式（1）：电荷可以单独存在，电场是有源的。式（2）：磁荷不可以单独存在，磁场是无源的。式（3）：变化的磁场产生电场。式（4