1、13.4 电磁波的发现及应用电磁波的发现及应用一、电磁场一、电磁场 英国物理学家麦克斯韦系统地总结了人类直至英国物理学家麦克斯韦系统地总结了人类直至 19 世纪世纪中叶对电磁规律的研究成果，其中有库仑、安培、奥斯特、法中叶对电磁规律的研究成果，其中有库仑、安培、奥斯特、法拉第等人的奠基之功，更有他本人的创造性工作。在此基础上，拉第等人的奠基之功，更有他本人的创造性工作。在此基础上，他最终建立了经典电磁场理论。他最终建立了经典电磁场理论。下面我们定性地介绍麦克斯韦关于电磁场的一些观点。下面我们定性地介绍麦克斯韦关于电磁场的一些观点。 在变化的磁场中放入一个闭合电路，电路里会产生感应电流。在变化的
2、磁场中放入一个闭合电路，电路里会产生感应电流。这是法拉第发现的电磁感应现象。麦克斯韦进一步想到：既然产这是法拉第发现的电磁感应现象。麦克斯韦进一步想到：既然产生了感应电流，一定是有了电场，它促使导体中的自由电荷做定生了感应电流，一定是有了电场，它促使导体中的自由电荷做定向运动；即使在变化的磁场中没有闭合电路，同样会在空间产生向运动；即使在变化的磁场中没有闭合电路，同样会在空间产生电场。因此，麦克斯韦认为：这个现象的实质是变化的磁场产生电场。因此，麦克斯韦认为：这个现象的实质是变化的磁场产生了电场。了电场。 既然变化的磁场能够产生电场，那么，变化的电场能产生磁既然变化的磁场能够产生电场，那么，变
3、化的电场能产生磁场吗？麦克斯韦确信自然规律的统一性与和谐性，相信电场与磁场吗？麦克斯韦确信自然规律的统一性与和谐性，相信电场与磁场的对称之美。他大胆地假设：变化的电场就像导线中的电流一场的对称之美。他大胆地假设：变化的电场就像导线中的电流一样，会在空间产生磁场，即变化的电场产生磁场。样，会在空间产生磁场，即变化的电场产生磁场。二、电磁波二、电磁波 麦克斯韦推断：如果在空间某区域中有周期性变化的电场，麦克斯韦推断：如果在空间某区域中有周期性变化的电场，那么它就在空间引起周期性变化的磁场；这个变化的磁场又引那么它就在空间引起周期性变化的磁场；这个变化的磁场又引起新的变化的电场。于是，变化的电场和变
4、化的磁场交替产生，起新的变化的电场。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。一个伟大的预言诞生了由近及远地向周围传播。一个伟大的预言诞生了 空间可能存在空间可能存在电磁波。电磁波。 我们熟悉声波和水波，耳朵能够听到声波是因为耳朵和声源我们熟悉声波和水波，耳朵能够听到声波是因为耳朵和声源之间有空气，水波的传播则需要水。空气、水是声波和水波传播之间有空气，水波的传播则需要水。空气、水是声波和水波传播的介质。水波和声波的传播都离不开介质。与这些波不同，电磁的介质。水波和声波的传播都离不开介质。与这些波不同，电磁波可以在真空中传播，这是因为电磁波的传播靠的是电场和磁场波可以在真空中
5、传播，这是因为电磁波的传播靠的是电场和磁场的相互的相互“激发激发”。 那么，电磁波以多大的速度传播？麦克斯韦推算出一个出人那么，电磁波以多大的速度传播？麦克斯韦推算出一个出人意料的答案：电磁波的速度等于光速！他还由此提出了光的电磁意料的答案：电磁波的速度等于光速！他还由此提出了光的电磁理论：光是以波动形式传播的一种电磁振动。遗憾的是，麦克斯理论：光是以波动形式传播的一种电磁振动。遗憾的是，麦克斯韦英年早逝，没有看到科学实验对电磁场理论的证实。把天才的韦英年早逝，没有看到科学实验对电磁场理论的证实。把天才的预言变成世人公认的真理的人，是德国科学家赫兹。预言变成世人公认的真理的人，是德国科学家赫兹
6、。 1886年，赫兹通过实验捕捉到了电磁波，证实了麦克斯韦年，赫兹通过实验捕捉到了电磁波，证实了麦克斯韦的电磁场理论，为无线电技术的发展开拓了道路。的电磁场理论，为无线电技术的发展开拓了道路。三、电磁波谱三、电磁波谱 在一列水波中，凸起的最高处叫作波峰；在一列水波中，凸起的最高处叫作波峰； 凹下的最低处叫凹下的最低处叫作波谷。邻近的两个波峰作波谷。邻近的两个波峰 （或波谷）（或波谷） 的距离叫作波长的距离叫作波长 （图（图13.4 3）。在）。在 内有多少次波峰（或波谷）通过，波的频率就是内有多少次波峰（或波谷）通过，波的频率就是多少。水波不停地向远方传播，用来描述波传播快图多少。水波不停地向
7、远方传播，用来描述波传播快图 13.4 3 波长慢的物理量叫作波速。波速、波长、频率三者之间的关系波长慢的物理量叫作波速。波速、波长、频率三者之间的关系是：是： 波速波长波速波长 频率频率 对于电磁波，有同样的关系。如果用对于电磁波，有同样的关系。如果用表示电磁波的波长，表示电磁波的波长，f表示它的频率，那么，电磁波的波速表示它的频率，那么，电磁波的波速c与与、f的关系是的关系是c f电磁波在真空中的速度电磁波在真空中的速度c3108 m/s 电磁波的频率范围很广。无线电波、红外线、可见光、紫外电磁波的频率范围很广。无线电波、红外线、可见光、紫外线、线、 X射线、射线、 射线，都是电磁波。可见
8、光只是电磁波中的一小射线，都是电磁波。可见光只是电磁波中的一小部分。部分。按电磁波的波长或频率大小的顺序把它们排列起来，就是按电磁波的波长或频率大小的顺序把它们排列起来，就是电磁波谱。电磁波谱。 不同电磁波由于具有不同的波长（或频率），因此具有不同不同电磁波由于具有不同的波长（或频率），因此具有不同的特性。利用这些特性，电磁波在生产、生活中有广泛的应用。的特性。利用这些特性，电磁波在生产、生活中有广泛的应用。例如，无线电波中的长波、中波、短波可以用于广播及其他信号例如，无线电波中的长波、中波、短波可以用于广播及其他信号的传输，微波可以用于卫星通信、电视等的信号传输。红外线可的传输，微波可以用于
9、卫星通信、电视等的信号传输。红外线可以用来加热理疗，可见光让我们看见这个世界，也可以用于通信。以用来加热理疗，可见光让我们看见这个世界，也可以用于通信。紫外线可以消毒，紫外线可以消毒，X射线片可以用于诊断病情，射线片可以用于诊断病情，射线可以摧毁病射线可以摧毁病变的细胞。变的细胞。四、电磁波的能量四、电磁波的能量 法拉第用法拉第用“力线力线”形象地描述了电磁场，麦克斯韦用数学语形象地描述了电磁场，麦克斯韦用数学语言表述了电磁场。但在当时，人们只把电磁场看作研究电磁现言表述了电磁场。但在当时，人们只把电磁场看作研究电磁现象的一种方法。赫兹通过实验证实了电磁波的存在，这意味着，象的一种方法。赫兹通
10、过实验证实了电磁波的存在，这意味着，电磁场不仅仅是一种描述方式，而且是真正的物质存在。电磁场不仅仅是一种描述方式，而且是真正的物质存在。 生活中常用微波炉来加热食物。食物中的水分子在微波的生活中常用微波炉来加热食物。食物中的水分子在微波的作用下热运动加剧，内能增加，温度升高。食物增加的能量是作用下热运动加剧，内能增加，温度升高。食物增加的能量是微波给它的。可见，电磁波具有能量。例如，光是一种电磁微波给它的。可见，电磁波具有能量。例如，光是一种电磁波波传播着的电磁场，光具有能量。传播着的电磁场，光具有能量。 除了可见光外，虽然我们看不到其他电磁波，却能通过它们除了可见光外，虽然我们看不到其他电磁
11、波，却能通过它们的能量而感觉到它们。播音员的声音为什么能从电台到达我们的的能量而感觉到它们。播音员的声音为什么能从电台到达我们的收音机？因为电台发射的电磁波在收音机的天线里感应出了电流，收音机？因为电台发射的电磁波在收音机的天线里感应出了电流，有电流就有能量。有电流就有能量。 我们有各种各样的仪器，能够探测到各种电磁波。所有这些我们有各种各样的仪器，能够探测到各种电磁波。所有这些都表明电磁波具有能量，电磁波是一种物质。都表明电磁波具有能量，电磁波是一种物质。五、电磁波通信五、电磁波通信 随着计算机网络的发展和智能手机的出现，负责通话的电信随着计算机网络的发展和智能手机的出现，负责通话的电信网、
12、广播电视网和互联网相互渗透、相互兼容，逐步整合成为统网、广播电视网和互联网相互渗透、相互兼容，逐步整合成为统一的信息通信网络。移动电话的主要业务也已经发展成为以互联一的信息通信网络。移动电话的主要业务也已经发展成为以互联网为基础的信息服务。人们可以通过接入互联网的手机看电影、网为基础的信息服务。人们可以通过接入互联网的手机看电影、聊天、购物、查阅资料、视频通话。这些信息都是通过电磁波来聊天、购物、查阅资料、视频通话。这些信息都是通过电磁波来传递的。传递的。 电磁波携带的信息，既可以有线传播，也可以无线传播。构电磁波携带的信息，既可以有线传播，也可以无线传播。构建卫星宽带通信网络，可以使人们无论身处万米高空的飞机，还建卫星宽带通信网络，可以使人们无论身处万米高空的飞机，还是茫茫大海的轮船，甚至没有人烟的荒漠、深山、海岛，都能高是茫茫大海的轮船，甚至没有人烟的荒漠、深山、海岛，都能高速浏览网页，与家人视频通话等。速浏览网页，与家人视频通话等。课堂练习课堂练习
