1、2020全国高中物理学奥林匹克竞赛人大附中竞赛班辅导讲义（含物理竞赛真题练习）电磁感应 赫兹赫兹-德国物理学家德国物理学家 赫兹对人类最伟大的贡献是赫兹对人类最伟大的贡献是用实验证实了电磁波的存在用实验证实了电磁波的存在。赫兹还通过实验确认了电磁波赫兹还通过实验确认了电磁波是横波是横波，具有与光类似的特性，具有与光类似的特性，如反射、折射、衍射等，并且实验如反射、折射、衍射等，并且实验了两列电磁波的干涉，同时证实了了两列电磁波的干涉，同时证实了在直线传播时，在直线传播时，从而全面验证了麦克斯韦的电磁理论的正确性。并从而全面验证了麦克斯韦的电磁理论的正确性。并且进一步完善了麦克斯韦方程组，使它更
2、加优美、且进一步完善了麦克斯韦方程组，使它更加优美、对称，得出了麦克斯韦方程组的现代形式。对称，得出了麦克斯韦方程组的现代形式。电磁波的传播速度与光速相同，电磁波的传播速度与光速相同，赫兹实验赫兹实验1888年，成了近代科学史上的一座里程碑。赫年，成了近代科学史上的一座里程碑。赫兹的发现具有划时代的意义，它不仅证实了麦克斯兹的发现具有划时代的意义，它不仅证实了麦克斯韦发现的真理，更重要的是开创了无线电电子技术韦发现的真理，更重要的是开创了无线电电子技术的新纪元。的新纪元。赫兹对人类文明作出了很大贡献，正当人们对赫兹对人类文明作出了很大贡献，正当人们对他寄以更大期望时，他却于他寄以更大期望时，他
3、却于1894年元旦因血中毒逝年元旦因血中毒逝世，年仅世，年仅36岁。为了纪念他的功绩，人们用他的名岁。为了纪念他的功绩，人们用他的名字来命名各种波动频率的单位，简称字来命名各种波动频率的单位，简称“赫赫”。此外，赫兹又做了一系列实验。此外，赫兹又做了一系列实验。他研究了紫外光他研究了紫外光对火花放电的影响，发现了光电效应对火花放电的影响，发现了光电效应，即在光的照，即在光的照射下物体会释放出电子的现象。这一发现，后来成射下物体会释放出电子的现象。这一发现，后来成了爱因斯坦建立光量子理论的基础。了爱因斯坦建立光量子理论的基础。赫兹实验原理赫兹实验原理：将两段共轴的黄铜杆作为振：将两段共轴的黄铜杆
4、作为振荡偶极子的两半，荡偶极子的两半，A、B中间留有空隙，空隙两边中间留有空隙，空隙两边杆的端点上焊有一对光滑的黄铜球。将振子的两杆的端点上焊有一对光滑的黄铜球。将振子的两半联接到感应圈的两极上，感应圈间歇地在半联接到感应圈的两极上，感应圈间歇地在A、B之间产生很高的电势差。当黄铜球间隙的空气之间产生很高的电势差。当黄铜球间隙的空气被击穿时，电流往复振荡通过间隙产生电火花。被击穿时，电流往复振荡通过间隙产生电火花。由于振荡偶极子的电容和自感均很小，因而振荡由于振荡偶极子的电容和自感均很小，因而振荡频率很高，从而向外发射电磁波。但由于黄铜杆频率很高，从而向外发射电磁波。但由于黄铜杆有电阻，因而其
5、上的振荡电流是衰减的，故发出有电阻，因而其上的振荡电流是衰减的，故发出的电磁波也是衰减的，感应圈以每秒的频率一次的电磁波也是衰减的，感应圈以每秒的频率一次又一次地使间隙充电，电偶极子就一次一次地向又一次地使间隙充电，电偶极子就一次一次地向外发射减幅振荡电磁波。外发射减幅振荡电磁波。赫兹用下面的实验证实了电偶极子产生的电磁波赫兹用下面的实验证实了电偶极子产生的电磁波ABCD振子振子发射发射谐振器谐振器接收接收感应圈感应圈 目前人类通过各种方式已产生或观目前人类通过各种方式已产生或观测到的电磁波的最低频率为测到的电磁波的最低频率为 ，其波长为地球半径的其波长为地球半径的 倍而电磁倍而电磁波的最高频
6、率为波的最高频率为 ，它来自于宇，它来自于宇宙的宙的 r 射线。射线。四、四、电磁波谱电磁波谱Hz10f2 3105 Hz10f25 10310610910121015102210310010-610-910-1310510-2HZ1KHZ1MHZ1GHZ1TmmmmA01mX 射线射线紫外线紫外线可见光可见光红外线红外线微微 波波高频电视高频电视调频广播调频广播雷达雷达无线电射频无线电射频电力传输电力传输射线射线频率频率波长波长电磁波的应用电磁波的应用从从1888年年赫兹赫兹用实验证明了电磁波的存在至今，用实验证明了电磁波的存在至今，一百多年的时间里电磁理论不断深化，其应用领域不一百多年的时
7、间里电磁理论不断深化，其应用领域不断扩大。电磁波作为极重要的自然资源得到广泛应用。断扩大。电磁波作为极重要的自然资源得到广泛应用。1895年俄国科学家波波夫发明了第一个无线电报系统。年俄国科学家波波夫发明了第一个无线电报系统。1914年语音通信成为可能。年语音通信成为可能。1920年商业无线电广播开始使用，年商业无线电广播开始使用，20世纪世纪30年代发明了雷达，年代发明了雷达，40年代雷达和通讯得到飞速发展，年代雷达和通讯得到飞速发展，自自50年代第一颗人造卫星上天，卫星通讯事业得到迅年代第一颗人造卫星上天，卫星通讯事业得到迅猛发展。如今电磁波已在通讯、遥感、空间控测、军猛发展。如今电磁波已
8、在通讯、遥感、空间控测、军事应用、科学研究等诸多方面得到广泛的应用。事应用、科学研究等诸多方面得到广泛的应用。本节将通过本节将通过电磁波谱电磁波谱来了解不同频率范围内电磁波来了解不同频率范围内电磁波的应用，并简单介绍的应用，并简单介绍无线电波与通讯无线电波与通讯技术。最后，作技术。最后，作为扩展知识，介绍为扩展知识，介绍来自宇宙的电磁波来自宇宙的电磁波。卫星通讯一卫星通讯一 在自由空间，电磁波是沿直线传播的，而地球是在自由空间，电磁波是沿直线传播的，而地球是圆形的，在通讯卫星的上天之前，人们要实现远距离圆形的，在通讯卫星的上天之前，人们要实现远距离通讯，只有靠多个地面天线作为中继站来传送无线电
9、通讯，只有靠多个地面天线作为中继站来传送无线电波。而且，由于受地形的影响，地面卫星必须架设得波。而且，由于受地形的影响，地面卫星必须架设得很高。很高。60年代以后，卫星通讯使无线电通信进入了一年代以后，卫星通讯使无线电通信进入了一个新的发展时期。个新的发展时期。无线电波与卫星通讯无线电波与卫星通讯 卫星通讯二卫星通讯二 现在，各种通讯卫星的上天，满足了人们在科现在，各种通讯卫星的上天，满足了人们在科学研究与应用领域越来越多的需求。目前，中国长学研究与应用领域越来越多的需求。目前，中国长城工业总公司正与美国摩托罗拉公司合作，用长二城工业总公司正与美国摩托罗拉公司合作，用长二丙改进型火箭以一箭双星
10、的方式将多颗铱星送入轨丙改进型火箭以一箭双星的方式将多颗铱星送入轨道，从而实现覆盖全球的低轨道卫星无线电通讯。道，从而实现覆盖全球的低轨道卫星无线电通讯。下页是铱卫星通讯服务对象示意图片下页是铱卫星通讯服务对象示意图片 来自宇宙的电磁波来自宇宙的电磁波 从从1888年赫兹首次证实了电磁波的存在，到年赫兹首次证实了电磁波的存在，到1957年第一年第一颗人造卫星上天至今，航天技术的飞速发展不仅给人类进步颗人造卫星上天至今，航天技术的飞速发展不仅给人类进步和文明带来了巨大的影响，而且为人类从事空间探测、和文明带来了巨大的影响，而且为人类从事空间探测、了解了解地球以外的无限宇宙提供了行之有效的手段。地
11、球以外的无限宇宙提供了行之有效的手段。迄今为止，已发射的用于研究天文学目的的航天器有迄今为止，已发射的用于研究天文学目的的航天器有300多种，有紫外、红外、微波、多种，有紫外、红外、微波、x 射线、射线、r 射线、天体测量、射线、天体测量、太阳观测等天文卫星，观测波段几乎包括整个电磁波谱。这太阳观测等天文卫星，观测波段几乎包括整个电磁波谱。这些来自天外遥远星系的电磁波，为人类传来了宇宙深处神密些来自天外遥远星系的电磁波，为人类传来了宇宙深处神密的信息。各种航天器已在各种波段上对太阳耀斑、宇宙背景、的信息。各种航天器已在各种波段上对太阳耀斑、宇宙背景、膨胀源、膨胀源、x 射线源、黑洞、射线源、黑
12、洞、r射线源、宇宙射线、超新星、射线源、宇宙射线、超新星、反物质及反物质源、红外星系、多星系、行星、慧星等多种反物质及反物质源、红外星系、多星系、行星、慧星等多种天体进行了规模空前的观测和研究，取得了一第列惊人的新天体进行了规模空前的观测和研究，取得了一第列惊人的新发现，大大地丰富了人类的宇宙知识。发现，大大地丰富了人类的宇宙知识。与此同时人类也在地面上建立起了各种接收宇宙电磁波的与此同时人类也在地面上建立起了各种接收宇宙电磁波的装置。装置。这是我国建在柴达木盆地这是我国建在柴达木盆地的毫米波射电天文望远镜，的毫米波射电天文望远镜，它专门用来接收宇宙中毫它专门用来接收宇宙中毫米波段的电磁波信号
13、。米波段的电磁波信号。例例圆柱形导体圆柱形导体,长为长为l,半径为半径为a,电阻为电阻为R,通通有电流有电流I,证明证明（苏高中思考题）（苏高中思考题）2)沿导体表面的坡印廷沿导体表面的坡印廷矢量的面积分等于导体矢量的面积分等于导体内产生的焦耳热功率内产生的焦耳热功率I2R.1)在导体表面上在导体表面上,坡印廷坡印廷矢量矢量S处处垂直导体表处处垂直导体表面并指向导体内部面并指向导体内部.ZIalZIalSEH(1)在圆柱表面上在圆柱表面上,电场强度电场强度E即为电流流动方向即为电流流动方向(沿沿Z轴轴)磁场强度磁场强度H与电流与电流I构成构成右螺旋关系右螺旋关系(e 方向方向)解解:HES由上式可以判定由上式可以判定S垂直导体表垂直导体表面面,且指向导体内部且指向导体内部.(2)导体表面处导体表面处eaIH2klIREnalRIHES22S沿表面的负法沿表面的负法向向,即指向轴心即指向轴心对于长对于长 l 的导体的导体,单位时间内通过表面积单位时间内通过表面积=2 al 输入的电磁能量为输入的电磁能量为RIalalRIAdSA2222
