1、 第二章第二章 场和波场和波 本章将讨论电荷的相互作用本章将讨论电荷的相互作用静电场静电场,运动电运动电荷间的相互作用荷间的相互作用稳恒磁场，变化的磁场和电场稳恒磁场，变化的磁场和电场电磁波以及电磁波中的一种光波。电磁波以及电磁波中的一种光波。1-1 电荷的相互作用电荷的相互作用 静电场静电场 人们对电现象的认识开始很早。人们对电现象的认识开始很早。电荷分为两大类电荷分为两大类 一一.电荷电荷正电荷正电荷,如质子、正电子等如质子、正电子等带正电荷。带正电荷。负电荷负电荷,如电子、反质子等如电子、反质子等带负电荷。带负电荷。现代认识到电性质是物质的一种基本特征，物质现代认识到电性质是物质的一种基
2、本特征，物质的电性质来自物质的微观结构。的电性质来自物质的微观结构。物体带电的多少称为电荷量，简称为电荷或电量。物体带电的多少称为电荷量，简称为电荷或电量。自然界物体所带电量总是基本电量的整数倍自然界物体所带电量总是基本电量的整数倍,称为电称为电荷的量子化。基本电量荷的量子化。基本电量e是电子所带电量的绝对值是电子所带电量的绝对值c101.602c10)0000046.06021892.1(-1919e实验验证实验验证,在精确在精确10-21时电荷仍是量子化的。时电荷仍是量子化的。二二.电荷守恒定律电荷守恒定律 总结摩擦起电、感应起电、电中和等实验总结摩擦起电、感应起电、电中和等实验,得这样得
3、这样的结论：如果系统与外界没有电荷交换的结论：如果系统与外界没有电荷交换,则系统内无论则系统内无论发生怎样的物理过程发生怎样的物理过程,系统正负电荷电量的代数和保持系统正负电荷电量的代数和保持不变。这是电荷守恒定律。不变。这是电荷守恒定律。三三.电荷间的相互作用通过场实现电荷间的相互作用通过场实现 超距作用：超距作用：认为电荷间的相互作用不需要借助认为电荷间的相互作用不需要借助介质介质,也不需要传递的时间也不需要传递的时间,即电荷间的相互作用可即电荷间的相互作用可以超越空间和时间以超越空间和时间,直接地、瞬时地实现直接地、瞬时地实现。电荷间的相互作用是如何实现的，历史上有过两电荷间的相互作用是
4、如何实现的，历史上有过两种观点的争论。种观点的争论。场的观点：场的观点：带电体周围存在着传递电荷间相互作带电体周围存在着传递电荷间相互作用的物质用的物质电场电场。这种相互作用的传递不是瞬时完。这种相互作用的传递不是瞬时完成成,需要传递的时间。法拉第同时认为需要传递的时间。法拉第同时认为,在磁体周围也在磁体周围也存在着场。磁体与磁体间的相互作用也是靠场传递。存在着场。磁体与磁体间的相互作用也是靠场传递。发现了电磁波并证明光波也是电磁波以后发现了电磁波并证明光波也是电磁波以后,超距超距作用的观点被彻底否定。作用的观点被彻底否定。相对观察者静止的电荷称为静止电荷。静止电荷相对观察者静止的电荷称为静止
5、电荷。静止电荷周围激发出的电场称为静电场。这是最简单的电场，周围激发出的电场称为静电场。这是最简单的电场，也是下面要讨论的。也是下面要讨论的。四四.库仑定律库仑定律221rqqkF 1785年年,在卡文迪许扭秤实验的基础上在卡文迪许扭秤实验的基础上,法国人库法国人库仑得出真空中的库仑定律仑得出真空中的库仑定律:两点电荷间的静电力的大两点电荷间的静电力的大小为小为作用力的方向沿两电荷的连线作用力的方向沿两电荷的连线,同号电荷相斥同号电荷相斥,异号电异号电荷相吸。荷相吸。如果带电体的线度比它与其它带电体间的距离小如果带电体的线度比它与其它带电体间的距离小很多很多,在物理学中运用了一个简化模型方法在
6、物理学中运用了一个简化模型方法:把带电体把带电体视为一个带电的几何点视为一个带电的几何点,称为点电荷称为点电荷.其中其中k=910-9牛牛米米/库库2，q1，q2是两点电荷的电量，是两点电荷的电量，r是它们的间距。是它们的间距。221rqqkF 2-2 运动电荷间的相互作用运动电荷间的相互作用 磁场磁场 一一.天然磁石的磁现象天然磁石的磁现象 中国人早就发现了天中国人早就发现了天然磁石的磁现象然磁石的磁现象,发明了发明了指南针。指南针。地球地理上的南北极地球地理上的南北极与磁针的南北极不重合与磁针的南北极不重合。地磁场的南极地理上的北极指南针地磁场的北极地理上的南极 二二.运动电荷的磁现象运动
7、电荷的磁现象 虽然人们很早就发现了电和磁，但虽然人们很早就发现了电和磁，但19世纪初科学界世纪初科学界仍普遍认为电和磁是两种独立的作用。丹麦物理学家仍普遍认为电和磁是两种独立的作用。丹麦物理学家奥斯特接受德国哲学家康德和谢林关于自然力统一的奥斯特接受德国哲学家康德和谢林关于自然力统一的哲学思想，坚信电与磁之间一定有某种联系。哲学思想，坚信电与磁之间一定有某种联系。1820年年奥斯特终于发现了电流的磁效应，宣布当电流通过导奥斯特终于发现了电流的磁效应，宣布当电流通过导线时，引起导线旁的磁针偏转。线时，引起导线旁的磁针偏转。法国物理学家安培进一步努力于同一年建立了电法国物理学家安培进一步努力于同一
8、年建立了电流与电流间相互作用的安培定律。流与电流间相互作用的安培定律。这样我们明确了这样我们明确了不仅在磁体周围不仅在磁体周围,在运动电荷周在运动电荷周围也存在着物质的又一种形式围也存在着物质的又一种形式磁场磁场,电流通过磁电流通过磁场实现电流与电流间的相互作用。场实现电流与电流间的相互作用。一一.法拉第用法拉第用“力线力线”描述场描述场 当然磁场有着和电场不同的一些特性当然磁场有着和电场不同的一些特性。3 对电场磁场的描述对电场磁场的描述 场看不见摸不着，法拉第极富想像地提出用场看不见摸不着，法拉第极富想像地提出用“力力线线”描述场描述场。如书图。如书图。从图上看出从图上看出,力线密的地方场
9、就强力线密的地方场就强,力线疏的地方力线疏的地方场就弱场就弱,力线上每一点的切线方向表示该点的场强方力线上每一点的切线方向表示该点的场强方向。向。法拉第关于场和力线的概念是物理学中具有开创法拉第关于场和力线的概念是物理学中具有开创意义的见解。爱因斯坦认为意义的见解。爱因斯坦认为“它的价值要比电磁感应它的价值要比电磁感应要高出许多。要高出许多。”还说还说“想象力比知识更重要想象力比知识更重要,因为知识因为知识是有限的是有限的,想象力概括着世界上的一切想象力概括着世界上的一切,推动着进步推动着进步,并并且是知识进化的源泉。且是知识进化的源泉。”二二.描述电场的物理量描述电场的物理量 1.电场对电荷
10、的力作用电场对电荷的力作用 电场强度电场强度 是反映电场的力性质的物理量。是反映电场的力性质的物理量。EF 实验表明实验表明,在电场中的固定点所放电荷受到的电场在电场中的固定点所放电荷受到的电场力力 的大小与所放电荷的电量的大小与所放电荷的电量q成正比。两者的比值成正比。两者的比值F/q是一常量是一常量,与所放电荷的电量无关。这个比值反映与所放电荷的电量无关。这个比值反映的是电场自身的属性。的是电场自身的属性。放入电场中某点的电荷所受的电场力跟这电荷的放入电场中某点的电荷所受的电场力跟这电荷的电量的比值叫作该点的电场强度电量的比值叫作该点的电场强度,简称场强。用符号简称场强。用符号E表示表示q
11、FE 单位牛单位牛/库（库（N/C）电场强度是一矢量。上式表明电场强度在数值上电场强度是一矢量。上式表明电场强度在数值上等于单位正电荷所受的电场力等于单位正电荷所受的电场力,电场强度的方向为正电电场强度的方向为正电荷在该点所受电场力的方向。荷在该点所受电场力的方向。EqF 从电场强度的定义式看出从电场强度的定义式看出,知道了电场中某点的场知道了电场中某点的场强强E，就可求出任意电量，就可求出任意电量q的电荷在该点所受的电场力的电荷在该点所受的电场力应用应用 利用电场加速带电粒子利用电场加速带电粒子 利用电场使带电粒子偏转利用电场使带电粒子偏转于是电场强度反映了电场的力性质。于是电场强度反映了电
12、场的力性质。+-+qF+q+-带电粒子的速度方向与带电粒子的速度方向与电场强度方向垂直时，电场强度方向垂直时，带电粒子运动轨道发生带电粒子运动轨道发生偏转。偏转。带电粒子的速度方向与电带电粒子的速度方向与电场强度方向相同时，带电场强度方向相同时，带电粒子沿场强方向被加速。粒子沿场强方向被加速。+-+-+vFEEv 例题例题2-1 求带电量为求带电量为q 的点电荷周围的电场强度分的点电荷周围的电场强度分布。布。解解 在距点电荷在距点电荷r 处，放置电量很小的正电荷（称处，放置电量很小的正电荷（称为检验电荷），为检验电荷），q0 所受静电场力为所受静电场力为 F=k又据电强度的定义得该点场强为又据
13、电强度的定义得该点场强为 E=k 可见点电荷电场中某点的场强与该点到点电荷的距离可见点电荷电场中某点的场强与该点到点电荷的距离平方成反比，所有与点电荷距离相同点的场强相同。平方成反比，所有与点电荷距离相同点的场强相同。且且q0，电场线是发散的；，电场线是发散的；q0，电场线指向点电荷。，电场线指向点电荷。20rqq0qF2rq 例题例题2-2 两个电量各为两个电量各为+10-9C的电荷在真空中相距的电荷在真空中相距8cm。假设第三个电荷的电量为假设第三个电荷的电量为q0=+510-11C,位于两点电荷的中垂位于两点电荷的中垂线上线上,与两电荷各相距与两电荷各相距5cm,求两电荷作用在第三个电荷
14、上的合求两电荷作用在第三个电荷上的合力的方向和数值力的方向和数值。q1q2q0 解解：作用在作用在q0上的力为上的力为F1，q2作作用在用在q0上的力为上的力为F2q1 ,20222011bqqkFbqqkFba21FF 1F2FF合力的大小合力的大小且且babbqqkFF222201)4(2cos2N1016.21051041051010510927222/122229119）（）（）（方向方向b 2.从电场力作功的角度研究静电场从电场力作功的角度研究静电场 电荷在电场中两点间移动时电荷在电场中两点间移动时,电场力所作的功电场力所作的功W跟跟电荷电量的比值称为这两点间的电势差电荷电量的比值称
15、为这两点间的电势差,也叫作电压也叫作电压,用符号用符号U表示表示 在静电场中在静电场中,电荷在电场力的作用下移动电场力要电荷在电场力的作用下移动电场力要作功。作功。单位伏特（单位伏特（V）。qWU 电势差与高度差相似。电势差与高度差相似。10m 0.5m伏253ABU 有了电势的概念，我们便可把电势差理解为两点有了电势的概念，我们便可把电势差理解为两点电势之差。如电势之差。如A点的电势为点的电势为3伏伏,B点的电势为点的电势为5 伏伏,则则AB两点间的电势差为两点间的电势差为 在电场中选一个标准位置在电场中选一个标准位置,电场中某点跟标准位置间的电势电场中某点跟标准位置间的电势差称为该点的电势
16、。差称为该点的电势。电势差有绝电势差有绝对值的意义对值的意义。如图如图,旗杆的长度旗杆的长度,即高度差有绝对的即高度差有绝对的意义。意义。例题例题2-3 如果电子的动能不得超过静止能量的如果电子的动能不得超过静止能量的1%，则通过某一电场加速的电子的最大电势差为多少？，则通过某一电场加速的电子的最大电势差为多少？解：电子通过电场时电场力对电子所作的功转化为解：电子通过电场时电场力对电子所作的功转化为电子的动能电子的动能。设电场的电势差为。设电场的电势差为U，电场力对电子作，电场力对电子作的功为的功为eU，电子获得的动能为电子获得的动能为 Ek，有，有 而而=m0c21%V1012.5106.1
17、%1)103(101.9%1 31928312 ecU0mUe Ek Ek 三三.描述磁场的物理量描述磁场的物理量 磁场力磁场力B 磁感强度是反映磁场的力性质磁感强度是反映磁场的力性质的物理量的物理量.我们从力的角度研究磁场以及磁场对运动电荷、我们从力的角度研究磁场以及磁场对运动电荷、通电导线的作用。通电导线的作用。实验表明实验表明,当电荷垂直磁场方向运动时当电荷垂直磁场方向运动时,电荷所受电荷所受磁力最大磁力最大,为为Fmax,且最大磁力与电荷的带电量且最大磁力与电荷的带电量q和电和电荷荷 的运动速度的运动速度v 成正比例成正比例,所以比值所以比值 是一常量是一常量,与运动电荷与运动电荷 无
18、关。比值反映的是磁场本身属性。无关。比值反映的是磁场本身属性。vqF/max 放入磁场中某点的运动电荷所受的最大磁力与它放入磁场中某点的运动电荷所受的最大磁力与它的电量和速度乘积的比值叫作该点的磁感强度的电量和速度乘积的比值叫作该点的磁感强度,用用B表表示示 运动电荷在磁场中要受到磁场力的作用运动电荷在磁场中要受到磁场力的作用,这个磁场这个磁场力通常称为力通常称为洛伦兹力洛伦兹力。电荷在垂直磁场方向运动时。电荷在垂直磁场方向运动时,磁磁场对运动电荷场对运动电荷 的作用力为的作用力为vqFBmax BqFv max单位特斯拉单位特斯拉(牛牛/安米安米)。磁感强度是一矢量。磁感强度是一矢量,方向是
19、置方向是置于该处的小磁针静止时北极所指的方向。于该处的小磁针静止时北极所指的方向。如果运动电荷如果运动电荷 的速度与磁场方向成一定角度的速度与磁场方向成一定角度 ,则运动则运动电荷所受力可写为电荷所受力可写为 F=qvB sin （）)(BqF v 运动电荷换成载流导线，实验表明，磁场对载流运动电荷换成载流导线，实验表明，磁场对载流导线有力的作用，通常把导线有力的作用，通常把磁场对载流导线的作用称为磁场对载流导线的作用称为安培力安培力。垂直于磁场方向的通电直导线受到的磁场力。垂直于磁场方向的通电直导线受到的磁场力最大。如果通电导线的电流与磁场方向成一定的角最大。如果通电导线的电流与磁场方向成一
20、定的角度度 ,则则F可写为可写为 上式也表明上式也表明,当电荷当电荷 的运动方向与磁场方向平行时的运动方向与磁场方向平行时,导导线不受磁场的作用力线不受磁场的作用力。sinIlBF 式中式中I为流过导线电流的电流强度，为流过导线电流的电流强度，l是导线长，是导线长，B为均为均匀磁场的磁感强度。、电流方向、匀磁场的磁感强度。、电流方向、B三者方向满足右手三者方向满足右手螺旋定则。螺旋定则。)(BqF vF 我们说不可以，这正是电场与磁场的差别所在。我们说不可以，这正是电场与磁场的差别所在。电场力是保守力电场力是保守力,可以引入相关的势能可以引入相关的势能电势能电势能,静静电场是有势场。而电场是有
21、势场。而磁场力是非保守力磁场力是非保守力,不能引入相关的不能引入相关的势能势能。例题例题2-4 某一粒子的质量为某一粒子的质量为0.5g，带有，带有2.510C的电量。这一粒子获得一水平速度的电量。这一粒子获得一水平速度610m/s。欲使这。欲使这一粒子仍水平匀速前进，外加磁场的磁感强度最小为一粒子仍水平匀速前进，外加磁场的磁感强度最小为多少？多少？那末是不是也可从磁场力作功的角度引入一个物那末是不是也可从磁场力作功的角度引入一个物理量描述磁场呢理量描述磁场呢?解解 带电粒子在磁场中受洛伦兹力带电粒子在磁场中受洛伦兹力F和重力和重力G作作用，粒子沿水平方向匀速运动，所以粒子所受的用，粒子沿水平
22、方向匀速运动，所以粒子所受的F与与G大小相等，方向相反，即大小相等，方向相反，即 G=mg=F=qvB27.3106105.28.9105.0483vqmgBT 补充例题补充例题 一根长为一根长为0.2m的水平杆固定在秤上，杆的水平杆固定在秤上，杆上载有电流。在杆附近有一均匀水平磁场，其大小为上载有电流。在杆附近有一均匀水平磁场，其大小为0.05T，方向与杆垂直，作用在杆上的力用秤测得为，方向与杆垂直，作用在杆上的力用秤测得为0.24N，问电流有多大？，问电流有多大？I 解：据题意，解：据题意，、电流方向、电流方向、的关系如的关系如图。图。载流导线与载流导线与 的夹角的夹角为为90，据，据F=
23、BlI 有有A242.005.024.0BlFIBFFBB 2-4 电磁感应电磁感应 一一.磁通量磁通量 法拉第引入法拉第引入“力线力线”的概念描述磁场。的概念描述磁场。磁通量表磁通量表示磁场中穿过某个面的磁场线的条数示磁场中穿过某个面的磁场线的条数。显然，同等面。显然，同等面积的平面，在与磁场方向垂直时穿过平面的磁场线条积的平面，在与磁场方向垂直时穿过平面的磁场线条数最多，即磁通量最大；平面与磁场方向平行时穿过数最多，即磁通量最大；平面与磁场方向平行时穿过的磁场线条数为零，即磁通量为零。的磁场线条数为零，即磁通量为零。单位时间内磁通量的变化量称为磁通量对时间的单位时间内磁通量的变化量称为磁通
24、量对时间的变化率。变化率。二二.电磁感应与能量守恒电磁感应与能量守恒 穿过回路的磁通量发生变化时，回路中产生感应穿过回路的磁通量发生变化时，回路中产生感应电动势的现象称为电磁感应电动势的现象称为电磁感应。若回路闭合，产生的电。若回路闭合，产生的电流为感应电流。流为感应电流。法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律:电路中感应电动势电路中感应电动势E 的大小的大小与穿过这一电路的磁通量的变化率成正比。如果各量与穿过这一电路的磁通量的变化率成正比。如果各量均选用国际单位制可写为均选用国际单位制可写为t E ERIE E 若闭合回路的电阻为若闭合回路的电阻为R，回路中的，回路中的感应电流感应电流I 为为
25、 回路在磁场中运动引起穿过回路磁通量改变回路在磁场中运动引起穿过回路磁通量改变 动生电动势。如图动生电动势。如图a。对产生电动势的原因归类对产生电动势的原因归类:由于磁场的变化引起穿过回路的磁通量变化由于磁场的变化引起穿过回路的磁通量变化感生电动势。如图感生电动势。如图b。回路本身的电流发生改变或其周围回路的电流发回路本身的电流发生改变或其周围回路的电流发生变化生变化,引起穿过该回路的磁通量发生变化引起穿过该回路的磁通量发生变化自感自感或互感电动势。如图或互感电动势。如图b 中电路接通或断开时。中电路接通或断开时。能量守恒定律是普遍适用的能量守恒定律是普遍适用的,电磁感应现象也要满电磁感应现象
26、也要满足能量守恒定律。如线圈在磁场中运动时是外力对线足能量守恒定律。如线圈在磁场中运动时是外力对线圈回路作功圈回路作功,这是消耗了机械能这是消耗了机械能,所消耗的机械能通过所消耗的机械能通过线圈转化为电能。线圈转化为电能。法拉第电磁感应定律中的负号正是体现了能量守法拉第电磁感应定律中的负号正是体现了能量守恒定律，判明感应电流方向的楞次定律也体现了能量恒定律，判明感应电流方向的楞次定律也体现了能量守恒定律。守恒定律。例题例题2-5 如图如图,长为长为l 电阻为电阻为R 的导体棒的导体棒ab,沿水平沿水平导线框以速度导线框以速度v向右运动向右运动,磁感强度方向垂直向上磁感强度方向垂直向上,大小大小
27、为为B,求求ab中的感应电流。中的感应电流。ablBv 解解:在在 t 时间内时间内,导体棒导体棒水平移过的距离为水平移过的距离为l v t,t时间内穿过该面积的磁通量时间内穿过该面积的磁通量tBl v棒与导线框组成闭合回路棒与导线框组成闭合回路,据法拉弟电磁感应定律据法拉弟电磁感应定律,回回路中电动势的大小为路中电动势的大小为t E EablBv棒中感应电流为棒中感应电流为RBlRIv E E据能量守恒定律据能量守恒定律,感应电流的感应电流的磁场总是要反抗引起感应电磁场总是要反抗引起感应电流的磁通量的变化流的磁通量的变化,所以感所以感应电流的方向为应电流的方向为b a。例题例题2-6 在上题
28、中在上题中,现导体棒现导体棒ab不动不动,且导体棒与且导体棒与导线框所围面积为导线框所围面积为S,磁感强度对时间的变化率为磁感强度对时间的变化率为ktBdd(k为常数为常数,大于大于0),再求再求ab棒上的感应电流。棒上的感应电流。ablB 解解:穿过棒与导线框所组成的穿过棒与导线框所组成的闭合回路的磁通量为闭合回路的磁通量为=BSSktBStBStddd)d(dd而而所以回路中感应电动势的大小所以回路中感应电动势的大小tdd E E棒上的感应电流棒上的感应电流RSkRI E E据能量守恒定律据能量守恒定律,感应电流的方向感应电流的方向b a。2-5 电磁波电磁波 电磁波的发现归功于麦克斯韦。
29、麦克斯韦（电磁波的发现归功于麦克斯韦。麦克斯韦（1831-1897）伟大的英国物理学家。自幼聪颖，）伟大的英国物理学家。自幼聪颖，15岁就发表岁就发表过数学论文。他不仅是运用数学工具分析物理问题的过数学论文。他不仅是运用数学工具分析物理问题的大师，也是建立模型类比不同物理现象的能手。麦克大师，也是建立模型类比不同物理现象的能手。麦克斯韦说：斯韦说：“我认为我认为依靠物理的类比，一门科学的规律依靠物理的类比，一门科学的规律与另一门科学的规律之间的部分类似，将使我们能从与另一门科学的规律之间的部分类似，将使我们能从这两门学科中的一门科学来说明另外的一门科学这两门学科中的一门科学来说明另外的一门科学
30、。”十九世纪中期，人们认识了电场、磁场，认识了电磁十九世纪中期，人们认识了电场、磁场，认识了电磁感应现象，但是还没发现这些现象间的联系。感应现象，但是还没发现这些现象间的联系。1864年年12月月8日麦克斯韦在英国皇家学会的集会日麦克斯韦在英国皇家学会的集会上宣读了题目为上宣读了题目为电磁场的动力学理论电磁场的动力学理论的论文，给的论文，给出微分形式的麦克斯韦方程组出微分形式的麦克斯韦方程组。1873年麦克斯韦出版年麦克斯韦出版电磁学理论电磁学理论，把法拉第思想，把法拉第思想(场、力线、电磁感应场、力线、电磁感应)发展成完整的电磁场理论，证明了光是一种电磁波，发展成完整的电磁场理论，证明了光是
31、一种电磁波，实现了电学、磁学和光学的统一。这是物理学学史上实现了电学、磁学和光学的统一。这是物理学学史上的第二次统一。的第二次统一。麦克斯韦还预言了变化的电场及变化麦克斯韦还预言了变化的电场及变化的磁场在空间传播形成电磁波，确认了物质一种形式的磁场在空间传播形成电磁波，确认了物质一种形式电磁波的存在。这一预言得到实验验证，并直接电磁波的存在。这一预言得到实验验证，并直接导致马尼可等人发明无线电通讯。导致马尼可等人发明无线电通讯。一一.麦克斯韦的两条创新假说麦克斯韦的两条创新假说 麦克斯韦指出麦克斯韦指出,变化的磁场激发出区别于静电场变化的磁场激发出区别于静电场的涡旋电场。的涡旋电场。变化的电场
32、要激发出磁场变化的电场要激发出磁场,在产生磁场这点上变在产生磁场这点上变化的电场等效于电流化的电场等效于电流(麦克斯韦称为位移电流麦克斯韦称为位移电流)。二二.电磁场电磁场 电磁波电磁波 变化的电场在其周围产生与之垂直的磁场变化的电场在其周围产生与之垂直的磁场,变化变化的磁场也在其周围产生与之垂直的电场。变化的电场的磁场也在其周围产生与之垂直的电场。变化的电场和变化的磁场组成和谐的电磁场。变化的电场和变化和变化的磁场组成和谐的电磁场。变化的电场和变化的磁场相互激发的磁场相互激发,沿着与两者均垂直的方向由近及远沿着与两者均垂直的方向由近及远以有限的速度传播形成电磁波。以有限的速度传播形成电磁波。
33、xyzEEEBBBv 按照麦克斯韦理论，电磁波在真空中的传播速度按照麦克斯韦理论，电磁波在真空中的传播速度是仅通过电磁学测量就可确定的恒量。麦克斯韦指出是仅通过电磁学测量就可确定的恒量。麦克斯韦指出“电磁波的这一速度与当电磁波的这一速度与当时测得的光速如此接近时测得的光速如此接近,看来有充分理由断定光看来有充分理由断定光本身本身(以及热辐射和其它以及热辐射和其它形式的辐射形式的辐射)也是电磁波。从而把表面上似乎毫不相干的光现象与也是电磁波。从而把表面上似乎毫不相干的光现象与电磁现象统一起来电磁现象统一起来,为人类深刻认识光的本质打通了为人类深刻认识光的本质打通了道路道路。按电磁波规律传播的一种
34、电磁振动。按电磁波规律传播的一种电磁振动。”这就是说光这就是说光波波以波动形式以波动形式 麦克斯韦的理论如此深刻、完美、新颖以致在问麦克斯韦的理论如此深刻、完美、新颖以致在问世后的相当长时间内不为人所理解。到世后的相当长时间内不为人所理解。到 1878年夏天年夏天,身身为柏林大学教授的亥姆霍兹出了一道竞赛题为柏林大学教授的亥姆霍兹出了一道竞赛题,要学生用要学生用实验的方法验证麦克斯韦的电磁理论。他的一位学生实验的方法验证麦克斯韦的电磁理论。他的一位学生,后来成为著名物理学家的赫兹开始了这方面的研究。后来成为著名物理学家的赫兹开始了这方面的研究。赫兹在赫兹在1886年月年月10月做一个放电实验时
35、偶然发现在其月做一个放电实验时偶然发现在其旁的线圈也发出火花，他敏锐在想到这可能是电磁共旁的线圈也发出火花，他敏锐在想到这可能是电磁共振。随后他又做了一系列实验进行验证。实验装置如振。随后他又做了一系列实验进行验证。实验装置如下。下。赫兹发射电磁波的装置赫兹发射电磁波的装置 赫兹接收电磁波的装置赫兹接收电磁波的装置 赫兹用此装置验证了电磁波的存在赫兹用此装置验证了电磁波的存在,又验证了电又验证了电磁波具有反射、折射、衍射、偏振等到与光波类似的磁波具有反射、折射、衍射、偏振等到与光波类似的特性。特性。在赫兹宣布他的发现后不到在赫兹宣布他的发现后不到6年年,意大利的马尼可意大利的马尼可和俄国的波波
36、夫分别实现了无线电远距离传播并很快和俄国的波波夫分别实现了无线电远距离传播并很快投入使用。投入使用。在实际应用中在实际应用中,将感应线圈换成高频振荡器将感应线圈换成高频振荡器，两两个小球构成开放电路，一端与地相连，另一端成了发个小球构成开放电路，一端与地相连，另一端成了发射无线电波的天线。射无线电波的天线。电视台、广播电台的信号就是通电视台、广播电台的信号就是通 过过 这样的这样的 装置发射到空中。装置发射到空中。三三.电磁场的物质性电磁场的物质性 在法拉弟在法拉弟-麦克斯韦电磁理论中，电磁场还不是麦克斯韦电磁理论中，电磁场还不是独立的物质，它要依赖被称为独立的物质，它要依赖被称为“以太以太”
37、的东西传播。的东西传播。现代科学证明以太不存在，电磁场是独立存在的物质现代科学证明以太不存在，电磁场是独立存在的物质的另一种形式。第一章我们讲了实物物质具有质量、的另一种形式。第一章我们讲了实物物质具有质量、能量、动量，这是实物物质物质性的表现。场是物质能量、动量，这是实物物质物质性的表现。场是物质的另一种形态，也应该具有质量、能量、动量。的另一种形态，也应该具有质量、能量、动量。电磁波的传播既是变化电磁场的传播也是能量的电磁波的传播既是变化电磁场的传播也是能量的传播。衡量电磁场能量大小的物理量是电磁场的能量传播。衡量电磁场能量大小的物理量是电磁场的能量密度。这个物理量我们不去讨论了密度。这个
38、物理量我们不去讨论了,但定性的我们可但定性的我们可以知道以知道,无线电信号强即能量大无线电信号强即能量大,手机、电视接收机接手机、电视接收机接收的能量就多信号就好。收的能量就多信号就好。现讨论电磁波具有动量。现讨论电磁波具有动量。牛顿第二定律的普遍形式牛顿第二定律的普遍形式 F=dp/dt其含义是，单位时间内物体得到的动量等于作用在物其含义是，单位时间内物体得到的动量等于作用在物体上的外力。若光波施压力在物体上，根据牛顿第三体上的外力。若光波施压力在物体上，根据牛顿第三定律，物体必施一等大反向的力在光波上，此力正好定律，物体必施一等大反向的力在光波上，此力正好等于电磁场在单位时间里得到的动量，
39、所以电磁场具等于电磁场在单位时间里得到的动量，所以电磁场具有动量。光或电磁波在物体表面被吸收或反射时将对有动量。光或电磁波在物体表面被吸收或反射时将对物体产生压强，称为光压。太阳光在地球表面产生的物体产生压强，称为光压。太阳光在地球表面产生的总压力总压力(等于光波压强乘上地球的表面积等于光波压强乘上地球的表面积)约为约为6.86108 N，而太阳对地球的万有引力约为，而太阳对地球的万有引力约为3.01022 N，可见太阳对地球的光压力比太阳对地球的引力小，可见太阳对地球的光压力比太阳对地球的引力小得多。得多。俄国科学家列别捷夫用扭秤实验测出光波的压强俄国科学家列别捷夫用扭秤实验测出光波的压强与
40、理论值相符。与理论值相符。光压的量值很小一般很难观测到，但在天体物理光压的量值很小一般很难观测到，但在天体物理中却起到重要作用。例如，当彗星运行到太阳附近时中却起到重要作用。例如，当彗星运行到太阳附近时，彗星尾部的气体和尘埃微粒受到的太阳光压比太阳，彗星尾部的气体和尘埃微粒受到的太阳光压比太阳引力大，使气体和尘埃被推向远离太阳的方向，形成引力大，使气体和尘埃被推向远离太阳的方向，形成长长的彗尾。长长的彗尾。光压的存在证明电磁场有质量。另外根据狭义相对光压的存在证明电磁场有质量。另外根据狭义相对论的质能关系式论的质能关系式 E=mc2 也可知道电磁场具有质量。也可知道电磁场具有质量。量子力学的建
41、立进一步展现了电磁场的物质性。量子力学的建立进一步展现了电磁场的物质性。量子力学认为，在一定场合光可突出表现了粒子性，量子力学认为，在一定场合光可突出表现了粒子性，电子、质子、中子等微观粒子也可突出表现波动性，电子、质子、中子等微观粒子也可突出表现波动性，即将在后面章节讲到的物质的波粒二象性。即将在后面章节讲到的物质的波粒二象性。四四.电磁波谱电磁波谱 1.波速波速 周期周期 波长波长 电磁波可以在介质中传播也可在真空中传播。我电磁波可以在介质中传播也可在真空中传播。我们把电磁波的传播速度称为波速，用们把电磁波的传播速度称为波速，用v表示。电磁波表示。电磁波在真空中的传播速度为光速在真空中的传
42、播速度为光速c。周期周期 电磁波的波源在相对观察者静止时作一次电磁波的波源在相对观察者静止时作一次完全振动所需的时间用完全振动所需的时间用T表示。表示。波长波长 电磁场波在一个周期的时间内传播的距离电磁场波在一个周期的时间内传播的距离用用表示，有表示，有 =v T我们还经常提到电磁波的频率我们还经常提到电磁波的频率 ，=1/T,意即波源在意即波源在单位时间里作完全振动的次数单位时间里作完全振动的次数.2.电磁波谱电磁波谱 从从=v T v 看出不同的电磁波拥有不同的波长。我们把电磁波按看出不同的电磁波拥有不同的波长。我们把电磁波按波长波长(或频率或频率)进行排队分类，所列的表称为电磁波谱。进行
43、排队分类，所列的表称为电磁波谱。=vT=v/610221034102101041021061081010101210波长波长(微米微米)81018103101031410361034103宇宇宙宙射射线线射射线线X射线射线紫外线紫外线可见光可见光红外线红外线无线电波无线电波 从图表中看出从图表中看出,分类并不是严格的分类并不是严格的,会有交叉地带。会有交叉地带。频率频率(Hz)无线电波是电磁波中波长在无线电波是电磁波中波长在10-4-105m 范围的电磁范围的电磁波。无线电波按波长可分为四个波段。与红外线邻近波。无线电波按波长可分为四个波段。与红外线邻近的波长最短的波长最短,称为微波。称为微波
44、。微波微波 短波短波 中波中波 长波长波 超长波超长波 它们组成一个无线电家族，有着各自不同的应用它们组成一个无线电家族，有着各自不同的应用领域。领域。m10-m1-4m10-m10231m-m102m10-10m3m10-100m5 超长波用于水中通讯超长波用于水中通讯.因为实验表明因为实验表明,无线电波在无线电波在海水中的衰减是很大的海水中的衰减是很大的,且波长越短且波长越短(频率越高频率越高)衰减越衰减越大，所以海底通讯用超长波。核爆炸时会产生超长波大，所以海底通讯用超长波。核爆炸时会产生超长波,用超长波无线电接收器可以测出何处进行了核实验。用超长波无线电接收器可以测出何处进行了核实验。
45、长波长波,是人类最早使用的通讯波段。现主要用于是人类最早使用的通讯波段。现主要用于导航、报时。导航、报时。中波中波,是大家熟悉的波段。国际电信联盟规定是大家熟悉的波段。国际电信联盟规定526.5-1605.2千赫专供无线电广播使用。国内广播位千赫专供无线电广播使用。国内广播位于该波段。于该波段。短波，短波广播能远距离传播。短波，短波广播能远距离传播。超短波又称为米波，由于频率高通讯容量大超短波又称为米波，由于频率高通讯容量大,可以可以传输大容量的电视信号传输大容量的电视信号.微波微波,用于通讯、雷达、微波加热等。用于通讯、雷达、微波加热等。不同波长的无线电波用不同的方式传播。不同波长的无线电波
46、用不同的方式传播。地球的大气层分为三层。地球的大气层分为三层。短波的传播要借助电离层。电离层中气体分短波的传播要借助电离层。电离层中气体分子在太阳紫外辐射和微粒辐射的作用下，被电离成带子在太阳紫外辐射和微粒辐射的作用下，被电离成带正电的离子和自由电子电离层气体的电离状况取决于正电的离子和自由电子电离层气体的电离状况取决于太阳辐射的强弱。因而一天内电离层中自由电子的密太阳辐射的强弱。因而一天内电离层中自由电子的密度有很大的变化。再加上太阳黑子、磁暴等的干扰都度有很大的变化。再加上太阳黑子、磁暴等的干扰都使短波广播不稳定。使短波广播不稳定。18Km对流层地球18-50Km平流层18-20000Km
47、电离层短波 微波能容纳大的信息量。但在微波能容纳大的信息量。但在1000米的高山上发米的高山上发射传播的距离也只有射传播的距离也只有113千米左右。为解决此问题早千米左右。为解决此问题早期采用同轴电缆加中继站的方式。通讯卫星的出现期采用同轴电缆加中继站的方式。通讯卫星的出现,使微波通讯跃上新台阶使微波通讯跃上新台阶,实现了全球通讯。近年来发实现了全球通讯。近年来发展很快的移动通讯展很快的移动通讯,实现了移动体之间或移动体与固实现了移动体之间或移动体与固定体间的通讯定体间的通讯,如广泛使用的如广泛使用的BP机、手机等。机、手机等。2-6 光波光波 上一节我们讨论了电磁波谱中的无线电波上一节我们讨
48、论了电磁波谱中的无线电波,光波是光波是电磁波电磁波,本节专门讨论一下光的本质。本节专门讨论一下光的本质。人类很早就开始了对光的观察和研究人类很早就开始了对光的观察和研究,使光学成为使光学成为物理学中发展最早的分支。但对光本质的认识却经历物理学中发展最早的分支。但对光本质的认识却经历了漫长的道路。了漫长的道路。一一.历史上的微粒说与波动说历史上的微粒说与波动说 历史上有过以牛顿为代表的微粒说与以惠更斯为历史上有过以牛顿为代表的微粒说与以惠更斯为代表的波动说之争代表的波动说之争.牛顿认为光是光源飞出来的高速运动的微小粒子牛顿认为光是光源飞出来的高速运动的微小粒子组成。可解释光沿直线传播和影子的形成
49、。光的反射组成。可解释光沿直线传播和影子的形成。光的反射,光的折射。光的折射。1687年年 荷荷 兰兰 物物 理理 学家学家 惠惠 更更 斯向法国科学院提斯向法国科学院提交了交了光论光论一书一书,提出了与微粒说对立的波动说。认提出了与微粒说对立的波动说。认为光是发光体的微小粒子的振动，在充满宇宙空间的为光是发光体的微小粒子的振动，在充满宇宙空间的介质介质“以太以太”中的传播过程，如同声波的传播一样。中的传播过程，如同声波的传播一样。可解释两束光相遇时互不干扰地继续前进，光的反射，可解释两束光相遇时互不干扰地继续前进，光的反射，光的折射，光的双折射现象。惠更斯认为光是纵波光的折射，光的双折射现象
50、。惠更斯认为光是纵波(实实际上光是横波际上光是横波)，因而不能解释光的偏振现象。波动说，因而不能解释光的偏振现象。波动说对当时已发现的光的干涉、光的衍射现象解释无力。对当时已发现的光的干涉、光的衍射现象解释无力。不能解释两束光相交时是互不干扰地各自继续前不能解释两束光相交时是互不干扰地各自继续前进进,特别是得出光在密度较大的介质中传播速率应较大特别是得出光在密度较大的介质中传播速率应较大的与实验事实不符的结论。的与实验事实不符的结论。十九世纪初，一系列决定性的发现导致人们普遍接十九世纪初，一系列决定性的发现导致人们普遍接受波动理论。托马斯受波动理论。托马斯杨做的杨氏双缝实验奠定了光的杨做的杨氏
