第四章 電磁波及其應(yīng)用

1、第四章 電磁波及其應(yīng)用（興趣材料） 聰聰?shù)膵寢屓チ嗣绹?guó)，聰聰想媽媽，每天都給媽媽打電話，聊得可開(kāi)心了，一邊聊還能看看到媽媽笑呢！原來(lái)，聰聰家有一個(gè)神奇的可視電話，怪不得聰聰不哭了呢？那么，聰聰媽媽笑的圖像是怎么從遙遠(yuǎn)的美國(guó)傳過(guò)來(lái)的呢？是不是聰聰媽媽“上電視”了呢？學(xué)習(xí)了這一章的知識(shí)，你就知道是怎么一回事了。鏈接生活人類社會(huì)已經(jīng)進(jìn)入了信息時(shí)代，信息爆炸似的產(chǎn)生，通信成了信息時(shí)代的生命線，現(xiàn)代通信離不開(kāi)電磁波，現(xiàn)代電子技術(shù)如通訊、廣播、電視、導(dǎo)航、雷達(dá)、遙感、測(cè)控、電子對(duì)抗、電子儀器和測(cè)量系統(tǒng)，都離不開(kāi)電磁波的發(fā)射、控制、傳播和接收；從家用電器、工業(yè)自動(dòng)化到地質(zhì)勘探，從工業(yè)、農(nóng)業(yè)到醫(yī)療衛(wèi)生等國(guó)民經(jīng)

2、濟(jì)領(lǐng)域，幾乎全都涉及電磁場(chǎng)理論的應(yīng)用。鏈接知識(shí)上一章我們學(xué)習(xí)了法拉第電磁感應(yīng)定律，知道變化的磁場(chǎng)可以使線圈中產(chǎn)生電流，而電流又會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)又會(huì)產(chǎn)生電流，那大家可以思考一下，究竟在我們所生活的空間中，電場(chǎng)和磁場(chǎng)是以怎樣的形式存在的呢？學(xué)習(xí)了這一章節(jié)，我們就會(huì)明白了。鏈接高考 高中物理新課程標(biāo)準(zhǔn)對(duì)這部分知識(shí)進(jìn)行如下要求： （1）初步了解麥克斯韋電磁場(chǎng)理論的基本思想，體會(huì)其在物理學(xué)發(fā)展中的重要意義。初步了解場(chǎng)是物質(zhì)存在的基本形式之一。（2）列舉電磁波在日常生活和生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用。了解電磁波的技術(shù)應(yīng)用對(duì)人類生活方式的影響，結(jié)合日常生活中的具體實(shí)例發(fā)表見(jiàn)解。例如：討論通信技術(shù)的發(fā)展對(duì)人類生活方式的影

3、響。（3）舉例說(shuō)明科學(xué)技術(shù)的應(yīng)用對(duì)人類現(xiàn)代生活產(chǎn)生的正面和負(fù)面影響，對(duì)科學(xué)、技術(shù)及社會(huì)協(xié)調(diào)發(fā)展的重要性發(fā)表自己的觀點(diǎn)。例如：舉例說(shuō)明電磁波的應(yīng)用對(duì)人類生活產(chǎn)生的正面和負(fù)面影響。第1節(jié) 電磁波的發(fā)現(xiàn)【思維導(dǎo)圖】 【教材詳解】 知識(shí)幻燈片1 電磁波的發(fā)現(xiàn)問(wèn)題情景英國(guó)媒體的報(bào)道引起了幾個(gè)同學(xué)的討論，報(bào)道稱：美國(guó)科學(xué)家雷庫(kù)茲韋爾日前聲稱，隨著納米技術(shù)的發(fā)展和對(duì)人體機(jī)能的更了解，人類在2029年將改造成為半機(jī)器人，從而實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)生不老的夢(mèng)想。小華和小明懷疑這篇報(bào)道的真實(shí)性，說(shuō)這是不可能的，但小君和小偉卻深信不疑，他們查閱了許多資料，發(fā)現(xiàn)，原來(lái)物理學(xué)史上有很多預(yù)言，并且很多都得到了應(yīng)驗(yàn)，那這節(jié)課我們就來(lái)認(rèn)識(shí)一

4、個(gè)著名的預(yù)言：麥克斯韋的電磁場(chǎng)理論。（知識(shí)講解）1、偉大的預(yù)言麥克斯韋于1855年開(kāi)始研究電磁學(xué)，在潛心研究了法拉第關(guān)于電磁學(xué)方面的新理論和思想之后，堅(jiān)信法拉第的新理論包含著真理。于是他抱著給法拉第的理論“提供數(shù)學(xué)方法基礎(chǔ)”的愿望，決心把法拉第的天才思想以清晰準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)形式表示出來(lái)。他在前人成就的基礎(chǔ)上，對(duì)整個(gè)電磁現(xiàn)象作了系統(tǒng)、全面的研究，憑借他高深的數(shù)學(xué)造詣和豐富的想象力接連發(fā)表了電磁場(chǎng)理論的三篇論文：論法拉第的力線（1855年12 月至1856年2月）；論物理的力線（1861至1862年）；電磁場(chǎng)的動(dòng)力學(xué)理論（1864年12月8日）。對(duì)前人和他自己的工作進(jìn)行了綜合概括，將電磁場(chǎng)理論用簡(jiǎn)潔、

5、對(duì)稱、完美數(shù)學(xué)形式表示出來(lái)，經(jīng)后人整理和改寫(xiě)，成為經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)主要基礎(chǔ)的麥克斯韋方程組。據(jù)此，1865年他預(yù)言了電磁波的存在，電磁波只可能是橫波，并計(jì)算了電磁波的傳播速度等于光速，同時(shí)得出結(jié)論：光是電磁波的一種形式，揭示了光現(xiàn)象和電磁現(xiàn)象之間的聯(lián)系。麥克斯韋于1873年出版了科學(xué)名著電磁理論。系統(tǒng)、全面、完美地闡述了電磁場(chǎng)理論。這一理論成為經(jīng)典物理學(xué)的重要支柱之一。示例在物理學(xué)史上，最先建立完整的電磁場(chǎng)理論并預(yù)言電磁波存在的科學(xué)家是A赫茲B愛(ài)因斯坦C麥克斯韋D法拉第解析：麥克斯韋在1865年預(yù)言了電磁波的存在，而赫茲是在1886年證實(shí)了電磁波的存在，所以，答案是 C答案 C學(xué)以致用：課后問(wèn)題與

6、聯(lián)系四，為什么人們要紀(jì)念麥克斯韋和赫茲？2、麥克斯韋電磁場(chǎng)理論 （1）變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)在變化的磁場(chǎng)中放一個(gè)閉合線圈，由電磁感應(yīng)現(xiàn)象可知，閉合線圈中會(huì)有電流產(chǎn)生，聯(lián)系場(chǎng)的觀點(diǎn)，產(chǎn)生電流肯定是由于電荷的定向移動(dòng)，而電荷的定向移動(dòng)肯定是受到電場(chǎng)力的作用，基于此，麥克斯韋認(rèn)為，這個(gè)現(xiàn)象的實(shí)質(zhì)是變化的磁場(chǎng)在空間中產(chǎn)生了電場(chǎng)。如果在這個(gè)空間中存在閉合電路，那么，電場(chǎng)中的自由電荷就在這個(gè)電場(chǎng)作用下做定向移動(dòng)，從而形成電流；即使沒(méi)有線圈，也同樣在空間中形成電場(chǎng)。磁場(chǎng)變化時(shí)產(chǎn)生電場(chǎng)，這是必然的。（2）變化的電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)。既然變化的磁場(chǎng)可以產(chǎn)生電場(chǎng)，那么變化的電場(chǎng)周圍會(huì)不會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)呢？麥克斯韋確信自然界的和諧與

7、統(tǒng)一，相信電與與磁場(chǎng)具有對(duì)稱之美。并且大膽提出假設(shè)：變化的電場(chǎng)在空間中產(chǎn)生磁場(chǎng)。示例下列說(shuō)法中正確的是A、在電場(chǎng)周圍一定存在磁場(chǎng)B、靜止電荷能夠在周圍空間產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場(chǎng)C、麥克斯韋提出并證明了電磁波的存在D、以上說(shuō)法都不對(duì)解析：由麥克斯韋電磁場(chǎng)理論的基本觀點(diǎn)：變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)；變化的電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)。可以排除選項(xiàng)A和B，電磁波是麥克斯韋在1865年預(yù)言存在的，但卻是由赫茲在1886年證實(shí)了存在的，所以，答案是 D小筆頭：電能生磁，磁能生電，前提條件：“變化的”答案 D 小筆頭 3.電磁波有一個(gè)有趣的問(wèn)題曾經(jīng)引起無(wú)數(shù)人的爭(zhēng)論，先有蛋還是先有雞的問(wèn)題，蛋能生雞，雞能生蛋，蛋再生雞，雞再生蛋周而復(fù)始，

8、那么，變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)；變化的電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)。磁場(chǎng)再產(chǎn)生電場(chǎng)，電場(chǎng)又會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)于是，變化的電場(chǎng)和磁場(chǎng)交替產(chǎn)生，由近及遠(yuǎn)的傳播，會(huì)產(chǎn)生什么呢？（1）電磁波的產(chǎn)生：周期性變化的電場(chǎng)周圍空間產(chǎn)生周期性變化的磁場(chǎng)，周期性變化的磁場(chǎng)在周圍空間產(chǎn)生周期性變化的電場(chǎng)。這種周期性變化的電場(chǎng)和磁場(chǎng)由近及遠(yuǎn)地傳播就形成電磁波（2）電磁波的特點(diǎn)：電磁波是橫波；電磁波在真空中傳播的速度C=3108m/s；電磁波的傳播不需要介質(zhì)；電磁波能產(chǎn)生反射、折射、衍射、干涉等現(xiàn)象（3）赫茲用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了電磁波的存在，還測(cè)定了電磁波的波長(zhǎng)和頻率，得到電磁波的傳播速度等。示例第一個(gè)用實(shí)驗(yàn)證實(shí)電磁波存在的物理學(xué)家是A赫茲B愛(ài)因斯坦C麥克

9、斯韋D法拉第答案 A3.赫茲的實(shí)驗(yàn)麥克斯韋的理論提出以后，有很多人不相信他的理論，不相信有電磁波的存在，怎么樣才能讓人們相信電磁波的存在呢？很簡(jiǎn)單，實(shí)踐（實(shí)驗(yàn)）是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)，遺憾的是麥克斯韋英年早逝，后繼的工作主要是赫茲完成的。（1）實(shí)驗(yàn)原理圖：左側(cè)儀器上有兩個(gè)拋光的金屬球，兩球之間的間隙很小，兩個(gè)金屬球接到一個(gè)感應(yīng)圈（提供高電壓）的兩端，兩球間的電壓很高，間隙間的電場(chǎng)很強(qiáng)，空氣中的分子被電離，從而形成通路，當(dāng)有一簇電荷通過(guò)時(shí)，就能看到電火花，右側(cè)的儀器是一根環(huán)狀的導(dǎo)線，導(dǎo)線的兩端安裝有兩個(gè)金屬球，中間留有空隙。把這個(gè)導(dǎo)線環(huán)放在距離感應(yīng)線圈不太遠(yuǎn)的位置時(shí)，赫茲觀察到：當(dāng)感應(yīng)線圈兩個(gè)金屬

10、球間有火花跳過(guò)時(shí)，導(dǎo)線環(huán)的兩個(gè)金屬球之間也跳過(guò)火花。（2）赫茲的推斷：當(dāng)火花在感應(yīng)圈的兩個(gè)金屬球間跳動(dòng)時(shí)，必定建立了一個(gè)迅速變化的電磁場(chǎng)，按照麥克斯韋的理論這種變化的電磁場(chǎng)以電磁波形式在空間傳播，當(dāng)電磁波經(jīng)過(guò)導(dǎo)線環(huán)時(shí)，迅速變化的電磁場(chǎng)在導(dǎo)線環(huán)中激發(fā)出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，使得導(dǎo)線環(huán)的小球間隙中也產(chǎn)生火花，因此檢驗(yàn)了電磁波的存在。（3）赫茲的實(shí)驗(yàn)貢獻(xiàn)及意義： 貢獻(xiàn)：檢驗(yàn)到了電磁波的存在； 觀察到了電磁波的反射、折射、干涉、偏振和衍射等現(xiàn)象； 證明了電磁波在真空中具有與光相同的速度； 在人類歷史上首先捕捉到了電磁波，證明了麥克斯韋的電磁理論。 意義：赫茲的實(shí)驗(yàn)為無(wú)線電技術(shù)的發(fā)展開(kāi)拓了道路。延伸拓展 1.對(duì)麥

11、克斯韋電磁場(chǎng)理論的理解（1）均勻變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生穩(wěn)定的電場(chǎng)，均勻變化的電場(chǎng)產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場(chǎng)?！熬鶆蜃兓敝傅氖牵涸谙嗟葧r(shí)間內(nèi)磁感強(qiáng)度（電場(chǎng)強(qiáng)度）的變化量相等，或者說(shuō)磁感強(qiáng)度（電場(chǎng)強(qiáng)度）對(duì)時(shí)間的變化率為一定值。（2）周期性變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生同頻率的周期性電場(chǎng)，振蕩的（周期性變化的）電場(chǎng)產(chǎn)生同頻率的振蕩磁場(chǎng)。（3）變化的電場(chǎng)和變化的磁場(chǎng)總是相互聯(lián)系著，行成一個(gè)不可分離的統(tǒng)一體，這就是電磁場(chǎng)。2.電磁波與機(jī)械波的相同點(diǎn)與區(qū)別（1）電磁波是橫波，機(jī)械波有橫波和縱波兩大類。（2）電磁波的速度遠(yuǎn)大于機(jī)械波（例如，在真空中電磁波的速度等于光速，聲速只有340m/s）（3）電磁波的傳播不一定需要介質(zhì)（真空中也能傳播），機(jī)械波傳播必須有介質(zhì)。（4）電磁波向外傳播的是電磁能，機(jī)械波傳播的是機(jī)械能。知識(shí)盤點(diǎn) （1）基本知識(shí)麥克斯韋提出電磁場(chǎng)理論，并預(yù)言電磁波的存在； 麥克斯韋電磁場(chǎng)理論基本內(nèi)容：變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)；變化的電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)。 赫茲通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了電磁波的存在。 （2）本節(jié)內(nèi)容體現(xiàn)出科學(xué)研究物理問(wèn)題的思想方法 聯(lián)想的方法。麥克斯韋從法拉第電磁