光電子技術(shù)第一章教案

光電子技術(shù)第一章教案第一頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日麥克斯韋(英國(guó)1831~1879)1865年他預(yù)言了電磁波的存在，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。1888年德國(guó)物理學(xué)家赫茲用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了電磁波的存在。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。麥克斯韋主要從事電磁理論、分子物理學(xué)、統(tǒng)計(jì)物理學(xué)、光學(xué)、力學(xué)、彈性理論方面的研究。他建立的電磁場(chǎng)理論，將電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)統(tǒng)一起來(lái)，是19世紀(jì)物理學(xué)發(fā)展的最光輝的成果，是科學(xué)史上最偉大的綜合之一。

第二頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日1.1麥克斯韋方程組及其物理意義

麥克斯韋方程組的積分形式第三頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日庫(kù)侖（法國(guó)1736～1806）

早年就讀于美西也爾工程學(xué)校。離開學(xué)校后，進(jìn)入皇家軍事工程隊(duì)當(dāng)工程師。法國(guó)大革命時(shí)期，庫(kù)侖辭去一切職務(wù)，到布盧瓦致力于科學(xué)研究。法皇執(zhí)政統(tǒng)治期間，回到巴黎成為新建的研究院成員。

1785~1789年，用鈕稱測(cè)量靜電力和磁力，導(dǎo)出著名的庫(kù)侖定律。

第四頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日庫(kù)侖定律真空中兩個(gè)點(diǎn)電荷作用力的大小與兩個(gè)點(diǎn)電荷的電量的乘積成正比，與它們之間距離的平方成反比；作用力的方向在兩個(gè)點(diǎn)電荷的連線上，同性電荷相排斥，異性電荷相吸引。

的推導(dǎo)第五頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日庫(kù)侖紐稱實(shí)驗(yàn)

細(xì)金屬絲下懸掛一根秤桿，它的一端有一小球A，另一端有平衡體P，在A旁還置有另一與它一樣大小的固定小球B。為了研究帶電體之間的作用力，先使A、B各帶一定的電荷，這時(shí)秤桿會(huì)因A端受力而偏轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)動(dòng)懸絲上端的懸鈕，使小球回到原來(lái)位置。這時(shí)懸絲的扭力矩等于施于小球A上電力的力矩。如果懸絲的扭力矩與扭轉(zhuǎn)角度之間的關(guān)系已事先校準(zhǔn)、標(biāo)定，則由旋鈕上指針轉(zhuǎn)過(guò)的角度讀數(shù)和已知的秤桿長(zhǎng)度，可以得知在此距離下A、B之間的作用力。PAB秤桿第六頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日庫(kù)侖定律的推導(dǎo)

電場(chǎng)強(qiáng)度第七頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日?qǐng)D示第八頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日的推導(dǎo)如果是非勻強(qiáng)電場(chǎng)，并且S也不是平面而是一個(gè)任意曲面(上圖(c))，那么如果所考慮的是一個(gè)閉合曲面，穿過(guò)整個(gè)閉合曲面S的電通量為第九頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日的獲得靜電場(chǎng)中的環(huán)路定理：靜電場(chǎng)中的場(chǎng)強(qiáng)沿任意閉合環(huán)路的線積分恒等于零，即“靜電場(chǎng)力作功與路徑無(wú)關(guān)”。它是描述靜電場(chǎng)規(guī)律的另一條重要定理。

非穩(wěn)定條件下的環(huán)路定理：表示變化的磁場(chǎng)可感應(yīng)出渦旋電場(chǎng)第十頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日起源由靜止電荷激發(fā)由變化的磁場(chǎng)激發(fā)電力線形狀電力線為非閉合曲線電力線為閉合曲線靜電場(chǎng)為無(wú)旋場(chǎng)感生電場(chǎng)為有旋場(chǎng)感生電場(chǎng)與靜電場(chǎng)的區(qū)別電場(chǎng)的性質(zhì)為保守場(chǎng)作功與路徑無(wú)關(guān)為非保守場(chǎng)作功與路徑有關(guān)靜電場(chǎng)為有源場(chǎng)感生電場(chǎng)為無(wú)源場(chǎng)靜電場(chǎng)感生電場(chǎng)第十一頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日位移電流、傳導(dǎo)電流的比較

1.位移電流具有磁效應(yīng)——與傳導(dǎo)電流相同2.位移電流與傳導(dǎo)電流不同之處

(1)產(chǎn)生機(jī)理不同

傳導(dǎo)電流是電荷定向運(yùn)動(dòng)形成的位移電流是變化的電場(chǎng)

(2)存在條件不同

傳導(dǎo)電流需要導(dǎo)體位移電流不需要導(dǎo)體，可以存在于真空中、導(dǎo)體中、介質(zhì)中

3.位移電流沒(méi)有熱效應(yīng)，傳導(dǎo)電流產(chǎn)生焦耳熱位移電流是建立麥克斯韋方程組的一個(gè)重要依據(jù)。

第十二頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日?qǐng)龅母拍顢?shù)量場(chǎng)矢量場(chǎng)場(chǎng)的概念所謂場(chǎng)，就是指物理量在空間或一部分空間空間中的分布。如電位場(chǎng)、溫度場(chǎng)等。數(shù)量場(chǎng)矢量場(chǎng)

數(shù)量場(chǎng)，分布在空間的物理量是數(shù)量（又稱標(biāo)量場(chǎng)），例如電位場(chǎng)。矢量場(chǎng)，分布在空間的物理量是矢量（又稱向量場(chǎng)），例如，力場(chǎng)、速度場(chǎng)、電場(chǎng)強(qiáng)度場(chǎng)、磁場(chǎng)強(qiáng)度場(chǎng)等。第十三頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日高斯(德國(guó)1777～1855)

德國(guó)著名數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家、天文學(xué)家、大地測(cè)量學(xué)家。他和牛頓、阿基米德，被譽(yù)為有史以來(lái)的三大數(shù)學(xué)家。高斯是近代數(shù)學(xué)奠基者之一，在歷史上影響之大，可以和阿基米德、牛頓、歐拉并列，有“數(shù)學(xué)王子”之稱。高斯的數(shù)學(xué)研究幾乎遍及所有領(lǐng)域，在數(shù)論、代數(shù)學(xué)、非歐幾何、復(fù)變函數(shù)和微分幾何等方面都做出了開創(chuàng)性的貢獻(xiàn)。發(fā)明了最小二乘法原理?！端阈g(shù)研究》（1801）奠定了近代數(shù)論的基礎(chǔ)，它不僅是數(shù)論方面的劃時(shí)代之作，也是數(shù)學(xué)史上不可多得的經(jīng)典著作之一。證明了代數(shù)基本定理，得到非歐幾何的原理。發(fā)現(xiàn)了著名的柯西積分定理。發(fā)現(xiàn)橢圓函數(shù)的雙周期性。一生共發(fā)表155篇論文。

第十四頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日高斯(Gauss)定理高斯定理是關(guān)于空間區(qū)域上的三重積分與其邊界上的曲面積分之間關(guān)系的一個(gè)定理，表示為：高斯定理描述了矢量場(chǎng)中矢量函數(shù)沿封閉曲面S的面積分，等于該矢量函數(shù)的散度對(duì)該曲面包圍體積的體積分。散度是描述矢量場(chǎng)中一個(gè)點(diǎn)上的特性，而高斯定理表達(dá)式左端描述的是矢量場(chǎng)A在一個(gè)范圍上的特性。第十五頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日斯托克斯(英國(guó)1819～1903)

英國(guó)數(shù)學(xué)物理學(xué)家。他是19世紀(jì)英國(guó)數(shù)學(xué)物理學(xué)派的重要代表人物之一1841年畢業(yè)于劍橋大學(xué)，歷任該大學(xué)教授、英國(guó)皇家學(xué)會(huì)會(huì)員，秘書和會(huì)長(zhǎng)。他和法國(guó)的C.-L.-M.-H.納維分別獨(dú)立地導(dǎo)出流體力學(xué)中的納維-斯托克斯方程和小球在粘滯流體中運(yùn)動(dòng)的斯托克斯公式。他提出過(guò)光行差理論，光衍射和晶體雙折射的動(dòng)力理論，研究與命名了“熒光”現(xiàn)象而發(fā)現(xiàn)了其中的斯托克斯效應(yīng)（發(fā)光的波長(zhǎng)總是大于激發(fā)光的波長(zhǎng)），并提倡用來(lái)對(duì)有機(jī)體作光譜分析。他在大地重力測(cè)量和數(shù)學(xué)物理方法方面亦作出過(guò)貢獻(xiàn)，如著名的斯托克斯積分定理。斯托克斯在數(shù)學(xué)方面以場(chǎng)論中關(guān)于線積分和面積分之間的一個(gè)轉(zhuǎn)換公式（斯托克斯公式）而聞名。第十六頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日斯托克斯(Stokes)定理斯托克斯(Stokes)定理是關(guān)于曲面積分與其邊界曲線積分之間關(guān)系的定理，即：斯托克斯公式描述矢量場(chǎng)中，矢量A沿閉合周界l

的線積分，它等于這個(gè)矢量的旋度沿場(chǎng)中以l為周界的曲面的面積分。第十七頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日麥克斯韋方程組及其物理意義

——麥克斯韋方程組的微分形式高斯定理：斯托克斯定律：第十八頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日高斯定理的微分形式推導(dǎo)

根據(jù)高斯定理，得：

設(shè)自由電荷

是體分布的，為電荷的體密度，則(1.12)式的(I)式為：第十九頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日安培環(huán)路定理的微分形式推導(dǎo)假定傳導(dǎo)電流是體分布的，其密度為，則根據(jù)斯托克斯定律第二十頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日麥克斯韋方程組的微分形式第二十一頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日麥克斯韋方程組的物理意義(Ⅰ)式：電位移矢量或電感應(yīng)強(qiáng)度Ｄ的散度等于電荷密度，即電場(chǎng)為有源場(chǎng)。(Ⅲ)式：磁感強(qiáng)度Ｂ的散度為零，即磁場(chǎng)為無(wú)源場(chǎng)。(Ⅱ)式：隨時(shí)間變化的磁場(chǎng)激發(fā)渦旋電場(chǎng)。(Ⅳ)式：隨時(shí)間變化的電場(chǎng)激發(fā)渦旋磁場(chǎng)。第二十二頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日電場(chǎng)與磁場(chǎng)的激發(fā)不符合右手法則（為負(fù)）tB??符合右手法則tD??第二十三頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日電磁波的傳播電場(chǎng)波源磁場(chǎng)磁場(chǎng)磁場(chǎng)磁場(chǎng)磁場(chǎng)電場(chǎng)電場(chǎng)電場(chǎng)第二十四頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日介質(zhì)方程與邊界條件介質(zhì)方程在介質(zhì)內(nèi)部麥克斯韋方程組尚不完備，需補(bǔ)充描寫介質(zhì)性質(zhì)的方程。邊界條件法向分量的躍變切向分量的躍變第二十五頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日介質(zhì)方程對(duì)于各向同性的介質(zhì)來(lái)說(shuō)，有：

絕對(duì)介電常數(shù)：絕對(duì)磁導(dǎo)率：分別是相對(duì)界電常數(shù)、相對(duì)磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率。是絕對(duì)界電常數(shù)、絕對(duì)磁導(dǎo)率。第二十六頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日小結(jié)

麥克斯韋方程組(1.15)式加上描述介質(zhì)性質(zhì)的方程(1.16)~(1.18)式,全面總結(jié)了電磁場(chǎng)中的規(guī)律,是宏觀電動(dòng)力學(xué)的基本方程組,利用它們?cè)瓌t上可以解決各種宏觀電動(dòng)力學(xué)的問(wèn)題。第二十七頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日邊界條件：法向分量的躍變法向分量分界面因側(cè)面面積趨于零，對(duì)底面1來(lái)說(shuō)，n是內(nèi)法線方向所以：第二十八頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日邊界條件：法向分量的躍變

令為導(dǎo)體分界面上的自由電荷面密度，于是得到：

對(duì)于磁場(chǎng)B，把（1.12）式中的Ⅲ式應(yīng)用得到：第二十九頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日邊界條件：切向分量的躍變DCAB

把麥?zhǔn)戏匠蹋?.12）式中的Ⅳ式應(yīng)用于狹長(zhǎng)回路上?；芈范踢叺拈L(zhǎng)度趨于零，因而有：

其中t表示沿△l的切向分量。通過(guò)回路的總自由電流為：

由于回路所圍面積趨于零而為有限量，因而：

定義電流線密度為α第三十頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日邊界條件：切向分量的躍變第三十一頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日邊界條件界面兩側(cè)電場(chǎng)的切向分量連續(xù)界面兩側(cè)磁場(chǎng)的切向分量發(fā)生了躍變界面兩側(cè)電場(chǎng)的法向分量發(fā)生了躍變界面兩側(cè)磁場(chǎng)的法向分量連續(xù)

邊界條件表示界面兩側(cè)的場(chǎng)以及界面上電荷電流的制約關(guān)系,它實(shí)質(zhì)上是邊界上的場(chǎng)方程。由于實(shí)際問(wèn)題往往含有幾種介質(zhì)以及導(dǎo)體在內(nèi)，因此，邊界條件的具體應(yīng)用對(duì)于解決實(shí)際問(wèn)題十分重要。第三十二頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日平面電磁波的傳播EHk第三十三頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日平面電磁波的性質(zhì)電磁波是橫波，電矢量E、磁矢量H和傳播方向K（K為傳播方向的單位矢量）兩兩垂直。E和H幅度成比例、復(fù)角相等

電磁波的傳播速度第三十四頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日赫茲（德國(guó)1857～1894）

赫茲，德國(guó)物理學(xué)家，生于漢堡。早在少年時(shí)代就被光學(xué)和力學(xué)實(shí)驗(yàn)所吸引。十九歲入德累斯頓工學(xué)院學(xué)工程，由于對(duì)自然科學(xué)的愛(ài)好，次年轉(zhuǎn)入柏林大學(xué)，在物理學(xué)教授亥姆霍茲指導(dǎo)下學(xué)習(xí)。1885年任卡爾魯厄大學(xué)物理學(xué)教授。1889年，接替克勞修斯擔(dān)任波恩大學(xué)物理學(xué)教授，直到逝世。

赫茲對(duì)人類最偉大的貢獻(xiàn)是用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了電磁波的存在。

第三十五頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日赫茲的實(shí)驗(yàn)第三十六頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日電磁波譜第三十七頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日光的電磁說(shuō)紅外線紫外線倫琴射線第三十八頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日光的電磁說(shuō)紅外線

紅外線是太陽(yáng)光線中眾多不可見光線中的一種，由德國(guó)科學(xué)家霍胥爾于1800年發(fā)現(xiàn)，又稱為紅外熱輻射,他將太陽(yáng)光用三棱鏡分解開，在各種不同顏色的色帶位置上放置了溫度計(jì)，試圖測(cè)量各種顏色的光的加熱效應(yīng)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，位于紅光外側(cè)的那支溫度計(jì)升溫最快。因此得到結(jié)論：太陽(yáng)光譜中，紅光的外側(cè)必定存在看不見的光線，這就是紅外線。也可以當(dāng)作傳輸之媒界。在電磁波中，能夠作用于人的眼睛并引起視覺(jué)的，只是一個(gè)很窄的波段，通常叫做可見光。其中波長(zhǎng)最短的是紫光，波長(zhǎng)約為400nm波長(zhǎng)最長(zhǎng)的是紅光，波長(zhǎng)約為760nm，波長(zhǎng)更長(zhǎng)的光不能引起視覺(jué)，叫做紅外線，紅外線的波長(zhǎng)范圍很寬，約為770nm～106nm．返回目錄第三十九頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日光的電磁說(shuō)紫外線

紫外線也是不可見光，它的波長(zhǎng)比紫光還短，大約為100nm～400nm．紫外線有熒光作用，有些物質(zhì)受到紫外線照射時(shí)可以發(fā)出可見光．

1801年德國(guó)物理學(xué)家里特發(fā)現(xiàn)在日光光譜的紫端外側(cè)一段能夠使含有溴化銀的照相底片感光，因而發(fā)現(xiàn)了紫外線的存在。紫外線可以促使人體合成維生素D，有助于人體對(duì)鈣的吸收，所以兒童經(jīng)常曬太陽(yáng)能夠預(yù)防缺鈣引起的佝僂病，但是過(guò)多的紫外線會(huì)使皮膚粗糙，甚至誘發(fā)皮膚癌．紫外線能夠殺滅多種細(xì)菌，可以用紫外線進(jìn)行消毒．注意：紅外線與紫外線人眼都是看不到的返回目錄第四十頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日紫外線

畫面上可以清晰的看到錢幣上的防偽標(biāo)記返回目錄光的電磁說(shuō)第四十一頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日紫外線★人體保健照射

280～320nm的紫外線稱為保健紫外線。照射皮膚后，使皮膚內(nèi)的7－脫氫麥角膽固醇，轉(zhuǎn)化為維生素D3和D2，防止佝僂病和職業(yè)?。ǖV工等）?！镉蜔熝趸饨庋趸夹g(shù)

用紫外光來(lái)改變其油脂的分子鏈，同時(shí)這種紫外光與空氣中的氧反應(yīng)后產(chǎn)生臭氧，將油脂分子冷燃生成二氧化碳和水，油煙中的有機(jī)物被光解氧化，異味也隨之消除。

★光觸酶（二氧化鈦）

在建筑材料或家用電器材料表面加入（或涂覆）少量的納米級(jí)二氧化鈦粉末