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?，聰聰想媽媽，每天都給媽媽打電話，聊得可開心了，一邊聊還能看看到媽媽笑呢！原來，聰聰家有一個神奇的可視電話，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的美國傳過來的呢？是不是聰聰媽媽“上電視”了呢？學(xué)習(xí)了這一章的知識，你就知道是怎么一回事了。鏈接生活人類社會已經(jīng)進入了信息時代，信息爆炸似的產(chǎn)生，通信成了信息時代的生命線，現(xiàn)代通信離不開電磁波，現(xiàn)代電子技術(shù)如通訊、廣播、電視、導(dǎo)航、雷達、遙感、測控、電子對抗、電子儀器和測量系統(tǒng)，都離不開電磁波的發(fā)射、控制、傳播和接收；從家用電器、工業(yè)自動化到地質(zhì)勘探，從工業(yè)、農(nóng)業(yè)到醫(yī)療衛(wèi)生等國民經(jīng)

2、濟領(lǐng)域，幾乎全都涉及電磁場理論的應(yīng)用。鏈接知識上一章我們學(xué)習(xí)了法拉第電磁感應(yīng)定律，知道變化的磁場可以使線圈中產(chǎn)生電流，而電流又會產(chǎn)生磁場，磁場又會產(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，電場和磁場是以怎樣的形式存在的呢？學(xué)習(xí)了這一章節(jié)，我們就會明白了。鏈接高考 高中物理新課程標準對這部分知識進行如下要求： （1）初步了解麥克斯韋電磁場理論的基本思想，體會其在物理學(xué)發(fā)展中的重要意義。初步了解場是物質(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)用對人類生活方式的影響，結(jié)合日常生活中的具體實例發(fā)表見解。例如：討論通信技術(shù)的發(fā)展對人類生活方式的影

3、響。（3）舉例說明科學(xué)技術(shù)的應(yīng)用對人類現(xiàn)代生活產(chǎn)生的正面和負面影響，對科學(xué)、技術(shù)及社會協(xié)調(diào)發(fā)展的重要性發(fā)表自己的觀點。例如：舉例說明電磁波的應(yīng)用對人類生活產(chǎn)生的正面和負面影響。第1節(jié) 電磁波的發(fā)現(xiàn)【思維導(dǎo)圖】 【教材詳解】 知識幻燈片1 電磁波的發(fā)現(xiàn)問題情景英國媒體的報道引起了幾個同學(xué)的討論，報道稱：美國科學(xué)家雷庫茲韋爾日前聲稱，隨著納米技術(shù)的發(fā)展和對人體機能的更了解，人類在2029年將改造成為半機器人，從而實現(xiàn)長生不老的夢想。小華和小明懷疑這篇報道的真實性，說這是不可能的，但小君和小偉卻深信不疑，他們查閱了許多資料，發(fā)現(xiàn)，原來物理學(xué)史上有很多預(yù)言，并且很多都得到了應(yīng)驗，那這節(jié)課我們就來認識一

4、個著名的預(yù)言：麥克斯韋的電磁場理論。（知識講解）1、偉大的預(yù)言麥克斯韋于1855年開始研究電磁學(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確的數(shù)學(xué)形式表示出來。他在前人成就的基礎(chǔ)上，對整個電磁現(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）；電磁場的動力學(xué)理論（1864年12月8日）。對前人和他自己的工作進行了綜合概括，將電磁場理論用簡潔、

5、對稱、完美數(shù)學(xué)形式表示出來，經(jīng)后人整理和改寫，成為經(jīng)典電動力學(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，并計算了電磁波的傳播速度等于光速，同時得出結(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理論并預(yù)言電磁波存在的科學(xué)家是A赫茲B愛因斯坦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年證實了電磁波的存在，所以，答案是 C答案 C學(xué)以致用：課后問題與

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

7、統(tǒng)一，相信電與與磁場具有對稱之美。并且大膽提出假設(shè)：變化的電場在空間中產(chǎn)生磁場。示例下列說法中正確的是A、在電場周圍一定存在磁場B、靜止電荷能夠在周圍空間產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場C、麥克斯韋提出并證明了電磁波的存在D、以上說法都不對解析：由麥克斯韋電磁場理論的基本觀點：變化的磁場產(chǎn)生電場；變化的電場產(chǎn)生磁場?？梢耘懦x項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.電磁波有一個有趣的問題曾經(jīng)引起無數(shù)人的爭論，先有蛋還是先有雞的問題，蛋能生雞，雞能生蛋，蛋再生雞，雞再生蛋周而復(fù)始，

8、那么，變化的磁場產(chǎn)生電場；變化的電場產(chǎn)生磁場。磁場再產(chǎn)生電場，電場又會產(chǎn)生磁場于是，變化的電場和磁場交替產(chǎn)生，由近及遠的傳播，會產(chǎn)生什么呢？（1）電磁波的產(chǎn)生：周期性變化的電場周圍空間產(chǎn)生周期性變化的磁場，周期性變化的磁場在周圍空間產(chǎn)生周期性變化的電場。這種周期性變化的電場和磁場由近及遠地傳播就形成電磁波（2）電磁波的特點：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）赫茲用實驗證實了電磁波的存在，還測定了電磁波的波長和頻率，得到電磁波的傳播速度等。示例第一個用實驗證實電磁波存在的物理學(xué)家是A赫茲B愛因斯坦C麥克

9、斯韋D法拉第答案 A3.赫茲的實驗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？很簡單，實踐（實驗）是檢驗真理的唯一標準，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）實驗原理圖：左側(cè)儀器上有兩個拋光的金屬球，兩球之間的間隙很小，兩個金屬球接到一個感應(yīng)圈（提供高電壓）的兩端，兩球間的電壓很高，間隙間的電場很強，空氣中的分子被電離，從而形成通路，當(dāng)有一簇電荷通過時，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金屬球，中間留有空隙。把這個導(dǎo)線環(huán)放在距離感應(yīng)線圈不太遠的位置時，赫茲觀察到：當(dāng)感應(yīng)線圈兩個金屬

10、球間有火花跳過時，導(dǎo)線環(huán)的兩個金屬球之間也跳過火花。（2）赫茲的推斷：當(dāng)火花在感應(yīng)圈的兩個金屬球間跳動時，必定建立了一個迅速變化的電磁場，按照麥克斯韋的理論這種變化的電磁場以電磁波形式在空間傳播，當(dāng)電磁波經(jīng)過導(dǎo)線環(huán)時，迅速變化的電磁場在導(dǎo)線環(huán)中激發(fā)出感應(yīng)電動勢，使得導(dǎo)線環(huán)的小球間隙中也產(chǎn)生火花，因此檢驗了電磁波的存在。（3）赫茲的實驗貢獻及意義： 貢獻：檢驗到了電磁波的存在； 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：赫茲的實驗為無線電技術(shù)的發(fā)展開拓了道路。延伸拓展 1.對麥

11、克斯韋電磁場理論的理解（1）均勻變化的磁場產(chǎn)生穩(wěn)定的電場，均勻變化的電場產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場?！熬鶆蜃兓敝傅氖牵涸谙嗟葧r間內(nèi)磁感強度（電場強度）的變化量相等，或者說磁感強度（電場強度）對時間的變化率為一定值。（2）周期性變化的磁場產(chǎn)生同頻率的周期性電場，振蕩的（周期性變化的）電場產(chǎn)生同頻率的振蕩磁場。（3）變化的電場和變化的磁場總是相互聯(lián)系著，行成一個不可分離的統(tǒng)一體，這就是電磁場。2.電磁波與機械波的相同點與區(qū)別（1）電磁波是橫波，機械波有橫波和縱波兩大類。（2）電磁波的速度遠大于機械波（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），機械波傳播必須有介質(zhì)。（4）電磁波向外傳播的是電磁能，機械波傳播的是機械能。知識盤點 （1）基本知識麥克斯韋提出電磁場理論，并預(yù)言電磁波的存在； 麥克斯韋電磁場理論基本內(nèi)容：變化的磁場產(chǎn)生電場；變化的電場產(chǎn)生磁場。 赫茲通過實驗證實了電磁波的存在。 （2）本節(jié)內(nèi)容體現(xiàn)出科學(xué)研究物理問題的思想方法 聯(lián)想的方法。麥克斯韋從法拉第電磁