电磁波的发现
电磁波的发现、电磁振荡课件
课堂要点小结
电磁场理论的两个基本观点
电磁波的发现 电磁振荡
电磁波的产生
电磁波
电磁波是横波
振荡电流 光波是电磁波
放电过程
振荡电路
充电过程 T＝2π LC
振荡周期和频率
f＝
2π
1 LC
例4 在LC振荡电路中，可以使振荡频率增大一倍的方 法是( ) A.自感系数L和电容C都增大一倍 B.自感系数L增大一倍，电容C减小一半 C.自感系数L减小一半，电容C增大一倍 D.自感系数L和电容C都减小一半
四、电磁振荡的周期和频率
解析 根据LC振荡电路频率公式f＝ 1 得，当L、C 2π LC
一定产生变化的电场 C.均匀变化的电场周围一定产生均匀变化的磁场 D.周期性变化的电场周围一定产生周期性变化的磁场 解析 根据麦克斯韦的电磁场理论，只有变化的电场才产 生磁场，均匀变化的电场产生恒定的磁场，非均匀变化的 电场产生变化的磁场.
二、电磁波
例2 下列关于电磁波的叙述中，正确的是( ) A.电磁波是电磁场由发生区域向远处的传播 B.电磁波在任何介质中的传播速度均为3×108 m/s C.电磁波由真空进入介质传播时，波长将变短 D.电磁波不能产生干涉、衍射现象
解析 若磁场正在减弱，则电流在减小，是充电过程， 根据安培定则可确定电流由b向a，电场能增大，上极 板带负电，故选项A、B正确；
三、电磁振荡的产生
若磁场正在增强，则电流在增大，是放电过程，电场 能正在减小，根据安培定则，可判断电流由b向a，上 极板带正电，故选项C正确，D错误. 答案 ABC
四、电磁振荡的周期和频率
二、电磁振荡
1.振荡电流、极板带电荷量随时间的变化图象：
电磁波的发现
二、电磁波的发现（1）发现者——海因里希·鲁道夫·赫兹海因里希·鲁道夫·赫兹（Heinrich Rudolf Hertz，1857年（丁巳年）2月22日－1894年（甲午年）1月1日），德国物理学家。
（2）发现过程——“赫兹实验”1886年，赫兹制成了一种仪器。
这种一起上有两个抛光的金属球，两球之间有很小的间隙。
这两个金属球接到一个感应圈两端。
由于两求见电压很高，间隙中的气场很强，空气分子被电离，从而形成了一个导电通路。
当有一簇电荷通过时，看上去就是火花。
赫兹还把一根导线弯成环状，导线两端安装两个金属球，其间留有空隙。
当把这个导线环放在距离感应线圈不太远的位置时，他观察到：当感应圈两个金属球间有火花跳过时，导线环两个小球间也跳过了火花。
赫兹推断：当火花在感应圈两个金属球间跳动时，必定建立了一个迅速变化的磁场。
按照麦克斯韦的理论：这种变化的磁场以电磁波形式在空间中传播。
当电磁波经过导线环是，迅速变化的电磁场在导线环中激发了感应电动势，使得导线环的空隙中也产生了火花。
因此，这个导线环便是电磁波的检测器。
而也正是这个导线环，证明了电磁波的存在。
（3）实验延伸——赫兹的贡献在著名的系列实验“赫兹实验”后，赫兹又进行了一系列关于电磁波反射、折射、衍射、干涉和偏振等现象，证明了电磁波与光具有相同的性质。
他还测得，电磁波在真空中具有与光相同的传播速度c。
这样，赫兹证实了麦克斯韦关于光的电磁理论。
赫兹关于电磁波的实验，为无线电技术的发展开拓了道路。
因此，他被誉为无线电通信的先驱。
后人为了纪念塔，把频率的单位定为赫兹。
§4.1电磁波的发现
第四章
电磁波及其应用
一、电磁波的发现
00:39
奥斯特 电流的磁效应
00:39
法拉第 电磁感应现象
00:39
1
麦克斯韦的电磁场理论要点
选修1-1
00:39
第四章 电磁波及其应用—§1 电磁波的发现
5
1
麦克斯韦的电磁场理论要点
选修1-1
• （4）总结：麦克斯韦认为线圈只不过用来显示电场的存 在，线圈不存在时，变化的磁场同样在周围空间产生电 场，即这是一种普遍存在的现象，跟闭合电路是否存在 无关。
00:39
第四章 电磁波及其应用—§1 电磁波的发现
伟大的预言 • 1、变化的磁场产生电场 • 演示实验 • 装置如图所示，当穿过螺线管 的磁场随时间变化时，上面的 线圈中产生感应电动势，引起 感应电流使灯泡发光。 • ——法拉第发现的
00:39
第四章 电磁波及其应用—§1 电磁波的发现
4
1
麦克斯韦的电磁场理论要点
选修1-1
• （1）线圈中产生感应电动势说明了什么？ • 麦克斯韦认为变化的磁场在线圈中产生电场，正是这 种电场(涡旋电场)在线圈中驱使自由电子做定向的移 动，引起了感应电流。 • （2）如果用不导电的塑料线绕制线圈，线圈中还会有 电流、电场吗？ • 有电场、无电流。 • （3）想象线圈不存在时线圈所在处的空间还有电场吗？ •有 ！61 麦克斯来自的电磁场理论要点选修1-1
• 2．变化的电场产生磁场 • 既然变化的磁场能够在空间产生电场，那么， 变化的电场能不能够在空间产生磁场？ 麦克斯韦相信自然界规 律的统一与和谐，相信电场与 磁场具有对称之美。他大胆地 提出的相似和联系。经过反复 思考提出假设：变化的电场也 相当于一种电流，也在空间产 生磁场，即变化的电场在空间 产生磁场。
1 电磁波的发现
4、振荡的（即周期性变化的）磁场产生同频率的振荡电 场，振荡的电场产生同频率的振荡磁场．
5、变化的电场和变化的磁场总是相互联系着，形成一个 不可分离的统一体，这就是电磁场，向周围空间传播就是 电磁波．
电磁波
电磁波的产生
线数目的变化表述了电磁感应的规律；诺伊
曼用数学表示出电磁感应定律。
麦克斯韦（1831-1879）
英国物理学家， 经典电磁理论的奠基人
“把数学分析和实验研究联合使用 得到的物理科学知识，比之一个单 纯的实验人员或单纯的数学家所具 有的知识更加坚实、有益而牢固。”
1831年6月13日出生于爱丁堡． 1847年入爱丁堡大学专攻数学． 1850年考入剑桥大学，就读于三一学院数学专业。（读法拉第的《电
一、变化的磁场产生电场
(1)电磁感应现象 (2)推广到不闭合的情况
二、变化的电场产生磁场
（1）电磁振荡中的实例
（2）运动的电荷产生磁 场，电流的磁效应
麦克斯韦的电磁场理论
1、变化的磁场能够在周围空间产生电场，变化的电场能 够在周围产生磁场．
2、均匀变化的磁场，产生稳定的电场，均匀变化的电场， 产生稳定的磁场．这里的“均匀变化”指在相等时间内磁 感应强度（或电场强度）的变化量相等，或者说磁感应强 度（或电场强度）对时间变化率一定．
1.电磁波的产生： 如果在空间某处发生了周期性变化的电场，
就会在空间引起周期性变化的磁场，这个变化 的电场和磁场又会在较远的空间引起新的变化 的电场和磁场，电磁场这样由近及远地传播， 形成电磁波。
2.能发射电磁波的振荡电路的特点： （1）要有足够高的振荡频率。 （2）振荡电路的电场和磁场必须分散到尽可
13.4 电磁波的发现及应用+13.5 能量量子化
场理论，为无线电技术的发展开拓了道路。
二、电磁波谱
（一）电磁波的描述
1.频率(f)：1s内通过波峰(波谷)的次数
2.波速(v)：描述波传播快慢
3.三者的关系： = λ
（二）电磁波谱
波长
波峰
波谷
= λ
真空中的光速
三、电磁波的应用
（一）电磁波的能量
变化的磁场产生电场
变化的电场产生磁场
变化的电场和磁场相互联
系， 形成一个统一的电磁场
周期性变化的电场，会在空
间引起周期性变化的磁场；这
个变化的磁场又引起新的变化
的电场。于是变化的电场和变
化的磁场交替产生，由近及远
地传播光也是一种电磁波！
一、电磁波的发现
对麦克斯韦电磁场理论的理解：
除了热辐射外，物体表面还会吸收和反射外界射来的电磁波。
这就为我们研究热辐射的问题带造成了困难。
一、热辐射
2、黑体：能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射
的物体叫做黑体。
特点：（1）不反射电磁波，但可以向外辐射电磁波；
（2）黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与它的温度
有关，与材料和表面状况无关。
第十三章 电磁感应与电磁波
初步
13.4 电磁波的发现及应用
一、电磁波的发现
英国物理学家麦克斯韦系统地总结了
人类直至19世纪中叶对电磁规律的研究
成果，其中有库仑、安培、奥斯特、 法
拉第等人的奠基之功，更有他本人的创
造性工作。在此基础上，他最终建立了
经典电磁场理论。
一、电磁波的发现
（一）麦克斯韦的预言：
二、能量子
1、概念：振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量值ε的
电磁波的发现——近代科学史上的一座里程碑
电磁波的发现——近代科学史上的一座里程碑1887年，德国物理学家赫兹（H·R·Hertz，1857～1894）用其著名的实验证实了电磁波的存在，为人类科学的发展树立了一个发现不仅证实了麦克斯韦的预言，从而彻底否定了电磁的超距作用，而且导致了无线电的诞生，开辟了电于技术的新纪元。
20世纪以来，电磁波的理论和应用不断取得重大成就，使电磁波成为人类传递信息和能量的最重要的形式之一，使通信（包括卫星通信、光纤通信）、广播、电视、遥测、遥控、遥感、雷达、无线电导航、制导等得以实现；并成为探索宇宙空间和研究微观世界的重要途径。
赫兹，1857年2月22日生于汉堡，他的父亲是一位律师和市参议员，赫兹少年时代就表现出对实验的兴趣，12岁时就有了木工工具和工作台，以后有了车床，常作简单实验仪器。
他先在汉堡市的一所市立初中学习，后来进了当地的一所高中。
1876年赫兹进人德累斯顿工学院学习工程。
由于对自然科学的爱好，转入慕尼黑工学院学习数学和物理。
1878年又转入柏林大学，师从以提出能量守恒而闻名于世的亥姆霍兹（H·Helmboltz，l821一1894）学习物理学。
1880年，赫兹以纯理论性论文《旋转导体电磁感应》获博士学位。
大学毕业后他留校作助教，1883年到基尔大学任讲师。
1885—1888年在卡尔斯鲁厄高等工程学院任实验物理学教授1889年应聘至波恩大学任物理学教授，并接替克劳修斯担任物理研究所所长。
一直在那里工作到1894年1月逝世。
他的著名的证实电磁波存在的实验是在卡尔斯鲁厄高等工程学院完成的。
1864年；英国物理学家麦克斯韦在向皇家学会提出的题为《电磁场的动力学原理》论文中全面阐述了他的电磁理论。
他提出了位移电流概念，预言了电磁波的存在。
电磁理论问世以后，相当长时间里并未得到普遍的承认。
不少著名学者都对这个未经证明的新理论表示怀疑。
当时由于受牛顿力学的影响，不少学者不习惯用“场”来思考问题。
电磁波的发现
麦克斯韦电磁理论 在他的生前并未得到充 分的重视，因为他的思 想太不寻常了，德国物 理学家赫兹用实验的方 法证实了他电磁理论预 言的所有方面，麦克斯 韦的理论才得到了普遍 的承认。
二、伟大的预言 1、麦克斯围电磁场理论
（1）变化的磁场产生电场
① 均匀变化的磁场产生稳定的电场
B E
O
t
O
t
② 振荡磁场产生振荡电场 B 振荡磁场 O O E
振荡电场
t
t
正弦曲线
E与B 频率相同
（2）变化的电场产生磁场
① 均匀变化的电场产生稳定的磁场
E B
O
t
O
t
② 振荡电场产生振荡磁场 E 振荡电场 O O
B
振荡磁场
t
t
正弦曲线
B与 E 频率相同
三、电磁波
1、电磁波的产生 （1）理论分析： 空间某处产生一个随时间变化的电场，这个 电场就会产生磁场。如果这个磁场也是随时间变 化的，那么这个磁场就会新的电场。……这样下 去，电磁场就会在空间区域不断向外传播形成了 电磁波。
第十四章 电磁波
电磁波的发现
麦克斯韦的生平
麦克斯韦是19世纪最伟大的理论物理 学家，经典电磁场理论的奠基人。1831年8 月31日，麦克斯韦出生于爱丁堡，童年时 对自然科学产生了浓厚的兴趣。15岁时， 在英国《爱丁堡皇家学会学报》上发表数 学论文。1847年秋天,麦克斯韦考进了爱丁 堡大学。三年后，他转入的剑桥大学。 1852年，麦克斯韦又成了剑桥大学研究生， 同时还参加了剑桥大学著名的斯托克斯讲 座，在这两位数学大师的指点下，麦克斯 韦不出三年就掌握了当时所有先进的数学 方法，成为一名年轻有为的数学家。
赫兹用实验证实电磁波的存在
电磁波的发现
二、电磁场 定义: 1 定义:变化的电场和变化的磁场是相互 联系的,形成不可分割的统一体, 联系的,形成不可分割的统一体,这就是电 磁场 说明： 电磁场是特殊的物质形态， 说明：①电磁场是特殊的物质形态，具 有能量，能相互叠加 有能量， ②是空间立体的
麦克斯韦预言电磁波的存在） 预言电磁波的存在 三、电磁波 （麦克斯韦预言电磁波的存在）
四、麦克斯韦的电磁场理论的意义
实现了电磁光的统一， 1、 实现了电磁光的统一，被认为 19世纪科学史上最伟大的统一 是19世纪科学史上最伟大的统一 2、 实现了从经典物理学向现代物 理学的重大转折
例与练
1、按照麦克斯韦的电磁场理论，以下 按照麦克斯韦的电磁场理论， 说法中正确的是（ 说法中正确的是（ D ） A、恒定的磁场在周围产生恒定的电场 B、变化的磁场在周围产生变化的电场 C、均匀变化的磁场在周围产生均匀变 化的电场 D、均匀变化的磁场在周围产生恒定的 均匀变化的磁场（电场）产 均匀变化的磁场（电场） 的磁场 电场生恒定的电场（磁场） 恒定的电场（磁场） 的电场
例与练
4、比较电磁波和机械波，下列说法中 比较电磁波和机械波， 正确的是（ 正确的是（ BC ） A、电磁波和机械波都可以在真空中传 播 B、电磁波和机械波都是传递能量的一 种形式 电磁波和机械波都能产生反射、 C、电磁波和机械波都能产生反射、干 电磁波是横波， 电磁波是横波， 横波 涉、衍射、偏振现象 衍射、 纵波 声波是纵波 声波是 D、电磁波和声波都是纵波
例与练
3、关于电磁波，下列说法中正确的是 关于电磁波， A、均匀变化的电场和均匀变化的磁场 互相激发， 互相激发，由产生处向远处传播形成 电磁波 振荡电场和振荡磁场互相激发， B、振荡电场和振荡磁场互相激发，由 产生处向远处传播形成电磁波 C、电磁波的振荡电场和振荡磁场方向 互相垂直，且与传播方向互相垂直 互相垂直， 电磁波是横波 电磁波是横波 D、电磁波能够发生反射、干涉、衍射、 电磁波能够发生反射、干涉、衍射、 偏振现象
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电磁波的发现
1．根据麦克斯韦电磁场理论,变化的磁场可产生电场,当产生的电场的电场线如右图所示时,可能是( )
A. 向上方向的磁场在增强
B. 向上方向的磁场在减弱
C. 向上方向的磁场先增强,然后反向减弱
D. 向上方向的磁场先减弱,然后反向增强
解析:在电磁感应现象的规律中,当一个闭合回路中由于通过它的磁通量发生变化时,回路中就有感应电流产生.回路中并没有电源,电流的产生是由于磁场的变化造成的.麦克斯韦把以上的观点推广到不存在闭合电路的情况,即变化的磁场产生电场,判断电场与磁场变化的关系仍可用楞次定律,只不过是用电场线方向代替了电流方向.向上的磁场增强时,感应电流的磁场阻碍原磁场的增强而方向向下,根据安培定则感应电流方向如图中E的方向所示.
答案:AC
2．如下图所示,在四壁光滑水平放置的玻璃圆环内,有一直径略小于环口径的带正电小球,正以速率v0沿逆时针方向匀速转动,若在此空间突然加上竖直方向､磁感应强度B随时间成正比例增加的变化磁场,设运动过程中小球的带电量不变,那么( )
A.小球对玻璃环的压力不断增大
B.小球受到的磁场力不断增大
C.小球先沿逆时针方向做减速运动,过一段时间后,
沿顺时针方向做加速运动
D.磁场力对小球一直不做功
解析:因为玻璃圆环所在处有均匀变化的磁场,在周围产生稳定的旋涡电场,对带电小球做功,由楞次定律判断电场方向为顺时针,在电场力作用下,小球先逆时针减速,后沿顺时针做加速运动.小球在水面内沿半径方向受两个力的作用,环的弹力和磁场的作用力,而且两个力的矢量和时刻等于小球做圆周运动的向心力,考虑到小球速度大小的变化和方向的变化以及磁场的变化,磁场力始终与圆周运动的线速度方向垂直,所以磁场力对小球不做功.点评:这是一道力､电综合试题,其中许多物理量是相互关联又相互制约的,如变化的磁场产生电场,F电改变小球的运动状态,运动状态的变化又带来F电的变化,继而又带来弹力FN的变化等等. 答案:CD
3.下列说法正确的是( )
A.电荷周围一定有电场,也一定有磁场
B.均匀变化的电场在其周围空间一定产生磁场
C.任何变化的电场周围一定产生变化的磁场
D.正弦交变的电场在其周围空间一定产生同频率变化的磁场
答案:BD
4.关于电磁场理论的叙述不正确的是( )
A.变化的磁场周围一定存在电场,与是否有闭合电路无关
B.周期性变化的磁场周围产生同频率变化的电场
C.变化的电场和变化的磁场相互关联,形成一个统一的场,即电磁场
D.电场周围一定存在磁场,磁场周围一定存在电场
答案:D
5.磁场的磁感应强度B随时间t变化的四种情况,如下图所示,其中能产生电场的有______图所示的磁场,能产生持续电磁波的有________图所示的磁场.
解析:根据麦克斯韦的电磁理论可知,在变化的磁场周围就能产生电场.故B､C､D选项正确.要产生电磁波就要周期性变化的磁场周围产生周期性变化的电场,从周期性变化的电场周围空间再产生周期性变化的磁场,这样振荡的磁场由发生区域向周围空间传播形成电磁波,故B､D选项正确.
答案:BCD BD
6.如下图所示是某一固定面的磁通量的变化图象,在它周围空间产生的电场中的某一点电场强度E应是( )
A.逐渐增强
B.逐渐减弱
C.不变
D.无法判断
解析:由题意可知,固定面的磁通量:Φ=BS均匀增大,则磁场均
匀增大,由麦克斯韦的电磁理论可知产生恒定的电场,故C选项
正确.
答案:C
7.应用麦克斯韦的电磁理论判断如下图所示的表示电场产生磁场(或磁场产生电场)的关系图象中(每个选项中的上图是表示变化的场,下图是表示变化的场产生的另外的场),正确的是( )
解析:A图中的上图磁场是稳定的,由麦克斯韦的电磁理论可知周围空间不会产生电场,A图中的下图是错误的.B图中的上图是均匀变化的电场,应该产生稳定的磁场,下图的磁场是稳定的,所以B图正确.C图中的上图是振荡的磁场,它能产生同频率的振荡电场,且相位相差π/2,C图是正确的.D图的上图是振荡的电场,在其周围空间产生振荡的磁场,但是下图中的图象与上图相比较,相位相差π,故不正确.
答案:BC
电磁波的发现：理论知识
麦克斯韦认为在变化的磁场周围产生电场，是一种普遍存在的现象，跟闭合电路是否存在无关，导体环只是用来显示电流的存在。
麦克斯韦假设:
变化的电场就像导线中的电流一样,会在空间产生磁场,即变
化的电场产生磁场
根据麦克斯韦理论,在给电容器充电的时候,不仅导体中的电
流要产生磁场,而且在电容器两极板间变化着的电场周围也要
产生磁场
① 恒定的电场（或磁场）不产生磁场（或电场）
② 均匀变化的电场（或磁场）在周围空间产生恒定的磁场（或电场）
③ 非均匀变化的磁场（或电场）在周围空间产生非均匀变化的电场（或磁场）
④ 振荡电场（或磁场）产生同频率的振荡磁场（或电场）
1、电磁场:变化的电场和变化的磁场是相互联系着的，形成不可分割的统一体，这就是电磁场。
2、电磁波: 电磁场由发生区域向远处的传播就是电磁波.
• 赫兹对人类最伟大的贡献是
用实验证实了电磁波的存在
• 一天，赫兹在一间暗室里做实
验。
他在两个相隔很近的金属
小球上加上高电压，随之便产
生一阵阵噼噼啪啪的火花放
电。
这时，在他身后放着一个
没有封口的圆环。
当赫兹把圆
环的开口处调小到一定程度
时，便看到有火花越过缝隙。
• 通过这个实验，他得出了电磁能量可以越过空间进行传播的结论。
赫兹的发现公布
之后，轰动了全世界的科学界，1887年成为了近代科学技术史的一座里程碑，为了纪念这位杰出的科学家，电磁波的单位便命名为-赫兹（Hz ）。
• 1、电磁波是物质在传播，传播时不需要介质，可在真空中传播
• 2、电磁波是横波，电场方向和磁场方向都与传播方向垂直。
• 3、电磁波具有反射、折射、干涉、衍射等波的一切特性 。
• 4、电磁波遵循：v=f λ
• 5、光是一种电磁波
• 赫兹实验的意义：
• 赫兹的发现具有划时代的意义，它不但证明了麦克斯韦理论的正确，更重要的
是导致了无线电的诞生，开辟了电子技术的新纪元，标志着从“有线电通信”向“无线电通信”的转折点。
也是整个移动通信的发源点，应该说，从这时开始，人类开始进入了无线通信的新领域。
• 电磁波成果
• 无线电报(1901)→广播(1906)→电话(1916)→传真(1923)→电视(1929)→微波
(1933)→雷达(1935)→卫星通讯→电子计算机因特网等都与电磁波理论相关。
大胆假设：变化的电场也相当与一种电流，也在空间中产生磁场，即变化的电场在空间中感应出磁场。
麦克斯韦进一步推断：如果在空间中某区域有不均
匀变化的电场，那么这个变化电场就会在空间中引起变
化的磁场；这个变化的磁场又会引起新的变化电场和磁
场……于是变化的电场和磁场交替产生，由近及远传播。
麦克斯韦方程组指出，这种传播是一种波动过程，于是
他预言了——电磁波。
赫兹：德国科学家
证实了电磁波的存在
一、声波和水波，是机械波，传播需要介质
二、电磁波可以在真空中传播，是靠电场和磁场相互“激发”，不需要介质。
三、麦克斯韦提出：电磁波的传播速度和光速相同；光也是一种电磁波。
除了对电磁波进行了证明，在以后的一系列实验中，他还研究了电磁波的反射、折射、干涉、衍射和偏振等现象，证明了电磁波和光具有相同的性质。
他还测得电磁波在真空中具有与光相同的传播速度c.证明了麦克斯韦的光的电磁理论。
为了纪念他，把频率的单位定为赫兹。
3．伟大的预言——电磁波
麦克斯韦推断：如果在空间某区域有不均匀变化的电场，那么这个变化的电场就会在空间引起变化的磁场；这个变化的磁场又引起新的变化的电场……于是，变化的电场和变化的磁场交替产生，由近及远地向周围传播．一个伟大的预言诞生了——空间可能存在电磁波．
二、电磁波的特点：
1．电磁波是横波．电磁波在真空中传播时，它的电场强度E 与磁感应强度B 相互垂直，而且二者均与波的传播方向垂直．如图所示．
1、赫兹的电火花实验原理图 2．实验原理：当开关K 突然断开时，感应线圈两端产生高压，金属杆A 、B 两端的金属球间的空气被击穿而产生电火花，每跳出一次火花，就
产生一次高频振荡电流，火花放电是间歇性的，
因此发射电路就间歇性的发射出电磁波，接收金属线圈两端的金属球也跳出电火花，说明接收线圈接收到了电磁波。
接收线圈发射电路磁波E。