平面电磁波解读
电磁波的极化与解析
电磁波的极化与解析电磁波是一种由电场和磁场交替变化而产生的波动现象。
在电磁波的传播过程中，存在着一种重要的现象，即电磁波的极化。
电磁波的极化是指电场矢量沿着某个特定方向振动的现象。
电磁波的极化具有重要的意义，在无线通信、光学、天文学等领域有着广泛的应用。
一、电磁波的极化方式根据电磁波的振动方向和传播方向之间的关系，可以将电磁波的极化分为横波（Transverse Wave）和纵波（Longitudinal Wave）两种方式。
1. 横波横波是指电场和磁场振动方向垂直于电磁波传播方向的波动。
在横波中，电场和磁场的振动方向相互垂直，且都垂直于电磁波的传播方向。
横波的典型代表是光波，光波的电场和磁场振动方向垂直于光波的传播方向。
2. 纵波纵波是指电场和磁场振动方向与电磁波传播方向平行的波动。
在纵波中，电场和磁场的振动方向保持平行，与电磁波的传播方向相同或相反。
纵波的典型代表是声波，声波的压缩和稀疏便是纵波的表现。
二、电磁波的解析电磁波的解析是将电磁波分解为两个互相垂直的振动方向的过程，也可以理解为将电磁波分解为两个相互独立的横波和纵波的合成。
通过解析，我们可以更好地了解电磁波的性质以及其在不同介质中的传播规律。
1. 解析方式电磁波的解析方式有两种，即线偏振和圆偏振。
- 线偏振：线偏振是指电磁波的解析结果为一个方向上的振动，另一个方向上不振动。
线偏振的光波可以通过偏振镜进行滤波，将只有某一方向振动的光通过，而将另一方向振动的光阻隔掉。
- 圆偏振：圆偏振是指电磁波的解析结果为沿传播方向形成一个圆的振动。
圆偏振的光波可以通过一定的光学元件进行产生和分析。
在天文学领域，观测到的一些天体辐射呈现圆偏振现象，这对于研究天体结构和演化具有很大的帮助。
2. 解析的应用电磁波的解析在许多领域都有着重要的应用。
在无线通信领域中，利用电磁波的解析可以实现相同频率的电磁波的解调，从而实现信息的传输。
在光学领域，通过对光波的解析，可以将自然光进行变换和分析，获得更多的信息。
22人教版高中物理新教材选择性必修第2册--第2节 电磁场与电磁波
第2节电磁场与电磁波课标解读课标要求素养要求1.理解麦克斯韦电磁场理论的两个支柱: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统一的电磁场。
2.了解电磁场在空间传播形成电磁波。
3.了解麦克斯韦电磁场理论以及赫兹实验在物理学发展中的贡献。
1.物理观念:理解电磁场、电磁波及麦克斯韦电磁场理论，了解变化的电场和变化的磁场交替产生，由近及远向周围传播的“能量观”及电磁场客观存在的“物质观”。
2.科学探究:探究电磁场与电磁波的存在。
3.科学思维:通过了解麦克斯韦电磁场理论以及赫兹实验，体会两位科学家研究物理问题的思想方法。
4.科学态度与责任:通过电磁波发现的过程，领会人类认识世界的认知规律，培养实事求是的科学态度。
自主学习·必备知识教材研习教材原句要点一麦克斯韦电磁场理论变化①的磁场产生电场，是一个普遍规律，跟闭合电路②是否存在无关。
运动③的电荷在空间要产生磁场，从场的观点出发，麦克斯韦假设:变化的电场就像④运动的电荷，也会在空间产生磁场，即变化的电场产生磁场。
要点二电磁波的产生变化的电场和磁场总是相互联系⑤的，形成一个不可分割的统一的电磁场。
如果在空间某区域有周期性变化⑥的电场，就会在周围引起变化的磁场，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。
这样变化的电场和磁场由近及远地向周围传播⑦，形成了电磁波。
自主思考①磁场存在但不变化可以产生电场吗?产生电场的根源是什么？答案：提示不可以。
产生电场的根源不是只要有磁场就行，而是磁场“有”还必须“变”才可以产生电场。
②如果在变化的磁场周国不存在闭合电路，是否也产生电场?闭合电路的作用是什么?答案：提示只要磁场变化，即使不存在闭合电路，电场仍然产生，闭合电路只是起了一个检测这个电场存在的作用。
若放人的不是闭合电路而是可以自由移动的带电粒子或小球，它们也会在感应电场的作用下运动起来，说明变化的磁场确实产生了电场。
③电荷存在但不运动，可以产生磁场吗？电荷如何才能产生磁场？电荷产生磁场的根源是什么？答案：提示静止的电荷不产生磁场，只产生静电场。
科普电磁辐射了解电磁波对人体的影响
科普电磁辐射了解电磁波对人体的影响电磁辐射是指电磁波在传播过程中向周围空间发射能量的现象。
在现代社会中，电磁波无处不在，从电视、电脑、手机等电子设备到无线电、微波炉等，都产生了不同程度的电磁辐射。
这引起了人们对电磁辐射对人体健康的关注与担忧。
本文将对电磁波对人体的影响进行科普解读，以帮助读者更好地了解电磁辐射及其潜在风险。
一、什么是电磁波电磁波是一种由电场和磁场相互垂直且相互耦合的波动现象。
根据其频率范围，电磁波可以分为很多种类，包括射频、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线和γ射线等。
这些电磁波在不同频段内具有不同的特性和用途，被广泛应用于通信、医疗、军事等各个领域。
二、电磁波对人体的影响虽然电磁波在现代生活中无处不在，但大多数频率范围内的电磁波对人体影响较小，无需过度担忧。
然而，高强度、长时间暴露在某些特定频率范围内的电磁波可能对人体产生一定的影响。
1. 电磁波的热效应射频、微波等高频段电磁波能量较高，长时间暴露在这些电磁波中可能引起人体组织的变热。
例如，微波炉产生的微波能够加热食物，但合理使用时并不会对人体造成伤害。
从目前的科学研究来看，日常使用的电子设备如手机、电视等所产生的电磁波对人体的热效应较小，不会对人体健康产生直接的危害。
2. 电磁波的非热效应除了热效应之外，某些低频段电磁波还可能对人体产生非热效应的影响。
然而，目前对于电磁波非热效应的研究尚未形成一致的结论。
一些实验研究表明，某些特定频率范围内的电磁波可能对细胞、基因等产生一定的影响，但这些结果尚未得到充分证实，还需要进一步的科学研究来验证。
三、如何减少电磁辐射对健康的影响尽管普通情况下电磁辐射对人体的影响有限，但出于对健康的保护，我们可以采取一些措施来减少电磁辐射的潜在风险。
1. 减少暴露时间和距离当使用电子设备时，可以尽量减少暴露时间，并保持一定的距离。
例如，使用手机时可以选择使用免提设备，这样可以将手机与头部保持一定距离，减少电磁波对头部的照射。
5 电磁波在导电媒质中的传播解读
令
i
，称之为复介电常数，则上式写成：
k 2 2
由于k’是复数，则可以分解成实数部分和虚数部分，即： k
a ib
其中a, b为实数，代入上式，可以得到：
i t ax ibx E ( x , t ) E0 e bx i t ax E ( x , t ) E0 e e
则得到：
E B t
2
将麦克斯韦方程组的第一式代入上式中，得： 2 E E 2 E 2 t t 2 E E 2 E 2 0 t t 用同样的方法可得到： 因为：
2
2 令 k 2 i
2
k n
，称为复波数，则上面两式可以写成：
2 2 E ( r ) k E ( r ) 0 2 2 B(r ) k B(r ) 0
非导电媒质 （7.7-2）
此为导电媒质中电磁场满足的赫姆霍兹方程。
（7.7-1）
上式也称为波动方程，只是多了一个与时间一次导数有关的项，这一 项与导电媒质的电导率有关，即为一消耗项，表示电磁波在导电媒质中传 播时是衰减的。
2、单色电磁波的波动方程
i t E ( r , t ) E ( r )e it 设： B ( r , t ) B ( r )e
2 B B 2 B 2 0 t t
1
E 1 2 E 2 t B 1 2 B 2 t E 0 2 t 2B 0 t 2
2
所以上式可以写成：
7.7 电磁波在导电媒质中的传播
111电磁场与电磁波解读
x(i )
32
电磁波的接收
mV
非匀强磁场能量求法
W 1 LI 2 m2
1 B2 1 BH 2 2
a: 任取体积元dV（在dV内B的分布均匀）
b: 计算dV内能量 dW dV 1 B2dV
m
m
2
c:
计算总能量
W m
V
dV m
V
1 B2dV 2 3
4
1820年奥斯特 1831年法拉第
电 产生 磁 磁 产生 电
变化的磁场 激发 电场
赫兹对人类文明作出了很大贡献，正当人们对 他寄以更大期望时，他却于1894年因血中毒逝世， 年仅36岁。为了纪念他的功绩，人们用他的名字来 命名各种波动频率的单位，简称“赫”。
21
一内外半径分别为R1和R2的均匀带电平面圆环， 电荷面
练 密度为 ，其中心有一半径为r的导体小环 R1 r ，
习 二者同心共面如图。设带电圆环以变角速度 (t)绕垂
B
dB
0
2
(R2
R1 )
选逆时针方向为小环回路为正方向，则小环中
BS
0
2
(R2
R1) r 2
i
d
dt
0
2
(R2
R1) r 2
d
dt
R2
r R1
i
i
R'
0
2R '
(R2
R1) r 2
d
dt
d 0,i与选定的正方向相反
dt
d 0,i与选定的正方向相同
23
dt
如图，在通有电流 I 的长直导线近旁，金属细杆a 端与长
dt dt
dt
变化的电场可以等效为一种电流。 I
良导体中的的平面波
良导体中的的平面波
良导体中的平面波是一种特殊的电磁波，在导体中传播。
当电
磁波穿过导体时，它会与导体中的自由电子相互作用，导致电磁波
的衰减。
在良导体中，电磁波的传播受到导体电导率的影响，电导
率越高，电磁波的衰减越严重。
在电磁波传播中，平面波是一种特定的波动形式，它的波前是
平坦的，波峰和波谷是平行的。
在良导体中，平面波的传播受到导
体的影响，导体中的自由电子会对电磁波产生阻尼效应，使得平面
波在传播过程中衰减。
这种衰减会导致电磁波的能量逐渐转化为热能，最终被导体吸收。
良导体中的平面波还受到导体内部结构的影响，比如晶格结构、缺陷等因素都会对平面波的传播产生影响。
此外，频率、波长等也
会影响平面波在良导体中的传播特性。
总的来说，良导体中的平面波受到多种因素的影响，包括导体
的电导率、内部结构以及电磁波的频率和波长等。
这些因素共同作用，决定了平面波在良导体中的传播特性和衰减程度。
高中物理电磁波图像的解读
高中物理电磁波图像的解读作者：司德平来源：《教学与管理(中学版)》2011年第11期从电磁波的图像可以折射出电磁波的性质。
普通高中课程标准实验教科书物理选修3-4（人民教育出版社，2007年4月第2版）78页图14.1-3和全日制普通高级中学物理教科书（必修加选修）第二册（人民教育出版社，2003年6月第1版）243页图18-10都分别画出了沿z轴传播的电磁波在某一时刻的图像（如图1所示）。
由图1可知，在均匀平面电磁波中，E矢量和B矢量的相位相同，同步变化，同时达到最大值和最小值。
但许多中学物理教师认为：在电磁波传播过程中，电场能与磁场能相互转化，当电场最强时，磁场应最弱。
即电场强度E和磁感应强度B不会同时达到最大值和最小值，应是E和B的最大值恰好相差个波长。
因此，误认为图1是错误的。
本文对电磁波的图像予以解读，以帮助大家澄清误解，加深对电磁波性质的理解。
一、电磁波是横波（TEM波）根据麦克斯韦方程组在空间直角坐标系中的分量式可知，当平面电磁波沿＋z轴传播时，波面垂直于z轴。
对传播方向而言，电场矢量和磁场矢量只有横向分量，没有纵向分量。
若E 矢量沿x方向，则B矢量就沿y方向，二者彼此垂直，且都与传播方向垂直。
因此，电磁波是横波。
二、E矢量和B矢量同相位根据麦克斯韦方程可知，图1所示均匀平面电磁波的瞬时值表达式为：=m sin（?棕t-kz+?渍0）=m sin（?棕t-kz+?渍0）式中?棕t－kz＋?渍0为相位，其中?棕t为时间相位，kz为空间相位，?渍0为初相位。
因此，E矢量和B矢量相位相同。
在任何时刻、任何地点，E矢量和B矢量不仅都与传播方向垂直，而且三者构成右旋系（如图1所示）。
同时，也说明电磁波中E矢量和B矢量同时达到最大值和最小值。
三、同一点E矢量和B矢量的幅值成正比由均匀平面电磁波的波动方程可知，真空中的电磁波有：B=E式中?滋0为真空的磁导率，?着0为真空的介电常量。
可见，同一点E矢量和B矢量的幅值成正比。
电磁场的动量解读
考虑对称性，利用
构成一个恒等式：
1
B B 0 , E t
B ( B) B 0 ( E ) E 0 0 t
把此式与f 的表达式相加，则有 1 f 0 ( E ) E ( B ) B 0 1 E ( B 0 0 ) B 0 t B 0 ( E ) E t
中的张力一样， n T 代表面外的场对面内的场在
量或张力张量。
Maxwell应力张量的分量物理含义：
z C
△S
O
A
x
B
y
设ABC为一面元ΔS，这面元的三个分量为三角形 OBC、 OCA和OAB的面积，OABC是一个体积元△V，
通过界面OBC单位面积流入 体内的动量三个分量为： T11、 T12 、 T13 ； 通过界面OCA单位面积流入 体内的动量三个分量为： T21、 T22 、 T23 ；E ) E
1 ( E ) E ( E E ) ( E ) E 2 1 1 2 ( EE ) ( E E ) ( EE ) ( E I ) 2 2 1 2 ( EE E I ) 2
所以
1 2 1 1 2 1 S f 0 EE E I BB B I 2 2 2 0 c t
或者化为 其中
1 S f T 2 c t
1 1 1 2 2 T 0 EE BB ( 0 E B ) I 0 2 0
2 0 4 2
1 2 4 1 2 4 1 2 4 2 2 E cos 0 E cos 0 E cos 0 E 2 2 4 1 2 4 0 E 4 1 2 P E 所以 0 电磁 2
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第五版
10-7 平面电磁波
一 电磁波的产生与传播
变化的电磁场在空间以一定的速度传 播就形成电磁波. 1 T 2 π LC 2π LC
+ Q0 +
+
L
C
Q0
第十章 波动
振荡电偶极子
1
物理学
第五版
10-7 平面电磁波
不同时刻振荡电偶 极子附近的电场线
振荡电偶极子附近的电磁场线
p p0 cost
X
射 线 5 nm ~ 0.04 nm
γ 射 线
0.04nm
第十章 波动
10
H E
电磁波的能流密度(坡印廷)矢量 S E H
第十章 波动
7
物理学
第五版
10-7 平面电磁波
电磁波的能流密度(坡印廷)矢量 S E H
平面电磁波能流密度 1 平均值 S E0 H 0 2 振荡偶极子的平均 辐射功率 2 4 p0 4 p 12πu
第十章 波动
8
E
S
H
物理学
第五版
10-7 平面电磁波
四
电磁波谱 电 磁 波 谱
10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24
频率 Hz
长波无线电波
红外线 紫外线 760 nm
可见光 400 nm γ 射 线
k 2π
第十章 波动
5
物理学
第五版
10-7 平面电磁波
H u; E
(1)电磁波是横波, E u (2) E 和 H 同相位 (3)E 和 H 数值成比例
H
u
H E
(4)电磁波传播速度 u 1 / , 真空中波速 等于光速
u c 1 / 0 0 2.99810 m s
8
第十章 波动
1
6
物理学
第五版
10-7 平面电磁波
三 电磁波的能量
辐射能 以电磁波的形式传播出去的能量. 电磁波的能流密度 S wu 1 2 2 w w w ( E H ) 电磁场能量密度 e m 2 u 2 2 S (E H ) EH 2
又 u 1 /
B
c
c
+ -
+ + + +
E
E
B
c
第十章 波动Βιβλιοθήκη c2物理学
第五版
10-7 平面电磁波 极轴
传播方向 E
H p0 r
p0 2 sin
r E (r , t ) cos (t ) 4π r u 2 p0 sin r H (r , t ) cos (t ) u 1 4πr u
第十章 波动
3
物理学
第五版
10-7 平面电磁波 平面电磁波
E
o H
E
H
u x
x E E0 cos (t ) u x H H 0 cos (t ) u
第十章 波动
4
u
物理学
第五版
10-7 平面电磁波
二 平面电磁波的特性
x H H 0 cos (t ) H 0 cos(t kx) u x E E0 cos (t ) E0 cos(t kx) u
X射线
短波无线电波 波长 m 108
104
100
104
108
1012
1016
9
第十章 波动
物理学
第五版
10-7 平面电磁波
无线电波
310 m ~ 0.1 cm
4 5
红 外 线 6 10 nm ~ 760 nm 可 见 光 760nm ~ 400nm 紫 外 光 400 nm ~ 5 nm