2.大学物理-电磁波
大学物理第三章 电磁波
163第3章 电磁波一．基本要求1．了解电磁波的波动微分方程，掌握自由空间电磁波的基本特征； 2．了解电磁波的能量、能流和动量，电磁场的物质性； 3．掌握LC振荡电路频率振荡ω=4．掌握电磁波的反射定律、折射定律、半波损失、布儒斯特定律； 5．掌握电磁波的相干条件和干涉加强、干涉减弱的条件； 6．了解电磁波的衍射；7．了解振动方向相同、频率相近的简谐波的合成，了解相速度和群速度的概念；8．了解电磁波谱及其相应的辐射源。
二．内容提要和学习指导（一）电磁波的波动方程：若空间各处0e σ=，0ρ∇=，则2220E E t με∂∇-=∂，2220B B tμε∂∇-=∂；由波动微分方程可以解得 1．电磁波速cu n===；其中c 是真空中光速，n 是介质折射率； 2．电磁波是横波： E u ⊥，H u ⊥，E H ⊥且//()u E H ⨯； 3．E 和H 同频率、同相位地变化着； 4．E 和H 、B =，E B u =⨯；5．电磁波的偏振状态通常用波场中各点电矢量空间取向随时间变化方式定义。
可以有三种类型的偏振波：线偏振波；圆偏振波；椭圆偏振波。
（二）电磁波的能量、能流、质量和动量 1．能量密度：221122e m w E H w εμ===，2e m w w w E ε=+=； 2．能流密度矢量：S E H =⨯，2S E u ε=； 3．质量密度：22/E c ρε=；4．动量流密度：22(/)g u E c u ρε==；（三）振荡电偶极子的辐射 1．LC 振荡电路：1/ω=0cos q q t ω=→振荡电偶极子0cos p p t ω=2．远场辐射场量：202sin cos[()]4p r E t e u r u θωθωπε=⋅-，20sin cos[()]4p rH t e u r uϕωθωπ=⋅-；1643．能流密度：24220232sin cos [()]16r p r S t e u r u ωθωπε=⋅-，2420232sin 32r p S e u rωθπε=⋅； 4．平均辐射功率: 24403()12p P u ωωπε=∝（四）电磁波垂直入射时的反射和透射1212n n E E n n '-=+，1122n E E n n ''=+。
大学物理中的电磁波电磁场的传播与应用
大学物理中的电磁波电磁场的传播与应用电磁波是指电场和磁场交替振动并沿着空间传播的能量载体。
它们在现代社会中的应用广泛，涵盖了通信、雷达、无线电、医疗和科学研究等多个领域。
本文将重点探讨电磁波的传播原理以及其在各领域中的应用。
一、电磁波的传播原理电磁波的传播是由振荡的电场和磁场相互作用而产生的。
按照麦克斯韦方程组的解，电磁波的传播速度等于真空中的光速，即3×10^8米/秒。
电磁波可以分为不同频率的无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线和γ射线等。
电磁波的传播具有以下特点：首先，电磁波既可以是远距离传播也可以是近距离传播；其次，电磁波在真空中传播速度恒定不变，而在介质中会受到介质的折射、反射和散射等影响；最后，电磁波传播的方向垂直于电场和磁场的方向，形成沿着波向传播的特点。
二、电磁波的应用1. 通信领域：无线通信已经成为现代社会中不可或缺的一部分。
无线电波和微波被广泛应用于手机、电视、无线网络、卫星通信和雷达等设备中。
其中，手机利用无线电波传输语音和数据，而雷达则利用微波来测量目标的距离和速度。
2. 医疗领域：电磁波在医疗检查和治疗中发挥着重要作用。
X射线被广泛用于医学影像学中，用于检测骨骼和器官的异常情况。
同时，磁共振成像（MRI）利用强大的磁场和高频电磁波来生成人体内部的图像，对疾病的诊断起到重要作用。
3. 科学研究：电磁波广泛应用于科学研究，例如光谱学是研究物质的结构和性质的重要方法。
通过分析物质对可见光的吸收和发射谱线，可以推断物质的组成和状态。
此外，射电天文学利用无线电望远镜观测宇宙中的射电信号，探索宇宙的形成和演化。
4. 光电技术：光电技术是利用光和电子技术相结合的技术领域。
激光器、光通信、太阳能电池、摄像头和面部识别等都是光电技术的应用。
光通信利用光纤传输信息，传输速度快、容量大，被广泛应用于互联网和数据中心。
5. 教育培训：电磁波在教育培训领域中也发挥着重要作用。
凭借开放式网络课程（MOOC）和远程教育，电磁波的传播使知识得以迅速传播，人们可以获得各种在线学习资源。
大学物理《电磁场与电磁波》公开课优秀教学设计
大学物理《电磁场与电磁波》公开课优秀教学设计一、教学目标- 理解电磁场的基本概念和特性；- 掌握电场和磁场的相互作用规律；- 理解电磁波的产生和传播原理；- 能够应用电磁场和电磁波的知识解决实际问题。
二、教学内容1. 电磁场的基本概念和性质- 电场的定义和性质- 磁场的定义和性质- 电场和磁场的相互作用规律2. 电磁波的产生和传播- 电磁波的概念和特性- 电磁波的产生机制- 电磁波的传播特性3. 应用案例分析- 电磁场和电磁波在通信技术中的应用- 电磁场和电磁波在医学影像技术中的应用- 电磁场和电磁波在能源传输中的应用三、教学方法1. 讲授法：通过讲解电磁场和电磁波的概念、原理和应用案例，引导学生掌握相关知识。
2. 实验探究法：组织学生进行一些简单的电磁场和电磁波实验，通过实践探究的方式提高学生的动手能力和实验设计能力。
3. 讨论交流法：引导学生在小组内进行问题讨论和知识分享，促进学生的合作研究和思维能力培养。
4. 案例分析法：通过分析电磁场和电磁波在实际应用中的案例，加深学生对知识的理解和应用能力的培养。
四、教学评价1. 知识掌握程度：通过学生的课堂表现、作业完成情况和考试成绩等综合评价学生对电磁场和电磁波知识的掌握程度。
2. 实践能力：通过学生实验报告的完成情况和实验操作能力的评估，评价学生在实际操作中掌握电磁场和电磁波相关实验技能的能力。
3. 解决问题能力：通过学生应用电磁场和电磁波知识解决实际问题的能力评价，考察学生对所学知识的理解和应用能力。
五、教学资源1. 教材：选用适合大学物理课程的教材，包含电磁场和电磁波相关章节。
2. 多媒体教学投影仪：用于讲解和展示电磁场和电磁波相关的概念和实验。
3. 实验室设备：提供适当的电磁场和电磁波实验设备，供学生进行实验探究。
六、教学安排- 第一周：介绍电磁场的基本概念和性质，进行理论讲解和案例分析。
- 第二周：讲解电场和磁场的相互作用规律，并进行实验探究。
大学物理电磁波
（微观领域中,万有引力比库仑力小得多,可忽略不计.）
五 静电场
实验证实了两静止电荷间存在相互作用的静电力，
但其相互作用是怎样实现的？
电荷
电场
电荷
场是一种特殊形态的物质, 具有能量、质量和动量, 具 有自己的运动规律.
场
物质
实物
六 电场强度(简称场强) 空间坐标的矢量点函数
E
F
q0
电场中某点处的电场强度 E
1
q
l
④建立坐标，将 dE 投影到坐标轴上
⑤选择积分变量
x
2
dl
Ex
4 0a
(s in 2
sin1 )
dE
y dEy
Ey
4 0a
(cos 1
cos 2 )
dEx
o
x
a
1
r
2
讨论:
q
若 L (1 0,2 ) λ
E x 0 E E y 2πε0a
l
dl
方向垂直于细杆指 向o点。
E n
2 0 +
++
+
+ +
E
n
+
2 0
+ +
- -
-
-
E n
2 0
-
-
- -
+
-
E
0
总结：求E 的步骤
(1)将连续分布的带电体分成无限多电荷元 dq ，每个dq 视为点电荷，求dE 。
(2)计算E dE, 此矢量积分不易计算时，化为分量的积分。
注意:
(1)注意电荷分布的对称性； (2)注意微元及坐标系选取的技巧； (3)正确确定积分限。
大学电磁波教案
大学电磁波教案电磁波是大学物理课程中的重要内容，它涉及到电磁学的基本原理和应用。
为了帮助学生更好地理解和掌握电磁波的知识，设计一份名为“”。
一、教学目标1. 理解电磁波的基本概念和性质。
2. 掌握电磁波的传播特点和数学描述。
3. 了解电磁波在实际生活中的应用。
二、教学内容1. 电磁波的基本概念(1) 电磁波的定义和分类。
(2) 电磁波与电磁场的关系。
2. 电磁波的传播特点(1) 电磁波的速度和频率。
(2) 电磁波的波长和能量。
3. 电磁波的数学描述(1) 麦克斯韦方程组。
(2) 电磁波的波动方程。
4. 电磁波的应用(1) 电磁波的探测和通信。
(2) 电磁波的医疗和工业应用。
三、教学方法1. 讲授与示范相结合。
通过讲解理论知识和演示实验，引导学生深入理解电磁波的概念和特性。
2. 实践与应用相结合。
组织学生进行电磁波的实验和模拟操作，提高他们的实践能力和应用能力。
四、教学流程1. 引入：通过展示电磁波在实际生活中的应用场景，激发学生的学习兴趣。
2. 理论讲授：系统介绍电磁波的基本概念、传播特点和数学描述。
3. 实验演示：展示电磁波的实验装置和实验操作，让学生亲自参与实验过程。
4. 实践操作：分组进行电磁波实验，学生通过操作实验装置，观察实验现象并记录实验数据。
5. 总结归纳：学生根据实验数据，总结电磁波的特性和应用，并进行讨论和交流。
五、教学评价1. 课堂表现：考察学生对电磁波知识的理解和掌握程度。
2. 实验报告：要求学生撰写电磁波实验报告，包括实验目的、步骤、结果和分析等内容。
3. 课后作业：布置电磁波相关的习题和思考题，检验学生对知识的深入理解。
通过这份《大学电磁波教案》，希望能够帮助学生全面了解和掌握电磁波的基本概念、传播特点和数学描述，同时认识电磁波在实际生活中的应用。
通过理论讲授、实验演示和实践操作等多种教学方法的结合，提高学生的学习兴趣和应用能力，培养他们的创新思维和实践能力。
大学物理课件：电磁波篇
在一个连续的谱上。
3
无线电波和光速
电磁波在空气中以及真空中的传播速 度为固定值，即光速。
电磁波的测量和检测方法
谱分析仪
谱分析仪可以分析并显示电 磁波的频谱。
探测器
探测器用于检测和测量电磁 波的强度和频率。
天线
天线接收电磁波并将其转换 为电信号进行进一步处理。
电磁波的安全性与环境影响
1 辐射安全
对辐射源的限制和安全 操作措施可确保电磁波 对人体的安全。
电磁波在日常生活中的应用
广播和通信
无线电和电视广播，手机和卫 星通讯等都依赖于电磁波的传 输。
微波炉
微波炉使用微波来加热食物， 快捷方便。
红外线桑拿
红外线被用于桑拿浴，帮助舒 缓身心。
电磁波的传播和传输原理
1
电场和磁场的相互作用
电磁波由交替的电场和磁场组成，通
电磁谱
2
过彼此的相互作用而传播。
电磁波根据频率和波长的不同，排列
大学物理课件：电磁波篇
欢迎来到大学物理课件：电磁波篇！在这个课程中，我们将讨论电磁波的定 义和基本概念，以及它们在日常生活中的应用。
电磁波的特性和分类
频率和波长
电磁波具有不同的频率和 波长范围，从无线电波到 可见光和X射线。
传播速度
电磁波在真空中传播的速 度恒定不变，为光速的近 似值。
分类
电磁波根据波长范围可分 为射电波、微波、红外线、 可见光、紫外线、X射线和 γ射线。
2 环境污染
电磁波的广泛使用可能 造成对周围环境的一定 影响。
3 电磁波屏蔽
使用屏蔽材料和技术以 减少电磁波的干扰和辐 射。
电磁波的未来发展及研究方向
1
大学物理学第十六章第五节电磁波
无线电波
3 10 4 (Hz )
设计制作 王小云 颜琳
吉首大学物电系
第五节 电磁波
麦克斯韦1865年预言了电磁波(electromagnetic wave)，1888年赫兹 (Hertz)用实验证实了电磁波的 存在。
在均匀无限大媒质中，若无自由电荷和传导电流 (麦克0 =斯0韦；电j0磁=场0方)，程再组考可虑解到出D一=维E情，形B下=E(Hx,，t)、由 H(x,t)的波动方程
E H
5.电磁波的传播速度为 u 1
四、电磁波的能量密度
电磁波的传播过程为能量的传播过程，
即辐射能。 电场能量密度
磁场能量密度
we
1 E
2
2
wm
1 H 2
2
电磁场能量密度
w
we
wm
1 E
2
2
1 2
H
2
五、电磁波的能流密度
单位时间内通过垂直于传播方向的单位 面积的辐射能。
S wu
S u (E 2 H 2 )
一、电磁波的产生与传播
由麦克斯韦的电磁场理论，变化的电
场产生变化的磁场，而变化的磁场又产生 变化的电场，这样就产生了电磁波。
EEEBຫໍສະໝຸດ B如广播电台 声 电
电视台 声光 电
B 电磁波发射 电磁波发射
LC
最后形成电偶极子，即发射电磁波的天线。 二、明确几点
1.电磁波的传播不依赖任何媒质可在真空 中传播。
wc S cc
单位面积所受的辐射压力：
p
S c
七、电磁波谱
10 12
10 10
10 4 10 2
10 2
10 4
10 6 (m )
大学物理中的电磁波与电磁辐射
大学物理中的电磁波与电磁辐射电磁波与电磁辐射在大学物理学中扮演着重要的角色。
它们是电磁学的基石，涵盖了许多重要的概念和原理。
本文将探讨电磁波与电磁辐射的基本特性、分类和应用。
一、电磁波的基本特性1.1 波动理论电磁波是由电场和磁场相互作用而产生的能量传播现象。
根据波动理论，电磁波在空间中以波动的形式传播，具有波长、频率和振幅等基本特性。
1.2 波长和频率波长是电磁波传播所需要的最短距离，通常用λ表示。
频率是电磁波振动的次数，通常用ν表示。
它们之间的关系由光速c来确定，即c = λν。
1.3 光谱电磁波按照频率的不同可以分成不同的区域，这就是电磁波谱。
光谱包括从长波长的无线电波到短波长的伽马射线。
常见的光谱包括无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线和伽马射线。
二、电磁辐射的分类2.1 电磁波的分类电磁波可以分成两类：有线性极化的平面电磁波和圆偏振的电磁波。
线性极化的平面电磁波在传播过程中的电场矢量振动方向保持不变，而圆偏振的电磁波的电场矢量在传播过程中呈现旋转。
2.2 电磁辐射的分类根据电磁辐射对人体组织的影响，可以将电磁辐射分为两类：非电离辐射和电离辐射。
非电离辐射对人体没有明显的直接伤害，如无线电波和微波。
而电离辐射具有能量较高的电磁波，具有较大的能量传递，如紫外线、X射线和伽马射线。
三、电磁波与电磁辐射的应用3.1 通信电磁波在通信领域中有广泛的应用。
无线电波和微波被广泛用于无线通信，如无线电和卫星通信。
光纤通信利用了光波的特性，实现了高速、长距离的数据传输。
3.2 医学成像电磁辐射在医学成像中发挥着重要作用。
X射线可以穿透物体，用于骨骼成像和肺部检查。
核磁共振成像(NMR)利用电磁波和磁场，对人体进行详细的内部结构成像。
3.3 电力传输电磁波可以传输能量，这在电力传输中得到了广泛应用。
无线能量传输技术可以将电能无线传输到远离电源的设备中，用于充电或供电。
3.4 科学研究电磁波和电磁辐射在科学研究中具有重要的应用。
电磁波的概念与特点
电磁波的概念与特点一、电磁波的概念电磁波是一种在真空和介质中传播的电磁场波动现象。
它是由电场和磁场相互作用产生的一种能量传播形式。
电磁波的产生是由于电荷的加速运动，如振荡的电荷、变化的电场和磁场等。
电磁波的传播不需要介质，可以在真空中自由传播，其传播速度在真空中为常数，即光速。
二、电磁波的特点1.波动性：电磁波具有波动性，其波动形式包括振荡的电场和磁场。
电磁波的波动性质可以通过干涉、衍射和折射等现象来观察。
2.能量传播：电磁波在传播过程中携带能量，可以传递能量和信息。
例如，无线电波可以传输无线电信号，光波可以传输光能和视觉信息。
3.无需介质传播：电磁波的传播不需要介质，可以在真空中自由传播。
这是电磁波与其他波动形式（如声波）的一个重要区别。
4.波动速度恒定：在真空中，电磁波的传播速度为常数，即光速。
光速是一个极其大的数值，约为3×10^8米/秒。
5.频率和波长：电磁波的波动特性可以通过频率和波长来描述。
频率是指单位时间内电磁波波动的次数，单位为赫兹（Hz）；波长是指电磁波一个完整波动的长度，单位为米（m）。
不同频率和波长的电磁波具有不同的特性和应用。
6.电磁谱：电磁波谱是指电磁波按照频率或波长排列的谱系。
电磁谱包括无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线和伽马射线等不同频率的电磁波。
7.相互作用：电磁波在传播过程中可以与物质相互作用，如吸收、反射、折射和散射等。
这种相互作用是电磁波在通信、探测和医疗等领域应用的基础。
8.波动方程：电磁波的传播可以通过波动方程来描述，如麦克斯韦方程组。
这些方程揭示了电磁波的传播规律和波动特性。
综上所述，电磁波是一种基本的物理现象，具有波动性、能量传播、无需介质传播、波动速度恒定、频率和波长等特性。
电磁波在科学、技术和日常生活中有着广泛的应用。
习题及方法：1.习题：描述电磁波的概念及其产生的条件。
解题方法：回顾电磁波的定义，即电磁波是一种在真空和介质中传播的电磁场波动现象，由电场和磁场相互作用产生。
大学物理电磁场与电磁波简答题归纳总结
E 2 2
we
14、试写出麦克斯韦位移电流假说的定义式，并简述其物理意义。
答：按照麦克斯韦提出的位移电流假说，电位移矢量对时间的变化率
可视为一种广义的电流密度，称为位移电流密度，即
Jd
D
t
。物理意
义：位移电流一样可以激励磁场，即变化的电场可以激励磁场。
15、简述什么是色散现象？什么是趋肤效应？
答：在导电媒质中波的传播速度随频率变化，这种现象称为色散现象。 导电媒质中电磁波只存在于表面，这种现象称为趋肤效应，工程上常 用穿透深度 （m）表示趋肤程度，
的传播方向三者满足右手螺旋关系。电场和磁场的分量由媒质决定。
4、写出时变电磁场中麦克斯韦方程组的非限定微分形式，并简述其
意义。
答： (1)
H
J
E
t
(2)
E
H
t
(3) H 0
(4) E
物理意义：A、第一方程：时变电磁场中的安培环路定律。物理意义：
磁场是由电流和时变的电场激励的。
当
102 时，媒质被称为良导体；
当102
102
时，媒质被称为半导电介质；
当
102 时，媒质被称为低损耗介质；
当
0 时，媒质被称为理想介质。
13、简述均匀平面电磁波在理想介质中的传播特性。
答：（1）电场、波的传播方向三者满足右手螺旋关系，电场与磁场处
处同相，在传播过程中，波的振幅不变，电场与磁场的振幅之比取决
答： ，
2
A
2 A t2
J
2
2
t2
物理意义：
J
激励
A
，源
激励
，时变源激励的时变电磁场在空间中
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79
☆ 切仑柯夫辐射
带电粒子在媒质中运动, 带电粒子在媒质中运动,其速度超过该媒质中的 光速时(这光速小于真空中的光速C时 , 光速时(这光速小于真空中的光速 时),会辐射 锥形的电磁波,这种辐射称为切仑柯夫辐射. 锥形的电磁波,这种辐射称为切仑柯夫辐射.
uτ
S1
S
Vs
Vsτ
80
�
1±V c ± νR = νs 1V c
c为真空中
的光速
上下符号分别对应光源与接收器相向和背离的情况. 上下符号分别对应光源与接收器相向和背离的情况.
当光源远离接收器时,接收到的频率变小, 当光源远离接收器时,接收到的频率变小,因 而波长变长,这种现象叫做"红移" 而波长变长,这种现象叫做"红移".如来自星 球与地面同一元素的光谱比较, 球与地面同一元素的光谱比较,发现几乎都发生 红移. 大爆炸" 红移.这就是 "大爆炸"宇宙学理论的重要依 据. 电磁波的多普勒效应也为跟踪人造地球 卫星提供了一种简便的方法. 卫星提供了一种简便的方法. 如一卫星地面站确定远在108 m 处的 卫星位置变化时, . 卫星位置变化时,可以精确到 2 m ~ 103 m 10
E = E(ω t ±kr) B = B(ω t ± kr)
D ×H = t
波速
1 2B 2B = 2 2 u t
算符 = i + j + k
u=
1
x
y
z
2
ε 0ε r 0 r
= 2+ 2+ 2 x y z
2 2 2
二.平面电磁波(平面简谐电磁行波) 平面电磁波(平面简谐电磁行波 电磁行 1.定义 定义 平面: 波面(等相位面 平面: 波面 等相位面 为平面 等相位面)为平面 简谐: 简谐: E , B 作简谐振动 行波: 相位和能量随波传播 相位和能量随波传播 随波
E = E0 e B = B0 e
i ( ω t kr + ) i ( ω t kr + )
ω = 2πν
角波数 k
旋转 矢量
取 分量
E 0 , B0
ω
k=
λ
2π
λ
=
ω
u ω
x
u = = λ ν = T k
( ω t kr + )
相位 初相位
E ,B
x
ω t kr +
3.性质 性质
(1)横波 传播方向 S = E × H 横波: 横波 (2) E H 同频率同相位 同频率同相位 (3)波速(相速) 波 相速)
2
2 ∝ E0
五.电磁波的叠加 六.多普勒效应
见波动光学
电磁波如 也有多普勒效应, 电磁波如光,也有多普勒效应,光与接收器的 相对速度决定接收器接收的频率. 相对速度决定接收器接收的频率.可以用相对论 (相对性原理和光速不变原理 证明:当光源和接 相对性原理和光速不变原理)证明 相对性原理和光速不变原理 证明: 收器在同一直线上运动时,其相对速度为 收器在同一直线上运动时 其相对速度为 V,观察 观察 者所接收到的频率为: 者所接收到的频率为:
1 2 1 w = εE + H2 2 2
总能量
W = ∫V wdV
(2)电磁波的能流密度(波强 单位时间内通过与传播方 电磁波的能流密度 波强 电磁波的能流密度 波强) 坡印廷矢量
S = E× H
向垂直的单位面积的能量
S = I = EH ∝ E0 H0 ∝ E
四.电磁波谱 (p239) 自学 电磁波谱
偏振
E⊥S H⊥S E⊥H
振幅 真空
ε0ε r E0 = 0r H0
u=
c = ε 0ε r 0 r n
S = E×H
1
c=
1
折射率
ε 00
n = ε 量 (1)电磁波的能量密度(即单位体积内的电磁能量 电磁波的能量密度 即单位体积内的电磁能量 电磁波的能量密度 即单位体积内的电磁能量)
2.条件(环境) 条件(环境) 条件 均匀无限大理想(无耗) 均匀无限大理想(无耗)媒质 无自由电荷和传导电流(无波源) 无自由电荷和传导电流(无波源)
3.表示 表示 简谐 函数 指数
取实部
E = E0 cos(ω t kr + )
B = B0 cos(ω t kr + )
振幅 E 0 , B 0 角频率 频率
电 磁 波
一.产生 1.定性 (自由空间 定性
电磁波
ρ = 0 , j = 0)
变化磁场 变化电场 变化电场 i 电场 磁场 变化磁场
D =0 B =0
B ×E = t D ×H = t
2.定量 定量 麦克斯韦方程组
波动方程
电磁波解
2
D =0
B =0
B ×E = t
E= 2 2 u t
2
1 E