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第4章 电磁振荡与电磁波
第2节 电磁场与电磁波
本节课程是通过基本知识的回顾和例题的讲解，使学生对本章的基本概念和基本规律有进一步地理解，并能熟练应用本章知识分析解决物理问题。在熟练掌握基本概念、基本规律的基础上，能够分析和解决一些实际问题。通过复习，培养学生归纳知识和进一步运用知识的能力，学习一定的研究问题的科学方法。
【物理观念】了解电电磁波理论的理解。
【科学思维】通过结合生活中各种相应现象及常识，理解变化的磁场产生电场。体会物理知识在生活中的重要作用，培养勇于探索的精神
【科学探究】培养学生实验探求知识的意识，增强求知欲望。
【科学态度与责任】经历用所学过的知识来解决相关现象、解释相关问题。
【教学重点】了解麦克斯韦电磁场理论的基本内容以及在物理学发展史上的意义.
【教学难点】了解电磁波的基本特点及其发现过程，通过电磁波体会电磁场的物质性.
- 电磁振荡电路中的能量有一部分要以电磁波的形式辐射到周围空间中去，那么，这些电磁波是怎样产生的？
- 詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell，1831年6月13日〜1879年11月5日），出生于苏格兰爱丁堡，英国物理学家、数学家。经典电动力学的创始人，统计物理学的奠基人之一。1847年进入爱丁堡大学学习数学和物理，毕业于剑桥大学。他成年时期的大部分时光是在大学里当教授，最后是在剑桥大学任教。1873年出版的《论电和磁》，也被尊为继牛顿《自然哲学的数学原理》之后的一部最重要的物理学经典。麦克斯韦被普遍认为是对物理学最有影响力的物理学家之一。没有电磁学就没有现代电工学，也就不可能有现代文明。
探究点一 电磁场
变化的磁场产生电场 这是一个普遍规律，跟闭合电路是否存在无关。
变化的电场产生磁场 电场就像运动的电荷，也会在空间产生磁场。
变化的磁场周围产生电场 变化的电场周围产生磁场
电磁场理论的理解——变化的磁场产生电场
【思考】：如右图,交流电产生了周期变化的磁场,上面的线圈中产生电流使灯泡发光
老师引出：
1、如果用不导电的塑料线绕制线圈,线圈中还有电流电场吗?（有电场,无电流）
2、线圈不存在时,线圈所处的空间还有电场吗?（有电场,无电流）
3、若改成恒定的直流电,还有电场吗?（无）
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。
【说明】:
1、在变化的磁场中所产生的电场的电场线是闭合的 (涡旋电场)。
2、变化的磁场产生电场”，这实际上是个假设。这个假设基于电磁感应现象，是很自然的。
电磁场理论的理解——变化的电场产生磁场
理解 1) 电场均匀变化产生稳定磁场
(2) 非均匀变化产生变化磁场
说明：1、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。
2、“变化的电场产生磁场”，这是另一个假设。这个假设没有直接的实验做基础，它出于对自然规律的洞察力，是很大胆的，但却更具有创造性。
电磁场与电磁波的概念
根据麦克斯韦的上述两个观点可以得出，变化的电场和磁场总是相互联系的，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，形成了电磁波。
3、对麦克斯韦电磁场理论的理解:
1）、恒定的电场不产生磁场；
2）、恒定的磁场不产生电场；
3）、均匀变化的电场在周围空间产生恒定的磁场；
4）、均匀变化的磁场在周围空间产生恒定的电场；
5）、振荡电场产生同频率的振荡磁场；
6）、振荡磁场产生同频率的振荡电场。
探究点二、 电磁波
4、电磁波的形成过程
麦克斯韦预言光也是电磁波
麦克斯韦从理论上预见，电磁波在真空中的传播速度等于光速c，由此，麦克斯韦预言了光是电磁波！他说：“我们有充分的理由断定，光本身是……按电磁波规律传播的一种电磁振动。”。
5、电磁波的特点：
１、电磁波是横波，在电磁波中，每处的电场强度和磁感强度的方向总是相互垂直，且与电磁波的传播方向垂直．
２、电磁波的传播不需要介质，波速V取决于传播介质，任何频率的电磁波在真空中的传播速度都等于真空中的光速，电磁波的频率在传播过程中不会发生变化。随着介质的不同波长会发生变化。
C＝3.0×108m/s
6、电磁波与机械波的区别
海因里希·鲁道夫·赫兹（Heinrich Rudolf Hertz，1857年2月22日－1894年1月1日），德国物理学家，于1888年首先证实了电磁波的存在。并对电磁学有很大的贡献，故频率的国际单位制单位赫兹以他的名字命名。
赫兹是一个短命的物理学家。他于1894年逝世时，年仅37岁，这无疑是物理学界的巨大损失。他从21岁考人柏林大学直到不幸去世，进行科学研究不足15年，然而却建立了永垂青史的功绩。
7、赫兹的电火花实验
实验现象：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。
实验原理：当与感应圈相连的两个金属球间产生电火花时，周围空间出现了迅速变化的电磁场。这种变化的电磁场以电磁波的形式在空间传播。当电磁波到达导线环时，它在导线环中激发出感应电动势，使得导线环的空隙中也产生了火花，说明这个导线环接收到了电磁波。
检波器
微弱的电火花闪烁着麦克斯韦理论的光辉，赫兹向全世界宣告：电磁波发现了。
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。
赫兹的成就
1）、在以后的一系列实验中，赫兹观察到了电磁波的反射、折射、干涉、偏振和衍射等现象。他还测得电磁波在真空中的速度等于光速c，证明了电磁波与光的统一性。这样，赫兹证实了麦克斯韦的电磁场理论。赫兹的实验为无线电技术的发展开拓了道路，后人为了纪念他，把频率的单位定为赫兹。
2）、物质存在两种形式，一种是由原子和分子构成的实物，另一种则是以电磁场为代表的场。
麦克斯韦电磁场理论的建立
法拉第发现电磁感应现象那年，麦克斯韦在苏格兰爱丁堡附近诞生了。他从小热爱科学，喜欢思考。1854年从剑桥大学毕业以后，他精心研读了法拉第的著作。麦克斯韦被法拉第关于“场”和“力线”的思想深深吸引，但他也看到了法拉第定性表述的弱点。因此，这位初出茅庐的科学家下定决心，要把法拉第的物理思想用数学公式定量化地表达出来。
1860年初秋，麦克斯韦特意去拜访法拉第。两人虽然在年龄上相差40岁，在性情、爱好、特长方面也迥然各异，可是对物质世界的看法却产生了共鸣。法拉第鼓励麦克斯韦：“你不应停留在用数学解释我的观点，而应该突破它！
在麦克斯韦研究电磁现象的时候，科学家的研究已经从静止的、恒定的特殊情形扩展到运动变化的普遍情形；从孤立的电作用、磁作用扩展到彼此的联系。在这些研究的基础上，麦克斯韦历时10年终于建立了普遍的电磁场理论。
科学漫步
麦克斯韦电磁场理论的建立
麦克斯韦首先从类比研究入手，借用适当的数学工具表述法拉第的“力线”；后来，为了进一步说明“力线”的分布和性质，他转而建立新的模型并提出位移电流与电磁波的概念；最后，他把电磁场作为客体放在核心位置，总结出麦克斯韦方程组建立了完整的电磁场理论。
麦克斯韦方程组
课堂重点知识小结
1.麦克斯韦假设的两大观点
2.电磁场与电磁波的概念
3.对麦克斯韦电磁场理论的理解
4.电磁波的形成过程
5.电磁波的特点
6.电磁波与机械波的区别
7.赫兹的电火花实验
随堂练习
例1、（多选）关于麦克斯韦电磁场理论，以下说法正确的是（ ）
A在赫兹发现电磁波的实验基础上，麦克斯韦提出了完整的电磁场理论
B变化的磁场在周围的空间一定产生变化的电场
C恒定的电场可以在周围的空间产生磁场
D麦克斯韦第一个预言了电磁波的存在，赫兹第一个用试验证明了电磁波的存在
- 【解析】：麦克斯韦提出了电磁波理论，后被赫兹证明，故A错D对，变化的磁场周围一定产生变化的电场。恒定的电场周围不产生磁场。故B对C错。
- 例2、（单选）如图所示的四种电场中,哪一种能产生电磁波( )
【解析】由麦克斯韦电磁场理论,当空间出现恒定的电场时(如A图),由于它不激发磁场,故无电磁波产生;当出现均匀变化的电场时(如B、C图),会激发出磁场,但磁场恒定,不会激发出电场,故也不会产生电磁波;只有振荡的电场(即周期性变化的电场)(如D图),才会激发出振荡的磁场,振荡的磁场又激发出振荡的电场……如此周而复始,便会形成电磁波。
例3、(多选)关于电磁波与声波,下列说法正确的是( )
A.电磁波是由电磁场发生的区域向远处传播,声波是声源的振动向远处传播
B.电磁波的传播不需要介质,声波的传播有时也不需要介质
C.由空气进入水中传播时,电磁波的传播速度变小,声波的传播速度变大
D.由空气进入水中传播时,电磁波的波长不变,声波的波长变小
【答案】AC
【解析】由电磁波和声波的概念可知A正确;因为电磁波可以在真空中传播,而声波属于机械波,它的传播需要介质,在真空中不能传播,故B错误;电磁波在空气中的传播速度大于在水中的传播速度,在真空中的传播速度最大;声波在气体、液体、固体中的传播速度依次增大,故C正确;无论是电磁波还是声波,从一种介质进入另一种介质时频率都不变,所以由波长λ= 及它们在不同介质中的传播速度可知,由空气进入水中时,电磁波的波长变短,声波的波长变长,故D错误。
例4、（单选）关于电磁波的特点,下列说法中不正确的是( )
A.电磁波中电场和磁场互相垂直,电磁波沿二者垂直的方向传播
B.电磁波是横波
C.电磁波传播不需要介质
D.电磁波不具有干涉和衍射现象
【答案】D
【解析】电磁波具有波所特有的各种属性,即电磁波具有干涉、衍射、反射等现象。
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