高二物理课件电磁场和电磁波高二物理课件

#第八章电磁场与电磁波§1Maxwell电磁理论一.电磁场的基本规律1.电场的高斯定理：(V)0(S)ddVSD2.静电场环流定律：0d)(LlE3.磁场的高斯定理：0d(S)SB4.安培环路定律：)(0)(ddSLSjlH5.法拉第电磁感应定律：tdd修正：电场环流定律StBlESLdd)()(静电场与涡旋电场静电场稳定场#二.位移电流1.问题：稳定场S是以L为周界的任一曲面。取以L为周界的两曲面S1,S2)(0)(ddSLSjlH则)(0)(021ddSSSjSj0d)(021SSSj或非稳场？对稳定场：非稳定场：0d)(0SSjtqSjS)(0d闭面外法线为正，闭面中S2的法向与独立时相反。S1S2图8.11电容充电IL例如电容充放电时，参见图8.11矛盾！#2.假说：注意到1)电流断了，但电容两极电量+q，-q相等；2)电流变化的同时，q变，σ变，变。DMaxwell提出：0jDDj除传导电流外，还有位移电流，它与有关，Djjj0而总的电流密度称为全电流密度全电流DIII0)(0)(d)(dSDLSjjlH安培环路定律)(d0)(DLIIlH或#3.推导：按假说0d)()(0SDSjj显然0d)(SSj或非稳场也适用)(0)(ddSSDSjSj)(0dSSjtq则电荷守恒tqSjSD)(d高斯定理qSDS)(dtqStDS)(d或变q变DtDjDtΦIDD或4.讨论：0tD1)只要，就有，所以0Dj位移电流可存在于导体、介质及真空中；2)由PED0可得tPtEjD0其中：tE0是与电荷无关的纯粹位移电流，电场变化激发磁场tP是电极化强度的时间变化率，设分子电矩，分子数密度n,则电极化强度lqplnqP所以,Plnqtt——极化时电荷的规则运动或,PPPjjnqt——极化电流密度。#3)I0与ID比较：与自由电荷运动相当产生焦耳热存在导体、介质及真空中；只存在于导体中不产生焦耳热I0ID束缚电荷运动电场变化与相当真空中可以有光存在，可以有场存在。##DDjIjI,,0,000只有4)真空中：tEjPnD0,0,0所以因此)(0)(ddSLStElH变化电场激发磁场，右螺旋又)()(ddSLStBlE变化磁场激发电场，左螺旋EtBtDH图8.12电磁场互激一般地说：变化电场激发涡旋磁场,变化磁场激发涡旋电场,电场与磁场密切联系着。静电场与稳恒磁场只是电磁场在一定条件下的特殊形式。Onepagemore三.Maxwell方程组VSDdd0StBlEdd0dSBStDjlHd)(d00DtBE0BtDjH0或各向同性均匀介质中EjHBEDrr000这里HHHHHD0稳EEEEE0涡静【附注】：0divDtBErot0divBtDjH0rot散度：div=divergence旋度：rot=rotation耐普拉算子：zkyjxi1.Maxwell方程组可写成：2.算符说明：##§2电磁波一.电磁波的产生与传播广义的电磁辐射包括无线电波、微波、红外线、可见光、X射线、γ射线等。对无线电波（kHz~MHz）而言，可用振荡电路产生电磁振荡：0dddd22CqtqRtqL当电阻很小时)cos(00teqqt在电路中作受迫振动，直流电源供电。1)频率足高：辐射功率∝，固有频率，40fLCf212)电路开放（天线）：参见图8.21。∴L、C必须足小。3)振荡偶极子模型：●●图8.93振荡电偶极子图8.93振荡磁偶极子(a)(b)(c)图8.21发射示意图1.设无限大均匀介质中。为常量，0,,00000jrr二．传播中的电磁波0DtBE0BtDHHBED0EtBE0BtEB(1)由和得返片132.简化：为简单，再设E,B仅是y和t的函数，即),(),(),(tyEEtyEEtyEEzzyyxx或代入式(1)得tEyBxztEy0tEyBzx0yEy0yBy),(tyEE),(tyBB),(),(),(tyBBtyBBtyBBzzyyxx沿Y方向讨论tByExztBy0tByEzx和(2)可见By，Ey为常量，不传播，可令Ey=By=0。不随空间变化不随时间变化横波片24片123.取坐标：适当取坐标，使kEEz代入式(2)得0tBz0yBz故iBBx即互相垂直与EB则0yxEE则0yzBBtEyBxztEy0tEyBzxtByExztBy0tByEzx(2)4.消元：由式(2)消去Bx，得2222tEyEzz令1则222221zzEEyt同理，消去Ez，得222221xxBByt沿Y方向传播的平面电磁波。tEyBxztEy0tEyBzxtByExztBy0tByEzx(2)5.真空中的光速：实验测得)(104)(108542.8170212120mHmNC则波速812.997910()ms即预言：光是一种电磁波。001c经典电磁理论：电子跃迁而发光。——真空中的光速6.特解：00cos()cos()zzxxyEEtyBBt(3)将式(3)代入式(2)中并积分得dxzBEyt0sin()dxyBty0cos()xyBt则EB或EH同相与EBtEyBxztEy0tEyBzxtByExztBy0tByEzx(2)xB【讨论】：1.预言电磁波的存在，是横波；2.光是一种电磁波；3.同相；BE,4.成右螺旋；,,EBxyzOBE三.坡印廷(Poynting)矢量能量密度：222121HE能流密度：22()2SwEH)(2122HEHE)(21HEHES即EHS或HES坡印廷矢量能流密度辐射强度IEHSS简例：如图所示,电容器充电过程四.电磁波的物质性1.客观存在是物质的基本属性之一；2.电磁波具有能量、动量、质量和动量矩等；3.光具有粒子性——光子，能量h动量chP质量2chm4.电磁波服从物质基本定律1)物质不灭定律2)能量守恒与转换定律3)质能关系4)动量守恒定律5)动量矩守恒定律5.电磁波独立存在，不依附电荷；6.与实物粒子可以互换正、负电子对两个光子与一般物质不同1.光子无静止质量；2.真空中光速不变；3.电磁波具有空间共存性。电磁波是一种特殊的物质五.电磁波谱710VHF,FM1026105103102810RF10102102310MW电子,核自旋810UHF12510晶体13105102010IR分子振,转动热电偶16108101710UV内,外层电子光电管18101510710可见光外层电子人眼)(Hz)(m)(Jhν波谱微观源检测方法人工源310510电力3010交流发电机电子线路电子线路行波管磁控管速调管热物体,灯,电火花弧光,激光181010101510X-ray内层电子电离室X-射线管121020101310γ-ray原子核加速器盖革计数管无线电波谱名称波长频率主要用途分米波1m~10cm0.3~3Gc厘米波10cm~1cm3~30Gc毫米波1cm~0.1cm30~300Gc长波30000m~3000m10-100kc越洋长距离通讯和导航3000m~200m中波100~1500kc无线电广播200m~50m中短波1.5~6Mc电报通讯50m~10m短波6~30Mc无线电广播，电报通讯10m~1m米波30~300Mc调频无线电广播，电视广播无线电导航微波电视，雷达，无线电导航及其它专门用途EndtBzEyExyztBxEzEyzxtByExEzxytEzByBxyztExBzByzxtEyBxBzxytByExztBy0tByEzxtEyBxztEy0tEyBzx返片13