十七章 电磁振荡和电磁波.ppt

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1、引：引：电磁波电磁波-电磁场由近及远传播的过程电磁场由近及远传播的过程其实我们是泡在电磁波里生活啊！其实我们是泡在电磁波里生活啊！1.了解了解LC电路中电磁振荡的规律和特点；电路中电磁振荡的规律和特点；2.了解电磁波的产生和辐射，电磁波的能量。了解电磁波的产生和辐射，电磁波的能量。3.理解电磁波的基本性质。理解电磁波的基本性质。教学要求教学要求历史人物和重大事件：历史人物和重大事件：M.Faraday(英国）：电磁感应定律；英国）：电磁感应定律；J.C.Maxwell(英国）：电磁理论；英国）：电磁理论；H.R.Hertz(德国）：证实电磁波；德国）：证实电磁波；G.Marconi(意大利）：

2、无线电传输；意大利）：无线电传输；波波夫（苏联）：无线电传输；波波夫（苏联）：无线电传输；J.A.Fleming(英国）：英国）：1904年制成二极管；年制成二极管；l.De.Forest(美国）：美国）：1906年发明三极管；年发明三极管；斯耳顿斯耳顿(英国）：英国）：1908年提出电视机的设计原理；年提出电视机的设计原理；1910年美国出现无线电广播；年美国出现无线电广播；1925年美国制成光电显像管和第一台电视机；年美国制成光电显像管和第一台电视机；1928年美国出现电视台；年美国出现电视台；肖克莱，巴丁和布拉坦（美国）：肖克莱，巴丁和布拉坦（美国）：1947年年12月月23日日制成第一

3、只晶体管，制成第一只晶体管，1950年日发明晶体管三极管；年日发明晶体管三极管；1959年美国率先推出第一块集成电路年美国率先推出第一块集成电路,.,现现 在已是超大规模集成电路；在已是超大规模集成电路；40和和50年代发明计算机，年代发明计算机，.，巨型计算机；，巨型计算机；二十一世纪：信息时代，你们的时代！二十一世纪：信息时代，你们的时代！一一 振荡电路振荡电路 无阻尼自由电磁振荡无阻尼自由电磁振荡LCE EKLC 电磁振荡电路电磁振荡电路L+CAL+CCLCBLCD17171 1 振荡电路振荡电路 电磁振荡电磁振荡二、定量计算二、定量计算:电能电能磁能磁能电能电能磁能磁能周期性变化周期性

4、变化LC与谐振子的运动方程相似！与谐振子的运动方程相似！微分方程的解为：微分方程的解为：将将上上式对时间求微分得：式对时间求微分得：电流和电荷都随时间做周期性变化，其周期及电流和电荷都随时间做周期性变化，其周期及频率分别为：频率分别为：无阻尼自由振荡中的电荷和电流随时间的变化无阻尼自由振荡中的电荷和电流随时间的变化 O三三、无阻尼电磁振荡的能量无阻尼电磁振荡的能量 在无阻尼自由电磁振荡过程中，电场能量和磁场在无阻尼自由电磁振荡过程中，电场能量和磁场能量不断的相互转化，其总和保持不变能量不断的相互转化，其总和保持不变.电磁场能量守恒是有条件的电磁场能量守恒是有条件的.p88 要能有效地把电路中的

5、电磁能量不断发射出去，要对要能有效地把电路中的电磁能量不断发射出去，要对电路作如下改进：电路作如下改进：(2)电路必须开放电路必须开放,使振荡电路所产生的电磁场充分使振荡电路所产生的电磁场充分分散在周围空间分散在周围空间.L=n2 V 要减小要减小L 必须减小匝数和体积；要减小必须减小匝数和体积；要减小C 必必须减小极板面积须减小极板面积 S 和增大板间距和增大板间距d.17172 2 电磁波的产生和辐射电磁波的产生和辐射(1)振荡电路的频率必须足够高振荡电路的频率必须足够高 电磁波的平均辐射功率电磁波的平均辐射功率L LI IC C 图示增高振荡电流频率并开放电磁场的改进方法图示增高振荡电流

6、频率并开放电磁场的改进方法 当线圈匝数减小到用一根直线代替，电容器极板拉当线圈匝数减小到用一根直线代替，电容器极板拉开，极板面积缩为一点时开，极板面积缩为一点时，L、C 最小，最小，最大，且电最大，且电磁场完全分散在周围空间磁场完全分散在周围空间 这种直线两端出现正负交替的等量异号电荷的振荡这种直线两端出现正负交替的等量异号电荷的振荡电路称为振荡偶极子电路称为振荡偶极子.+q-qP1 1、电磁波的传播、电磁波的传播 按照麦克斯韦电磁场理论按照麦克斯韦电磁场理论,变化的电场在其周围激发变化的电场在其周围激发变化的磁场变化的磁场;变化的磁场又要在其周围激发变化的电场变化的磁场又要在其周围激发变化的

7、电场,变化的电场和变化的磁场相互激发使电磁波在空间由近及变化的电场和变化的磁场相互激发使电磁波在空间由近及远传播开来远传播开来.直线方向示意图直线方向示意图 1888年年赫赫兹兹用用振振荡荡偶偶极极子子产产生生出出电电磁磁波波,并并接接收收到到电电磁磁波波，在在历历史史上上第第一一次次直直接接验验证证了了电电磁磁波波的的存存在在。验验证证了了麦克斯韦关于电磁场理论及光波是电磁波的预言麦克斯韦关于电磁场理论及光波是电磁波的预言.2 2、电磁波存在的实验验证、电磁波存在的实验验证赫兹赫兹实验装置如图：实验装置如图：感应圈感应圈发射电磁波发射电磁波接收电磁波接收电磁波谐振器谐振器AB17 3 电磁波

8、的基本性质电磁波的基本性质(1)在靠近振荡偶极子中心的小范围内在靠近振荡偶极子中心的小范围内 电场分布与静态的电偶极子的电场电场分布与静态的电偶极子的电场相近相近,电场线的两端与正负电荷相连电场线的两端与正负电荷相连.磁磁感线是以电偶极子为中心的一系列同心感线是以电偶极子为中心的一系列同心圆。圆。极轴极轴传播方向传播方向(2)在离振荡偶极子较远的区域在离振荡偶极子较远的区域 振荡偶极子在足够振荡偶极子在足够远处产生的电磁波为球远处产生的电磁波为球面波面波.以振荡偶极子的以振荡偶极子的中心为坐标原点，以偶中心为坐标原点，以偶极子的轴线为极轴取球极子的轴线为极轴取球坐标坐标.P点为空间任一点点为空

9、间任一点其坐标为（其坐标为（r，）.计算结果表明：计算结果表明：P点的电场强度矢量沿球面的经线点的电场强度矢量沿球面的经线方向；磁场强度矢量沿球面的纬线方向；方向；磁场强度矢量沿球面的纬线方向；二者相互垂二者相互垂直并与传播方向成右螺旋关系。直并与传播方向成右螺旋关系。通过计算得在任意通过计算得在任意 t 时刻时刻 E、H 的数值为：的数值为：式中式中 此即电磁波波速此即电磁波波速.(书第二册书第二册p.10)(1)(2)互相垂直，符合右手螺旋法则。互相垂直，符合右手螺旋法则。(3)在离振荡偶极子很远的地方在离振荡偶极子很远的地方 电磁波可视为平面波，此时函数变为：电磁波可视为平面波，此时函数

10、变为：(1)互相垂直，且都与传播方向垂直，即为横波；互相垂直，且都与传播方向垂直，即为横波；（2）在空间任一点上，）在空间任一点上，E 和和H 同位相，即同时达到最同位相，即同时达到最大，或最小；大，或最小；2.2.平面简谐电磁波的性质平面简谐电磁波的性质（3）E 和和H 有确定的关系：有确定的关系：，即知道，即知道E，可给出可给出H（值）；值）；（4）电磁波的速度：）电磁波的速度：真空真空 证实了麦克证实了麦克斯韦的断言：斯韦的断言：光光波是一种电磁波波是一种电磁波17-4 电磁波的能量电磁波的能量1.电磁波的能量电磁波的能量电磁波电磁波电磁能量的传播过程电磁能量的传播过程电磁辐射电磁辐射辐

11、射能辐射能能流密度：能流密度：单位时间通过垂直于波传播方向的单位面单位时间通过垂直于波传播方向的单位面积的辐射能，用积的辐射能，用S表示。表示。能量密度：能量密度：能流密度能流密度S：因为能流密度矢量的方向就是电磁波的传播方向即因为能流密度矢量的方向就是电磁波的传播方向即 速度速度v 的方向，而且的方向，而且v又与又与E和和H垂直，并满足右手螺旋垂直，并满足右手螺旋关系，所以上式可写成矢量式：关系，所以上式可写成矢量式：称之为：坡称之为：坡印廷印廷矢量矢量2.电磁波的辐射电磁波的辐射功率功率 振荡偶极子在单位时间内辐射出去的能量称为辐振荡偶极子在单位时间内辐射出去的能量称为辐射功率射功率P,可

12、将能流密度对整个球面积分而得可将能流密度对整个球面积分而得,即即 所以在一周期内的平均辐射功率为所以在一周期内的平均辐射功率为 交流电的频率仅为交流电的频率仅为50Hz,故电路中因电磁辐射而故电路中因电磁辐射而损失的能量可忽略损失的能量可忽略.17-5 电磁波谱电磁波谱请自学五分钟！请自学五分钟！760nm400nm 可见光可见光 电电 磁磁 波波 谱谱红外线红外线 紫外线紫外线 射射 线线X射线射线长波无线电波长波无线电波频率频率波长波长短波无线电波短波无线电波无线电波无线电波可见光可见光红外线红外线紫外光紫外光 射线射线 射线射线 我们把电磁波按波长我们把电磁波按波长(或频率或频率)进行排队分类进行排队分类,所列的所列的表称为电磁波谱表称为电磁波谱.射线射线射线电离能力电离能力贯穿能力贯穿能力速度速度成分成分氦氦原子核原子核高速高速电子流电子流高能量高能量电磁波电磁波1/10光速光速接近光速接近光速光速光速一一张纸张纸 铅铅(数数 mm)铅铅(数数 cm)很容易很容易较弱较弱更小更小 今天，物理学为你打开一道门，引导你迈入科今天，物理学为你打开一道门，引导你迈入科学的殿堂。明天，你要为物理学打开一扇窗，让人学的殿堂。明天，你要为物理学打开一扇窗，让人类迎接新的曙光！类迎接新的曙光！物理教师物理教师