電磁場與電磁波

【教學(xué)目標】

1．初步了解麥克斯韋電磁場理論的基本思想。

2．了解電磁波的產(chǎn)生和電磁波的特點。

3．了解電磁場的物質(zhì)性。

4．了解麥克斯韋電磁場理論在物理學(xué)發(fā)展史上的意義。

【教學(xué)重難點】

1．電磁振蕩中電場能和磁場能的轉(zhuǎn)化。

2．麥克斯韋電磁場理論的基本內(nèi)容。

【教學(xué)過程】

一、新課導(dǎo)入

1．打開收音機的開關(guān)，轉(zhuǎn)動選臺旋鈕，旋到使收音機收不到電臺的頻道，然后開

大音量。在收音機附近，將電池盒的兩根引線反復(fù)碰撞，你會聽到收音機中發(fā)出“喀喀”

的響聲。為什么會產(chǎn)生這種現(xiàn)象呢？打開電扇，將它靠近收音機，看看又會怎樣。

提示：電磁波是由電磁振蕩產(chǎn)生的，在收音機附近，將電池盒兩引線反復(fù)碰觸，變

化的電流產(chǎn)生變化的磁場，變化的磁場產(chǎn)生變化的電場，這樣會發(fā)出電磁波，從而導(dǎo)致

收音機中發(fā)出“喀喀”聲。若將轉(zhuǎn)動的電扇靠近收音機，因為電扇中電動機內(nèi)通有交變

電流，電動機的運行同樣會引起收音機發(fā)出“喀喀”聲。

2．復(fù)習(xí)電磁振蕩的周期和頻率：

（1）電磁振蕩的周期T：電磁振蕩完成一次周期性變化所用的時間。

（2）電磁振蕩的頻率f：1s內(nèi)完成周期性變化的次數(shù)。

（3）LC回路的周期公式。

周期公式：。其中：周期T、自感系數(shù)L、電容C的單位分別是秒（s）、

亨利（H）、法拉T（=F）2。π??

二、新課教學(xué)

（一）電磁場

1．變化的磁場產(chǎn)生電場

即使在變化的磁場中沒有閉合電路，也同樣要在空間產(chǎn)生電場。

2．變化的電場產(chǎn)生磁場

逐步深入講解：

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1．均勻變化的磁場產(chǎn)生穩(wěn)定的電場；非均勻變化的磁場產(chǎn)生變化的電場。

周期性變化的磁場產(chǎn)生同頻率周期性變化的電場。

2．均勻變化的電場產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場；非均勻變化的電場產(chǎn)生變化的磁場。

周期性變化的電場產(chǎn)生同頻率周期性變化的磁場。

英國物理學(xué)家麥克斯韋在總結(jié)前人研究電磁現(xiàn)象成果的基礎(chǔ)上，建立了完整的電磁

場理論。可定性表述為變化的磁場產(chǎn)生電場，變化的電場產(chǎn)生磁場，變化的電場和磁場

總是相互聯(lián)系的，形成一個不可分離的統(tǒng)一場，這就是電磁場。

（二）電磁波

緊接著電磁場進行講述：

1．電磁波的產(chǎn)生：變化的電場和磁場由近及遠地向周圍傳播，形成了電磁波。

由于電磁波的傳播靠的是電場和磁場的相互“激發(fā)”，所以不需要介質(zhì)，可以在真

空中傳播。

全局講解電磁波的形成：

2．電磁波的特點

機械波有橫波和縱波之分，且能夠傳遞能量；能發(fā)生反射、折射、干涉和衍射；靠

介質(zhì)傳播，波速v=λf。

類比機械波的特點，我們可以得出電磁波的特點：

（1）電磁波中的電場和磁場互相垂直，并且都與波的傳播方向垂直，即電磁波是

橫波。光是一種電磁波。在前面學(xué)習(xí)的光的偏振現(xiàn)象已經(jīng)證明了這一點。如圖所示。

［課件演示：電磁場方向間的關(guān)系］

（2）電磁波可以在真空中傳播，向周圍空間傳播電磁能，在傳播過程中，電磁波

能發(fā)生反射、折射、干涉和衍射。

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（3）三個特征量的關(guān)系：v=λf。在真空中v=3.0×108m/s。

麥克斯韋電磁場理論的建立具有偉大的歷史意義，足以根牛頓力學(xué)體系相媲美，它

是物理學(xué)發(fā)展史中的一個劃時代的里程碑。

3．電磁波的證實

麥克斯韋的電磁場理論還只是一個預(yù)言。還有待于科學(xué)實驗的證明。是赫茲把這個

天才的預(yù)言變成了世人公認的真理。

（引導(dǎo)學(xué)生閱讀教材，了解赫茲證實電磁波存在的探索歷程）

教師可以向?qū)W生介紹赫茲的生平簡介，激發(fā)學(xué)生求知上進的熱情，對學(xué)生進行物理

情感教育。

赫茲生平（HeinrichRudolfHertz1857~1894）

赫茲是德國物理學(xué)家，1857年2月22日出生于漢堡。在求學(xué)時代，他就被光學(xué)和

力學(xué)實驗所吸引。1878年轉(zhuǎn)入柏林大學(xué)，1879年在物理競賽中成績出眾，獲金質(zhì)獎?wù)拢?/p>

第二年獲博士學(xué)位，當了亥姆霍茲的助手。1885年任卡爾斯魯高等工業(yè)學(xué)院物理學(xué)教

授，1889年接替克勞修斯任波恩大學(xué)理論物理學(xué)教授，同年當選為柏林科學(xué)院通訊院

士。

赫茲在物理學(xué)上最主要的貢獻是用實驗成功地證明了電磁波的存在，并且完善了麥

克斯韋的電磁場理論。

1888年10月，赫茲在卡爾斯魯高等工業(yè)學(xué)院物理實驗室用放電線圈做火花放電實

驗，偶然發(fā)現(xiàn)和放電線圈靠得很近的另一個開口的絕緣線圈中有電火花跳過。這引起了

他的注意，立即想起以前亥姆霍茲曾提出讓他研究驗證麥克斯韋電磁場理論的問題。他

設(shè)計了一個裝置來進行實驗。他在感應(yīng)圈C的兩個電極上各接一根30cm長的銅棒A、

B，每根銅棒一頭各接一個黃銅小球，另一頭接邊長為40cm的正方形黃銅板，讓兩個

黃銅小球相對著，組成發(fā)生器。當通電時，發(fā)生器的銅球間產(chǎn)生高頻振蕩火花。另外，

他用一段導(dǎo)線彎成環(huán)狀，兩端各接一個銅球作為檢波器（如上圖），檢波器距離電磁波

發(fā)生器10m。發(fā)生器的兩個銅球間產(chǎn)生電火花時，他在檢波器的兩個銅球間隙也看到了

電火花。赫茲用這樣簡單的儀器成功地證明了電磁波的存在。赫茲的實驗報告轟動了科

學(xué)界。

之后，赫茲又設(shè)計實驗，利用一塊鋅板反射電磁波，并利用入射波和反射波疊加后

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產(chǎn)生的駐波波長和發(fā)生器振蕩頻率計算出電磁波的波速。最后的計算結(jié)果與麥克斯韋預(yù)

料的完全相同——等于光速。赫茲還通過實驗確認電磁波是橫波，具有光波的一切特征：

能產(chǎn)生反射、折射、衍射、干涉和有偏振性，從而全面驗證了光的電磁理論的正確性。

1890年以后，赫茲整理了麥克斯韋的理論，進一步完善了麥克斯韋方程組，使其更加

優(yōu)美、對稱，成為麥克斯韋方程組的現(xiàn)代形式。

赫茲還首先發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)現(xiàn)象，這一發(fā)現(xiàn)后來成為愛因斯坦建立光量子理論的實

驗基礎(chǔ)。

赫茲因骨癌于1894年元旦過早地逝世，年僅37歲。他的導(dǎo)師亥姆霍茲贊揚他“才

華橫溢、性格堅毅，用自己短暫的一生解決了一個世紀以來許多科學(xué)家所沒有解決的一

系列重要的問題”。赫茲的實驗為無線電技術(shù)的發(fā)展開辟了新的道路，他被譽為無線電

通訊的先軀。后人為了紀念他，用他的名字命名頻率的單位。

（三）拓展學(xué)習(xí)：機械波與電磁波的比較

機械波電磁波

對象研究力學(xué)現(xiàn)象研究電磁現(xiàn)象

周期性

位移隨時間和空間做周期性變電場強度E和磁感應(yīng)強度B隨時間和空間

變化的

化做周期性變化

物理量

傳播需要介質(zhì),波速與介質(zhì)有傳播無需介質(zhì),在真空中波速總是c,在介

傳播

關(guān),與頻率無關(guān)質(zhì)中傳播時,波速與介質(zhì)及頻率都有關(guān)系

產(chǎn)生由質(zhì)點（波源）的振動產(chǎn)生振蕩電流（電磁振蕩）激發(fā)

干涉可以發(fā)生可以發(fā)生

衍射可以發(fā)生可以發(fā)生

橫波可以是是

縱波可以是否

三、鞏固練習(xí)

1．下列說法正確的是（）

A．恒定電流能夠在周圍空間產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場

B．穩(wěn)定電場能夠在周圍空間產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場

C．均勻變化的電場能夠在周圍空間產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場

D．均勻變化的電場和磁場相互激發(fā)，形成由近及遠的電磁波

2．當電磁波的頻率增加時，它在真空中的速度將（）

A．減小

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B．增大

C．不變

D．減小、增大和不變均有可能

3．為了使發(fā)射的電磁波的波長增為原來的2倍，可以將振蕩電路的電容（）

A．變?yōu)樵瓉淼?倍

B．變?yōu)樵瓉淼?倍

C．減為原來的一半

D．減為原來的1/4

4．關(guān)于電磁波的傳播速度，以下敘述正確的是（）

A．波長越長，傳播速度越快

B．頻率越高，傳播速度越快

C．發(fā)射量越大，傳播速度越快

D．所有電磁波在真空中的傳播速度都一樣大

5．關(guān)于麥克斯韋電磁場理論，下面幾種說法正確的是（）

A．在電場周圍空間一定產(chǎn)生變化的磁場

B．任何變化電場周圍空間一定產(chǎn)生變化的磁場

C．均勻變化的電場周圍空間能產(chǎn)生變化的磁場