大学物理第五版平面电磁波.pptx

第十章第十章 波动波动物理学物理学第五版第五版1相邻相邻波腹（节）波腹（节）间距间距 相邻波相邻波腹腹和波和波节节间距间距3.3.半波损失半波损失（相位跃变）（相位跃变）当波由波疏介质入射当波由波疏介质入射波密介质波密介质 而在波密媒质界面上反射时，而在波密媒质界面上反射时，反射波在反射波在反射反射点点产生产生 的相位的相位跃变跃变，相当于出现了，相当于出现了(消失了）半消失了）半个波长的波程差，称个波长的波程差，称半波损失半波损失。第十章第十章 波动波动物理学物理学第五版第五版24.4.多普勒效应多普勒效应 因波源或观察者相对于介质的运动，而使观察者接因波源或观察者相对于介质的运动，而使观察者接收到的波的频率有所变化的现象称为多普勒效应。收到的波的频率有所变化的现象称为多普勒效应。一、波源不动一、波源不动,观察者相对介质以观察者相对介质以 运动运动（1 1）观察者）观察者向着向着波源运动时波源运动时结论：接收到的频率较波源频率升高。结论：接收到的频率较波源频率升高。第十章第十章 波动波动物理学物理学第五版第五版3（2 2）观察者）观察者远离远离波源运动波源运动结论：接收到的频率降低。结论：接收到的频率降低。二二 观察者不动观察者不动,波源相对于介质以波源相对于介质以 运动运动（1 1）波源）波源向着向着观察者运动时观察者运动时结论：接收到的频率较波源频率升高。结论：接收到的频率较波源频率升高。第十章第十章 波动波动物理学物理学第五版第五版4A（2 2）波源）波源远离远离观察者运动观察者运动结论：接收到的频率降低。结论：接收到的频率降低。第十章第十章 波动波动物理学物理学第五版第五版5三三 波源与观察者同时相对介质运动波源与观察者同时相对介质运动观察者观察者向向波源运动取波源运动取 “+”远离取远离取 “-”波源波源向向观察者运动观察者运动 “-”远离远离 “+”第十章第十章 波动波动物理学物理学第五版第五版6一一 电磁波的产生与传播电磁波的产生与传播 10-7 10-7 平面电磁波平面电磁波 变变化化的的电电场场和和变变化化的的磁磁场场互互相相依依存存、又又互互相相激激发发,并以有限的速度在空间传播，就是电磁波。并以有限的速度在空间传播，就是电磁波。LC振荡电路原则上可作发射电磁波的波源。振荡电路原则上可作发射电磁波的波源。电荷和电流随时间作周期性变化的现象，称为电荷和电流随时间作周期性变化的现象，称为电磁振荡电磁振荡。固有振荡频率为。固有振荡频率为 EEEEHHHHLC第十章第十章 波动波动物理学物理学第五版第五版7 发射电磁波须具备两个条件发射电磁波须具备两个条件:一是振荡频率要高，二是电路要开放。一是振荡频率要高，二是电路要开放。以偶极振子为天线可有效地在空间激发电磁波。以偶极振子为天线可有效地在空间激发电磁波。提提高高频频率率，须须减减小小线线圈圈自自感感L和和电电容容C；开开放放振振荡荡电电路路，不不让让电电（磁磁）场场和和电电（磁磁）能能集集中中在在电容器和线圈之中，而要分散到空间去。电容器和线圈之中，而要分散到空间去。改改造造LC振振荡荡电电路路使使之之演演变变为为一一根根直直导导线线，电电流流往往返返振振荡荡，两两端端出出现现正正负负交交替替变变化化的的等等量量异异号号电电荷荷，此此电电路路就就称称为为振振荡荡偶偶极极子子，或或偶偶极极振振子子(dipole oscillator)(dipole oscillator)。第十章第十章 波动波动物理学物理学第五版第五版8 磁磁感感应应线线是是以以偶偶极极振振子子为为轴轴、疏疏密密相相间间的的同同心圆，并与电场线互相套连。心圆，并与电场线互相套连。离离振振子子的的距距离离r远远大大于于电电磁磁波波波波长长 的的波波场场区区，波面趋于球面，电磁场分布比较简单。波面趋于球面，电磁场分布比较简单。一条闭合电场线的形成过程一条闭合电场线的形成过程:第十章第十章 波动波动物理学物理学第五版第五版9二、偶极振子发射的电磁波二、偶极振子发射的电磁波 距距振振子子中中心心小小于于波波长长的的近近心心区区，电电磁磁场场分分布布比比较较复复杂杂，可可从从一一条条电电场场线线由由出出现现到到形形成成闭闭合合圈圈并并向外扩展的过程中看出。向外扩展的过程中看出。第十章第十章 波动波动物理学物理学第五版第五版10不同时刻振荡电不同时刻振荡电偶极子附近的电偶极子附近的电场线场线+-振荡电偶极子附近的电磁场线振荡电偶极子附近的电磁场线 振荡电偶极子不仅产生电场，而振荡电偶极子不仅产生电场，而且产生磁场。振荡电偶极子周围的电且产生磁场。振荡电偶极子周围的电磁场线如上图所示：磁场线如上图所示：第十章第十章 波动波动物理学物理学第五版第五版11 以以振振子子中中心心为为球球心心、轴轴线线为为极极轴轴作作球球面面，作作为为电电磁磁波波的的波波面面。面面上上任任一一点点A处处，场场强强矢矢量量 处处于于过过点点A的的子子午午面面内内，磁磁场场强强度度矢矢量量 处处于于过过点点A并并平平行行于于赤赤道道平平面面的的平平面面内内，两两者者互互相相垂垂直直，并并且且都都垂垂直直于于点点A的位置矢量的位置矢量 ，即垂直于波的传播方向。，即垂直于波的传播方向。采用极坐标表示电场和磁场：采用极坐标表示电场和磁场：第十章第十章 波动波动物理学物理学第五版第五版12可写作：可写作：分别对分别对x及及t 求二阶偏导：求二阶偏导：从两式可以看到，从两式可以看到，E 和和H 有相同的频率，且两者是有相同的频率，且两者是同相位的。同相位的。第十章第十章 波动波动物理学物理学第五版第五版13*三、三、赫兹实验赫兹实验(Hertzian experiment)赫兹利用电容器充电赫兹利用电容器充电后通过火花隙放电会产后通过火花隙放电会产生振荡的原理，做成了生振荡的原理，做成了如图所示的振荡器。如图所示的振荡器。赫赫兹兹实实验验在在人人类类历历史史上上首首次次发发射射和和接接收收了了电电磁磁波波，且且通通过过多多次次实实验验证证明明了了电电磁磁波波与与光光波波一一样样能能够够发发生生反反射射、折折射射、干干涉涉、衍衍射射和和偏偏振振，验验证证了了麦麦克克斯斯韦韦的的预预言言，揭揭示示了了光光的的电电磁磁本本质质，从从而而将将光学与电磁学统一起来。光学与电磁学统一起来。TDCP:KQ第十章第十章 波动波动物理学物理学第五版第五版14 赫兹利用电容器充电后通过火花隙放电会产生赫兹利用电容器充电后通过火花隙放电会产生振荡的原理，做成了如图所示的振荡器。振荡的原理，做成了如图所示的振荡器。第十章第十章 波动波动物理学物理学第五版第五版15四四.平面电磁波的特性平面电磁波的特性1.1.横波横波4.4.E和和H量值成比例量值成比例 2.2.偏振性偏振性 3.3.E和和H 同相位同相位5.5.电磁波的传播速度为电磁波的传播速度为 通常通常和和 与电磁波的频率有关，在介质中不同与电磁波的频率有关，在介质中不同频率的电磁波具有不同的传播速度，此即电磁波在介频率的电磁波具有不同的传播速度，此即电磁波在介质中的质中的色散现象色散现象。第十章第十章 波动波动物理学物理学第五版第五版16(1)(1)电磁波是横波电磁波是横波2)(2)和和 同相位同相位 (3)和和 数值成比例数值成比例 (4)(4)电磁波传播速度电磁波传播速度 ,真空中波速真空中波速 等于光速等于光速 熟记熟记:练习练习:第十章第十章 波动波动物理学物理学第五版第五版17例题：在真空中沿着z轴负方向传播的平面电磁波，O点处电场强度为：写出O点处磁场强度。解：根据平面电磁波的性质由已知根据在真空中：有方向沿y轴负向。第十章第十章 波动波动物理学物理学第五版第五版18五五.电磁波的能量电磁波的能量辐射能辐射能 以电磁波的形式传播出去的能量以电磁波的形式传播出去的能量.电磁波的电磁波的能流密度能流密度 电磁场电磁场能量密度能量密度 电磁波的电磁波的能流密度能流密度(坡印廷坡印廷)矢量矢量 又又第十章第十章 波动波动物理学物理学第五版第五版19平面电磁波平面电磁波能流密度能流密度平均值平均值 振荡偶极子的平均振荡偶极子的平均辐射功率辐射功率另外另外第十章第十章 波动波动物理学物理学第五版第五版20760 nm400 nm 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四四 电磁波谱电磁波谱第十章第十章 波动波动物理学物理学第五版第五版21名称长波中波中短波短波米波微波分米波厘米波毫米波波长300003000m3000200m20050m5010m101m10010cm101cm10.1cm频率10100kHz1001500kHz1.56MHz630MHz30300MHz3003000MHz300030000MHz30000300000MHz主要用途越洋长距离通信和导航无线电广播电报通信无线电广播和电报通信调频无线电广播、电视广播和无线电导航电视、雷达、无线电导航等无线电波的波长范围和用途：无线电波的波长范围和用途：无线电波无线电波第十章第十章 波动波动物理学物理学第五版第五版22红外线红外线：0.6 mm760 nm 热效应；不易被大气和浓雾吸收。热效应；不易被大气和浓雾吸收。可见光：可见光：760 nm400 nm 能使人眼产生光的感觉。能使人眼产生光的感觉。紫外线：紫外线：400 nm5 nm 有明显的化学效应和荧光有明显的化学效应和荧光效应，也有较强的杀菌本领。效应，也有较强的杀菌本领。x射线射线：5 nm 0.04 nm 穿透能力强，在医疗上穿透能力强，在医疗上用于透视和病理检查；在工业上用于检查用于透视和病理检查；在工业上用于检查金属材料内部的缺陷和分析晶体结构等。金属材料内部的缺陷和分析晶体结构等。穿透力比穿透力比X射线更强，对生物的破坏力很大射线更强，对生物的破坏力很大。射线：小于射线：小于0.04 nm