第十三章 4 电磁波的发现及应用
电磁波为信息的传递插上了翅膀。广播、电视、移动通信等通信方式，使古代人“顺风耳、千里眼”的梦想变成了现实。
那么，电磁波是怎样发现的呢？
英国物理学家麦克斯韦系统地总结了人类直至 19 世纪中叶对电磁规律的研究成果，其中有库仑、安培、奥斯特、法拉第等人的奠基之功，更有他本人的创造性工作。在此基础上，他最终建立了经典电磁场理论。
下面我们定性地介绍麦克斯韦关于电磁场的一些观点。
在变化的磁场中放入一个闭合电路，电路里会产生感应电流。这是法拉第发现的电磁感应现象。麦克斯韦进一步想到：既然产生了感应电流，一定是有了电场，它促使导体中的自由电荷做定向运动；即使在变化的磁场中没有闭合电路，同样会在空间产生电场。因此，麦克斯韦认为：这个现象的实质是变化的磁场产生了电场。
既然变化的磁场能够产生电场，那么，变化的电场能产生磁场吗？麦克斯韦确信自然规律的统一性与和谐性，相信电场与磁场的对称之美。他大胆地假设：变化的电场就像导线中的电流一样，会在空间产生磁场，即变化的电场产生磁场。
按照这个理论，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（electromagnetic field）。
麦克斯韦推断：如果在空间某区域中有周期性变化
的电场，那么它就在空间引起周期性变化的磁场；这个变化的磁场又引起新的变化的电场（图 13.4–1）。于是，变化的电场和变化的磁场交替产生，由近及远地向周围传播。一个伟大的预言诞生了——空间可能存在电磁波（electromagnetic wave）。
我们熟悉声波和水波，耳朵能够听到声波是因为耳朵和声源之间有空气，水波的传播则需要水。空气、水是声波和水波传播的介质。水波和声波的传播都离不开介质。与这些波不同，电磁波可以在真空中传播，这是因为电磁波的传播靠的是电场和磁场的相互“激发”。
那么，电磁波以多大的速度传播？麦克斯韦推算出一个出人意料的答案：电磁波的速度等于光速！他还由此提出了光的电磁理论：光是以波动形式传播的一种电磁振动。
遗憾的是，麦克斯韦英年早逝，没有看到科学实验对电磁场理论的证实。把天才的预言变成世人公认的真理的人，是德国科学家赫兹。
1886 年，赫兹通过实验捕捉到了电磁波。后来他又做了大量的实验，证实了麦克斯韦的电磁场理论，为无线电技术的发展开拓了道路。
捕捉电磁波
如图 13.4–2，高压发生器 G 上安装两根长约 1 m、带有放电电极的铜管 A、B，两极的间隙约 0.5 cm，铜管构成发射天线。绝缘架上固定同样的两根铜管 C、D 作为接收天线，两管成一直线，中间连接一个电流表。
闭合高压发生器 G 的电源，在两个电极间产生放电火花。让接收天线与发射天线平行，改变两个天线的距离，观察电流表示数的变化。
在一列水波中，凸起的最高处叫作波峰；凹下的最低处叫作波谷。邻近的两个波峰 （或波谷）的距离叫作波长（图 13.4–3）。在 1 s 内有多少次波峰（或波谷）通过，波的频率就是多少。水波不停地向远方传播，用来描述波传播快慢的物理量叫作波速。波速、波长、频率三者之间的关系是
波速 = 波长×频率
对于电磁波，有同样的关系。如果用 λ 表示电磁波的波长，f 表示它的频率，那么，电磁波的波速 c 与 λ、f 的关系是
\[c = \lambda f\]
电磁波在真空中的速度
c - 3×108 m/s
电磁波的频率范围很广。无线电波、红外线、可见光、紫外线、X 射线、γ 射线，都是电磁波。可见光只是电磁波中的一小部分。按电磁波的波长或频率大小的顺序把它们排列起来，就是电磁波谱。不同电磁波由于具有不同的波长（或频率），因此具有不同的特性。利用这些特性，电磁波在生产、生活中有广泛的应用。例如，无线电波中的长波、中波、短波可以用于广播及其他信号的传输，微波可以用于卫星通信、电视等的信号传输。红外线可以用来加热理疗，可见光让我们看见这个世界，也可以用于通信。紫外线可以消毒，X 射线片可以用于诊断病情，γ 射线可以摧毁病变的细胞（图 13.4–4）。
法拉第用“力线”形象地描述了电磁场，麦克斯韦用数学语言表述了电磁场。但在当时，人们只把电磁场看作研究电磁现象的一种方法。赫兹通过实验证实了电磁波的存在，这意味着，电磁场不仅仅是一种描述方式，而且是真正的物质存在。
生活中常用微波炉来加热食物（图 13.4–5）。食物中的水分子在微波的作用下热运动加剧，内能增加，温度升高。食物增加的能量是微波给它的。可见，电磁波具有能量。例如，光是一种电磁波——传播着的电磁场，光具有能量。
除了可见光外，虽然我们看不到其他电磁波，却能通过它们的能量而感觉到它们。播音员的声音为什么能从电台到达我们的收音机？因为电台发射的电磁波在收音机的天线里感应出了电流，有电流就有能量。
我们有各种各样的仪器，能够探测到各种电磁波。所有这些都表明电磁波具有能量，电磁波是一种物质。
随着计算机网络的发展和智能手机的出现，负责通话的电信网、广播电视网和互联网相互渗透、相互兼容，逐步整合成为统一的信息通信网络。移动电话的主要业务也已经发展成为以互联网为基础的信息服务。人们可以通过接入互联网的手机看电影、聊天、购物、查阅资料、视频通话。这些信息都是通过电磁波来传递的（图 13.4–6）。
实物粒子是物质存在的一种形式，场是物质存在的另一种形式，它们都是客观存在的。场具有能量。
电磁波携带的信息，既可以有线传播，也可以无线传播。构建卫星宽带通信网络，可以使人们无论身处万米高空的飞机，还是茫茫大海的轮船，甚至没有人烟的荒漠、深山、海岛，都能高速浏览网页，与家人视频通话等。
1．家用微波炉的微波频率为 2 450 MHz，它的波长是多少？
2．变化的磁场和变化的电场形成不可分割的统一体——电磁场，它会由近及远地向外传播，它的传播需要介质吗？它传播的速度是多少？
3．中国航天员在天宫一号目标飞行器上成功进行了太空授课（图 13.4–7）。已知天宫一号目标飞行器轨道半径为 6 740 km，地球半径为
6 400 km，试计算航天员讲课的实时画面从天宫一号空间实验室发至地面接收站，最少需要多少时间？
4．电焊作业时，会产生对人体有害的电焊弧光。焊接电弧温度在 3 000℃ 时，辐射出大量频率为 1.0×1015 Hz 的电磁波。根据波长判断，它属于哪种电磁波？电焊工人作业时，需要佩戴专业的防护头盔（图 13.4–8），这是为什么？
第 4 节 电磁波的发现及应用 教学建议
1．教学目标
（1）了解人类发现电磁波的历史，知道麦克斯韦、赫兹等物理学家对电磁波发现做出的巨大贡献，领会在电磁波的发现过程中所蕴含的科学方法和科学精神。
（2）体验赫兹证明麦克斯韦预言的电磁波存在的实验过程及实验方法，领会物理理论和实验的相互配合对科学发展的巨大作用。
（3）了解电磁波本身是一种特殊物质，电磁波能传递能量和信息。
（4）了解电磁波谱中各波段的主要特性及其在科技、经济和社会信息化等方面的主要应用。知道可见光是电磁波谱家族中的一个频段。
2．教材分析与教学建议
本节包括两部分内容，即电磁波发现的历史概况、电磁波谱及其在科技和社会信息化方面的应用。本节内容是对原教科书相关的三节内容的整合、简化。
教科书首先提出麦克斯韦电磁场的基本概念和理论。由于在必修阶段学生没有学习机械振动和机械波的知识，因此对于麦克斯韦电磁场理论产生的历史渊源和理论的基本内容，教科书都直接陈述给出。电磁场理论建立的历史过程对我们有极大的启发，要重视发挥这段物理学史的教育功能。首先让学生体会电磁场理论的基本思想在物理学发展中的理论意义，其次体会科学家研究物理问题的思想方法，例如联想、推理，类比、对称等。最后，还要了解赫兹实验在物理学发展中的贡献以及用实验来验证理论的方法。教科书突出了电磁场理论中最核心的内容：变化的电场产生磁场、变化的磁场产生电场，变化的电场和磁场交替产生并传播出去形成电磁波。接下来教科书通过实例让学生了解电磁波的物质性，了解电磁波谱中各波段的主要特性和应用。课程标准对这些内容的要求属于了解的层次，教科书中也没有复杂的推理和计算。在教学方式上可以采取学生阅读、互动讨论为主，多展示一些相关的仪器设备或者图片，介绍相关知识，不要求掌握工作原理。重在培养学生科学的物质观，能用这些观念解释和解决实际问题，关注科技进步和社会发展。
本节课的教学重点是电磁波的发现历史概况，物理理论和实验的相互配合对科学发展的巨大作用；电磁波是一种特殊物质，能传播能量和信息；电磁波谱中各波段的主要特性以及在科技、经济和社会信息化等方面的主要应用。教学难点是麦克斯韦电磁场的基本概念和理论。
（1）问题引入
我们生活在信息化社会，电磁波在科技、经济、社会发展中有着重要的作用。学生对电磁波并不陌生，知道手机和卫星通信等都是电磁波的应用。教科书通过电磁波是当今信息技术传递的“翅膀”这一事实，进而提出“电磁波是怎样发现的呢”这一问题引入新课，引导学生探求电磁波发现的历史。建议在教学中让学生列举电磁波在生活和科技中的应用，提高学生的学习兴趣。
（2）电磁波理论的产生
对于电磁场理论的核心之一——变化的磁场产生电场，教科书从电磁感应现象出发，引导学生思考产生感应电流的本质是产生了电场，电子在电场的作用下定向移动形成电流。接下来要进一步引导学生思考：如果线圈不存在，线圈所处的空间还有电场吗？这种逐步抽象的方法可以帮助学生理解麦克斯韦的想法：麦克斯韦认为线圈只不过是用来显示电场的存在，线圈不存在的时候，变化的磁场同样在周围空间产生电场。要强调麦克斯韦揭露了电磁感应现象的本质是变化的磁场产生电场。
对于电磁场理论的另一个核心——变化的电场产生磁场，在教学中要突出它的依据是电和磁的对称性。这是中学物理中对称性和类比推理的思想方法教育的绝佳实例。
教学片段
变化的磁场产生电场
教师活动：引导学生思考：为什么闭合线圈内的磁通量发生了改变，线圈中就会产生感应电流呢？
学生活动：……（多数学生可能不知所云，只有个别学生会正确回答。）
教师活动：指出麦克斯韦是这样思考的：线圈中产生了感应电流，一定是因为导线内自由移动的电荷受到了电场（力）的作用，而这个电场的产生一定是因为线圈内的磁通量发生了改变的缘故。
教师阐述：麦克斯韦在对法拉第、安培、奥斯特、库仑等科学家的研究成果进行了大量的研究分析后，经过大胆的猜测和推理指出：在任意空间内，只要磁场的磁通量发生改变，在环绕磁场的外围空间内就会产生环绕状的电场。这个环绕状电场的电场线是无头无尾、涡旋状的封闭环（教师此时可以边说边画示意图，说明这种环绕状的电场和有头有尾的静电场是不同的），麦克斯韦称之为感应电场，麦克斯韦明确指出，电磁感应的实质就是变化的磁场产生电场。
教学片段
变化的电场产生磁场
教师阐述：洞察世界，使得物理学家们坚信自然规律一定具有对称、统一、简约、和谐之美！例如，有作用力就有反作用力；奥斯特发现了“电生磁”现象之后，法拉第发现了“磁生电”。麦克斯韦认为电与磁也应该是对称、统一、简约、和谐的。同学们认为接下来他会有什么理论猜想？
学生活动：积极思考。有的学生会想到：既然变化的磁场能够产生电场，那么变化的电场也应该能够产生磁场。
教师活动：归纳总结并指出，这是麦克斯韦基于对自然规律的深邃洞察而提出的具有前瞻性和创新性的科学假设。至此麦克斯韦并没有停步，而是继续展开思考：如果电场和磁场都是周期性变化的，那么它们之间就会相互激发下去，形成一个紧密联系的电磁统一体，由近及远地传播下去。麦克斯韦把这种电磁统一体称为电磁波。
麦克斯韦在前人的发现和工作基础之上，通过自己深刻的物理思维和数学归纳整理，创建了一套完善的理论体系——麦克斯韦方程组，又称麦克斯韦电磁场理论。
教科书在这一部分还介绍在麦克斯韦去世之后，德国物理学家赫兹成功设计并完成了系列实验，证实了麦克斯韦电磁理论的高度正确性。赫兹实验是检验麦克斯韦理论的试金石，是物理学史上具有奠基作用的伟大经典实验，对学生认识物理世界有重要作用。建议向学生介绍，在第一次观察到感应火花两年后，赫兹测出火花的传播速度恰如麦克斯韦预言的那样，就是光速。这既证实了电磁波的存在，又证实了光是电磁波。
教学片段
赫兹实验
教师活动：展示赫兹的电火花实验装置。这个装置分为如下两部分：①发射器：与高压圈相连的两个金属球。这是赫兹预设能够产生电磁波的部分。②接收器：用一根弯成环状的粗铜丝的两端连接两个距离可以调节的金属球。这是赫兹预设能够接收电磁波的部分。
学生活动：两位学生协助教师，完成赫兹电火花实验。让全体学生通过观察实验，信服电磁波的客观存在和电磁波具有能量的基本特征。
（3）电磁波谱、电磁波的能量与电磁波通信
教科书阐述了电磁波谱的组成，分波段解释了无线电波、红外线、可见光、紫外线、X 射线、γ 射线的特点和应用，并指出电磁波具有能量，应用有：红外线测温仪、微波炉、验钞机等。
在知识方面，可以引导学生从以下四个方面展开探究和学习：
①认识电磁波谱中各个频段的名称、主要特征、应用实例。要使学生理解各种不同频率的电礅波在本质上是相同的，它们的行为服从共同的规律，但因为频率的不同又具有各自的特性。
②对于电磁波谱中的红外线、紫外线、X 射线的学习，要注意引导学生抓住它们的主要特征和主要应用，并尽可能联系实例给出实物或者图片。
③通过对电磁波谱的学习，使学生体会到大自然的统一性和多样性。
④让学生定性地知道可见光的频率和颜色的关系。
对于电磁波谱的学习和应用方面，可以通过多种途径扩大学生的知识面，增强学生对所学知识的理解和记忆。例如，通过指导学生上网查找资料自学或引导学生进行市场调研等，了解移动通信、红外线、紫外线等电磁波的应用情况，让学生以小组的形式合作写一篇关于电磁波应用的调查报告或完成一个关于电磁波应用的科技制作。
3．“练习与应用”参考答案与提示
本节习题围绕电磁波的发现和应用展开。第 2 题考查电磁波产生机理的应用。第 1、3、4 题涉及电磁波的应用。其中，第 1、4 题是在生产、生活中的应用，贴近生活；第 3 题是我国航空、航天高科技领域的应用，能够增强学生的民族自豪感。
1．0.122 m
提示：由波速公式 c = λf，得到电磁波的波长为 λ = \(\frac{c}{f}\) = \(\frac{{3 \times {{10}^8}}}{{2450 \times {{10}^6}}}\) m = 0.122 m。
2．不需要；等于光速
3．1.13×10−3 s
提示：空间实验室至地面接收站的最短距离 x =（6 740 − 6 400）km = 340 km，电磁波的传播速度 c = 3.0×108 m/s，故传播的最短时间 t = \(\frac{x}{c}\) = \(\frac{{3.4 \times {{10}^5}}}{{3 \times {{10}^8}}}\) s = 1.13×10−3 s。
4．紫外线
紫外线对人体的危害主要是光化学作用，对人体皮肤和眼睛造成损害。为了预防电焊弧光对人体的危害，电焊工人在焊接时必须佩戴专业的防护头盔。
提示：由于电磁波波长 λ = \(\frac{c}{f}\) = \(\frac{{3 \times {{10}^8}}}{{1 \times {{10}^{15}}}}\) m = 3.0×10−7 m，属于紫外线。
发布时间：2020/1/4 下午9:22:19 阅读次数：5331
