大学物理第五版平面电磁波

一、波源不动,观察者相对介质以 v 0 运动 （1）观察者向着波源运动时
' u v0
u
v0 u
s
s
结论：接收到的频率较波源频率升高。
第十章 波动
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物理学
第五版
（2）观察者远离波源运动
'
u
v0 u
s
s
结论：接收到的频率降低。
二 观察者不动,波源相对于介质以 运v s 动
（1）波源向着观察者运动时
u 1
第十章 波动
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物理学
第五版 *三、赫兹实验(Hertzian experiment)
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。
T
D Q
P: K
C
赫兹实验在人类历史上首次发射和接收了电磁
波，且通过多次实验证明了电磁波与光波一样能
够发生反射、折射、干涉、衍射和偏振，验证了
v s : 波源向观察者运动 “ - ”
远离 “ + ”
第十章 波动
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物理学
第五版
§10-7 平面电磁波
一 电磁波的产生与传播
变化的电场和变化的磁场互相依存、又互相激
发, 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。
EE
E
E
L
C
H
H
HH
电荷和电流随时间作周期性变化的现象，称为
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物理学
第五版 可写作：EE 0cos tc x E 0cos2 π T t x
H H 0cos tc x E 0cos2 π T t x
从两式可以看到，E 和H 有相同的频率，且两者是同 相位的。
分别对x及t 求二阶偏导：
2E 1 2E
t2 x2
2H t 2
1
2H x2
穿透力比X射线更强，对生物的破坏力很大。
第十章 波动
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电磁振荡。固有振荡频率为 f 1 2 LC
第十章 波动
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物理学
第五版 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。 提高频率，须减小线圈自感L和电容C；开放
振荡电路，不让电（磁）场和电（磁）能集中在 电容器和线圈之中，而要分散到空间去。
改造LC振荡电路使之演变为一根直导线，电流 往返振荡，两端出现正负交替变化的等量异号电 荷，此电路就称为振荡偶极子，或偶极振子 (dipole oscillator) 。
麦克斯韦的预言，揭示了光的电磁本质，从而将
光学与电磁学统一起来。
第十章 波动
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物理学
第五版
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。
第十章 波动
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物理学
第五版
四.平面电磁波的特性
1. 横波
2. 偏振性
y
u
E
3. E和H 同相位
z
4. E和H量值成比例 E uH
u
H
根据在真空中：有
0E0 u0H0
H0
0
u0
E0
0.796
方向沿y轴负向。
H y 0 .7 9 6 c o s(2 π t π /3 )
第十章 波动
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物理学
第五版
ห้องสมุดไป่ตู้
五. 电磁波的能量
辐射能 以电磁波的形式传播出去的能量. 电磁波的能流密度 Swu
➢ 电磁场能量密度ww ew m1 2(E2H2)
以偶极振子为天线可有效地在空间激发电磁波。
第十章 波动
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物理学
第五版
一条闭合电场线的形成过程:
磁感应线是以偶极振子为轴、疏密相间的同 心圆，并与电场线互相套连。
离振子的距离r远大于电磁波波长的波场区，
波面趋于球面，电磁场分布比较简单。
第十章 波动
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物理学
第五版 二、偶极振子发射的电磁波
距振子中心小于波长的近心区，电磁场分布比 较复杂，可从一条电场线由出现到形成闭合圈并 向外扩展的过程中看出。
2
物理学
第五版 相邻波腹（节）间距 2
相邻波腹和波节间距 4
3.半波损失（相位跃变）
当波由波疏介质入射 波密介质 而在波密媒质界面上反射时，反射波在反射点 产生的相位跃变，相当于出现了(消失了）半个 波长的波程差，称半波损失。
第十章 波动
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物理学
第五版
4.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 收到的波的频率有所变化的现象称为多普勒效应。
大学物理第五版平面电磁波
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第五版
1.驻波方程 y2Acos2πx cos2πt
驻波振幅随x 而异,与时间无关。
2.波腹,波节位置:
波节位置:
x (2k 1)
( 的奇数倍)
44
波腹位置: x 2k
4
( 的偶数倍)
4
(k0 , 1 , 2 ， )
第十章 波动
光速
u c 1 / 00 2 .9 9 18 8 m 0 s 1
练习:
第十章 波动
等于
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物理学
第五版
例题：在真空中沿着z轴负方向传播
x
的平面电磁波，O点处电场强度为 ：
E x 3 0 0 co s(2 π t π/3 )
写出O点处磁场强度。
z
O y
解： 根据平面电磁波的性质
E
由已知 E0 300
u
u
vs
s
s
结论：接收到的频率较波源频率升高。
第十章 波动
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物理学
第五版 （2）波源远离观察者运动
u
u Vs
s
s
结论：接收到的频率降低。
s s'
A
vsT
b
第十章 波动
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物理学
第五版
三 波源与观察者同时相对介质运动 (vs, v0)
v 0 : 观察者向波源运动取 “+”
'
u u
v v
0 s
s
远离取 “ - ”
第十章 波动
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物理学
第五版
振荡电偶极子附近的电磁场线
不同时刻振荡电
c
c
偶极子附近的电 场线
B
+
-
+ +
++
E
c
B E
c
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磁
场线如上图所示：
第十章 波动
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物理学
第五版
采用极坐标表示电场和磁场：
E(r,t)p02sinco (str)
H
x
5. 电磁波的传播速度为 u 1
通常和 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，此即电磁波在介质 中的色散现象。
第十章 波动
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熟记: 物理学
第五版
(1)电磁波是横波, Eu Hu; E
u
H
(2) E和 H同相位
(3)E 和 H数值成比例 H E
(4)电磁波传播速度 u 1/, 真空中波速
10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10
频率 Hz
长波无线电波
红外线 紫外线
760 nm 可见光 400 nm γ射 线
短波无线电波
X射线
波长m108 104 100 104 108 1012 1016
第十章 波动
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物理学
第五版 ⑴ 无线电波
无线电波的波长范围和用途：
名称
长波
中波
波长 频率
30000～ 3000～ 3000m 200m
10～ 100kHz
100～ 1500 kHz
主要用 途
越洋长 距离通 信和导 航
无线电 广播
中短波 短波
米波
微波 分米波 厘米波 毫米波
200～ 50m
50～10m 10～1m
100～ 10cm
10～ 1cm
1～ 0.1cm
1.5～ 6MHz
⑶ 可见光： 760 nm～400 nm 能使人眼产生光的感觉。
⑷紫外线： 400 nm～5有n明m显的化学效应和荧光效应， 也有较强的杀菌本领。
⑸ x射线： 5 nm ～ 0.04 nm 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 金属材料内部的缺陷和分析晶体结构等。
⑹ γ射线：小于0.04 nm
6～ 30MHz
30～ 300 MHz
300～ 3000 MHz
3000～ 30000 MHz
30000 ～
300000 MHz
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
第十章 波动
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物理学
第五版 ⑵红外线 ：0.6 mm～760 nm 热效应；不易被大气和浓雾吸收。
Su(E2 H2)EH
2
又 u 1/ H E
➢ 电磁波的能流密度(坡印廷)矢量 S E H
第十章 波动
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物理学
第五版
E
H
另外
平面电磁波能流密度
平均值
S
1 2 E0H0
振荡偶极子的平均
辐射功率
S
pp024 4
12πu
第十章 波动
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物理学
第五版
四 电磁波谱
电磁波谱
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24
4πr
u
H(r,t) p02sinco(str)
4πr
u
以振子中心为球心、轴线为极轴作球面，作为电 磁波的波面。面上任一点A处，场强矢量 E 处于过点
A的子午面内，磁场强度矢量 H 处于过点A并平行于
赤道平面的平面内，两者互相垂直，并且都垂直于
点A的位置矢量 r ，即垂直于波的传播方向。
第十章 波动