第四章电磁波的传播

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电动力学复习总结第四章电磁波的传播2012答案

第四章电磁波的传播一、填空题1、色散现象是指介质的( )是频率的函数. 答案：,εμ2、平面电磁波能流密度s 和能量密度w 的关系为( )。

答案：S wv =3、平面电磁波在导体中传播时,其振幅为( )。

答案：0x E e α-⋅4、电磁波只所以能够在空间传播,依靠的是( )。

答案：变化的电场和磁场相互激发5、满足条件( )导体可看作良导体，此时其内部体电荷密度等于( ) 答案：1>>ωεσ, 0, 6、波导管尺寸为0.7cm ×0.4cm ，频率为30×109HZ 的微波在该波导中能以( )波模传播。

答案： 10TE 波7、线性介质中平面电磁波的电磁场的能量密度（用电场E 表示）为( )，它对时间的平均值为( )。

答案：2E ε,2021E ε 8、平面电磁波的磁场与电场振幅关系为( )。

它们的相位( )。

答案：E vB =,相等9、在研究导体中的电磁波传播时，引入复介电常数='ε( )，其中虚部是( )的贡献。

导体中平面电磁波的解析表达式为( )。

答案： ωσεεi +='，传导电流，)(0),(t x i x e e E t x E ωβα-⋅⋅-= ,10、矩形波导中，能够传播的电磁波的截止频率=n m c ,,ω( )，当电磁波的频率ω满足( )时，该波不能在其中传播。

若b ＞a ，则最低截止频率为( )，该波的模式为( )。

答案： 22,,)()(b n a m n m c +=μεπω，ω＜n m c ,,ω，μεπb ，01TE11、全反射现象发生时,折射波沿( )方向传播.答案：平行于界面 12、自然光从介质1(11με，)入射至介质2(22με，),当入射角等于( )时,反射波是完全偏振波.答案：201n i arctgn = 13、迅变电磁场中导体中的体电荷密度的变化规律是( ). 答案：0teσερρ-=二、选择题1、电磁波波动方程22222222110,0E B E B c t c t∂∂∇-=∇-=∂∂,只有在下列那种情况下成立（）A ．均匀介质 B.真空中 C.导体内 D. 等离子体中答案： A2、电磁波在金属中的穿透深度（）A ．电磁波频率越高,穿透深度越深 B.导体导电性能越好, 穿透深度越深 C. 电磁波频率越高,穿透深度越浅 D. 穿透深度与频率无关答案： C3、能够在理想波导中传播的电磁波具有下列特征（） A ．有一个由波导尺寸决定的最低频率,且频率具有不连续性 B. 频率是连续的 C. 最终会衰减为零 D. 低于截至频率的波才能通过. 答案：A4、绝缘介质中，平面电磁波电场与磁场的位相差为（）A ．4π B.π C.0 D. 2π答案：C5、下列那种波不能在矩形波导中存在（）A ． 10TE B. 11TM C. mn TEM D. 01TE 答案：C6、平面电磁波E 、B、k 三个矢量的方向关系是（）A ．B E ⨯沿矢量k 方向 B. E B⨯沿矢量k 方向 C.B E ⨯的方向垂直于k D. k E ⨯的方向沿矢量B的方向答案：A7、矩形波导管尺寸为b a ⨯ ,若b a >,则最低截止频率为（）A ．μεπa B. μεπb C.b a 11+μεπ D. a2μεπ答案：A8、亥姆霍兹方程220,(0)E k E E ∇+=∇⋅=对下列那种情况成立（） A ．真空中的一般电磁波 B. 自由空间中频率一定的电磁波C. 自由空间中频率一定的简谐电磁波D. 介质中的一般电磁波答案：C9、矩形波导管尺寸为b a ⨯ ,若b a >,则最低截止频率为（）A ．μεπa B. μεπb C.b a 11+μεπ D. a2μεπ答案：A三、问答题1、真空中的波动方程，均匀介质中的定态波动方程和亥姆霍兹方程所描述的物理过程是什么？从形式到内容上试述它们之间的区别和联系。

入射波电场垂直入射面(PPT课件)

4.1 电磁场波动方程和时谐电磁场
B E E 0, B 0 , B E (4.1.6) t t 初始条件： E |t 0 E0 (r ), B |t 0 B0 (r ); 边界条件： E |S ES
4. 电场波动方程的定解问题原定解问题
三类典型的电磁波问题：传播，激发，与介质相互作用电磁场的波动性和波动方程，定解问题转换（传播问题）时谐电磁场，独立齐次边值关系绝缘介质和导体中的电磁波，电磁波在界面上的反射和折射有限空间的电磁波的传播，谐振腔和波导管 2018/11/17
第四章电磁波的传播
1
4.1 电磁场波动方程和时谐电磁场
3. 定态波动方程 /t i , 2 E E 2 E 2 0 t t B E , E 0, B 0
t E 0 由式(4.1.17)，B = 0 自动满足幅度因子满足的方程化为椭圆型，定解问题转化为边值问题，只需给定边界条件和无限远处的渐近条件解的唯一性问题：需由时谐场叠加得通解，然后借助初始条件和其他外部约束条件解决；例如电磁波的反射和折射将证明解的唯一性
n ( B2 B1 ) 0
(4.1.4)
{
(4.1.5)
dS E dS E dl B S S C i i
1
1
S
C
n B limS 0
电场切向分量连续导致磁感应强度法向分量自动连续;对时谐场，后者不独立！ i B E 一般结论:切向分量连续的任意矢量场，其旋度的法向分量连续：
一电磁场的波动方程(分区均匀线性各向同性介质) 1. 基本方程 B D E , H j0 t t D 0 , B 0

电动力学-第4章-第2节-电磁波在介质界面上的反射和折射

电磁波入射到介质界面发生反射和折射，其反射和折射的一、反射和折射定律在一定频率情形下，麦氏方程组不是完全独立的。

2，反射和折射定律的导出入射波、反射波和折射波的电场强度分别为：E E E ′′′,,(1) 角频率(2) 波矢分量间的关系：yy k ′′=′平面上，都在同一平面上，即分别代表入射角，反射角为电磁波在两介质中的相速度，则把波矢及它们的分量值代入它们之间的关系式，得这就是我们熟知的反射定律和折射定律！(3) 入射角、反射角和折射角的关系电磁波在介质界面上的反射和折射(9)211的相对折射率。

µ0，因此通常可认为就是两介质的相对折射率。

频率不同时，折射率亦不同，这是色散现象在折射问题中(4) 折射率电磁波在介质界面上的反射和折射(10)现应用边值关系式求入射、反射和折射波的振幅关系。

二、振幅和相位关系kr Hr k ′r k ′′r H ′′r H ′r E r E ′′r E ′r θθ′θ′′电磁波在介质界面上的反射和折射(11)1，E 入射面，如右图所示②①kr H r k ′r k ′′rH ′′r H ′r E r E ′′rE ′rθθ′θ′′xz nr利用已经推得的折射定律：2，E利用已经推得的折射定律得：(2a)(2b)三、全反射假设在情形下两介质中的电场形式上仍然不变，折射波电场：折射波磁场：电磁波在介质界面上的反射和折射(22)折射波平均能流密度：21θ分量，沿z 轴方向sin θ＞n 21 情形下12122−n i θsin 则由菲涅耳公式可以求出反射波和折射波的振幅和相位。

例如在。

平面电磁波

H 0
19
第一式第四式:
E 0 H 0
第二式第三式:
H 0 E 0
20
取第一式旋度并用第二式得
E 2E
E E 2E 2E
E 0
E 1 v
B
40
在真空中，平面电磁波的电场与磁场比值为
E 1 c
B
0 0
（用高斯单位制时，此比值为1，即电场与磁场量值相等）
41
概括平面电磁波的特性如下： 1. 电磁波为横波, E和B都与传播
方向垂直； 2. E和B互相垂直，EB沿波矢k方
向； 3. E和B同相，振幅比为v．
D E
B H
13
由介质的微观结构可以推论，对不同频率的电磁波，介质的电容率是不同的，即和是的函数（见第七章§6）

和随频率而变的现象------介质的色散
14
由于色散，对一般非正弦变化的电
场E(t)，关系式D(t)= E不成
2E k2E 0 亥姆霍兹方程的
E 0
每一个满足
E=0的解都代
B
i
E
表一种可能存在的波模．

23
类似地，也可以把麦氏方程组在一定频率下化为
2B k2B 0
B 0
i
i
E B
B

k
24
3．平面电磁波
按照激发和传播条件的不同，电磁波
t
麦克斯韦方程组
D
研究在没有电荷电流分布的自由空间
H
t
J
（或均匀介质）中 D
的电磁场运动形

第四章-电磁波的传播

过的电磁场能量。
解：（1）E
沿
x
轴方向振荡， k
x
kz
波沿z 方向传播。
k 2 102
（2） 2 106 2 102 (m)
k
f 106(Hz) 2
v 108 (m / s)
k
（3） E v ，
B
B H，
H E
v
H0
4
100
107 108
2.5
H
2.5e y
exp[i(2
v x 1 t k
2．平面电磁波的传播特性
(1) 平面波的一般解
Ex,
t
E0ei kxt
Bx,t B0eikxt
前面选择电磁波沿x轴方向传播，推
广到一般情况，平面电磁波的表达式
为左式： k 是沿电磁波传播方向的一个矢量，
k
设 S 为与 k 垂
直的平面。在S
面上相位
Rk s为x xkR在s k常上数的
eikxt 代表波动的
相位因子。
亥姆霍兹方程 2E k2E 0
对平面电磁波，亥姆霍兹方程化为一
维的常微分方程
d
2
E
(
x)
dx2
k
2
E(
x)
0
它的一个解是
Ex
E0eikx
因而时谐平面波场强的全表示式为
E x, t
E0
ei
kxt
由条件 E 0 得
ikex
E x, t
0
即要求 Ex 0，因此，只要与x轴垂
2
2
E02ek
例一：有一平面电磁波，其电场强度为
E x,t 100ex exp[i(2 102 z 2 106t)]

电磁波传播原理

电磁波传播原理电磁波是一种能够在真空中传播的波动现象，它在无线通信、无线电广播、雷达系统等领域发挥着重要的作用。

本文将介绍电磁波的传播原理，包括电磁波的定义与特性、电磁波的传播方式及其影响因素。

1. 电磁波的定义与特性电磁波是由电场和磁场相互耦合而成的波动现象。

电场和磁场通过Maxwell方程组相互关联，形成电磁波的传播。

电磁波具有以下特性：1.1 频率与波长电磁波的频率表示波动的周期性，单位为赫兹（Hz），波长表示波动的空间周期，单位为米（m）。

两者之间的关系为 c = λf，其中，c表示光速。

1.2 能量与强度电磁波携带能量，其能量与强度与电磁场的振幅相关。

强度衡量了电磁波的能量传递速率，单位通常为瓦特/平方米（W/m²）。

1.3 极化与方向电磁波的振动方向决定了其极化状态。

如果电磁波的电场振动方向固定不变，则为线偏振；如果电场振动方向在垂直平面上变化，则为圆偏振或椭圆偏振。

2. 电磁波的传播方式电磁波在空间中以波动的方式传播，主要包括直线传播、绕射传播和反射传播三种方式。

2.1 直线传播当电磁波沿着一条直线传播时，会保持波动的形态不变。

这种传播方式主要适用于开放的空间环境，例如无线通信中的室外传播。

2.2 绕射传播当电磁波遇到一个障碍物时，会发生绕射现象，即波动从一个区域穿过障碍物后继续传播。

绕射传播常见于射频通信中的建筑物、山脉等障碍物环境中。

2.3 反射传播电磁波在遇到介质边界时会发生反射现象，即波动从边界反射回来。

反射传播常见于无线电广播中的地面反射和室内环境中的多次反射。

3. 影响电磁波传播的因素电磁波的传播受到多种因素的影响，包括频率、波长、功率、环境和障碍物等。

3.1 频率与波长频率和波长决定了电磁波在空间中的传播特性。

高频率的电磁波会更容易受到阻碍，传播距离相对较短；低频率的电磁波可以穿透障碍物，传播距离相对较远。

3.2 功率与衰减电磁波的功率越大，传输距离越远。

然而，电磁波在传播过程中会受到衰减，衰减程度取决于介质的特性。

高中物理选择性必修2 第四章第2、3节电磁场与电磁波无线电波的发射和接收

第四章第2、3节电磁场与电磁波、无线电波的发射和接收教学设计一、教材分析电磁场的形成、电磁波的产生以及发射和接收是这两节的知识主干，在物理观念的形成上作为重点落实。

由于LC回路产生电磁振荡不如机械振动直观，要引导学生结合教材图示分析理解，并通过多媒体手段和实验演示等讲这一过程形象化，帮助学生在物理思维的培养上再上一个台阶。

电磁场的概念和麦克斯韦电磁理论是电磁学的核心内容，但是中学对电磁场理论是要求初步了解。

教材突出了理论的核心内容是：变化的电场产生磁场，变化的磁场产生电场，交替产生的电场和磁场传播出去形成电磁波。

能够动手实验的要学生亲自动手培养学生的科学探究能力。

无线电波的发射和接收涉及概念较多，可以结合图表、思维导图、流程图等多种手段，或者利用运送货物的装卸等流程来帮助学生理解调制、调谐、解调等一系列名次含义。

对电磁波的发现以及无线电波的应用，可以介绍赫兹和马可尼等人的不懈努力以及科技成果，落实培养学生的科学态度与责任。

二、学情分析学生在学习电磁场理论时，已经具备：静电场的知识、电流的产生和电流的磁效应知识、电磁感应现象等知识；接触并了解过电磁波的接收(半导体收音机等)或发射的机械设备。

学生对电磁场的知识掌握还不够全面和系统化，要更好的创设情境，精心组织素材，进一步培养学生的抽象思维和创造思维能力。

三、素养目标1．了解电磁场的形成、电磁波的产生。

2．了解电磁波的发射、传播和接收过程，知道无线电通信的基本原理。

3.能正确区分调制、调幅、调频、调谐和解调等概念。

4.结合实际生活，说出无线电通信在生活中的应用。

四、教学重点、难点1．教学重点：电磁场的形成、电磁波的产生、无线电的传播过程。

2．教学难点：无线电波传播的各种概念辨析。

五、教学方法实验演示法、类比分析法.六、教学过程同学们请看，这是电视台发射电视信号的信号塔效果图。

那么，为什么要建高耸入云的发射塔呢？这是为了接受信号，也就是电磁波。

接下来我们就来学习一下关于电磁波以及电磁波的发射和接收的相关知识。

电动力学第四章电磁波的传播

第四章电磁波的传播讨论电磁场产生后在空间传播的情形和特性。

分三类情形讨论：一：平面电磁波在无界空间的传播问题二. 平面电磁波在分界面上的反射与透射问题；三.在有界空间传播 -导行电磁波第一部分平面电磁波在无界空间的传播问题讨论一般均匀平面电磁波和时谐电磁波在无界空间的传播问题1时变电磁场以电磁波的形式存在于时间和空间这个统一的物理世界。

2 研究某一具体情况下电磁波的激发和传播规律，从数学上讲就是求解在这具体条件下Maxwell equations 或 wave equations 的解。

3 在某些特定条件下，Maxwell equations或wave equations可以简化，从而导出简化的模型，如传输线模型、集中参数等效电路模型等等。

4最简单的电磁波是平面波。

等相面（波阵面）为无限大平面电磁波称为平面波。

如果平面波等相面上场强的幅度均匀不变，则称为均匀平面波。

5许多复杂的电磁波，如柱面波、球面波，可以分解为许多均匀平面波的叠加；反之亦然。

故均匀平面波是最简单最基本的电磁波模式，因此我们从均匀平面波开始电磁波的学习。

§4.1波动方程 (1)§4.2无界空间理想介质中的均匀平面电磁波 (4)§4.3 正弦均匀平面波在无限大均匀媒质中的传播 (7)4.1-4.3 总结 (13)§4.4电磁波的极化 (14)§4.5电磁波的色散与波速 (16)4.4-4.5 总结 (18)§4.1 波动方程本节主要容：研究各种介质情形下的电磁波波动方程。

学习要求： 1. 明确介质分类； 2. 理解和掌握波动方程推到思路 3. 分清楚、记清楚无界无源区理想介质和导电介质区波动方程和时谐场情形下理想介质和导电介质区波动方程4.1.1介质分类：电磁波在介质中传播，所以其波动方程一定要知道介质的电磁性质方程。

一般情况下，皆知的电磁性质方程很复杂，因为反应介质电磁性质的介电参数是量。

4-1 平面电磁波

k 2 /
4. 平面电磁波的性质（ 1）
E E0 e
i k x t k x t
ik E0e ik E 由于E=0，所以 k E 0 , 表示电场波动是横波,
E可在垂直于k的任意方向上振荡。E的取向称为电磁波的偏振方向（极化方向），可以选与 k 垂直的
第四章电磁波的传播
在迅变情况下，电磁场以波动形式存在。变化着
的电场和磁场互相激发，形成在空间中传播的电磁波。由于在广播通讯、光学和其他科学技术中的广泛
应用，电磁波的传播、辐射和激发问题已发展为
独立的学科，具有十分丰富的内容。本章只介绍关于电磁波传播的最基本的理论，下
一章再讨论辐射和激发问题。
消去共同因子e-it 后得
E iH H iE E 0 H 0
（1）
（2）（3）（4）
注意：在0的时谐电磁波情形下这组方程不是独立的．
取第一式旋度并用第二式得
( E ) E
2
( E ) ( E ) E E
二、时谐电磁场
以一定频率作正弦振荡的波称为时谐电磁波（单
色波）。在一般情况下，即使电磁波不是单色波，
它也可以用傅里叶（Fourier）分析（频谱分析）方法分解为不同频率的正弦波的叠加。因此，下面只讨论一定频率的电磁波。 1. 场量的复数形式: 设电磁场只有一种频率，电磁场对时间的依赖
关系是cos t，或用复数形式表为
w E0 cos k x t
2 2
1 2 E0 1 cos 2k x t 2
和S都是随时间迅速脉动的量，实际上我们只需
用到它们的时间平均值。为了以后应用，这里给出二次式求平均值的一般公式．设f(t)和g(t)有复数表示

第四章电磁波及应用

A.电磁波可以在真空中传播，机械波的传播要依赖于介质 B.电磁波在任何介质中传播速率都相同，机械波只在同一种介质中传播速率才相同 C.电磁波和机械波都不能产生干涉 D.电磁波和机械波都能产生衍射 7.当电磁波的频率增加时，它在真空中的速度将（） A.减小 B.增大 C.不变 D. 以上都不对 8．央电视台曾做过关于“深度撞击”探测器撞击坦普尔彗星的特别报道，使得人们坐在家中同样可以享受这一史无前例的探索之旅。在直播电视画面上可看到工程人员欢呼的时刻为 13 时 57 分零秒。已知撞击时，彗星距离地球 1.336 亿公里，只计电磁波从彗星传到地球的时间，忽略电视信号在地球上的传播时间，估算撞击器与彗星的撞击时刻为）（ A． 13 时 49 分 35 秒 B． 13 时 57 分零秒 C． 13 时 42 分 10 秒 D． 14 时 04 分零秒 9.从地球向月球发射电磁波，经过 2.56s 收到它的反射波，月球、地球之间的距离是 km.
例1在电视节目中我们经常看到主持人与派到世界热点地区的记者通过同步理论传播电磁波电磁场实例实例应用分类实验麦克斯韦电磁理论赫兹电火花实验电磁波波谱无线电波的发射与接收电视信息化社会移动通讯传感器数字电视因特网第四章电磁波及应用通讯卫星通话他们之间的一问一答总是迟半拍这是为什么
第四章电磁波及应用
第一节电磁波的发现【知识要点】知识要点】 1．关于麦克斯韦电磁场理论变化的磁场产生电场，变化的电场产生磁场。如果电场或磁场的变化是均匀的，产生的磁场或电场是稳定的；如果电场是周期性（振荡）变化的，产生的磁场是同频率周期性变化的振荡。 2．关于电磁场和电磁波．电场和磁场本身就是一种物质，它们交替产生又相互联系，形成不可分割的统一体，并且由发生地向周围空间传播，形成电磁波，所以电磁波的传播有别于机械波，不需要介质，电磁波在真空中的传播速度跟光速相同，其值为 C=3.00×108 米/秒。赫兹用实验证实了电磁波的存在。典例分析】【典例分析】【例 1】根据麦克斯韦的电磁场理论,下列说法中错误的是． A．变化的电场可产生磁场 B．均匀变化的电场可产生均匀变化的磁场 C．振荡电场能够产生振荡磁场 D．振荡磁场能够产生振荡电场【解析】麦克斯韦电磁场理论的含义是变化的电场可产生磁场，而变化的磁场能产生电场；产生的场的形式由原来的场的变化率决定，可由原来场随时间变化的图线的切线斜率判断，确定．可见，均匀变化的电场的变化率恒定，产生不变的磁场，B 说法错误；其余正确．【例 2】如下图 4-1 中磁场的磁感应强度 B 随时间 t 变化的四种情况，如图所示，其中能产生电场的有________图示的磁场，能产生持续电磁波的有________图示的磁场。

高二物理第四章电磁波及其应用知识点总结

高二物理第四章电磁波及其应用知识点总结1、变化的磁场产生电场，变化的电场产生磁场2、变化的电场和磁场交替产生，由近及远的传播。

麦克斯韦方程组深刻指出，这种电场和磁场的传播是一种波动过程。

由此，一个伟大的预言诞生了：空间可能存在电磁波!3、与机械波不同，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，而电场和磁场本身就是一种形式的物质。

4、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*: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。

5、赫兹*实了麦克斯韦关于光的电磁理论。

6、波速=波长频率7、电磁波的频率范围很广。

无线电波、光波、x*线*线都是电磁波。

其中，可以看见的光波可见光，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他们排列成谱，叫做电磁波谱。

8、无线电波:波长大于一频率小于三9、无线电波：波长大于1mm(频率小于300000mhz)的电磁波是无线电波。

(广播，微波炉，电视，*电望远镜)红外线：所有物体都发*红外线，热物体的红外辐*比冷物体的红外辐*强。

紫外线：人眼看不到比紫外线波长更短的电磁波。

可以灭菌，发出荧光，可防伪。

x*线：x*线对生命物质有较强的作用，x*线能够穿透物质，可以用来检查人体内部器官，在工业上，利用x*线检查金属内部有无缺陷。

y*线：波长最短的电磁辐*是y*线，它具有很高的能量。

y*线能破坏生命物质。

可以治疗某些癌症，也可以用于探测金属部件内部的缺陷。

10、电磁波具有能量，电磁波是一种物质。

11、波长在黄绿光附近，辐*的能量最强。

我们的眼睛正好能感受这个区域的电磁辐*。

12、把信息加到载波上，就是使载波随信号而变化，这种技术叫做调制。

13、一种常见的调制方式是使高频载波的振幅随信号改变，这种调制叫做调幅。

14、另一种调制方式是使高频载波的频率随信号改变，这种调制方式叫做调频。

15、我们转动收音机的旋钮选择电台，实际上是在选择我们需要的电波，这在技术上叫做调谐。

电磁波的传播和性质

反射过程中电磁波的能量和振幅保持不变
反射过程中电磁波的相位发生变化
电磁波在传播过程中遇到不同介质时，会因为介质的不同而发生方向改变，这种现象称为折射。
折射率是描述电磁波在介质中传播速度变化程度的物理量，与介质的性质有关。
电磁波在真空中的传播速度最快，而在其他介质中的传播速度会因为介质的折射率不同而有所差异。
电磁波的危害与防护Fra bibliotek电磁辐射对人体的影响包括头痛、失眠、记忆力减退、免疫力下降等。
长期接触高强度电磁辐射会增加患癌症、心血管疾病和糖尿病等疾病的风险。
电磁辐射还会对孕妇和胎儿造成不良影响，如流产、胎儿畸形等。
电磁辐射还会影响电子设备的正常工作，如干扰无线通信和导航系统等。
波长：电磁波在一个周期内传播的距离，决定了电磁波的穿透能力和衍射能力。
能量：电磁波携带的能量与其频率成正比，与波长的平方成反比，决定了电磁波的加热和破坏能力。
关系：频率、波长和能量之间存在相互关联和制约，共同决定了电磁波的特性和应用。
电磁波的应用
无线电通信：利用电磁波传递信号，实现语音、数据传输卫星通信：通过卫星转发信号，实现全球覆盖和远距离通信移动通信：手机、平板等移动终端利用电磁波进行通信蓝牙通信：短距离无线通信技术，用于连接和传输数据
电磁波的传播和性质
汇报人：XX
目录
电磁波的传播方式
电磁波的性质
电磁波的应用
电磁波的危害与防护
电磁波的传播方式
定义：电磁波在同一种均匀介质中沿直线传播
条件：同一种均匀介质
实例：无线电波在空气中的传播
影响因素：介质的不均匀性、障碍物等

第四章电磁波的传播 §1. 平面电磁波§2. 电磁波在介质界面上的反射和折射§3. 有导体存在时电磁波的

知 H
E
较大，非铁磁
B
可取 = 0
(2) E k 在与 k 垂直平面上可将 E 分解成两个分量
(3) H k, 且 H E
(4)
nn ((EH22EH1)1
0 )0
即 Et E't E"t Ht H 't H"t
(5) ' ,
sin 2 sin " 1
(1 2 0 )
电磁波：迅变电磁场，导体内 = ？
电流：J
E
电荷：
E
/
,
J
E
J
0
t
t
J
,
d dt,
t
0e
t = 0 时，导体内 = 0 ，然后随 t 按指数衰减 t = 时，（ = / 特征时间） = 0 / e
导体内的自由电荷分布
t = 0 时，导体内 = 0 ，然后随 t 按指数衰减
o
y
x
平面电磁波的特性：（证明 see next page）
(1) 电磁波是横波， E k ， B k
(2) E B ， E B 沿 k 方向
(3) E 和 B同相，振幅比 E / B = v
平面电磁波
证明平面电磁波的特性
E 0
E
E0
ei
(
k
xt
)
E0
ei
( k xt
)i(k
E"
2 1 cos
2sin "cos
E 1 cos 2 cos" sin( ")
振幅关系 Fresnel 公式
(2) E || 入射面： (Ht H )

矩形波导中的电磁波

中去，则有：
由 D E E E E 0
得：
E 0
0
同理，由
B H H 0
得：
H 0
由
E
B
H
H (
x)e
it
itH(x)e
t
it
t
iH
得：
E iH
同理得到：
H iE
故有：
E iH
H iE
E 0
H
0
(11) (12) (13) (14)
E
即
2E
0 0
2E t 2
0
同理，对（8）式两边取旋度，并将（6）式代入，即可得到：
2B
0 0
2B t 2
0
令
C 1
0 0
则得到：
2
E
2
B
1 C2
1 C2
2E
t
2
0
2B t 2
0
(9) (10)
这就是众所周知的波动方程。由其解可知电磁场具有波动性，电磁场的能量可以从一点转移到另一点。即脱离电荷、电流而独立存在的自由电磁场总是以波动形式运动着。在真空中，一切电磁波（包括各种频率范围的电磁波，如无线电波、
其解
E(x) ,
H(
x代) 表电磁波场强在空间中的分布情
况，每一种可能的形式称为一种波模。
概括起来，在一定频率下，Maxwell’s equations 可以化为以下方程：
2 E k 2 E 0
E 0
(18)
B
i
E
或者
2 B k 2 B 0
B
0
(19)
E
i
b) 亥姆霍兹（Helmholtz)方程由时谐电磁波的Maxwell’s equations可看出：

电磁场与电磁波第四章

∇2ϕ
−
με
∂2ϕ ∂t 2
=
−
1 ε
ρ
矢量位和标量位满足(分离出的两个独立)的方程, 称为达朗贝尔方程
间接方法：A. 求解两个达朗贝尔方程 B. 达朗贝尔方程 + 洛仑兹条件
9
4.3 电磁能量守恒定律
讨论电磁场的能量问题，引入坡印廷矢量，得到反映电磁能量守恒关系的坡印廷定理。
一、电磁场能量密度和能流密度
=
d dt
V
(1 2
μ
|
v H0
|2
+
1 2
ε
|
v E0
|2 )dV
+
σ
V
|
v E0
|2
dV
20
根据
v E0
或
v H0
满足的边界条件，左端被积函数
v (E0
×
v H
0
)
⋅
evn
|S
=
(evn
×
v E0
)
⋅
v H
0
|S
=
v (H
0
×
evn
)
⋅
v E0
|S
=
0
即
∫ ∫ d
dt
V
(1 2
μ
|
v H0
|2
+
∂2Ez ∂y 2
+
∂2Ez ∂z 2
− με
∂2Ez ∂t 2
=0
解波动方程，可求出空间中电磁场场量的分布。
(直接求解波动方程的过程很复杂)
4
4.2 电磁场的位函数
一、矢量位和标量位
∇ ⋅ Bv = 0

电磁波的传播

波。这种以一定频率作正弦振荡的波称为时谐电
磁波（单色波）。
10
在通信技术上，载波是由振荡器产生并在通讯
信道(Communication Channel，是数据传输的通路)
上传输的电波，被调制后用来传送语音或其它信息。载波频率比输入信号的频率高，输入信号调制到一个高频载波上，就好像搭乘了一列高铁或一架飞机一样，然后再被发射和接收。
的平面波。
21
设电磁波沿 x 轴方向传播，其场强在与 x 轴正交的
平面上各点具有相同的值，即E 和 B 仅与 x，t 有关，而与y，z无关。这种电磁波称为平面电磁波，其波阵
面（等相位点组成的面）为与x轴正交的平面。
在这种情形下亥姆霍兹方程化为一维的常微分方程
d2 2 E ( x ) k E( x ) 0 2 dx
4
5
形式如（1.6）的方程称为波动方程，其解包括各种形式的电磁波。C 是电磁波在真空中的传播速度，是最基本的物理常量之一。
6
• 在真空中，一切电磁波（包括各种频率范围的电磁波，如无线电波、光波、X 和 γ 射线等）都以速度c 传播。 • 现在讨论介质情形。研究介质中的电磁波传播问题时，必须给出介质中 D E 以及 B H 的关系。
ε 和μ 随频率而变的现象称为介质的色散。
8
由于色散，对一般非正弦变化的电场E（t），
关系式
D（t）= εE（t），不成立。
因此在介质内不能够推出 E 和 B 的一般波动方程
即不能在（1.4）式中把 μ0 ε0 → με的方程。
下面只讨论一定频率的电磁波在介质中的传播。
9
2. 时谐电磁波
在很多实际情况下，电磁波的激发源以大致确定的频率作正弦振荡，因而辐射出的电磁波也以相同频率作正弦振荡。例如无线电广播或通讯的载波，激光器辐射出的光束等，都接近于正弦

粤教版高中物理选择性必修第二册第4章第3节电磁波的发射、传播和接收第4节电磁波谱课件

【典例1】 (多选)关于电磁波的发射和接收，下列说法正确的是( )
A．为了使振荡电路有效地向空间辐射能量，必须是闭合电路
√B．音频电流的频率比较低，不能直接用来发射电磁波 √C．当接收电路的固有频率与收到的电磁波的频率相同时，接收电
路产生的振荡电流最强
√D．要使电视机的屏幕上有图像，必须要有检波过程
[思路点拨] 解此题关键有两点：
(1)明确有效发射电磁波的条件。
(2)明确电谐振、检波的概念。
BCD [有效发射电磁波，必须采用开放电路和高频发射；一般的音频电流的频率较低，不能直接用来发射电磁波；电磁波接收原理是一种叫电谐振的现象，与机械振动中的共振有些相似；电视机显示图像时，必须通过检波过程，把有效的信号从高频信号中取出来，否则就不能显示。故A错误，B、C、D正确。]
(1)振荡频率足够高的开放电路才能发射电磁波。 ( )
√
(2)电磁波波长较长的波贯穿障碍物的能力强。 ( )
×
(3)电磁波波长较短的波能量大，穿透能力强。 ( )
√
(4) 可见光是整个电磁波谱中极狭窄的一段，其中红光波长最长√。
()
×
(5)红外线属于可见光。 ( )
03
学习效果·随堂评估自测
1．(2022·江苏阜宁实验高中高二阶段练习)赫兹在人类历史上首先捕捉到了电磁波，为无线电技术的发展开拓了道路。下列器件中，
既使用了电磁波接收技术，又使用了电磁波发射技术的是( )
A．电吹风 B．洗衣机 C．电熨斗 √D．手机
D [电吹风是消耗电能产生热能与风能的器件，与电磁波发射和接收无关，故A错误；洗衣机是消耗电能产生动能的器件，与电磁波发射和接收无关，故B错误；电熨斗是消耗电能产生热能的器件，与电磁波发射和接收无关，故C错误；手机同时使用了电磁波接收和发射技术，故D正确。]

（1）真空或介质中电磁波传播可视为无能量损耗,电磁波无衰减

§4.4.3 3 3 有导体存在时电磁波的传播有导体存在时电磁波的传播有导体存在时电磁波的传播引言：（1）真空或介质中电磁波传播可视为无能量损耗，电磁波无衰减（能量20E ∝）；（2）电磁波遇到导体，导体内自由电子在电场作用下运动，形成电流，电流产生焦耳热，使电磁波的能量不断损耗，因此在导体内电磁波是一种衰减波，电磁能→热能；（3）导体中电磁波传播过程：交变电磁场与自由电子运动相互作用，使它不同于真空或介质中的传播形式。

一．导体内的自由电荷分布1．静电场中导体上的电荷分布静电场中导体上的电荷分布：：静电平衡时，电荷仅分布在表面上，导体内部无电荷，且0=E r ，导体表面的电场⊥E r表面。

2．变化场情况下的电荷分布变化场情况下的电荷分布：：在有变化电磁场情况下，导体不再处于静电平衡状态，必然有体电荷分布)(t ρ，)(t ρ分布变化形成电流，产生附加变化电磁场，形成导体内总电磁场分布，又影响)(t ρ。

仅讨论均匀导体：由电荷守恒定律0=∂∂+⋅∇tJ ρr 和J E σ=r r、ρ=⋅∇D r 及E D r r ε=导出：ρεσρ−=∂∂t （其中σ为导体的电导率，ε为导体的介电常数（静电场下∞→ε））。

解为：00t t t e e ()σετρρρετσ−−== =其中 τ为特征时间或驰豫时间，表示ρ减小到e 0ρ所需时间。

3．良导体条件良导体条件：：τ>>T （σεω>>>1T ）或者1>>εωσ特性：导体内0)(=t ρ，电荷仅分布在导体表面一薄层内。

二．导体内的电磁波1．基本方程基本方程（（导体内部导体内部））=⋅∇≈=⋅∇∂∂+=×∇∂∂−=×∇00B D t D J H t B E r r r r r rr ρ 对于良导体0=ρ，但是可考虑0≠J r ，E J r r σ=，但J r一般良导体下也只分布在导体表面一薄层内；若考虑0≠J r，则边值关系中面电流0≡αr，若0=J r，则0≠αr。