高中物理电磁波的基本知识 新课标 人教版 选修2-1

电磁波的基本知识

自1888年赫兹用实验证明了电磁波的存在，迄今，人们已经陆续发现，不仅光波是电磁波，还有红外线、紫外线、X 射线、射线等也都是电磁波，科学研究证明电磁波是一个

大家族。所有这些电磁波仅在波长（或频率）上有所差别，而在本质上完全相同，且波长不同的电磁波在真空中的传播速度都是。因为波的频率和波长满足关系式，所以频率不同的电磁波在真空中具有不同的波长。

自从电磁波发现以来，电磁波的应用得到了飞速的发展。1895年俄国科学家波波夫发明了第一个无线电报系统。1914年语音通信成为可能。1920年商业无线电广播开始使用，20世纪30年代发明了雷达，40年代雷达和通信得到飞速发展，自50年代第一颗人造卫星上天，卫星通讯事业得到迅猛发展。如今电磁波已在通讯、遥感、空间控测、军事应用、科学研究等诸多方面得到广泛的应用。

电磁波的频率愈高，相应的波长就越短。无线电波的波长最长（频率最低），而射线的波长最短（频率最高）。目前人类通过各种方式已产生或观测到的电磁波的最低频率为

，其波长为地球半径的倍，而电磁波的最高频率为，它来自于

宇宙的射线。将电磁波按频率或波长的顺序排列起来就构成电磁波谱，不同频率的电磁波段有不同的用途。下面指出了各种波长范围(波段)的电磁波名称。

在电磁波谱中，波长最长的是无线电波。一般将频率低于的电磁波统称为无

线电波。无线电波通常是由电磁振荡电路通过天线发射出去的。无线电波按波长的不同又被分为长波、中波、短波、超短波、微波等波段。其中，长波的波长在3km以上，微波的波长小到0.1mm 。

不同波长（频率）的电磁波有不同的用途。广播电台使用的频率在中波波段；电视台使用的频率在超短波段；用来测定物体位置的雷达、无线电导航等使用的频率在微波段。

就其传播特性而言，长波、中波由于波长很长，衍射现象显著，所以从电台发射出去的电磁波能够绕过高山、房屋而传播到千家万户；短波的波长较短，衍射现象减弱，主要靠地球外的电离层与地面间的反射，故能传得很远。超短波、微波由于波长小而几乎只能按直线在空间传播，但因地球表面是球形的，故需设中继站，以改变其传播方向，使之克服地球形状将电信号传到远处。电视，远距离通讯、雷达都采用微波。当前，多用同步通讯卫星作为微波中继站。一般只需有三颗同步通讯卫星，就可将无线电信号传送到地球上大部分地区。

γ射线是一种比X射线波长更短的电磁波，它的波长在0.3nm以下，频率在

以上，。它来自宇宙射线或是由某些放射性元素在衰变过程中放射出来的。γ射线的能量极高，穿透能力比X射线更强，也可用于金属探伤等。通过对γ射线的研究，还可帮助了解原子核的结构。此外，原子武器爆炸时，有大量γ射线放出，它是原子武器主要杀伤因素之一。γ射线也是人类研究天体，认识宇宙的强有力的武器。

X射线又称伦琴射线（俗称X光），是波长比紫外线更短的电磁波，其波长范围在

之间。它一般是由伦琴射线管产生的，也可由高速电子流轰击金属靶产生，它

是由原子中的内层电子发射的。X射线具有很强的穿透能力，能使照相底片感光、使荧光屏发光。这种性质，在医疗上广泛用于透视和病理检查；工业上是工业探伤等无损检测的必要手段。由于X射线的波长与晶体中原子间距的线度相当，也常被用来分析晶体结构。

波长范围在40nm～400nm的电磁波，叫做紫外线。它是比可见光中的紫光波长更短的一种射线，人眼也看不见。炽热物体的温度很高(例如太阳)时，就会辐射紫外线。

紫外线有显著的生理作用，杀菌能力较强。在医疗上有其应用；许多昆虫对紫外线特别敏感，可用紫外灯来诱捕害虫；紫外线还会引起强烈的化学作用，使照相底片感光。另一方面，波长为290～320nm的紫外线，对生命有害。臭氧对太阳辐射中的上述紫外线的吸收能力极强，有95%以上可被它吸收。臭氧层在地球上方10～50km之间，它是地球生物的保护伞。

在电磁波谱中，可见光只占很小的一部分波段，即波长范围在400～760nm之间，这些电磁波能使人眼产生光的感觉，所以叫做光波。人眼所看见的不同颜色的光，实际上是不同波长的电磁波，白光则是各种颜色(红、橙、黄、绿、青、蓝、紫)的可见光的混合。波

长最长的可见光是红光(=630～760nm)，波长最短的光是紫光(=400～430nm)。

因为，光波的波长比无线电波更短，它在传播时的直线性、反射和折射性质就比超短波、微波更为显著；仅当光通过小孔、狭缝等时，才明显地显示出衍射现象(参阅第五编"光学")。

在微波和可见光之间的一个广阔波段范围(波长在600微米-- 0.76微米之间)的电磁波，叫做红外线。它在电磁波谱中位于可见光的红光部分之外，人眼看不见，波长比红光更长。

红外线是由炽热物体辐射出来的，人体就是一个红外线源。红外线的显著特性是热效应大，能透过浓雾或较厚大气层而不易被吸收。所谓热辐射，主要就是指红外线辐射。

红外线在生产和军事上有着重要应用。例如用红外线烘干油漆，干得快、质量好；由于坦克、舰艇、人体等一切物体都在不停地发射红外线，并且不同的物体所辐射的红外线，其波长和强度不同，故在夜间或浓雾天气可通过红外线探测器来接收信号，并用电子仪器对接收到的信号进行处理，或用对红外线敏感的照相底片进行远距离摄影和高空摄影，就可察知物体的形状和特征。这种技术称为红外线遥感。利用遥感技术可在飞机或卫星上勘测地形、地貌，监测森林火情和环境污染，预报台风、寒潮，寻找水源或地热等。此外，根据物质对红外线的吸收情况，可以研究物质的分子结构。

随着科学技术的不断进步相信，电磁波谱的两端还将不断扩展，电磁波的应用也将进一步扩展。

以后在光学、原子物理学和原子核物理学中，我们还要讲到热辐射(包括红外线、可见光、紫外线)、X射线和射线等电磁波的有关问题。