第一章電磁波的發(fā)射條件第二章電磁波的傳播特性第三章電磁波的接收第四章電磁波的應(yīng)用第五章電磁波與物質(zhì)相互作用第六章電磁波的未來(lái)發(fā)展01第一章電磁波的發(fā)射條件電磁波發(fā)射的引入歷史背景1886年，赫茲通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了麥克斯韋的電磁波理論，首次成功發(fā)射和接收電磁波。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象赫茲實(shí)驗(yàn)中，振蕩電流產(chǎn)生電火花，周圍空間產(chǎn)生電磁波，用銅環(huán)接收電磁波產(chǎn)生火花，證明電磁波的能量傳遞?，F(xiàn)代應(yīng)用現(xiàn)代無(wú)線通信中，手機(jī)發(fā)射的電磁波頻率在900MHz至2500MHz之間，波長(zhǎng)在10cm至33cm范圍內(nèi)，用于數(shù)據(jù)傳輸。生活實(shí)例無(wú)線電廣播、電視信號(hào)、Wi-Fi等都利用電磁波進(jìn)行信息傳輸，電磁波已成為現(xiàn)代社會(huì)不可或缺的一部分?？茖W(xué)意義電磁波的發(fā)現(xiàn)推動(dòng)了物理學(xué)的發(fā)展，為后來(lái)的量子力學(xué)和相對(duì)論奠定了基礎(chǔ)，對(duì)現(xiàn)代科技產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。技術(shù)進(jìn)步從赫茲實(shí)驗(yàn)到現(xiàn)代通信技術(shù)，電磁波發(fā)射技術(shù)不斷進(jìn)步，頻率和功率不斷提高，應(yīng)用范圍不斷拓展。電磁波發(fā)射的條件分析振蕩電路的條件電磁波的發(fā)射需要LC振蕩電路，其中電感L和電容C決定振蕩頻率，頻率越高，電磁波傳播越遠(yuǎn)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)赫茲實(shí)驗(yàn)中，振蕩器電容為0.002pF，電感為100μH，振蕩頻率為5MHz，產(chǎn)生的電磁波功率約為1mW。理論依據(jù)麥克斯韋方程組表明，變化的電場(chǎng)和磁場(chǎng)可以相互激發(fā)，形成電磁波傳播，這是電磁波發(fā)射的理論基礎(chǔ)。數(shù)學(xué)模型振蕩電流表達(dá)式為i(t)=I?cos(ωt)，其中ω=2πf，頻率越高，電磁波傳播越快。能量守恒電磁波的發(fā)射需要能量，發(fā)射的電磁波能量等于振蕩電路中損耗的能量，這是能量守恒的體現(xiàn)。類比說(shuō)明如音叉振動(dòng)產(chǎn)生聲波，振蕩電路中的電荷振動(dòng)產(chǎn)生電磁波，兩者都是能量以波的形式傳播。電磁波發(fā)射的論證數(shù)學(xué)論證電磁波方程為?2E-μ?ε??2E/?t2=0，解得E=E?cos(kx-ωt)，其中k=2π/λ，ω=2πf。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證布朗運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)中，用可見光照射懸浮顆粒，觀察光的散射，驗(yàn)證電磁波與物質(zhì)的相互作用。類比說(shuō)明如彈球碰撞，電磁波與物質(zhì)相互作用時(shí)，能量和動(dòng)量會(huì)傳遞，但電磁波不需要介質(zhì)。電磁波發(fā)射的總結(jié)電磁波的發(fā)射需要振蕩電路，且振蕩電流需要足夠強(qiáng)、頻率足夠高?，F(xiàn)代無(wú)線通信中，發(fā)射機(jī)通過(guò)調(diào)制振蕩電路的頻率和振幅來(lái)傳輸信息。未來(lái)5G通信將使用更高頻率的電磁波（毫米波），波長(zhǎng)僅為1-10mm，這將進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)傳輸速率。電磁波的發(fā)射技術(shù)不斷進(jìn)步，頻率和功率不斷提高，應(yīng)用范圍不斷拓展，對(duì)現(xiàn)代科技產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。02第二章電磁波的傳播特性電磁波傳播的引入歷史背景2001年，美國(guó)宇航局發(fā)射的“深空一號(hào)”探測(cè)器，通過(guò)電磁波將數(shù)據(jù)傳回地球，距離達(dá)14億公里。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象赫茲實(shí)驗(yàn)中，電磁波在真空中的傳播速度為c=3×10?m/s，相當(dāng)于每秒繞地球赤道7.5圈?，F(xiàn)代應(yīng)用Wi-Fi信號(hào)傳播速度與光速相同，但受障礙物影響衰減，30米厚的墻壁會(huì)衰減90%以上信號(hào)。生活實(shí)例無(wú)線電廣播、電視信號(hào)、Wi-Fi等都利用電磁波進(jìn)行信息傳輸，電磁波已成為現(xiàn)代社會(huì)不可或缺的一部分。科學(xué)意義電磁波的傳播特性推動(dòng)了物理學(xué)的發(fā)展，為后來(lái)的量子力學(xué)和相對(duì)論奠定了基礎(chǔ)，對(duì)現(xiàn)代科技產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。技術(shù)進(jìn)步從赫茲實(shí)驗(yàn)到現(xiàn)代通信技術(shù)，電磁波傳播技術(shù)不斷進(jìn)步，頻率和功率不斷提高，應(yīng)用范圍不斷拓展。電磁波傳播的特性分析傳播速度電磁波在真空中的傳播速度為c=1/√(ε?μ?)，介質(zhì)中的速度為v=c/n，其中n為介質(zhì)的折射率。波長(zhǎng)與頻率關(guān)系電磁波的波長(zhǎng)與頻率成反比，λ=v/f，真空中λ=c/f。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可見光在玻璃中的速度為2.25×10?m/s，頻率為5×101?Hz，波長(zhǎng)為600nm。數(shù)學(xué)模型電磁波傳播方程為E=E?cos(kx-ωt)，其中k=2π/λ，ω=2πf。能量傳播電磁波傳播時(shí)，能量以波的形式傳播，不需要介質(zhì)。類比說(shuō)明如水波在水面?zhèn)鞑?，電磁波在空間傳播，兩者都是波動(dòng)的能量傳遞，但電磁波不需要介質(zhì)。電磁波傳播的論證數(shù)學(xué)論證電磁波傳播方程為?2E-μ?ε??2E/?t2=0，解得E=E?cos(kx-ωt)，其中k=2π/λ，ω=2πf。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證麥克斯韋實(shí)驗(yàn)中，用圓形線圈接收電磁波，觀察電流計(jì)指針偏轉(zhuǎn)，驗(yàn)證電磁波的傳播。類比說(shuō)明如彈球碰撞，電磁波傳播時(shí)，能量和動(dòng)量會(huì)傳遞，但電磁波不需要介質(zhì)。電磁波傳播的總結(jié)電磁波在真空中傳播速度恒定，介質(zhì)中速度減慢，波長(zhǎng)變短?，F(xiàn)代通信中，光纖通信利用光波在光纖中全反射傳播，速度接近光速，損耗極低。未來(lái)電磁波技術(shù)將突破現(xiàn)有瓶頸，實(shí)現(xiàn)更廣泛的應(yīng)用。03第三章電磁波的接收電磁波接收的引入歷史背景2020年，中國(guó)“奮斗者”號(hào)載人潛水器在馬里亞納海溝（深度11000m）成功發(fā)射電磁波，與地面通信。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象赫茲實(shí)驗(yàn)中，用銅環(huán)接收電磁波產(chǎn)生火花，證明電磁波的能量傳遞?，F(xiàn)代應(yīng)用手機(jī)通信、無(wú)線電廣播、電視信號(hào)等都利用電磁波進(jìn)行信息傳輸，電磁波已成為現(xiàn)代社會(huì)不可或缺的一部分。生活實(shí)例無(wú)線電廣播、電視信號(hào)、Wi-Fi等都利用電磁波進(jìn)行信息傳輸，電磁波已成為現(xiàn)代社會(huì)不可或缺的一部分?？茖W(xué)意義電磁波的接收特性推動(dòng)了物理學(xué)的發(fā)展，為后來(lái)的量子力學(xué)和相對(duì)論奠定了基礎(chǔ)，對(duì)現(xiàn)代科技產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。技術(shù)進(jìn)步從赫茲實(shí)驗(yàn)到現(xiàn)代通信技術(shù)，電磁波接收技術(shù)不斷進(jìn)步，頻率和功率不斷提高，應(yīng)用范圍不斷拓展。電磁波接收的原理分析接收方式電磁波的接收方式包括電感耦合和電容耦合，電感耦合中，天線中的線圈在電磁波磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生感應(yīng)電流。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)收音機(jī)調(diào)諧電路的電容為100-300pF，電感為0.1-0.5μH，可接收AM/FM廣播。諧振接收當(dāng)天線諧振于電磁波頻率時(shí)，接收效率最高。數(shù)學(xué)模型電磁波接收方程為ε=-dΦB/dt，其中ΦB為穿過(guò)線圈的磁通量。能量接收電磁波接收時(shí)，能量從電磁波傳遞到接收電路，這是能量接收的體現(xiàn)。類比說(shuō)明如收音機(jī)接收廣播信號(hào)，電磁波與物質(zhì)相互作用時(shí)，能量和動(dòng)量會(huì)傳遞，但電磁波不需要介質(zhì)。電磁波接收的論證數(shù)學(xué)論證電磁波接收方程為ε=-dΦB/dt，其中ΦB為穿過(guò)線圈的磁通量。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證麥克斯韋實(shí)驗(yàn)中，用圓形線圈接收電磁波，觀察電流計(jì)指針偏轉(zhuǎn)，驗(yàn)證電磁波的接收。類比說(shuō)明如收音機(jī)接收廣播信號(hào)，電磁波與物質(zhì)相互作用時(shí)，能量和動(dòng)量會(huì)傳遞，但電磁波不需要介質(zhì)。電磁波接收的總結(jié)電磁波的接收需要諧振天線，且接收效率與頻率和天線尺寸有關(guān)?，F(xiàn)代無(wú)線通信中，發(fā)射機(jī)通過(guò)調(diào)制振蕩電路的頻率和振幅來(lái)傳輸信息。未來(lái)5G通信將使用更高頻率的電磁波（毫米波），波長(zhǎng)僅為1-10mm，這將進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)傳輸速率。04第四章電磁波的應(yīng)用電磁波應(yīng)用的引入歷史背景2021年，中國(guó)空間站“天宮”通過(guò)電磁波與地面控制中心實(shí)時(shí)傳輸高清視頻。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象赫茲實(shí)驗(yàn)中，電磁波在真空中的傳播速度為c=3×10?m/s，相當(dāng)于每秒繞地球赤道7.5圈?，F(xiàn)代應(yīng)用Wi-Fi信號(hào)傳播速度與光速相同，但受障礙物影響衰減，30米厚的墻壁會(huì)衰減90%以上信號(hào)。生活實(shí)例無(wú)線電廣播、電視信號(hào)、Wi-Fi等都利用電磁波進(jìn)行信息傳輸，電磁波已成為現(xiàn)代社會(huì)不可或缺的一部分?？茖W(xué)意義電磁波的應(yīng)用推動(dòng)了物理學(xué)的發(fā)展，為后來(lái)的量子力學(xué)和相對(duì)論奠定了基礎(chǔ)，對(duì)現(xiàn)代科技產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。技術(shù)進(jìn)步從赫茲實(shí)驗(yàn)到現(xiàn)代通信技術(shù)，電磁波應(yīng)用技術(shù)不斷進(jìn)步，頻率和功率不斷提高，應(yīng)用范圍不斷拓展。電磁波應(yīng)用的分析通信領(lǐng)域無(wú)線電廣播、手機(jī)通信、互聯(lián)網(wǎng)等都利用電磁波進(jìn)行信息傳輸，電磁波已成為現(xiàn)代社會(huì)不可或缺的一部分。醫(yī)療領(lǐng)域核磁共振成像（MRI）使用射頻電磁波，非侵入式檢測(cè)人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)。軍事領(lǐng)域雷達(dá)使用更高頻率的電磁波，探測(cè)目標(biāo)距離、速度和方向。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可見光在玻璃中的速度為2.25×10?m/s，頻率為5×101?Hz，波長(zhǎng)為600nm。數(shù)學(xué)模型電磁波傳播方程為E=E?cos(kx-ωt)，其中k=2π/λ，ω=2πf。類比說(shuō)明如收音機(jī)接收廣播信號(hào)，電磁波與物質(zhì)相互作用時(shí)，能量和動(dòng)量會(huì)傳遞，但電磁波不需要介質(zhì)。電磁波應(yīng)用論證數(shù)學(xué)論證電磁波應(yīng)用方程為E=E?cos(kx-ωt)，其中k=2π/λ，ω=2πf。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證麥克斯韋實(shí)驗(yàn)中，用圓形線圈接收電磁波，觀察電流計(jì)指針偏轉(zhuǎn)，驗(yàn)證電磁波的應(yīng)用。類比說(shuō)明如收音機(jī)接收廣播信號(hào)，電磁波與物質(zhì)相互作用時(shí)，能量和動(dòng)量會(huì)傳遞，但電磁波不需要介質(zhì)。電磁波應(yīng)用的總結(jié)電磁波在通信、醫(yī)療、軍事等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用，頻率越高，應(yīng)用越先進(jìn)?，F(xiàn)代無(wú)線通信中，發(fā)射機(jī)通過(guò)調(diào)制振蕩電路的頻率和振幅來(lái)傳輸信息。未來(lái)5G通信將使用更高頻率的電磁波（毫米波），波長(zhǎng)僅為1-10mm，這將進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)傳輸速率。05第五章電磁波與物質(zhì)相互作用電磁波與物質(zhì)相互作用的引入歷史背景2019年，科學(xué)家使用太赫茲技術(shù)成功探測(cè)新冠病毒的分子結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象赫茲實(shí)驗(yàn)中，電磁波在真空中的傳播速度為c=3×10?m/s，相當(dāng)于每秒繞地球赤道7.5圈?，F(xiàn)代應(yīng)用Wi-Fi信號(hào)傳播速度與光速相同，但受障礙物影響衰減，30米厚的墻壁會(huì)衰減90%以上信號(hào)。生活實(shí)例無(wú)線電廣播、電視信號(hào)、Wi-Fi等都利用電磁波進(jìn)行信息傳輸，電磁波已成為現(xiàn)代社會(huì)不可或缺的一部分。科學(xué)意義電磁波與物質(zhì)的相互作用推動(dòng)了物理學(xué)的發(fā)展，為后來(lái)的量子力學(xué)和相對(duì)論奠定了基礎(chǔ)，對(duì)現(xiàn)代科技產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。技術(shù)進(jìn)步從赫茲實(shí)驗(yàn)到現(xiàn)代通信技術(shù)，電磁波與物質(zhì)相互作用技術(shù)不斷進(jìn)步，頻率和功率不斷提高，應(yīng)用范圍不斷拓展。電磁波與物質(zhì)相互作用的分析電偶極子振動(dòng)原子中的電子在電磁波電場(chǎng)作用下振動(dòng)，產(chǎn)生感應(yīng)電流。磁偶極子振動(dòng)原子中的電子在電磁波磁場(chǎng)作用下振動(dòng)，產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng)。偶極子轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)躍遷電磁波能量被原子吸收，電子從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)原子吸收光譜中，氫原子可見光區(qū)域的巴爾末系波長(zhǎng)分別為656nm（紅）、486nm（綠）、434nm（藍(lán)）、410nm（紫）。數(shù)學(xué)模型電磁波傳播方程為E=E?cos(kx-ωt)，其中k=2π/λ，ω=2πf。類比說(shuō)明如水波在水面?zhèn)鞑ィ姶挪ㄅc物質(zhì)相互作用時(shí)，能量和動(dòng)量會(huì)傳遞，但電磁波不需要介質(zhì)。電磁波與物質(zhì)相互作用論證數(shù)學(xué)論證電磁波相互作用方程為E=E?cos(kx-ωt)，其中k=2π/λ，ω=2πf。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證麥克斯韋實(shí)驗(yàn)中，用圓形線圈接收電磁波，觀察電流計(jì)指針偏轉(zhuǎn)，驗(yàn)證電磁波與物質(zhì)的相互作用。類比說(shuō)明如水波在水面?zhèn)鞑?，電磁波與物質(zhì)相互作用時(shí)，能量和動(dòng)量會(huì)傳遞，但電磁波不需要介質(zhì)。電磁波與物質(zhì)相互作用的總結(jié)電磁波與物質(zhì)相互作用的方式與頻率有關(guān)，不同頻率的電磁波具有不同的相互作用機(jī)制?，F(xiàn)代無(wú)線通信中，發(fā)射機(jī)通過(guò)調(diào)制振蕩電路的頻率和振幅來(lái)傳輸信息。未來(lái)電磁波技術(shù)將突破現(xiàn)有瓶頸，實(shí)現(xiàn)更廣泛的應(yīng)用。06第六章電磁波的未來(lái)發(fā)展電磁波未來(lái)發(fā)展的引入歷史背景2022年，科學(xué)家使用太赫茲技術(shù)成功探測(cè)新冠病毒的分子結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象赫茲實(shí)驗(yàn)中，電磁波在真空中的傳播速度為c=3×10?m/s，相當(dāng)于每秒繞地球赤道7.5圈?，F(xiàn)代應(yīng)用Wi-Fi信號(hào)傳播速度與光速相同，但受障礙物影響衰減，30米厚的墻壁會(huì)衰減90%以上信號(hào)。生活實(shí)例無(wú)線電廣播、電視信號(hào)、Wi-Fi等都利用電磁波進(jìn)行信息傳輸，電磁波已成為現(xiàn)代社會(huì)不可或缺的一部分。科學(xué)意義電磁波的未來(lái)發(fā)展推動(dòng)了物理學(xué)的發(fā)展，為后來(lái)的量子力學(xué)和相對(duì)論奠定了基礎(chǔ)，對(duì)現(xiàn)代科技產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。技術(shù)進(jìn)步從赫茲實(shí)驗(yàn)到現(xiàn)代通信技術(shù)，電磁波未來(lái)發(fā)展技術(shù)不斷進(jìn)步，頻率和功率不斷提高，應(yīng)用范圍不斷拓展。電磁波未來(lái)發(fā)展的分析太赫茲技術(shù)太赫茲波段的頻率為0.1-10THz，波長(zhǎng)為3mm-3μm，介于微波和紅外線之間，用于材料檢測(cè)、成像和通信。毫米波技術(shù)毫米波技術(shù)的頻率在30GHz至300GHz之間，波長(zhǎng)為1mm-10mm，用于5G/6G通信，頻率更高，帶寬更大。量子通信量子通信使用單光子傳輸信息，實(shí)現(xiàn)無(wú)條件安全的通信。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)太赫茲技術(shù)的探測(cè)距離可達(dá)1米，毫米波技術(shù)的穿透力較弱，量子通信的傳輸距離目前限制在百公里以內(nèi)。數(shù)學(xué)模型電磁波傳播方程為E=E?cos(kx-ωt)，其中k=2π/λ，ω=2πf。類比說(shuō)明如水波