光的電磁理論

光的電磁理論第一頁(yè)，共二十二頁(yè)，2022年，8月28日1.波動(dòng)及其基本特征

波動(dòng)：振動(dòng)在空間的傳播形成波動(dòng)?；咎卣鳎壕哂袝r(shí)間、空間雙周期性，并伴隨著能量的傳輸。時(shí)空雙周期：波場(chǎng)中每一點(diǎn)的物理狀態(tài)隨時(shí)間作周期性變化；在每一瞬時(shí)，波場(chǎng)中各點(diǎn)物理狀態(tài)的空間分布也成一定的周期性第二頁(yè)，共二十二頁(yè)，2022年，8月28日2.波動(dòng)的描述

標(biāo)量波與矢量波：波面：等相位面；波線：能量傳輸?shù)穆窂?；球面波：平面波：第三?yè)，共二十二頁(yè)，2022年，8月28日3.定態(tài)光波

定態(tài)波場(chǎng)的性質(zhì)：普遍的定態(tài)標(biāo)量波的表達(dá)式：定態(tài)平面波波函數(shù)的特點(diǎn)：定態(tài)球面波波函數(shù)的特點(diǎn)：旁軸條件與遠(yuǎn)場(chǎng)條件復(fù)振幅描述第四頁(yè)，共二十二頁(yè)，2022年，8月28日物理光學(xué)第一章光的電磁理論第五頁(yè)，共二十二頁(yè)，2022年，8月28日第一章光的電磁理論教學(xué)目的:1.了解光的電磁理論、電磁場(chǎng)的波動(dòng)性；2.徹底掌握光波在介質(zhì)中的傳播速率、介質(zhì)折射率的物理意義及其表達(dá)式；3.深入理解平面簡(jiǎn)諧光波場(chǎng)的時(shí)間、空間特性，以及描述平面簡(jiǎn)諧光波的數(shù)學(xué)表達(dá)式中各項(xiàng)參數(shù)的物理意義；4.牢固地掌握光強(qiáng)的概念和計(jì)算相對(duì)光強(qiáng)的方法；第六頁(yè)，共二十二頁(yè)，2022年，8月28日第一章光的電磁理論教學(xué)目的:5.理解菲涅耳公式的表達(dá)式以及它們所描述的物理內(nèi)容，掌握利用菲涅耳公式來(lái)計(jì)算當(dāng)光波在介質(zhì)界面上進(jìn)行折射、反射時(shí)光波振幅、強(qiáng)度、能流的方法，學(xué)會(huì)解釋反射時(shí)的半波損失現(xiàn)象；6.掌握光波的全反射規(guī)律，了解光波在金屬中的傳播特性，學(xué)會(huì)解釋光的色散、吸收、散射現(xiàn)象第七頁(yè)，共二十二頁(yè)，2022年，8月28日第一章光的電磁理論教學(xué)重點(diǎn)：

1.波動(dòng)的描述，平面波、球面波；2.菲涅耳公式及其應(yīng)用。第八頁(yè)，共二十二頁(yè)，2022年，8月28日第一章光的電磁理論第一節(jié)麥克斯韋方程組第九頁(yè)，共二十二頁(yè)，2022年，8月28日第一節(jié)麥克斯韋方程組一、概述光的電磁理論的提出是人們?cè)陔姶艑W(xué)方面已有了深入研究的結(jié)果。1864年麥克斯韋把電磁規(guī)律總結(jié)為麥克斯韋方程組，建立起完整的經(jīng)典電磁理論，同時(shí)指出光也是一種電磁波，從而產(chǎn)生了光的電磁理論。到目前為止，它仍然是闡明大多數(shù)光學(xué)現(xiàn)象以及掌握現(xiàn)代光學(xué)的一個(gè)重要基礎(chǔ)。第十頁(yè)，共二十二頁(yè)，2022年，8月28日第一節(jié)麥克斯韋方程組電磁場(chǎng)的普遍規(guī)律總結(jié)為麥克斯韋方程組，它是麥克斯韋把穩(wěn)恒電磁場(chǎng)（靜電場(chǎng)和穩(wěn)恒電流的磁場(chǎng)）的基本規(guī)律推廣到交變電磁場(chǎng)的普遍情況而得到的。麥克斯韋方程組指出了函數(shù)E、B和電荷分布及運(yùn)動(dòng)的關(guān)系，特別指出了E和B變化之間的關(guān)系。它通常寫成積分和微分兩種形式。從方程組出發(fā)，結(jié)合具體條件，可以定量地研究在這些給定條件下發(fā)生的光學(xué)現(xiàn)象。如光的輻射、傳播、與物質(zhì)的相互作用等現(xiàn)象。第十一頁(yè)，共二十二頁(yè)，2022年，8月28日第一節(jié)麥克斯韋方程組二、對(duì)電磁場(chǎng)的基本認(rèn)識(shí)：1：靜電場(chǎng)、靜磁場(chǎng)及其表現(xiàn)在靜止電荷周圍有靜電場(chǎng)，在恒定電流周圍有靜磁場(chǎng)。電場(chǎng)的表現(xiàn)為：處在電場(chǎng)中的帶電物質(zhì)要受到電場(chǎng)力的作用，這個(gè)力的大小和方向與描述電場(chǎng)的物理量—電場(chǎng)強(qiáng)度E有關(guān)。

磁場(chǎng)的表現(xiàn)為：處在磁場(chǎng)中的帶電物質(zhì)要受到磁場(chǎng)力的作用，這個(gè)力的大小和方向與描述磁場(chǎng)的物理量—磁感應(yīng)強(qiáng)度B有關(guān)。電場(chǎng)和磁場(chǎng)由帶電物質(zhì)及其運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生，并通過(guò)對(duì)帶電物質(zhì)的作用而表明其存在。

第十二頁(yè)，共二十二頁(yè)，2022年，8月28日第一節(jié)麥克斯韋方程組2：電磁場(chǎng)是矢量場(chǎng)：E和B都是矢量3：電荷做加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)將隨著時(shí)間變化，E和B不僅是位置坐標(biāo)r的函數(shù)，還是時(shí)間t的函數(shù)。第十三頁(yè)，共二十二頁(yè)，2022年，8月28日第一節(jié)麥克斯韋方程組三、積分形式的麥克斯韋方程組1來(lái)源：靜電場(chǎng)和穩(wěn)恒電流的磁場(chǎng)的基本規(guī)律高斯定理：電場(chǎng)是有源場(chǎng)；靜電場(chǎng)是無(wú)旋場(chǎng)；磁場(chǎng)是無(wú)源場(chǎng)；安培環(huán)路定理:電流能產(chǎn)生環(huán)形磁場(chǎng)

D=0E+PP:極化強(qiáng)度P=ε0[χ]E

[χ]:電極化率,標(biāo)量\張量第十四頁(yè)，共二十二頁(yè)，2022年，8月28日第一節(jié)麥克斯韋方程組麥克斯韋的工作：以上4式只適用于穩(wěn)恒場(chǎng)情況，要應(yīng)用到交變場(chǎng)的情況，必須對(duì)它們作適當(dāng)修正和推廣。麥克斯韋完成了這一工作。1.他假定在交變場(chǎng)情況下：第1、3式仍成立；2.第2式以法拉第電磁感應(yīng)定律來(lái)代替；3.第4式需要修改。第十五頁(yè)，共二十二頁(yè)，2022年，8月28日第一節(jié)麥克斯韋方程組法拉第電磁感應(yīng)定律：一個(gè)閉合線圈處在變化的磁場(chǎng)中，會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，其大小與磁通量的時(shí)間變化率成比例，它的方向由左手定則決定。表達(dá)式：式中表示線圈內(nèi)磁通量的變化率，面積分取以線圈為邊界的任意曲面的積分，負(fù)號(hào)表示感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向由左手定則確定。第十六頁(yè)，共二十二頁(yè)，2022年，8月28日第一節(jié)麥克斯韋方程組麥克斯韋認(rèn)為（猜想）：（1）感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生是一種電場(chǎng)對(duì)線圈中自由電荷作用的結(jié)果；（2）這種電場(chǎng)由變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生，與靜電場(chǎng)不同，它是渦旋電場(chǎng)；（3）這種電場(chǎng)的存在不依賴于線圈，即使沒(méi)有線圈，只要在空間某一區(qū)域磁場(chǎng)變化，就會(huì)產(chǎn)生這種渦旋電場(chǎng)。（4）法拉第電磁感應(yīng)定律實(shí)質(zhì)上是表示變化的磁場(chǎng)和變化的電場(chǎng)之間聯(lián)系的普遍規(guī)律。

第十七頁(yè)，共二十二頁(yè)，2022年，8月28日第一節(jié)麥克斯韋方程組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的定義：?jiǎn)挝徽姾裳亻]合回路移動(dòng)一周時(shí)，渦旋電場(chǎng)所作的功。即

因此得到：

此式即為法拉第電磁感應(yīng)定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式第十八頁(yè)，共二十二頁(yè)，2022年，8月28日第一節(jié)麥克斯韋方程組麥克斯韋進(jìn)一步猜想：不但變化的磁場(chǎng)能產(chǎn)生電場(chǎng)，變化的電場(chǎng)也能產(chǎn)生磁場(chǎng)；并且在激發(fā)磁場(chǎng)這一點(diǎn)上，電場(chǎng)的變化相當(dāng)于一種電流，它被稱為“位移電流”。這一點(diǎn)被后來(lái)的實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。位移電流的引入，進(jìn)一步揭示了電磁場(chǎng)互相密切聯(lián)系的性質(zhì)。第十九頁(yè)，共二十二頁(yè)，2022年，8月28日第一節(jié)麥克斯韋方程組位移電流強(qiáng)度：為電通量的變化率。表達(dá)式：位移電流密度定義：位移電流強(qiáng)度與位移電流密度聯(lián)系交變場(chǎng)情況：磁場(chǎng)包括由傳導(dǎo)電流和位移電流兩部分產(chǎn)生的磁場(chǎng)，故第4式應(yīng)改寫為：第二十頁(yè)，共二十二頁(yè)，2022年，8月28日第一節(jié)麥克斯韋方程組2：積分形式的麥克斯韋方程組及其物理意義(1):(2):(3):(4):說(shuō)明：式（1）：電荷可以單獨(dú)存在，電場(chǎng)是有源的。式（2）：磁荷不可以單獨(dú)存在，磁場(chǎng)是無(wú)源的。式（3）：變化的磁場(chǎng)