電磁學與電磁波

電磁學與電磁波當前第1頁\共有111頁\編于星期六\11點第二章電磁學與電磁波§2.1電磁學發(fā)展簡史指南針

戰(zhàn)國時司南和地盤復原模型當前第2頁\共有111頁\編于星期六\11點北宋科學家沈括指南針四種試驗復原北宋初年，曾公亮主編的《武經(jīng)總要》（約成書1044年）中介紹了一種“指南魚”(復原模型)當前第3頁\共有111頁\編于星期六\11點元代磁州窯繪浮針瓷碗元代指南龜復原(剖面)當前第4頁\共有111頁\編于星期六\11點明代航海水羅盤復原當前第5頁\共有111頁\編于星期六\11點明嘉靖年間(1522～1566)航海木帆船沿用“旱羅盤”當前第6頁\共有111頁\編于星期六\11點

富蘭克林著名風箏實驗

美國的富蘭克林的最著名的實驗是風箏實驗。早在1749年他就注意到雷閃與放電有許多相同之處。1752年他通過在雷雨天氣將風箏放入云層，來進行雷擊實驗，證明了雷閃就是放電現(xiàn)象。當前第7頁\共有111頁\編于星期六\11點

庫侖的扭秤實驗1785年，庫侖設計了精巧的扭秤實驗，直接測定了兩個靜止點電荷的相互作用力與它們之間的距離二次方成反比，與它們的電量乘積成正比。庫侖的實驗得到了世界的公認，當前第8頁\共有111頁\編于星期六\11點

物理學家伏打電池。1799年伏打制造了第一個能產(chǎn)生持續(xù)電流的化學電池.當前第9頁\共有111頁\編于星期六\11點

安培演示電流相互作用的裝置（復制品）當前第10頁\共有111頁\編于星期六\11點

歐姆發(fā)現(xiàn)電路定律

基爾霍夫分支電路定律當前第11頁\共有111頁\編于星期六\11點

法拉第從事電磁現(xiàn)象的實驗研究，

楞次給出感應電流方向的描述當前第12頁\共有111頁\編于星期六\11點

電磁場的麥克斯韋方程組

赫茲電磁波實驗當前第13頁\共有111頁\編于星期六\11點§2.2靜電學與靜磁學“電”在西方是從希臘文ηλεκτρον(琥珀)一詞轉(zhuǎn)意得來，在中國則是從雷閃現(xiàn)象中引出來的?！?.2.1靜電學靜電學是研究靜止電荷產(chǎn)生電場及電場對電荷產(chǎn)生作用力的規(guī)律。電荷種類：正電和負電。電荷守恒定律：電荷可以從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體，任何物理過程中電荷的代數(shù)和保持不變。庫侖定律：同種電荷相互排斥，異種電荷相互吸引當前第14頁\共有111頁\編于星期六\11點電場與電勢①高斯定理：表示靜電場的電力線始于正電荷，終于負電荷，亦即靜電場是有源場。

②環(huán)量定理：靜電場中環(huán)量恒等于零表明，靜電場中沿任意閉合路徑移動電荷，電場所做的功都為零，因此靜電場是非旋場，可以引入電位來描述：電力線與等勢面

根據(jù)庫侖定律和場強疊加原理還可得到靜電場基本性質(zhì)的兩個定理：當前第15頁\共有111頁\編于星期六\11點

靜電場中的導體一、靜電感應與靜電平衡靜電感應——在靜電場力作用下，導體中電荷重新分布的現(xiàn)象。當前第16頁\共有111頁\編于星期六\11點導體的靜電感應過程無外電場時當前第17頁\共有111頁\編于星期六\11點導體的靜電感應過程加上外電場后E外當前第18頁\共有111頁\編于星期六\11點導體的靜電感應過程加上外電場后E外+當前第19頁\共有111頁\編于星期六\11點導體的靜電感應過程加上外電場后E外++當前第20頁\共有111頁\編于星期六\11點導體的靜電感應過程加上外電場后E外+++當前第21頁\共有111頁\編于星期六\11點導體的靜電感應過程加上外電場后E外+++++當前第22頁\共有111頁\編于星期六\11點導體的靜電感應過程加上外電場后E外+++++當前第23頁\共有111頁\編于星期六\11點導體的靜電感應過程加上外電場后E外++++++當前第24頁\共有111頁\編于星期六\11點導體的靜電感應過程加上外電場后E外+++++++當前第25頁\共有111頁\編于星期六\11點導體的靜電感應過程加上外電場后E外++++++++當前第26頁\共有111頁\編于星期六\11點導體的靜電感應過程加上外電場后E外+++++++++當前第27頁\共有111頁\編于星期六\11點導體的靜電感應過程加上外電場后+E外+++++++++當前第28頁\共有111頁\編于星期六\11點導體的靜電感應過程加上外電場后+E外+++++++++當前第29頁\共有111頁\編于星期六\11點導體達到靜電平衡+E+++++++++E外E感+==內(nèi)0E外E感當前第30頁\共有111頁\編于星期六\11點

靜電平衡

——導體中電荷的宏觀定向運動終止，電荷分布不隨時間改變。靜電平衡條件：用場強來描寫：

1.

導體內(nèi)部場強處處為零；

2.

表面場強垂直于導體表面。用電勢來描寫：

1.

導體為一等勢體；

2.

導體表面是一個等勢面。當前第31頁\共有111頁\編于星期六\11點金屬球放入前電場為一均勻場E當前第32頁\共有111頁\編于星期六\11點金屬球放入后電力線發(fā)生彎曲電場為一非均勻場+++++++E演示：靜電感應當前第33頁\共有111頁\編于星期六\11點二、靜電平衡時導體上的電荷分布

1、實心導體由于導體內(nèi)的電場為零，經(jīng)過導體內(nèi)任何小體積單元的表面的電場通量恒為零，根據(jù)高斯定理指出Σq=0，因此在導體內(nèi)各點的凈電荷也為零。也即表示在靜電平衡下，電荷只分布在導體表面。

結論：電荷分布在導體表面，導體內(nèi)部場強處處為零。++++++++++++++++當前第34頁\共有111頁\編于星期六\11點++++++++++++++++2.空腔導體

（1）腔內(nèi)無帶電體：當導體殼內(nèi)沒有其他帶電體時，在靜電平衡下，導體殼的內(nèi)表面上處處沒有電荷，電荷只能分布在外表面。

空腔內(nèi)沒有電場，或者說，空腔內(nèi)的電勢處處相等。當前第35頁\共有111頁\編于星期六\11點（2）腔內(nèi)有帶電體：腔體內(nèi)表面所帶的電量和腔內(nèi)帶電體所帶的電量等量異號，腔體外表面所帶的電量由電荷守恒定律決定。+q1q1q1+q2放入后q1q2未引入時q1當前第36頁\共有111頁\編于星期六\11點三、靜電屏蔽（演示）在靜電平衡狀態(tài)下，腔內(nèi)無其他帶電體的導體殼和實心導體一樣，內(nèi)部沒有電場。只要達到了靜電平衡狀態(tài)，不管導體殼本身帶電或是導體處于外界電場中，這一結論總是對的。這樣，導體殼的表面就“保護”了它所包圍的區(qū)域，使之不受導體殼外表面上的電荷或外界電場的影響，這個現(xiàn)象稱為靜電屏蔽。當前第37頁\共有111頁\編于星期六\11點靜電屏蔽的應用例如：為了使一些精密的電磁測量儀器不受外界電場的干擾，通常在儀器外面加上金屬罩。實際上金屬外殼不一定要嚴格封閉，甚至用金屬網(wǎng)作成的外罩就能起到相當好的屏蔽作用。

有時要使一個帶電體不影響外界，這時可以把這帶電體放在接地的金屬殼或金屬網(wǎng)內(nèi)。當前第38頁\共有111頁\編于星期六\11點靜電屏蔽原理：我們假設帶電體帶正電。有了金屬外殼之后，其內(nèi)表面出現(xiàn)等量的負電荷。由內(nèi)部帶電體出發(fā)的電力線就會全部終止在外殼內(nèi)表面等量的負電荷上，使電力線不能穿出導體殼。這樣就把內(nèi)部帶電體對外界的影響全部隔絕了。+

然而，如果外殼不接地，在它的外表面還有等量的感應電荷，它的電場將對外界產(chǎn)生影響。當前第39頁\共有111頁\編于星期六\11點

如果把外殼接地，則由于內(nèi)部帶電體的存在而在外表面產(chǎn)生的感應電荷將流入地下，這樣，內(nèi)部帶電體對外界的影響全部消除了。

說得確切一點，應是外殼內(nèi)表面的負電荷在導體殼外產(chǎn)生了一個電場，它和內(nèi)部帶電體在導體殼外產(chǎn)生的電場處處抵消。++資料片：靜電應用當前第40頁\共有111頁\編于星期六\11點§2.2.2靜磁學

靜磁學是研究電流穩(wěn)恒時產(chǎn)生磁場以及磁場對電流作用力的規(guī)律。

電流：電荷的定向流動形成電流。磁場：電流之間存在磁的相互作用，這種磁相互作用是通過磁場傳遞的，即電流在其周圍的空間產(chǎn)生磁場，磁場對放置其中的電流施以作用力。電流產(chǎn)生的磁場用磁感應強度描述。真空中穩(wěn)恒電流產(chǎn)生的磁場遵從畢奧——薩伐爾定律。當前第41頁\共有111頁\編于星期六\11點磁場性質(zhì)①磁高斯定理：反映磁力線總是閉合曲線。

②安培環(huán)路定理：表明磁場不是勢場，是有旋場。

I圓電流的磁力線BI當前第42頁\共有111頁\編于星期六\11點R1R2..+++++++++++++++++++++++++++++..................................II通電螺繞環(huán)的磁場分布當前第43頁\共有111頁\編于星期六\11點通電螺線管的模型I演示：螺線管磁場當前第44頁\共有111頁\編于星期六\11點§2.3電磁感應定律§2.3.1電磁感應定律的建立

一、法拉第確立電磁感應定律

奧斯特的發(fā)現(xiàn)和日新月異的電流磁效應的研究成果，極大地激勵了英國學術界。1821年，英國《哲學年鑒》主編邀請著名化學家戴維撰寫一篇文章，綜合評述奧斯特電流磁效應發(fā)現(xiàn)以來的電磁學發(fā)展概況。戴維將這一工作交給了助手法拉第，法拉第在收集材料過程中，對電磁學研究產(chǎn)生了興趣和熱情。從此，法拉第將研究工作轉(zhuǎn)向了電磁學。

圖2-3-1法拉第電磁旋轉(zhuǎn)器當前第45頁\共有111頁\編于星期六\11點1、法拉第發(fā)明電磁旋轉(zhuǎn)器1821年4月，英國大化學家、物理學家沃拉斯頓設計了電磁旋轉(zhuǎn)器，幾次實驗都遭到了失敗。法拉第認為，沃拉斯頓的這種設計是合理的，法拉第設計了一臺電磁旋轉(zhuǎn)器。

電磁旋轉(zhuǎn)器是電動機的實驗室雛型，它對人類利用電能具有劃時代的意義。法拉第關于電磁旋轉(zhuǎn)器實驗的文章，被刊登在1821年9月3日英國的《科學季刊》上。這次成功，充分顯示了法拉第無與倫比的實驗技能和技巧，是他的科學天才出現(xiàn)的第一次高峰。同時，也強有力地激發(fā)了法拉第對電磁學的研究信心和熱情。當前第46頁\共有111頁\編于星期六\11點2、法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應現(xiàn)象

英國科學界普遍認為，作用總應伴隨著反作用。奧斯特的發(fā)現(xiàn)是“電生磁”，促使人們想到了“滋生電”。法拉第就是最早想到“磁生電”的科學家之一。

法拉第相信各種“自然力的統(tǒng)一”，追求這種統(tǒng)一，他確信客觀事物本身的結構具有對稱性。這是法拉第進行科學研究的思想基礎。1831年8月29日，法拉第想用一條通電導線的磁場從另一條導線中激發(fā)出感應電流來。實驗中，為了增強磁場和感應電流，他將兩條直導線繞在鐵環(huán)上，形成兩個共芯螺線管。當前第47頁\共有111頁\編于星期六\11點1831年9月24日，法拉第用兩根各5英尺長的銅線將線圈與電流計連接，并把軟鐵棒插入線圈中。取兩條24英寸長的磁鐵，使它們按異性磁極并在一起。然后，把一端分開如馬蹄形磁鐵，讓帶線圈的軟鐵棒夾在其間?！碑斍暗?8頁\共有111頁\編于星期六\11點3、電磁感應定律的確立

亨利在電磁鐵研究中想到了既然“電能生磁”，難道磁就不能生電嗎？亨利發(fā)現(xiàn)電磁感應1830年，亨利在一根條形軟鐵芯上繞了一個銅線圈，用細銅絲將線圈的兩端與40英尺遠的電流計相連接．然后將這個帶線圈的軟鐵棒放在電磁鐵的兩極問。實驗結果，發(fā)表在1832年7月的《美國科學》雜志上，比法拉第論文發(fā)表晚了近一年。當前第49頁\共有111頁\編于星期六\11點

法拉第在1831年11月24日向英國皇家學會報告了《電學的實驗研究》的結果。他將產(chǎn)生電磁感應的條件概括為：①變化的電流；②變化的磁場；③運動的穩(wěn)恒電流；④運動的磁鐵；⑤在磁場中運動的導體。并將“磁生電”的現(xiàn)象定名為“電磁感應”。

法拉第又進一步作了綜合分析，找到了產(chǎn)生電磁感應的基本條件——二次電路(B線圈)中磁力線數(shù)量變化。這樣就確立了電磁感應定律：導體線圈中的磁力線數(shù)量發(fā)生變化將在線圈中激起感應電流。

影視資料片：電磁跳圈，阻尼擺，電磁感應當前第50頁\共有111頁\編于星期六\11點

法拉第一生致力于科學研究事業(yè)，不圖虛榮，甚至不接受為他增加的薪水。他成名之后，世界各國贈給他的學位、學銜和其他榮譽達94種之多，他從來不向任何人展示和炫耀。法拉第一生中一直過著清貧而簡樸的生活，為后人留下了巨大的知識財富，他的代表作是《電學的實驗研究》。他還是一位了不起的科普作家，曾寫過《蠟燭的化學史》等書，被譯成多種文字，流傳很廣。法拉第是當時世界上許多科學學會的會員，是當時物理學家公認的領袖，是自伽利略以來，從來沒有見過的頭腦中涌現(xiàn)出那么多奇妙思想和發(fā)現(xiàn)的科學巨人，是自學成材的典范，是人類走向電氣時代的開路先鋒。1867年8月25日，他坐在椅子上安詳?shù)厝ナ馈?/p>

當前第51頁\共有111頁\編于星期六\11點二、電磁感應定律開辟了電氣時代的新紀元電磁感應定律使人類找到了機械能與電能之間的轉(zhuǎn)換方法，開創(chuàng)了電氣化時代的新紀元。19世紀40年代，西歐先進的資本主義國家先后進入了電氣化時代的早期階段。電磁學的飛速發(fā)展，引發(fā)了第二次世界性技術革命浪潮，以電機為動力的電氣化工業(yè)體系和各種電氣工業(yè)生產(chǎn)部門，如電解、電鍍、電熱、電焊、電冶、電力生產(chǎn)和輸送等方面的工廠、企業(yè)如雨后春筍般地建立起來，電報、電話等信息技術也被廣泛地利用起來。電磁理論和電氣技術的進步，把工業(yè)生產(chǎn)推向了歷史的新高峰。英國在1840年，由電氣技術造成的勞動生產(chǎn)率是1770年蒸汽技術造成的勞動生產(chǎn)率的27倍，是手工勞動的108倍。70年中，勞動生產(chǎn)率平均每年提高11.28％。當前第52頁\共有111頁\編于星期六\11點1993年，全世界發(fā)電總量達到12.26萬億千瓦時。最大的水電站是巴西和巴拉圭的伊泰普水電站，裝機容量為1260萬干瓦。我國長江三峽電站建成后，裝機容量為1850萬千瓦，那時它將成為世界電站之冠。世界上最大的火電站是俄羅斯的蘇爾古特第二電廠，裝機容量為480萬千瓦；最大的核電站是加拿大的布魯斯電站，裝機容量為728萬千瓦。世界上電力生產(chǎn)正在穩(wěn)步增長，電力技術的發(fā)展正在向著高效率、注重環(huán)保的更高目標邁進。展望21世紀，新的時代將更加光明，更加美好，更加豐富多彩。當前第53頁\共有111頁\編于星期六\11點§2.3.2電磁場理論麥克斯韋方程組描述了電磁場普遍遵從的規(guī)律。它同物質(zhì)的介質(zhì)方程、洛倫茲力公式以及電荷守恒定律結合起來，原則上可以解決各種宏觀電動力學問題。

根據(jù)麥克斯韋方程組導出的一個重要結果是存在電磁波，電磁波在真空中傳播的速度為c。其數(shù)值與光在真空中傳播的速度相同，說明光是電磁波。當前第54頁\共有111頁\編于星期六\11點§2.3.3近距作用與超距作用之爭

關于作用力是否需要中間媒介物質(zhì)的傳遞，對此問題的不同觀點就形成了近距作用和超距作用的爭論。1、圍繞萬有引力的爭論爭論的問題主要是：萬有引力是否存在?萬有引力傳遞的機制究竟是什么？超距作用觀點：以牛頓為一方，近距作用觀點：以法國科學家萊布尼茲、笛卡兒和荷蘭物理學家惠更斯為—方，在整個18世紀和19世紀的前半個世紀，超距作用觀點占據(jù)著統(tǒng)治地位。當前第55頁\共有111頁\編于星期六\11點2、電磁相互作用爭論超距作用的觀點：法國的庫侖、安培等近距作用的觀點：英國法拉第，麥克斯韋

1887年，德國物理學家赫茲通過實驗確認了電磁波的存在．說明電磁作用是以光速傳播的，而不是瞬時的超距作用。至此，超距作用觀點在電磁學中被大多數(shù)物理學家所拋棄了。

20世紀初期，愛國斯坦在狹義相對論中指出，真空中的光速是一切物理作用傳播速度的極限。這就在整個物理學領域排除了超距作用的可能性。

當前第56頁\共有111頁\編于星期六\11點1916年，愛因斯坦進一步提出了廣義相對論，認為萬有引力也是以光速傳播的，這就是引力波。由于引力波太微弱了，所以對它的觀測檢驗異常的困難。盡管愛因斯坦在20世紀初期就預言了引力波的存在，直到1978年底，天體物理學家才取得了第一個定量的觀測證據(jù)。美國天文學家泰勒等人，用一架直徑300米的射電望遠鏡對雙致密星體系PSRl913+16進行了長達4年的觀測，確認了它由于引力輻射阻尼而使公轉(zhuǎn)周期穩(wěn)定地變短。這個發(fā)現(xiàn)，對引力波的存在提供了一個有力的支持。當前第57頁\共有111頁\編于星期六\11點§2.3.4法拉第的科學思想方法一、確信各種運動形式的相互聯(lián)系和相互轉(zhuǎn)化

法拉第對自然力(或能)的統(tǒng)—性具有堅定的信念，他始終不渝地為證實各種現(xiàn)象之間的普遍聯(lián)系而努力。

法拉第還考慮過“在引力和電力之間可能的聯(lián)系”。

1859年，他已是68歲的老人，還步履蹣跚地爬到泰晤士河畔滑鐵盧大橋附近的高塔上去做實驗，觀察是否會因重力的變化而產(chǎn)生電荷的變化，結果失敗了。他在日記上寫道：“現(xiàn)在我的實驗就到此為止，結果是否定的。但它們并沒有動搖我堅強的信念，即重力和電力之間—定是有關系的?！苯裉炜磥?，他把問題想得太簡單直觀了，但他堅信自然力的統(tǒng)一的思想，仍然是非?？少F的。當前第58頁\共有111頁\編于星期六\11點二、力線和場的概念

法拉第否定超距作用，主張物質(zhì)之間的電磁力是需要由媒質(zhì)傳遞的近距作用力的觀點。然而，電磁作用究竟怎樣借介質(zhì)接觸而傳遞呢?為了回答這一問題，他引入了力線和場的概念。

法拉第關于力線和場的概念對于電磁學的發(fā)展以及整個物理學的發(fā)展都是很有影響的。

湯姆遜評論說：“在法拉第的許多偉大的貢獻之中，最偉大的一個就是力線概念了，我想電場和磁場的許多性質(zhì)借助它就可以簡明而富有啟發(fā)性地表示出來。”當前第59頁\共有111頁\編于星期六\11點

愛因斯坦曾高度評價法拉第的工作，認為法拉第在電學中的地位，相當于伽利略在力學中的地位。愛因斯坦尤其稱贊了法拉第所建立的“場”的新概念：“這樣就奠定了同牛頓的物理學原則上不同的物理學的基礎，同時在邏輯的一貫性上明顯地超過牛頓的物理學。因此，相對論不過是場論的下一個發(fā)展階段?！?/p>

著名科學史家丹皮爾也指出：“法拉第奠定了實用電學的三大部門，即電化學、電磁感應與電磁波的基礎。而且他堅持主張電磁場具有極大重要性，這也是現(xiàn)代物理學理論有關電的方面的歷史起點?！?/p>

美國物理學家?guī)烊疬@樣說過：“可以這樣來評述法拉第：當他考察自然現(xiàn)象時，他的頭腦始終是警惕的，任何現(xiàn)象只要在他的實驗室里出現(xiàn)一次，他就能把它記住，哪怕這些現(xiàn)象是偶然出現(xiàn)的。”當前第60頁\共有111頁\編于星期六\11點

法拉第不僅在物理學上做出了許多重大的貢獻，他的道德品質(zhì)也是十分高尚的，在如何對待金錢、名譽和地位上，他為后人做出了光輝的榜樣。

他的學生和朋友丁鐸爾在《作為一個發(fā)現(xiàn)者的法拉第》—書中寫道：“這位鐵匠的兒子，訂書商的學徒，他的一生一方面可以得到十五萬鎊的財富，一方面是完全沒有報酬的學問，要在這兩者之間作出選擇，結果他選擇了后者，終生過著窮困的日子。然而這卻使英國的科學聲譽比各國都高，獲得接近四十年的光榮?！?/p>

1851年，法拉第被一致選舉為英國皇家學會會長，但他堅決辭掉了這個職務，并說：“我希望我—直保持只有一個稱號，這就是法拉第?！碑斍暗?1頁\共有111頁\編于星期六\11點§2.3.5麥克斯韋的科學思想方法一、用類比方法揭示物理現(xiàn)象的內(nèi)在聯(lián)系

二、用精確的數(shù)學語言建立電磁場理論

簡明精確的數(shù)學語言是表述科學概念、科學理論的重要形式，是科學發(fā)展的要求，也是科學成熟的標志之一。正如馬克思所說：“科學只有成功運用數(shù)學時，才算達到了完善的地步?！彪S著科學技術的進步，現(xiàn)代科學的發(fā)展已日趨定量化，只有定量化的數(shù)學描述才能經(jīng)得起在量上的實驗檢驗，也才能從量的細微差別上尋找理論的不足之處和改進辦法。當前第62頁\共有111頁\編于星期六\11點

麥克斯韋與法拉第是近代電磁學史上的兩顆巨星，他們都在電磁學領域取得了極大的成功。雖然他們兩人的科學方法與科學風格迥然不同，然而麥克斯韋并不因此貶低法拉第的風格。他曾說：“因為人們的心靈各有不同的類型?？茖W的真理也應當以種種不同的形式來表現(xiàn)。不管他以粗豪的物理方式說明其生動的顏色也好。還是以—種樸素無味的符號表現(xiàn)也好，都應當被當作是同樣科學的。”麥克斯韋終身都保持著謙遜謹慎的高尚品格。他曾認為，他自己與法拉第相比，只不過是—只筆，寫出了法拉第那些杰出的科學思想。愛因斯坦曾把他們兩人稱作科學上的伴侶，就像當年天文學上的第谷和開普勒—樣。當前第63頁\共有111頁\編于星期六\11點

愛因斯坦還深刻地闡述了麥克斯韋對物理實在觀念發(fā)展的影響。他說：“相信有一個離開知覺主體而獨立的外在世界，是一切自然科學的基礎?！睈垡蛩固怪赋觯涸谂ｎD的觀點中，質(zhì)點是我們表示實在的唯—形式，是實在的唯—代表。這種觀點本質(zhì)上是原子論的和機械論的。一切事件都要用機械的方式來解釋。然而，在法拉第和麥克斯韋的觀點中，物理實在是由連續(xù)的場來表示的。不能對它作機械論的解釋。實在概念這一變革，是物理學自牛頓以來的一次最深刻和最富有成效的變革。愛因斯坦評述道：“自從牛頓奠定理論物理學的基礎以來。物理學的公理基礎——換句話說，就是我們關于實在的結構的概念——的最偉大的變革，是由法拉第和麥克斯韋在電磁現(xiàn)象方面的工作而引起的?！碑斍暗?4頁\共有111頁\編于星期六\11點§2.4電磁波應用§2.4.1電報的發(fā)明與現(xiàn)代通信一、電報的發(fā)明1、歷史的足音（1）早期的信息傳遞

早期的信息傳遞手段也是比較簡單的，主要是用人體本身或人體與工具的簡單結合，如徒步、騎馬、乘車船、舉烽火、發(fā)弓箭等。馬拉松長跑就是古代人運用人體本身來傳遞信息的典型事例。馬拉松賽程為42.195公里。當前第65頁\共有111頁\編于星期六\11點（2）電報發(fā)明的前奏理論基礎的奠定1820年，丹麥物理學家奧斯特在做電流實驗中第一次把電和磁聯(lián)系起來，發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應；同年法國物理學家安培提出了“應用電磁效應傳遞信息”的設想；1831年法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應定律標志著電磁學的創(chuàng)立。運用電和磁來傳遞信息孕育了電報發(fā)明的生長點。電報發(fā)明的先驅(qū)者們?yōu)閷崿F(xiàn)這個偉大的目標，進行了大量艱苦的實踐探索。當前第66頁\共有111頁\編于星期六\11點電通信的實驗操作。1736年蘇格蘭戈登用輕質(zhì)荷電排斥力的電信號裝置。1753年，摩爾遜設計了靜電電報；1790年，法國的佳普發(fā)明了一種視力信號機；1804年，西班牙沙爾伐研制出第一部電化學電報機。1809年，德國賽梅林、英國戴維等研制化學電報機；1822年，斯契林開始研制單針電報機，俄國科學家許林格設計了一種編碼式電報機；1831年，奧爾巴尼的亨利用電磁吸引原理來接收遠距離信號。1833年，德國科學家高斯和韋伯研制出能在實驗室使用的電磁式電報機。1836年，英國發(fā)明家?guī)炜伺c物理學家惠斯通合作試制成可實際使用的五針式電報機。當前第67頁\共有111頁\編于星期六\11點2、有線電報的問世（1）莫爾斯電報機

莫爾斯由一名美國出色畫家成為聞名于世的電報發(fā)明家，1826-1842年，他擔任美國畫家協(xié)會主席。莫爾斯電碼1837年，莫爾斯的電報機研制成功了，這是世界上第一臺正式以“電報機”命名的裝置，至今，人們把這個裝置稱作“莫爾斯電報機”。當前第68頁\共有111頁\編于星期六\11點

技術的進步如同歷史的車輪一樣是不可阻擋的，凡是為人類造福的技術發(fā)明必將受到歷史的尊重和社會的承認。電報的議案終于被重新討論通過了。在莫爾斯領導下，世界上第一條實用的電報線路在華盛頓到巴爾的摩之間開通了。

1844年5月24日，這是人類通信史上非同尋常的一天，偉大的歷史時刻來臨了，莫爾斯在國會大廈聯(lián)邦最高法院會議廳里，向應邀前來的科學家、政府人士介紹了實驗原理，并向等候在64公里之外的蓋爾發(fā)出了歷史上第一份長途有線電報。電文是：“上帝創(chuàng)造了何等的奇跡!”從此，莫爾斯電報機風靡全球，電報從實驗研究最終成為一種實用的通信工具；人類通信史上又翻開了新的一頁。當前第69頁\共有111頁\編于星期六\11點（2）海底電纜的鋪設1850年最早的海底電纜在英法之間的多威爾海峽鋪設成功；1854年年輕的物理學家威廉·湯姆遜經(jīng)過一年的深入研究，解決了信號傳遞衰減的重大理論問題，成為長距離海底電纜鋪設工程的奠基人；1856年大西洋海底電纜公司成立，湯姆遜作為該公司蘇格蘭股東的董事參加了第一條大西洋海底電纜的鋪設；1857年溝通歐美大陸的第一條海底電纜終于制成了；1866年4月湯姆遜仍身肩重任，主持沉放工作，永久性的大西洋海底電纜終于鋪設成功了！全部海底電纜鋪設工程經(jīng)歷了四次，整整進行了十年，真可謂：步步看來都是血，十年辛苦不尋常!當前第70頁\共有111頁\編于星期六\11點3、無線電報的誕生

赫茲發(fā)現(xiàn)電磁波后不到十年，意大利工程師、青年物理學家馬可尼、俄國科學家波波夫就實現(xiàn)了無線電通訊，開創(chuàng)了人類通信事業(yè)的新紀元。無線電技術是誰發(fā)明的？是馬可尼還是波波夫？無線電技術發(fā)明史上有一樁公案。當前第71頁\共有111頁\編于星期六\11點1895年5月7日波波夫制成了一架無線電接收機——雷電指示器，波波夫1896年3月24日又實現(xiàn)了距離約為250米的無線電通信，成功地傳送了世界上第一封有實際內(nèi)容的無線電報，標志著無線電技術的誕生。當前第72頁\共有111頁\編于星期六\11點1894年，意大利青年馬可尼也開始利用電磁波的傳送來實現(xiàn)無線電通信的研究。馬可尼當前第73頁\共有111頁\編于星期六\11點1897年冬，馬可尼成功地將無線電傳送用于商業(yè)后還進行了體育實況報導。1898年他又把通信距離增大到100多千米，而那時波波夫的無線電傳送距離只有40千米。1905年5月4日在美國把無線電發(fā)明權判給馬可尼，馬可尼榮獲1909年諾貝爾物理獎?？煲粋€多世紀過去了，在人們心目中，一般認為波波夫是無線電技術的最早發(fā)明人，而馬可尼是無線電實用電報技術的發(fā)明人，他們都是“無線電之父”。資料片：無線電發(fā)明當前第74頁\共有111頁\編于星期六\11點二、現(xiàn)代通信1926年，實現(xiàn)了橫跨大西洋的無線電話通信。同時有線載波通信也得到很大發(fā)展。第二次世界大戰(zhàn)后，隨著電視的普及，微波通信迅速發(fā)展。50年代，已建成以微波接力通信為主體的通信網(wǎng)，建起了超視距散射通信系統(tǒng)。60年代，數(shù)字通信開始建設，用全數(shù)字網(wǎng)代替模擬網(wǎng)成為世界上通信的普遍發(fā)展趨勢。1965年，美國發(fā)射了第一顆實用靜止通信衛(wèi)星。衛(wèi)星通信適用于數(shù)字通信和多址通信，后又出現(xiàn)了供傳輸話音、數(shù)據(jù)和圖像的全數(shù)字化的國內(nèi)衛(wèi)星通信系統(tǒng)，它把眾多的小型地球終端組成一個綜合業(yè)務數(shù)字網(wǎng)。70年代,一種新型通信技術,即光纖通信飛速發(fā)展起來。當前第75頁\共有111頁\編于星期六\11點§2.4.2廣播與電視一、廣播

通常將聲音廣播簡稱為廣播。無線廣播有調(diào)幅和調(diào)頻兩種調(diào)制方式廣播：①調(diào)幅廣播：一般用于中頻和高頻廣播。帶寬約為9～10千赫，最高頻率約為4.5～5千赫，保真度較差。干擾嚴重，所以難于得到高質(zhì)量的接收。1920年調(diào)幅廣播是在無線電報的基礎上于在美國首次實現(xiàn)的。②調(diào)頻廣播：工作在甚高頻頻段。帶寬約為200千赫，最高頻率可達15千赫,因而保真度高。另外，調(diào)頻廣播的信噪比高，抗干擾能力強。1941年開始有調(diào)頻廣播，并在1961年確定了與單聲道廣播兼容的立體聲廣播制式。當前第76頁\共有111頁\編于星期六\11點二、電視1884年德國科學家尼普科夫發(fā)明螺盤旋轉(zhuǎn)掃描器，1925年美國詹金斯和1926年英國貝爾德相繼實現(xiàn)影像粗糙的機械掃描電視系統(tǒng)；1932年改進了美國茲沃雷金1923年發(fā)明的光電攝像管。范思沃恩于1930年發(fā)明的電子掃描系統(tǒng)和RCA公司電子束顯像管的改進，使電視進入了現(xiàn)代階段。1937年在英國，1939年在美國開始了黑白電視廣播。1958年中國開始黑白電視廣播。茲沃雷金當前第77頁\共有111頁\編于星期六\11點彩色電視1929年美國的伊夫斯首先完成彩色電視的實驗；1945年美國無線電公司制成了世界上第一臺全電子管彩色電視機；1953年美國采用了NTSC兼容制彩色電視制式，1954年正式廣播。1963年聯(lián)邦德國確定了兼容的PAL彩色電視制式、1966年法國確定了SECAM彩色電視制式，1972年我國的彩色電視開始廣播，采用PAL-DK制式。1975年開始生產(chǎn)彩色電視機。

資料片：電視發(fā)明、數(shù)字高清晰度電視當前第78頁\共有111頁\編于星期六\11點§2.4.3微波應用微波是波長約從1米～1毫米的電磁波一、微波能應用微波作為能源始于50年代后期，至60年代末，其應用隨微波灶的商品化而得到發(fā)展。

微波能應用主要是微波加熱，其機理是基于微波與物質(zhì)分子相互作用并被吸收而產(chǎn)生的熱效應。特點：里外同時加熱，熱效率高，選擇性。國際上規(guī)定的微波加熱專用頻率是915±25兆赫、2450±50兆赫、5800±75兆赫和22125±125兆赫，常用的是915兆赫和2450兆赫。當前第79頁\共有111頁\編于星期六\11點二、微波醫(yī)學應用微波無接觸診斷：生物體的組織是一種有耗的電介質(zhì)，皮膚、脂肪、肌肉、骨、血液、腦、眼以及其他各器官的電介特性各不相同。當微波在生物體中傳播時，遇到不同組織的分界面或者通過不同的組織，會產(chǎn)生不同程度的衰減、相移、偏振、色散等。測定這些變化，就可作為無接觸診斷的依據(jù)。例如，用微波診斷肺氣腫和肺水腫；用微波照射胸部，通過測量反射得到相應的心動記錄圖等。微波斷層掃描成像的診斷技術：由于生物體各種組織的電特性在微波頻率下差異較大，利用不同組織對微波的散射、衍射等現(xiàn)象，就出現(xiàn)了微波斷層掃描成像的診斷技術。當前第80頁\共有111頁\編于星期六\11點在微波治療方面：除利用微波透熱作用治療風濕病、關節(jié)炎、肌肉痙攣引起的疼痛外，還可利用微波透熱作用殺死癌細胞，或輔助放射治療、化學治療來治療癌腫。微波解凍：微波加熱來解凍冷藏的血液，以供急用。通?？稍?分鐘內(nèi)使500亳升4～6oC的血液的溫升達到35oC。微波透熱：做心臟手術時，為了減少病人新陳代謝的消耗，需要降低病人的體溫。手術完成后，為了供給全身的新陳代謝消耗，則要先從體內(nèi)深處快速升高體溫，也可利用微波透熱作用。微波解毒，在微波作用下，有機物的大分子產(chǎn)生介電飽和，從而引起氫鍵的破裂和其他次要分子間鍵的破裂。這就改變了有毒物質(zhì)的結構，使其失去毒性。當前第81頁\共有111頁\編于星期六\11點三、微波生物效應

生物體受到微波照射后，在生物化學、生物物理、組織形態(tài)、生理功能、行為等方面發(fā)生變化的現(xiàn)象。微波熱效應是微波場使生物組織中的鹽離子、極性蛋白質(zhì)分子、極性水分子加速和振動而引起，使受照射生物組織把所吸收的微波能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，因而使生物組織的溫度升高。

微波的非熱效應是無明顯溫升或與溫升無關的一種效應。

微波生物效應：有益效應、有害效應。這兩類效應都可以由微波熱效應或微波的非熱效應引起。當前第82頁\共有111頁\編于星期六\11點

微波醫(yī)學應用就是一種有益的微波生物效應，它包括微波診斷、微波治療、微波解凍、微波解毒和微波殺菌等。有害的微波生物效應：引起眼晶狀體混濁的視覺效應；抑制精子產(chǎn)生的微波生殖腺效應；影響受精胚胎，使胎兒畸形和發(fā)育緩慢的微波染色體效應和可能的微波遺傳效應；引起失眠或嗜睡、頭痛、頭暈、疲乏的中樞神經(jīng)效應；引起血液動力學失調(diào)、心律加快或變慢、心臟房室傳導阻滯、心肌病變的微波心血管效應；影響鐵的代謝及血紅蛋白合成和白血球減少的微波造血系統(tǒng)效應影響內(nèi)分泌及其他生理功能的微波效應等。當前第83頁\共有111頁\編于星期六\11點

生物體具有適應環(huán)境變化的能力，并具有補償外界環(huán)境施加于它的影響的能力。因此，若所引起的微波生物效應是在生物體的生理補償范圍以內(nèi)的，則微波生物效應不一定意味著是一次傷害，停止受到微波照射一段時間后，已出現(xiàn)的現(xiàn)象會自行消失。由于微波對人體有傷害作用，對從事微波技術工作的人和接受微波治療的病人的病灶以外的部位都應采取一定的防護措施，可用銅絲網(wǎng)或鐵絲網(wǎng)（網(wǎng)孔的大小依微波的頻率而定，頻率高的網(wǎng)孔小，而頻率低的網(wǎng)孔大）來屏蔽，或穿戴特制的沉積有銅或銀的微波防護服、防護帽和防護眼鏡。當前第84頁\共有111頁\編于星期六\11點§2.4.4遙感技術

遙感技術是從空間遠距離檢測地球表面物體所輻射或反射的電磁波強度及其在空間和時間上的分布，以獲取大氣、陸地或海洋環(huán)境信息的技術。

地物波譜和遙感器大氣對不同波長的電磁波有不同的透射特性，只有若干波段范圍可供遙感應用。這些波段稱為大氣窗口。遙感技術中常用的波段有紫外、可見光、近紅外、熱紅外以及毫米和厘米波的微波波段。當前第85頁\共有111頁\編于星期六\11點大氣窗口和遙感技術中常用的電磁波波段當前第86頁\共有111頁\編于星期六\11點在紫外、可見光和近紅外波段，常用的遙感器有空中攝影測量用照相機、多光譜照相機、電視攝像機、電荷耦合器件掃描儀和多光譜掃描儀等。在紅外波段，通常采用紅外輻射計和多光譜掃描儀。在微波波段，通常采用微波輻射計、微波散射計、微波掃描輻射計、微波高度計、真實孔徑和合成孔徑側視雷達等。當前第87頁\共有111頁\編于星期六\11點

彩紅外攝影機、多光譜照相機、多光譜掃描儀、側視雷達和微波輻射計是用得較多的遙感器。彩紅外攝影是利用底片對不同波段，特別是近紅外波段的感光特性來獲取地物信息的。多光譜圖像能反映地物在不同電磁波波段的反射強度，可根據(jù)地物的波譜特性識別出各種地物類別。當前第88頁\共有111頁\編于星期六\11點例如，利用多光譜圖像并根據(jù)地物波譜特性區(qū)分地物示意圖中1、2和3波段的光譜圖像可以區(qū)分植被、土壤和水體。利用多光譜圖像并根據(jù)地物波譜特性區(qū)分地物示意圖當前第89頁\共有111頁\編于星期六\11點陸地衛(wèi)星”多光譜掃描儀使用的

4個波段以及對地物類別的區(qū)分當前第90頁\共有111頁\編于星期六\11點微波輻射計是最早使用的微波遙感器。它能獲取各種地物在微波波段自身的熱輻射能量。側視雷達是另一種重要的遙感器，它從空中側向發(fā)射電磁波束并接收從地面反射回來的電磁波。地物因介電常數(shù)、濕度和粗糙度等不同，反射的電磁波的強度也不同，因而能形成雷達圖像上的灰階。在干燥地區(qū)，它能穿透一定深度的地表反映淺層地下構造。合成孔徑雷達能提高遙感器的方位（角）分辨力，可以用較短的天線獲得較高分辨率的圖像，而且分辨率高低與飛行高度無關，因而在航空和航天遙感中都得到廣泛的應用。發(fā)射和接收不同極化方向的雷達波并使用不同的波段，可以得到多種雷達圖像，這有利于目視解譯和計算機分類識別。資料片：雷達發(fā)明當前第91頁\共有111頁\編于星期六\11點當前第92頁\共有111頁\編于星期六\11點§2.4.5無線電導航一、無線電導航1、發(fā)展簡況

20～30年代，無線電測向是航海和航空僅有的一種導航手段，而且一直沿用至今。

第二次世界大戰(zhàn)期間，出現(xiàn)了雙曲線導航系統(tǒng)，主要有奇(GEE)導航系統(tǒng)、羅蘭導航系統(tǒng)和臺卡導航系統(tǒng)等。雷達也開始在艦船和飛機上用作導航手段，如雷達信標、敵我識別器和詢問應答式測距系統(tǒng)等。遠程測向系統(tǒng)桑納(SON-NE)，后稱康索爾(consol)，也是在這一時期出現(xiàn)的。飛機著陸也開始使用雷達手段和儀表著陸系統(tǒng)。當前第93頁\共有111頁\編于星期六\11點40年代后期，伏爾導航系統(tǒng)研制成功。50年代出現(xiàn)塔康導航系統(tǒng)、地美依導航系統(tǒng)、多普勒導航雷達和羅蘭C導航系統(tǒng)等。60年代，出現(xiàn)了“子午儀”衛(wèi)星導航系統(tǒng)；超遠程奧米加導航系統(tǒng)開始研制。70年代，微波著陸系統(tǒng)研制成功；同步測距全球定位系統(tǒng)開始研究。80年代初期建成奧米加地面系統(tǒng)。80年代后期同步測距全球定位系統(tǒng)進展順利，已于建成并使用。當前第94頁\共有111頁\編于星期六\11點2、水上導航沿海岸航行、駛向港口和離岸300海里范圍內(nèi)的導航可使用臺卡、羅蘭、子午儀、雷達、差轉(zhuǎn)奧米加等導航系統(tǒng)。海洋導航或超遠程導航，可用遠程羅蘭C系統(tǒng)、超遠程奧米加系統(tǒng)或“子午儀”系統(tǒng)。

3、空中導航國內(nèi)飛行，航道用伏爾、地美依、伏爾塔克和塔康等系統(tǒng)，保持一定的航路寬度。國際飛行在途中使用慣性導航設備、多普勒導航雷達或奧米加系統(tǒng)。當前第95頁\共有111頁\編于星期六\11點

軍用航空要求有任意飛行的靈活性，慣性導航和多普勒導航設備能適應這種要求，但在有條件的地區(qū)也可使用羅蘭C、塔康等設備。軍用航空還使用專用雷達導航，如地形跟隨雷達和側視雷達等。著陸系統(tǒng)民航多年來一直使用儀表著陸系統(tǒng)；微波著陸系統(tǒng)將取代儀表著陸系統(tǒng)的趨勢軍用飛機兼用雷達引導著陸和儀表著陸。機上裝備數(shù)字計算機后可把多種導航系統(tǒng)組合，然后把輸出送往飛行控制系統(tǒng)，執(zhí)行自動飛行任務。當前第96頁\共有111頁\編于星期六\11點二、同步測距全球定位系統(tǒng)一種正在趨于成熟的先進軍用衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)，簡稱全球定位系統(tǒng)(GPS)。60年代“子午儀”衛(wèi)星導航系統(tǒng)研制成功以后，美國繼續(xù)研究更先進的軍用衛(wèi)星導航系統(tǒng)。1973年開始研究全球定位系統(tǒng)，工程研究試制階段接近結束，80年代后期開始部署使用，用以滿足軍事上的需要。原計劃在3個軌道平面上共部署24顆衛(wèi)星，在最佳狀態(tài)下可達到10米左右三維準確度（全球范圍）。后來改為在6個軌道平面上共部署18顆衛(wèi)星，定位能力有所降低。當前第97頁\共有111頁\編于星期六\11點“子午儀”衛(wèi)星導航系統(tǒng)當前第98頁\共有111頁\編于星期六\11點§2.4.6電子對抗電子對抗是為削弱、破壞敵方電子設備的使用效能和保障己方電子設備正常發(fā)揮效能而采用的綜合技術措施，其實質(zhì)是斗爭雙方利用電磁波的作用來爭奪對電磁頻譜的有效使用權。電子對抗分類：通信對抗、導航對抗、雷達對抗、制導對抗、光電對抗、敵我識別對抗、無線電引信對抗、遙控遙測對抗和C3I對抗等。隨著電子技術應用的擴展，新的對抗領域還會出現(xiàn)。電子對抗有時也稱電磁對抗。

當前第99頁\共有111頁\編于星期六\11點一、發(fā)展過程①初始階段電子對抗首先萌發(fā)于對通信的干擾。20世紀初，隨著火花通信的應用就有了對軍事通信的竊聽和干擾。第一次世界大戰(zhàn)期間，隨著選頻通信的出現(xiàn),發(fā)展了相應的通信對抗。②形成階段第二次世界大戰(zhàn)期間和戰(zhàn)后的50年代，通信、導航和雷達技術已相繼成熟。電子對抗技術也獲得了相應的發(fā)展。在雷達對抗方面，廣泛使用了箔條和角反射器等無源干擾，以及噪