2022-2023学年高二物理竞赛课件：光的电磁性质

光的电磁性质 2 一、麦克斯韦方程组 电场高斯定理： 磁场高斯定理： 法拉第感应定理： （涡旋定理） 安培环路定理： 光的电磁性质 位移电流---电容器。 计算穿过某给定闭曲面的电场线数量，即其电通量，可以得知包含在这闭曲面内的总电荷。S代表面积分，l代表线积分。圈代表闭合曲面或者闭合回路。 电场可以是库仑电场也可以是变化磁场激发的感应电场，而感应电场是涡旋场，它的电位移线是闭合的，对封闭曲面的通量无贡献。 2 光学的分类 3 4 经典光学 波动光学－电 磁波。解释光的干涉、衍射和 偏振，基于麦氏方程组。 几何光学－光的直线传播。光的传播、反射 量子光学－光子。光的波粒二相性 量子光学 波动光学 几何光学 波动光学与几何光学的区别和联系，可以通过光通过一个半径可变的小孔的实验来体现。只有小孔半径接近波长量级的时候才有衍射出现。也可以解释声音和水波传播容易出现衍射现象的原因。 量子光学与波动光学的区别和联系同样可以用衍射实验来体现。单个光子出现在什么地方是不确定的，而大量光子的运动表现出规律性，这种规律与波动光学计算的结果一致。可见光的波粒二象性可以用统计的观点建立联系。大量光子同时通过和一个一个光子通过之间的差别仅在于前者是对空间的统计平均，而后者是对时间的统计平均。可见光波在某一时刻，在空间某点的强度就是该点找到光子的几率。 4 5 微粒说的代表人物是笛卡尔（R. Descartes）和牛顿（I. Newton）。 其认为发光物体都发射光微粒，这些微粒可在真空或透明介质中以巨大速度沿直线运动。 微粒说可解释光的直线传播、光的反射现象，亦可勉强解释光的折射。但对实验中相继发现的大量光的干涉、衍射和偏振现象却无法解释。 几何光学时期(光的微粒说) 6 波动说是有胡克（R. Hooke）和惠更斯（C. Huygens）提出的。 其认为光是一种波动，光的传播不是微粒的运动，而是运动能量按波的形式迁移的过程。 波动说能更简单地解释光的反射、折射现象。 遗憾的是由于把光现象看成某种机械运动过程，认为光是一种弹性波，因而必须臆想一种特殊的弹性介质（以太）充满空间，这种介质应密度极小和弹性模量极大。这些均无法实验验证。 波动光学时期 7 加之当时出于牛顿在力学方面的巨大贡献，因此对波动说几乎无人相信。 直到19世纪初，由于杨氏（T. Young）、菲涅尔（A. J. Fresnel）等一批科学家的不懈努力，令人信服地用波动说解释了光的干涉、衍射和偏振现象，波动理论的地位才被确立。 波动光学的建立 8 上世纪初，在解释黑体辐射、光电效应及康普顿散射等现象时，波动说却无能为力。 1905年，爱因斯坦（A. Einstein）重新提出光的粒子性概念――光子，从而解决了以上的问题。 光有粒子性和波动性双重性质――波粒二相性，不同场合表现出的属性不同。 量子光学时期 9 现代光学研究热点 纳米光学 近场光学 光子晶体 超强超快激光 …… 10 第一章 光的电磁理论基础 11 电荷如何产生电场 磁单极子不存在，磁场无源 变化的磁场如何产生电场 电流和变化电场如何产生磁场 麦克斯韦方程组的物理意义 电场的产生：库伦电场 (无旋，闭合曲面有磁通量) + 变化磁场激发的感应电场(涡旋电场，闭合曲面无通量) 磁场的产生：传导电流(涡旋，闭合曲面无磁通量) + 变化电场的位移电流所激发(涡旋场，闭合曲面无磁通量) 电力线发自正电荷，终止于负电荷 磁力线永远是闭合的 11 麦克斯韦假定在交变电场和交变磁场中，高斯定理依然成立。变化的磁场会产生涡旋电场，将静电场的环路定律代之以涡旋电场场强的环流表达式；对静磁场的环路定律则引入了位移电流的概念后进行了修改，这样，就得出了适用于交变电磁场的麦克斯韦方程组。 电荷激发电场中： 变化的磁场激发电场（涡旋场): (1)式意义：任何电场中通过任意闭合曲面的电位移通量为闭合曲面内自由电荷和 电荷激发的电场（保守场）： 变化磁场激发的电场（涡旋场）： （2）式意义：电场强度沿任意闭合曲线的线积分为回路中磁通量随时间变化率的负值 （1） （2） 无源场 12 12 $