光电子技术第一章教案.ppt
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1、光电子技术第一章教案现在学习的是第1页,共45页麦克斯韦麦克斯韦( (英国英国1831183118791879) ) 1865 1865年他预言了电磁波的存在,并计算了电磁波的传播速度等于光速,同时年他预言了电磁波的存在,并计算了电磁波的传播速度等于光速,同时得出结论:光是电磁波的一种形式,揭示了光现象和电磁现象之间的联系。得出结论:光是电磁波的一种形式,揭示了光现象和电磁现象之间的联系。18881888年德国物理学家赫兹用实验验证了电磁波的存在。年德国物理学家赫兹用实验验证了电磁波的存在。麦克斯韦于麦克斯韦于18731873年出版了科学年出版了科学名著名著电磁理论电磁理论,系统、全面、完美地
2、阐述了电磁场理论。,系统、全面、完美地阐述了电磁场理论。这一理论成为经典物理学的这一理论成为经典物理学的重要支柱之一。麦克斯韦主要从事电磁理论、分子物理学、统计物理学、光学、重要支柱之一。麦克斯韦主要从事电磁理论、分子物理学、统计物理学、光学、力学、弹性理论方面的研究。力学、弹性理论方面的研究。他建立的电磁场理论,将电学、磁学、光学统一起来他建立的电磁场理论,将电学、磁学、光学统一起来,是,是1919世纪物理学发展的最光辉的成果,是科学史上最伟大的综合之一。世纪物理学发展的最光辉的成果,是科学史上最伟大的综合之一。 现在学习的是第2页,共45页 sdtDIldHsdBsdtBldEqsdD00
3、01.11.1麦克斯韦方程组及其物理意义麦克斯韦方程组及其物理意义1.1.11.1.1麦克斯韦方程组的积分形式麦克斯韦方程组的积分形式现在学习的是第3页,共45页库仑(法国库仑(法国1736173618061806) 早年就读于美西也尔工程学校。离开学校早年就读于美西也尔工程学校。离开学校后,进入后,进入皇家军事工程队皇家军事工程队当工程师。法国大当工程师。法国大革命时期,库仑辞去一切职务,到布卢瓦致革命时期,库仑辞去一切职务,到布卢瓦致力于科学研究。法皇执政统治期间,回到巴力于科学研究。法皇执政统治期间,回到巴黎成为新建的黎成为新建的研究院成员研究院成员。 17851789年年,用钮称测量静
4、电力和磁力,用钮称测量静电力和磁力,导出著名的,导出著名的库仑定律库仑定律。 现在学习的是第4页,共45页0qsdD 库仑定律库仑定律 真空中两个点电荷作用力的大小与两个点电荷的电量的乘积成正比,真空中两个点电荷作用力的大小与两个点电荷的电量的乘积成正比,与它们之间距离的平方成反比;作用力的方向在两个点电荷的连线上,同与它们之间距离的平方成反比;作用力的方向在两个点电荷的连线上,同性电荷相排斥,异性电荷相吸引。性电荷相排斥,异性电荷相吸引。 的推导的推导) 1 . 1 (430rrQQF现在学习的是第5页,共45页库库 仑仑 纽纽 称称 实实 验验 细金属丝下悬挂一根秤杆,它的细金属丝下悬挂一
5、根秤杆,它的一端有一小球一端有一小球A A,另一端有平衡体,另一端有平衡体P P,在,在A A旁还置有另一与它一样大小的固定小球旁还置有另一与它一样大小的固定小球B B。为了研究带电体之间的作用力,先使。为了研究带电体之间的作用力,先使A A、B B各带一定的电荷,这时秤杆会因各带一定的电荷,这时秤杆会因A A端受力而偏转。转动悬丝上端的悬钮端受力而偏转。转动悬丝上端的悬钮,使小球回到原来位置。这时悬丝的扭,使小球回到原来位置。这时悬丝的扭力矩等于施于小球力矩等于施于小球A A上电力的力矩。如果上电力的力矩。如果悬丝的扭力矩与扭转角度之间的关系已事先悬丝的扭力矩与扭转角度之间的关系已事先校准、
6、标定,则由旋钮上指针转过的角度读校准、标定,则由旋钮上指针转过的角度读数和已知的秤杆长度,可以得知在此距离下数和已知的秤杆长度,可以得知在此距离下A A、B B之间的作用力。之间的作用力。 PAB秤杆秤杆现在学习的是第6页,共45页0qsdD 库仑定律库仑定律的推导的推导) 1 . 1 (430rrQQFn 电场强度电场强度2 . 1EQF3 . 1443030rrQErrQQEQ现在学习的是第7页,共45页图示图示rrQQF304EEQF304rrQE现在学习的是第8页,共45页的推导的推导0qsdDESSEe垂直和均匀电场中:cosESSEe不垂直和均匀电场中:如果是非匀强电场,并且如果是
7、非匀强电场,并且S也不是平面而是一个也不是平面而是一个任意曲面任意曲面(上图上图(c),那么,那么 SedSEcos如果所考虑的是一个如果所考虑的是一个闭合曲面闭合曲面,穿过整个闭合曲面,穿过整个闭合曲面S的电通量为的电通量为 SedSEcosSeSdE现在学习的是第9页,共45页sdtBldE的获得的获得 静电场中的环路定理静电场中的环路定理:静电场中的场强沿任意闭静电场中的场强沿任意闭合环路的线积分恒等于零,即合环路的线积分恒等于零,即“静电场力作功与路径无关静电场力作功与路径无关”。它是描述静电场规律的另一条重要定理。它是描述静电场规律的另一条重要定理。)6 .1 (0ldEn 非稳定条
8、件下的环路定理非稳定条件下的环路定理:7 .1sdtBldEF表示变化的磁场可感应出涡旋电场表示变化的磁场可感应出涡旋电场现在学习的是第10页,共45页起源起源由静止电荷激发由静止电荷激发由变化的磁场激发由变化的磁场激发电电力力线线形形状状电力线为非闭合曲线电力线为非闭合曲线电力线为闭合曲线电力线为闭合曲线0dtdB静电场为无旋场静电场为无旋场感生电场为有旋场感生电场为有旋场感生电场与静电场的区别感生电场与静电场的区别电电场场的的性性质质为保守场作功与路径无关为保守场作功与路径无关为非保守场作功与路径有关为非保守场作功与路径有关0ldEdtdldEmi感0qSdE静电场为有源场静电场为有源场感
9、生电场为无源场感生电场为无源场0SdE感静电场静电场E感生电场感生电场感E感E现在学习的是第11页,共45页位移电流、传导电流的比较位移电流、传导电流的比较 1. 1. 位移电流具有磁效应位移电流具有磁效应与传导电流相同与传导电流相同 2. 2. 位移电流与传导电流不同之处位移电流与传导电流不同之处 (1) 产生机理不同 传导电流是电荷定向运动形成的传导电流是电荷定向运动形成的 位移电流是变化的电场位移电流是变化的电场 (2) 存在条件不同 传导电流需要导体传导电流需要导体 位移电流不需要导体,可以存在于真空中、导体中、介质中位移电流不需要导体,可以存在于真空中、导体中、介质中 3. 3. 位
10、移电流没有热效应,传导电流产生焦耳热位移电流没有热效应,传导电流产生焦耳热位移电流是建立麦克斯韦方程组的一个重要依据位移电流是建立麦克斯韦方程组的一个重要依据。 现在学习的是第12页,共45页场的概念数量场矢量场场的概念数量场矢量场 场的概念场的概念所谓场,就是指物理量在空间或一部分空间空间中的分布。所谓场,就是指物理量在空间或一部分空间空间中的分布。如电位场、温度场等。如电位场、温度场等。 数量场矢量场数量场矢量场数量场,分布在空间的物理量是数量(又称标量场),例如电位数量场,分布在空间的物理量是数量(又称标量场),例如电位场。场。矢量场,分布在空间的物理量是矢量(又称向量场),例如,力场矢
11、量场,分布在空间的物理量是矢量(又称向量场),例如,力场、速度场、电场强度场、磁场强度场等。、速度场、电场强度场、磁场强度场等。现在学习的是第13页,共45页高斯高斯( (德国德国17771855) ) 德国著名数学家、物理学家、天文学家、大地测德国著名数学家、物理学家、天文学家、大地测量学家。他和牛顿、阿基米德,被誉为有史以来的量学家。他和牛顿、阿基米德,被誉为有史以来的三大数学家。高斯是近代数学奠基者之一,在历史三大数学家。高斯是近代数学奠基者之一,在历史上影响之大,上影响之大, 可以和可以和阿基米德、牛顿、欧拉阿基米德、牛顿、欧拉并列,有并列,有“数学王子数学王子”之称。之称。 高斯的数
12、学研究几乎遍及所有领域,在数论、高斯的数学研究几乎遍及所有领域,在数论、代数学、非欧几何、复变函数和微分几何等方面代数学、非欧几何、复变函数和微分几何等方面都做出了开创性的贡献。发明了都做出了开创性的贡献。发明了最小二乘法原理最小二乘法原理。算术研究算术研究(18011801)奠定了近代数论的基础,它)奠定了近代数论的基础,它不仅是数论方面的划时代之作,也是数学史上不不仅是数论方面的划时代之作,也是数学史上不可多得的经典著作之一。证明了可多得的经典著作之一。证明了代数基本定理代数基本定理,得,得到到非欧几何的原理非欧几何的原理。发现了著名的。发现了著名的柯西积分定理柯西积分定理。发。发现椭圆函
13、数的双周期性。一生共发表现椭圆函数的双周期性。一生共发表155155篇论文。篇论文。 现在学习的是第14页,共45页高斯高斯(Gauss)定理定理高斯定理是关于空间区域上的三重积分与其边界上的曲面积分之高斯定理是关于空间区域上的三重积分与其边界上的曲面积分之间关系的一个定理,表示为:间关系的一个定理,表示为:SVSdAA高斯定理描述了矢量场中矢量函数沿封闭曲面高斯定理描述了矢量场中矢量函数沿封闭曲面S的面积分,等于该矢的面积分,等于该矢量函数的散度对该曲面包围体积的体积分。量函数的散度对该曲面包围体积的体积分。 散度是描述矢量场中一个点上的特性,而高斯定理表达式左端散度是描述矢量场中一个点上的
14、特性,而高斯定理表达式左端描述的是矢量场描述的是矢量场A在一个范围上的特性。在一个范围上的特性。现在学习的是第15页,共45页斯托克斯斯托克斯( (英国英国1819 1819 1903)1903) 英国数学物理学家。他是英国数学物理学家。他是1919世纪英国数学物理世纪英国数学物理学派的重要代表人物之一学派的重要代表人物之一18411841年毕业于剑桥大学年毕业于剑桥大学,历任该大学教授、英国皇家学会会员,秘书和会,历任该大学教授、英国皇家学会会员,秘书和会长。他和法国的长。他和法国的C.-L.-M.-H.C.-L.-M.-H.纳维分别独立地导出流体力纳维分别独立地导出流体力学中的纳维学中的纳
15、维- -斯托克斯方程和小球在粘滞流体中运动的斯托克斯托克斯方程和小球在粘滞流体中运动的斯托克斯公式。他提出过光行差理论,光衍射和晶体双折射的动力理斯公式。他提出过光行差理论,光衍射和晶体双折射的动力理论,研究与论,研究与命名了命名了“荧光荧光”现象现象而发现了其中的斯托克斯而发现了其中的斯托克斯效应(发光的波长总是大于激发光的波长),并提倡用来效应(发光的波长总是大于激发光的波长),并提倡用来对有机体作光谱分析。他在大地重力测量和数学物理方法对有机体作光谱分析。他在大地重力测量和数学物理方法方面亦作出过贡献,如著名的方面亦作出过贡献,如著名的斯托克斯积分定理斯托克斯积分定理。 斯托克斯在数学方
16、面以场论中关于线积分和面积分之斯托克斯在数学方面以场论中关于线积分和面积分之间的一个转换公式(斯托克斯公式)而闻名。间的一个转换公式(斯托克斯公式)而闻名。现在学习的是第16页,共45页斯托克斯斯托克斯(Stokes)定理定理 斯托克斯斯托克斯(Stokes)定理是关于曲面积分与其边界曲线定理是关于曲面积分与其边界曲线积分之间关系的定理,即:积分之间关系的定理,即:SlSdAldA 斯托克斯公式描述矢量场中,矢量斯托克斯公式描述矢量场中,矢量A沿闭合周界沿闭合周界l 的的线积分,它等于这个矢量的旋度沿场中以线积分,它等于这个矢量的旋度沿场中以l为周界为周界的曲面的面积分。的曲面的面积分。现在学
17、习的是第17页,共45页麦克斯韦方程组及其物理意义麦克斯韦方程组及其物理意义 麦克斯韦方程组的微分形式麦克斯韦方程组的微分形式 高斯定理:高斯定理: 斯托克斯定律:斯托克斯定律:SdAVdASVSdAldASl现在学习的是第18页,共45页高斯定理的微分形式推导高斯定理的微分形式推导)(0)(VSdVSdDn 根据高斯定理,得根据高斯定理,得:0q0n 设自由电荷设自由电荷 是体分布的,是体分布的, 为电荷的体密度,则为电荷的体密度,则(1.12)式的式的(I)式为:式为:)()(VSdVDSdDVVdVdVD00D现在学习的是第19页,共45页安培环路定理的微分形式推导安培环路定理的微分形式
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- 光电子 技术 第一章 教案
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