第1讲教案绪论麦克斯韦方程组及电磁场的波动性

第1讲教案题目绪论、麦克斯韦方程组及电磁场的波动性本讲计划学时2对应教材章(课)节绪论、第1章第1节教学目的1、了解光学发展史和现代光学的发展状况；2、建立光是一种电磁现象的理念；3、熟悉麦克斯韦方程组的两种形式；4、能够导出波动方程。教学进程序号本讲主要环节（内容）时间(分)绪论1光学的研究内容和方法5/102光学发展简史25/303物理光学研究内容5/30§1.1麦克斯韦方程组4积分形式的麦克斯韦方程组5/405微分形式的麦克斯韦方程组15/556物质方程5/607麦克斯韦方程组的物理意义5/65…§1.2电磁场的波动性8电磁场的传播5/709电磁场的波动方程15/8510电磁波在真空中的传播速度5/9011麦克斯韦关系式5/9512小结5/100板书设计绪论一、光学的研究内容和方法二、光学发展简史1、萌芽阶段2、几何光学发展阶段3、物理光学发展阶段4、量子光学发展阶段5、现代光学阶段三、物理光学研究内容1、经典电磁理论基础2、光的干涉3、光的衍射4、光的偏振第一章光的电磁理论§1.1麦克斯韦方程组一、积分形式的麦克斯韦方程组QdD0dBdtBldEdtDIldH二、微分形式的麦克斯韦方程组tDjHtBEBD0三、物质方程EjHBED四、麦克斯韦方程组的物理意义变化的电场激发磁场，变化的磁场激发电场，交变的电磁场互相激发，以一定速度向空间传播，形成电磁波。板书设计§1.2电磁场的波动性一、电磁场的波动方程010122222222tBvBtEvE二、电磁波在真空中的传播速度smv/1099794.21800三、麦克斯韦关系式rn教学内容、方法、手段设计及教学重点、难点分析本节课设计的整体思路为：两条思路：1、从光学发展史中建立起物理光学研究内容的脉络2、从已知知识点出发，深入浅出的建立本课程的理论基础：回顾总结延展拓深综合概括结合实际具体地：回顾大学物理中已经学习过的知识点，对通用范围知识点进行概括总结，拓展延伸到光学领域，得出适用于物理光学研究范畴的理论基础。本节课的具体内容：1.绪论：光学发展史、物理光学课程脉络2.光的电磁理论：麦克斯韦方程、电磁场的波动性本节课的重点与难点：重点和难点：光是电磁波的理论依据突破重点难点的方法：从大学物理中电磁波一章的内容着手，分析光波与电磁波的异同，分析光波是否满足电磁波的成立条件，得出肯定结论后，也就意味着光波具有电磁波的一切性质，再将电磁波的性质与光波的属性具体而微的结合起来。本节课的教学方法和手段：采用引导式、启发式和讲授式教学方法，引导学员积极的思考，将学过的内容融会贯通，。授课时教学手段主要采用板书方式，使解题思维呈现逻辑性和整体性，同时辅助于多媒体，立体直观表达艰涩内容。第1讲绪论、麦克斯韦方程组及电磁场的波动性1绪论一、光学的研究内容和方法光学的研究内容十分广泛，它包括光的发射、传播和接收等规律，以及光和其它物质的相互作用（如光的吸收、散射和色散，光的机械作用和光的热、电、化学和生理效应等）。光学既是物理学中最古老的一门基础学科，又是当前科学领域中最活跃的前沿阵地之一，具有强大的生命力和不可估量的发展前途。从方法论上看，作为物理学的一个重要学科分支，光学研究的发展也完全符合如下的认识规律：在观察和实验的基础上，对物理现象进行分析、抽象和综合，进而提出假说，形成理论，并不断反复经受实践的检验。生产实践和科学实验是推动光学发展的强大动力，为光学发展提供了丰富的源泉。二、光学发展简史光学的发展大致可划分为下列五个时期：萌芽时期→几何光学时期→波动光学时期→量子光学时期→现代光学时期2.1萌芽时期（1）公元前11～5世纪，中国已用鉴（金属平面镜），阴遂（金属凸面镜）作饰物，会用阳遂（金属凹面镜）取火，能够使用圭表（原始光学仪器）定时定向，懂得利用火烛、荆等作为人造光源照明。（2）公元前480～380年，墨翟及其弟子著《墨经》，其中下经第16～23条以实验为基础记载光的影子（半影与本影）直线传播、针孔成像，光的反射、平面镜、凹面镜与凸面镜成像五个部分的几何光学知识，是世界上有关几何光学的最早记录，在科学史上占有重要地位。墨经光学不足的地方在于书中缺乏定量分析，因此由墨经八条得不出反射定律来，也没有触及到折射现象。（3）公元前330～275年，古希腊学者欧几里德著《反发展史时，注意突出五个重要阶段，实时引入一些重要人物、事件、小花絮等。激发学员在专业方向上的兴趣和对本专业的学习的热情。我们的祖先具有最早的而又正确的光学知识，是严谨的科学工作者，秉持“知之为知之，不知为不知”的学术精神，我们应该继承。第1讲绪论、麦克斯韦方程组及电磁场的波动性2射光学》被西方学者认为是世界上最古老的光学书籍，总结光的反射定律并主张光的投射学说，认为眼睛自身可以发出某种须状的东西，这些触须散落至物体上，与物体形成一个相切的锥角就造成了视觉。欧几里德所著《光学》书与《墨经》相比约晚百年，《墨经》中的论述都是从观察得来的事实，毫无臆测之语，而欧几里德所著《光学》有很强的唯心主义包含在内。其他古希腊的哲学家和数学家们也分别写下了不少光学著作，提出许多杰出的哲学思想。（4）公元50～200年，克莱门德（Cleomedes，公元50年）和托勒密（C.Ptolemy，公元90-168年）研究了光的折射现象，最先测定了光通过两种介质分界面时的入射角和折射角。（5）公元1～1800年，古希腊的光学知识遗产首先在阿拉伯人的手中保存下来，尔后又传入欧洲大陆。生于公元10世纪中叶的阿拉伯学者阿勒哈森（965～1038）及其著作《光学全书》堪称中古时代的光学基础。阿勒哈森对几何光学和人眼有深入研究，他完善了反射定律，在前人“反射角等于入射角”的基础上又加上“两个角都在同一平面内”的法则，完善了反射定律，论证过各种球面镜及抛物柱面镜的特殊光路，研究球面像差及透镜放大率，提出了著名的“阿勒哈森问题”，他还第一个比较详细地描述了人眼结构，坚持视觉来自于被见物体发光的观点。阿勒哈森对西方近代科学的发展起到重要影响。13世纪杰出的英国僧人罗吉尔·培根受阿拉伯人著作的启发而进行一系列光学实验的。培根描述过焦点的位置，研究过球面像差，提出可利用透镜矫正人的视力，以及采用组合透镜构成望远镜的光辉思想。此后意大利人阿波蒂发明了眼镜；波尔塔在书中首先讨论凸凹透镜的组合问题。到了16世纪末，眼镜与眼镜制造业已成为欧洲大陆上一种十分兴旺的手工工业了。在几何光学的发展第1讲绪论、麦克斯韦方程组及电磁场的波动性32.2几何光时期17世纪是实验物理学的开端，也是几何光学发展的转折点。在此期间，人们确立了正确的光的反射与折射定律，扩大人类眼界的光学仪器也相继出现，奠定了几何光学的基础。望远镜：荷兰李普塞（H.Lippershey，1587-1619年）在1608年发明了第一架望远镜。十世纪初延森（Z.Janssen，1588-1632）和冯特纳（P.Fontana，1580-1656年）最早制作了复合显微镜。早期的望远镜和显微镜不过是一种令人好奇的玩具，真正将它们有效地用于科学，还应该归功于伽利略（1564～1642）。1610年伽利略首次使用自制望远镜观察星空，他的重大天文发现全部详细记载在《星界信使》这本有名的著作之中。历史上伽利略首次明确提出光速有限的观点，并试图测定光束，给后人以很大启发。发现了绕木星运行的卫星，这给哥白尼关于地球绕日运转的日心说提供了强有力的证据。德国天文学家开普勒（1571～1630）是近代光学的奠基人，他的主要贡献是提出光度学基本定律，论述光的折射，透镜性质和视觉理论等方面的问题，并设计出最早由双凸透镜组合的天文学望远镜。开普勒奠定近代实验光学基础，被称为几何光学理论的奠基人。斯涅耳最先写出了折射定律的确切表达形式，这个定律于1637年被笛卡尔公布于世。接着，费马发展了大约公元前1世纪亚历山大里亚的希隆用类似光程最短原则论证的反射定理，提出著名的最小时间原理，并根据这个原理推出光的反射定律和折射定律。开普勒与费马的研究工作使几何光学达到理论成熟的高度，至此它的基础才算是完全奠定。2.3波动光学时期(1)光学现象：意大利人格里马第（F.M.Grimaldi,1618-1663年）首先观察到光的衍射现过程中，有许多科学家作出了贡献，但也有普通的手工业者的辛勤劳动，要对劳动人民的聪明才智充分的重视起来，科学发现和发展就在你我的日常生活中。知识都不是孤立的，相互之间有着千丝万缕的联系，因此天文学家和数学家都能够在光学领域有所突破。我们学习知识也应该做到触类旁通。在科学面前只有真理才是权威的，不第1讲绪论、麦克斯韦方程组及电磁场的波动性4象，1672-1675年间胡克（R.Hooke，1635-1703年）也观察到衍射现象，并且和波义耳（R.Boyle，1627-1691年）独立地研究了薄膜所产生的彩色干涉条纹，所有这些都是光的波动理论的萌芽。(2)波动学说和粒子学说：十七世纪下半叶，牛顿（I.Newton，1642-1727年）和惠更斯（C.Huygens，1629-1695年）等把光的研究引向进一步发展的道路。牛顿认为，光是从光源发出的微粒流，光粒子按照惯性定律沿直线传播，其运动遵守力学定律。光在界面上的反射就象小球射到平面上反弹回来一样，遵守反射角等于入射角的规律。光的折射是由于光粒子从第一种介质进入第二种介质时介质对光粒子的吸引力有所改变，从而光粒子的速度改变而引起光的折射，最后推出结论：光粒子流在光密介质中比在光疏介质中传播速度大。这一结论显然是错误的，但由于当时牛顿在科学界的崇高地位和威望，微粒学说得到普遍认可，持续近两个世纪的时间。惠更斯则根据光现象与声现象的相似性，认为光是在一种特殊弹性介质（以太）中传播的机械波（此时还没有认识到电磁波），是纵波。他还提出了确定光的传播方向的著名原理：光振动某一时刻所到达的波前上的每一点都可以看作是次波的波源，从这些波源发出的次波的包面即形成另一时刻新的波前，新波前的法线方向就是光的传播方向。根据这种理论也能解释光的反射、折射现象，并得出光在较密介质中的传播速度较小。但这种理论也是不完善的。后来科学家证明：以太这种假想的弹性介质是不存在的，光不是机械波，不是纵波。但这一理论提出了光的波动概念。)(3)波动学说的发展：到了十九世纪，杨（T.Young，1773-1829年）和菲涅耳（A.J.Fresnel，1788-1827年）的著作在初步发展起来的波动光学体系起着决定性的作用。1801年托马斯.杨用双缝实验演示了光的干涉现象，要对任何人抱有盲目崇拜的心理，在科学领域要保持清醒头脑。第1讲绪论、麦克斯韦方程组及电磁场的波动性5并用波动理论解释了光的干涉现象白光照射下薄膜颜色的由来，并第一次成功地测定了光的波长。1815年菲涅耳用杨氏干涉原理补充了惠更斯原理，形成了人们所熟知的惠更斯一菲涅耳原理，说明了光的衍射现象。1808年马吕斯（E.L.Malus，1775-1812年）偶然发现光在两种介质界面上反射时的偏振现象。为了解释这些现象，杨氏在1817年提出了光波和弦中传播的波相仿的假设，认为它是一种横波。菲涅耳进一步完善了这一观点并导出了菲涅耳公式。至此，波动学说得到普遍认可。但这时仍认为光波是机械波，必须在一种臆想的弹性介质（以太）中传播。(4)波动学说确立：1845年法拉第（M.Faraday，1791-1867年）发现了光的的振动面在强磁场中的旋转，提示了光现象和电磁现象的内在联系。1856年韦伯（W.E.Weber,1804-1891年）和柯尔劳斯（R.Koh-Lrausch，1809-1858年）在莱比锡做的电学实验结果，发现电荷的电磁单位和静电单位的比值等于光在真空中的传播速度，即3×108米/秒。麦克斯韦（J.C.Maxwell，1831-1879年