师：同学们好，新课之前，先请大家来看一幅图片。图片展示的是1895年马可尼首次成功实现无线电通信，也就是电报通信，揭开了人类通信史上的新篇章。同学们知道马可尼是通过什么实现无线通信的吗？

　　生：是电磁波。

　　师：对，同学们说得不错，是电磁波。其实，今天大家熟悉的Wifi、5G等新的通信方式，都是对电磁波在通信上的应用。近年来比较火热的中国天眼，即500米口径的球面射电望远镜，就是通过接收来自外太空的电磁波进而探索宇宙。那当初我们是如何发现电磁波的呢？本堂课我们就来学习电磁波的发现和应用。

　　首先，我们来回顾一个经典的电磁感应现象。如右图，交变电流产生了周期性变化的磁场，使上面的线圈中产生了感应电动势，进而让回路中的灯泡发光。关于这个电磁感应现象，麦克斯韦进一步想到，既然产生了感应电流，一定是有了电场，它促使导体中的自由电荷做定向移动。同时，即使在变化的磁场中没有闭合电路，同样会在空间产生电场。因此，麦克斯韦认为这个现象的实质是变化的磁场产生了电场，这就是麦克斯韦电磁场理论的核心之一。注意，这种电场的电场线是闭合的，也称为涡旋电场，与之前同学们学习过的静电场不一样。

　　既然变化的磁场能产生电场，那么变化的电场能产生磁场吗？麦克斯韦确信自然规律的统一性与和谐性，相信电场和磁场的对称之美。他大胆假设变化的电场就像导线中的电流一样，会在空间产生磁场，即变化的电场产生磁场，这就是麦克斯韦电磁场理论的核心之二。这个理论的提出体现了麦克斯韦惊人的洞察力，也正是他的伟大之处。我们完整地阐述一下麦克斯韦电磁场理论：变化的电场会产生磁场，变化的磁场也会产生电场。按照这个理论，变化的电场和变化的磁场总是相互联系的，形成了一个不可分离的、统一的场，我们把这个场称为电磁场。

　　根据以上理论，麦克斯韦进一步推断，如果在空间某区域中有周期性变化的电场，那么它就在空间引起周期性变化的磁场，这个变化的磁场又引起新的变化的电场。同学们可以看上面的图。于是变化的电场和变化的磁场交替产生，由近及远地向周围传播。一个伟大的预言诞生了：空间可能存在电磁波。注意，麦克斯韦仅仅是预言了电磁波的存在。由于他英年早逝，并没有看到科学实验对电磁场理论的证实。把天才的预言变成世人公认的真理的人是德国科学家赫兹，他于1886年第一次通过实验捕捉到了电磁波。实验的现象是这样的：当感应圈两个金属球间有火花跳过时，立刻产生一个交变电磁场，形成电磁波在空间传播，经过导线环时激发出感应电动势，使得导线环中也产生了火花。

　　为了帮助同学们清楚了解该实验过程，下面我们来看一个视频。用两根铜杆制成发射天线，把感应器的两个输出端接到两根铜杆上。用同样的两根铜杆构成接收天线，在两根铜杆间放置一个氖泡，检验电磁波的接收情况。接通高压圈的电源，在两根发射天线的间隙处产生电火花，同时有电磁波向外发射。可以看到在两根接收天线间的氖泡发光，接收天线接收到了电磁波。

　　通过这个实验，同学们对电磁波的发现也有了一定的了解。接下来同学们思考一下，生活中有没有什么现象可以证明电磁波的存在呢？

　　生：……

　　师：这些现象应该还蛮多的，老师举些例子，比如夏天打雷时，正在收听的收音机会发出咯咯的声音；手机接收信号时，附近的电脑会发出声音等等，这些都可以说明电磁波的存在。

　　我们熟悉声波和水波，耳朵能够听到声波是因为耳朵和声源之间有空气，水波的传播则需要水。空气、水是声波和水波传播的介质，水波和声波的传播都离不开介质。与这些波不同，电磁波可以在真空中传播，这是因为电磁波的传播靠的是电场和磁场的相互激发。那么电磁波以多大的速度传播呢？麦克斯韦推算出一个出人意料的答案：电磁波的速度等于光速，他由此还提出了光的电磁理论，光是以波动形式传播的一种电磁振动，光就是一种电磁波。书上还有一点未曾提到，同学们看这张电磁波传播的动态图，图中红色代表的是电信号的振动，蓝色代表的是磁信号的振动，可以看出它们的振动方向彼此相互垂直，且又和波的传播方向垂直。物理学中把振动方向与传播方向垂直的波称为横波，所以电磁波是横波。这部分内容后面也会学到，今天不展开讲了。下面我们来介绍电磁波的几个概念和它们的关系。

　　为了方便同学们理解，我们以同学们熟悉的水波为例。在一列水波中，凸起的最高峰叫做波峰，凹下的最低处叫波谷，相邻的两个波峰或相邻的两个波谷的距离叫波长，用λ表示。在1秒内有多少次波峰，或者有多少次波谷通过，波的频率就是多少，用f表示。用来描述波传播快慢的物理量叫做波速，用v表示。根据它们的概念，我们不难得出波长、周期、频率和波速的关系，即速度等于波长除以周期，或者速度等于波长乘以频率。对于电磁波，波速、波长和频率有同样的关系。由于电磁波在真空中的速度就是c，所以表达式写成c = λ×f。

　　电磁波频率范围很大，物理学中按电磁波的波长或者频率大小的顺序把它们排列成谱，叫电磁波谱。按波长从长到短的顺序，电磁波分为无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、伽马射线，如图所示。不同的电磁波由于具有不同的波长或者频率，因此具有不同的特性。利用这些特性，电磁波在生产生活中有广泛的应用。比如无线电波中的长波、中波、短波可以用于广播及其他信号的传播；微波可以用于卫星通信、电视等信号的传输；红外线可以用来加热、理疗；可见光让我们看见这个世界，也可以用于通信；紫外线可以消毒；X射线可以用于诊断病情，X射线片就是我们熟悉的X光片；伽马射线可以摧毁病变的细胞，也就是所谓的放疗。