4-3 電與磁的統整
4.3.1 馬克士威的電磁理論
19 世紀中期，蘇格蘭科學家馬克士威（James Clerk Maxwell）將電學和磁學的現象統整起來，提出了著名的馬克士威方程組。他成功地統一了電場和磁場的理論，預測了電磁波的存在，為電磁學奠定了理論基礎。
馬克士威的理論指出：
- 變化的電場會產生磁場。
- 變化的磁場會產生電場。
- 電場和磁場是相互交織、不可分割的。
這些觀念徹底改變了人們對電和磁的理解，開啟了電磁學的新時代。
問題 1：
馬克士威在電磁學中的主要貢獻是什麼？
解題策略：
回憶馬克士威的主要理論和對電磁學的影響。
問題 2：
馬克士威理論中，變化的電場和磁場之間有何關係？
解題策略：
思考電場和磁場如何相互影響。
4.3.2 電磁波
電磁波是由變化的電場和磁場相互作用而產生的波動，能夠在空間中傳播，不需要任何介質。馬克士威預測了電磁波的存在，並指出光也是一種電磁波。
電磁波的產生
電磁波的產生需要帶電粒子的加速度運動，例如：
電磁波的特性
- 不需要介質：電磁波可以在真空中傳播。
- 速度：在真空中的傳播速度為光速，約為 3 × 108 m/s。
- 橫波性質：電場和磁場互相垂直，且都垂直於傳播方向。
問題 3：
電磁波是如何產生的？
解題策略：
考慮帶電粒子運動時，電場和磁場如何變化。
問題 4：
電磁波在真空中的傳播速度是多少？
解題策略：
回憶電磁波和光速之間的關係。
問題 5：
電磁波傳播時，電場和磁場的方向有何特性？
解題策略：
思考電磁波的結構和波動特性。
4.3.3 生活中常見的電磁波
電磁波廣泛存在於我們的日常生活中，不同頻率的電磁波具有不同的性質和應用。以下是常見的電磁波種類：
- 無線電波：用於廣播、通訊、無線網路。
- 微波：用於微波爐、衛星通訊、雷達。
- 紅外線：用於紅外線遙控器、熱成像、夜視設備。
- 可見光：人眼可見的電磁波，用於照明、攝影。
- 紫外線：太陽輻射的一部分，可用於消毒殺菌。
- X 射線：用於醫學成像、安檢。
- 伽馬射線：核反應中產生，用於醫學治療、科學研究。
電磁波譜：根據頻率或波長的不同，電磁波可以排列成一個連續的光譜，稱為電磁波譜。
問題 6：
列舉三種日常生活中常見的電磁波及其應用。
解題策略：
回憶各種電磁波的應用場景。
問題 7：
為什麼電磁波可以不需要介質就能傳播？
解題策略：
思考電磁波的本質和傳播機制。
問題 8：
可見光和 X 射線都是電磁波，為什麼它們的應用和特性差異這麼大？
解題策略：
考慮電磁波的頻率與能量之間的關係。