题目
电磁波在真空中传播时,每一时刻的电场能量和磁场能量是相等的。()A. 正确B. 错误
电磁波在真空中传播时,每一时刻的电场能量和磁场能量是相等的。()
A. 正确
B. 错误
题目解答
答案
A. 正确
解析
考查要点:本题主要考查电磁波的能量特性,特别是电场能量与磁场能量的关系。
解题核心思路:
电磁波在真空中传播时,电场和磁场相互垂直且与传播方向垂直,能量由电场和磁场共同携带。关键点在于理解电磁波的能流分布及能量密度的计算。根据麦克斯韦理论,电磁波的电场能量密度和磁场能量密度始终相等,因此总能量也相等。
破题关键:
- 能量密度公式:电场能量密度为 $\frac{1}{2}\varepsilon_0 E^2$,磁场能量密度为 $\frac{1}{2\mu_0} B^2$。
- 电磁波的场关系:在真空中,$E = cB$($c$ 为光速),代入可证明两者能量密度相等。
能量密度的推导
- 电场能量密度:
$u_E = \frac{1}{2}\varepsilon_0 E^2$ - 磁场能量密度:
$u_B = \frac{1}{2\mu_0} B^2$ - 场的关系:
在电磁波中,电场与磁场满足 $E = cB$,其中 $c = \frac{1}{\sqrt{\mu_0 \varepsilon_0}}$。 - 代入计算:
将 $B = \frac{E}{c} = E \sqrt{\mu_0 \varepsilon_0}$ 代入 $u_B$:
$u_B = \frac{1}{2\mu_0} \left( E \sqrt{\mu_0 \varepsilon_0} \right)^2 = \frac{1}{2\mu_0} \cdot E^2 \mu_0 \varepsilon_0 = \frac{1}{2} \varepsilon_0 E^2$
因此,$u_B = u_E$,即电场和磁场的能量密度始终相等。
能量的动态平衡
电磁波传播过程中,电场和磁场的振幅随时间变化,但能量密度始终同步变化。例如:
- 当电场达到最大值时,磁场也达到最大值,此时能量密度最大且相等。
- 当电场为零时,磁场也为零,能量密度均为零。
综上,每一时刻电场能量和磁场能量相等,题目描述正确。