法拉第效应(教学指导书)

法拉第效应一．实验目的1．初步了解法拉第效应的经典理论。

2．初步掌握进行磁光测量的方法。

二．实验原理1．法拉第效应实验表明，偏振面的磁致偏转可以这样定量描述：当磁场不是很强时，振动面旋转的角度F θ与光波在介质中走过的路程l 及介质中的磁感应强度在光的传播方向上的分量H B 成正比，这个规律又叫法拉第一费尔得定律，即F H VB l θ=()1比例系数V 由物质和工作波长决定，表征着物质的磁光特性，这个系数称为费尔得常数，它与光频和温度有关。

几乎所有的物质都有法拉第效应，但一般都很不显著。

不同物质的振动面旋转的方向可能不同。

一般规定：旋转方向与产生磁场的螺线管中电流方向一致的，叫正旋（0V >）反之叫负旋（0V <）。

法拉第效应与自然旋光不同，在法拉第效应中，对于给定的物质，偏振面相对于实验室坐标的旋转方向，只由B 的方向决定和光的传播方向无关，这个光学过程是不可逆的。

光线往返一周，旋光角将倍增。

而自然旋光则是可逆的，光线往返一周，累积旋光角为零。

与自然旋光类似，法拉第效应也有色散。

含有三价稀土离子的玻璃，费尔德常数可近似表示为：()122t V K λλ-=-()2这里K 是透射光波长t λ，有效的电偶极矩阵元，温度和浓度等物理量的函数，但是与入射波长λ无关。

这种V 值随波长而变的现象称为旋光色散。

2．法拉第效应的经典理论从光波在介质中传播的图像看，法拉第效应可以这样理解:一束平行于磁场方向传播的平面偏振光，可以看作是两柬等幅的左旋和右旋偏振光的叠加，左旋和右旋是相对于磁场方向而言的。

介质中受原子核束缚的电子在人射光的两旋转电矢量作用下，作稳态的圆周运动。

在与电子轨道平面相垂直的方向上加一个磁场B ，则在电子上将引起径向力M F ，力的方向决定于光的旋转方向和磁场方向。

因此，电子所受的总径向力可以有两个不同的值。

轨道半径也可以有两个不同的值。

结果，对于一个给定的磁场就会有两个电偶极矩，两个电极化率。

法拉第效应实验报告法拉第效应一．实验目的1．初步了解法拉第效应的经典理论。

2．初步掌握进行磁光测量的方法。

二．实验原理1．法拉第效应实验表明，偏振面的磁致偏转可以这样定量描述：当磁场不是很强时，振动面旋转的角度Fθ与光波在介质中走过的路程l 及介质中的磁感应强度在光的传播方向上的分量HB 成正比，这个规律又叫法拉第一费尔得定律，即FHVB l θ=()1比例系数V 由物质和工作波长决定，表征着物质的磁光特性，这个系数称为费尔得常数，它与光频和温度有关。

几乎所有的物质都有法拉第效应，但一般都很不显著。

不同物质的振动面旋转的方向可能不同。

一般规定：旋转方向与产生磁场的螺线管中电流方向一致的，叫正旋（0V >）反之叫负旋（0V <）。

法拉第效应与自然旋光不同，在法拉第效应中，对于给定的物质，偏振面相对于实验室坐标的旋转方向，只由B 的方向决定和光的传播方向无关，这个光学过程是不可逆的。

光线往返一周，旋光角将倍增。

而自然旋光则是可逆的，光线往返一周，累积旋光角为零。

与自然旋光类似，法拉第效应也有色散。

含有三价稀土离子的玻璃，费尔德常数可近似表示为：()122tV K λλ-=-()2这里K 是透射光波长tλ，有效的电偶极矩阵元，温度和浓度等物理量的函数，但是与入射波长λ无关。

这种V 值随波长而变的现象称为旋光色散。

2．法拉第效应的经典理论从光波在介质中传播的图像看，法拉第效应可以这样理解:一束平行于磁场方向传播的平面偏振光，可以看作是两柬等幅的左旋和右旋偏振光的叠加，左旋和右旋是相对于磁场方向而言的。

介质中受原子核束缚的电子在人射光的两旋转电矢量作用下，作稳态的圆周运动。

在与电子轨道平面相垂直的方向上加一个磁场B ，则在电子上将引起径向力MF ，力的方向决定于光的旋转方向和磁场方向。

因此，电子所受的总径向力可以有两个不同的值。

轨道半径也可以有两个不同的值。

结果，对于一个给定的磁场就会有两个电偶极矩，两个电极化率。

附：实验数据测量及处理部分
1、根据表1数据，在坐标纸上做出电流强度—偏振角关系直线。

表1 正向电流，从左向右照射的θ-I 关系
2、根据表2数据，在坐标纸上做出电流强度—偏振角关系直线。

表2 正向电流，从右向左照射的θ-I 关系
3、根据表3数据，在坐标纸上做出电流强度—偏振角关系直线。

表3 反向电流，从右向左照射的θ-I 关系
1、从表1与表2的数据对比分析可以看出：在正向电流情况下，二者的数据都随着电流的增大，θ值的变化方向一样，与入射光的方向无关。

2、从表2与表3的数据对比分析可以看出：在同样方向的入射光情况下，二者的数据都随着电流的增大，θ值的变化方向相反，与电流的正负极性有关。

结论：磁旋光效应的旋转方向仅与磁场方向有关，而与光学传播方向的正逆无关。

第5章 平面电磁波5.1基本内容概述本章讨论均匀平面波在无界空间传播的特性，主要内容为：均匀平面波在无界的理想介质中的传播特性和导电媒质中的传播特性，电磁波的极化，均匀平面波在各向异性媒质中的传播、相速与群速。

5.1.1理想介质中的均匀平面波1．均匀平面波函数在正弦稳态的情况下，线性、各向同性的均匀媒质中的无源区域的波动方程为220k ∇+=E E对于沿z 轴方向传播的均匀平面波，E 仅是z 坐标的函数。

若取电场E 的方向为x 轴，即x x E =E e ，则波动方程简化为222d 0d x x E k E z+= 沿＋z 轴方向传播的正向行波为()j jkz x m z E e e φ-=E e （5.1）与之相伴的磁场强度复矢量为()()z kz z ωμ=⨯H e E 1j jkz ym E e e φη-=e （5.2）电场强度和磁场强度的瞬时值形式分别为(,)Re[()]cos()j t x m z t z e E t kz ωωφ==-+E E e （5.3）(,)Re[()]cos()j t m y Ez t z e t kz ωωφη==-+H H e （5.4）2．均匀平面波的传播参数 （1）周期2T πω=(s)，表示时间相位相差2π的时间间隔。

（2）相位常数k =（rad/m ），表示波传播单位距离的相位变化。

（3）波长kπλ2=（m ），表示空间相位相差2π的两等相位面之间的距离。

（4）相速p v kω==m/s ），表示等相位面的移动速度。

（5）波阻抗（本征阻抗）x y E H η==Ω），描述均匀平面波的电场和磁场之间的大小及相位关系。

在真空中，37712000≈===πεμηη（Ω） 3．能量密度与能流密度在理想介质中，均匀平面波的电场能量密度等于磁场能量密度，即221122εμ=E H电磁能量密度可表示为22221122e m w w w εμεμ=+=+==E H E H （5.5）瞬时坡印廷矢量为21zη=⨯=S E H e E （5.6）平均坡印廷矢量为211Re 22av z η*⎡⎤=⨯=⎣⎦S E H e E （5.7） 4．沿任意方向传播的平面波对于任意方向n e 传播的均匀平面波，定义波矢量为n x x y y z z k k k k ==++k e e e e （5.8）则00()n jk j --==e r k r E r E e E e （5.9）()()1n η=⨯H r e E r （5.10）00n =e E （5.11）5.1.2电磁波的极化1．极化的概念波的极化表征在空间给定点上电场强度矢量的取向随时间变化的特性, 并用电场强度矢量的端点在空间描绘出的轨迹来描述。

法拉第电磁感应定律-优质课教案第一章：引言教学目标：1. 了解电磁感应现象的发现背景。

2. 掌握法拉第电磁感应定律的基本概念。

教学内容：1. 介绍电磁感应现象的发现背景，如奥斯特的电流磁效应实验。

2. 引入法拉第电磁感应定律的定义和公式。

教学活动：1. 播放奥斯特电流磁效应实验的视频，引导学生观察实验现象。

2. 引导学生思考电磁感应现象的意义和应用。

3. 讲解法拉第电磁感应定律的定义和公式。

教学评估：1. 检查学生对电磁感应现象的理解。

2. 检查学生对法拉第电磁感应定律的定义和公式的掌握。

第二章：法拉第电磁感应定律的实验验证教学目标：1. 掌握法拉第电磁感应定律的实验验证方法。

2. 学会使用实验仪器进行电磁感应实验。

教学内容：1. 介绍法拉第电磁感应定律的实验验证方法。

2. 介绍电磁感应实验的仪器和操作步骤。

1. 讲解法拉第电磁感应定律的实验验证方法。

2. 演示电磁感应实验，并引导学生进行实验操作。

3. 引导学生观察实验现象，并记录实验数据。

教学评估：1. 检查学生对法拉第电磁感应定律实验验证方法的掌握。

2. 检查学生对电磁感应实验的操作技能。

第三章：法拉第电磁感应定律的应用教学目标：1. 了解法拉第电磁感应定律在实际应用中的重要性。

2. 掌握法拉第电磁感应定律在发电机和变压器中的应用。

教学内容：1. 介绍法拉第电磁感应定律在实际应用中的重要性。

2. 讲解法拉第电磁感应定律在发电机和变压器中的应用原理。

教学活动：1. 引导学生思考法拉第电磁感应定律在实际应用中的重要性。

2. 讲解发电机和变压器的工作原理，并演示相关实验。

3. 引导学生理解发电机和变压器中法拉第电磁感应定律的应用。

教学评估：1. 检查学生对法拉第电磁感应定律在实际应用中的理解。

2. 检查学生对发电机和变压器工作原理的掌握。

第四章：法拉第电磁感应定律的数学推导1. 掌握法拉第电磁感应定律的数学推导过程。

2. 学会使用数学方法分析电磁感应现象。

法拉第电磁感应定律第一章：电磁感应现象的发现1.1 科学背景：介绍电磁学的发展历程，奥斯特的电流磁效应实验，法拉第的电磁感应实验。

1.2 教学目标：使学生了解电磁感应现象的发现过程，理解法拉第电磁感应定律的基本原理。

1.3 教学内容：1.3.1 奥斯特的电流磁效应实验：介绍奥斯特实验的现象、原理及其意义。

1.3.2 法拉第的电磁感应实验：介绍法拉第实验的现象、原理及其意义。

1.4 教学方法：通过讲述、实验演示、学生讨论等方式，引导学生理解电磁感应现象的发现过程。

1.5 教学评价：通过课堂提问、学生实验报告等方式评价学生对电磁感应现象的理解程度。

第二章：法拉第电磁感应定律的内容2.1 科学背景：介绍法拉第电磁感应定律的内容及其数学表达式。

2.2 教学目标：使学生掌握法拉第电磁感应定律的内容及其数学表达式。

2.3 教学内容：2.3.1 法拉第电磁感应定律的定义：介绍法拉第电磁感应定律的定义及其意义。

2.3.2 法拉第电磁感应定律的数学表达式：介绍法拉第电磁感应定律的数学表达式及其含义。

2.4 教学方法：通过讲述、公式推导、学生讨论等方式，引导学生掌握法拉第电磁感应定律的内容及其数学表达式。

2.5 教学评价：通过课堂提问、学生作业等方式评价学生对法拉第电磁感应定律的理解程度。

第三章：法拉第电磁感应定律的应用3.1 科学背景：介绍法拉第电磁感应定律在实际应用中的重要性。

3.2 教学目标：使学生了解法拉第电磁感应定律在实际应用中的重要性。

3.3 教学内容：3.3.1 发电机：介绍发电机的原理及其应用。

3.3.2 变压器：介绍变压器的原理及其应用。

3.3.3 电磁感应传感器：介绍电磁感应传感器的工作原理及其应用。

3.4 教学方法：通过讲述、实验演示、学生讨论等方式，引导学生了解法拉第电磁感应定律在实际应用中的重要性。

3.5 教学评价：通过课堂提问、学生实验报告等方式评价学生对法拉第电磁感应定律应用的理解程度。

牛逼老师的牛逼教案——法拉第电磁感应定律教学目标：1. 让学生了解法拉第电磁感应定律的发现过程；2. 使学生掌握法拉第电磁感应定律的表述及应用；3. 培养学生的实验操作能力和科学思维。

教学内容：第一章：引言1.1 科学背景：电磁感应现象的发现1.2 科学家的贡献：法拉第、楞次、纽曼等第二章：法拉第电磁感应定律的表述2.1 定律的内容2.2 定律的数学表达式2.3 影响感应电流的因素第三章：实验演示3.1 实验一：电磁感应现象的观察3.2 实验二：感应电流的方向3.3 实验三：感应电动势的测量第四章：应用案例分析4.1 发电机的原理及构造4.2 变压器的原理及构造4.3 电磁感应定律在其他领域的应用第五章：课堂讨论与思考5.1 学生讨论：法拉第电磁感应定律在生活中的实例5.2 思考题：如何提高感应电流的强度？教学方法：1. 采用讲授法，讲解法拉第电磁感应定律的发现过程、表述及应用；2. 利用实验演示，让学生直观地了解电磁感应现象；3. 运用案例分析法，分析法拉第电磁感应定律在实际生活中的应用；4. 组织课堂讨论，培养学生的科学思维和合作能力。

教学评价：1. 课后作业：要求学生完成相关的练习题，巩固所学知识；2. 课堂表现：观察学生在课堂上的参与程度、提问回答等情况；3. 实验报告：评估学生在实验过程中的操作能力和观察分析能力。

教学资源：1. 教材：法拉第电磁感应定律相关章节；2. 实验器材：发电机、变压器等；3. 多媒体课件：用于讲解和展示法拉第电磁感应定律的相关内容。

教学时间：1. 第一章：45分钟；2. 第二章：45分钟；3. 第三章：90分钟；4. 第四章：60分钟；5. 第五章：30分钟。

教学步骤：第一章：引言1.1 讲解电磁感应现象的发现背景，介绍法拉第等科学家的贡献；1.2 引导学生思考电磁感应现象的意义和价值。

第二章：法拉第电磁感应定律的表述2.1 讲解定律的内容和数学表达式；2.2 分析影响感应电流的因素；2.3 举例说明定律在实际中的应用。

实验十法拉第效应1845年法拉第(Faraday)在探索电磁现象和光学现象之间的联系时，发现了一种现象：当一束平面偏振光穿过介质时，如果在介质中，沿光的传播方向加上一个磁场，就会观察到光经过样品后偏振面转过一个角度，亦即磁场使介质具有了旋光性，这种现象后来就称为法拉第效应或磁致旋光效应，见图1。

图 1 法拉第效应示意图法拉第效应有许多方面的应用，它可以作为物质结构研究的手段，如根据结构不同的碳氢化合物，其法拉第效应表现的不同来分析碳氢化合物；在半导体物理的研究中，它可以用来测量载流子的有效质量和提供能带结构的知识；在电工技术测量中，它还被用来测量电路中的电流和磁场；特别是在激光技术中，利用法拉第效应的特性，制成了光波隔离器或单通器，这在激光多级放大技术和高分辨激光光谱技术中都是不可缺少的器件。

此外，在激光通讯、激光雷达等技术中，也应用了基于法拉第效应的光频环行器、调制器等。

【实验目的】1.了解法拉第效应原理，区分磁致旋光与自然旋光的不同。

2.掌握光线偏振面旋转角度的测量方法。

3.验证费尔德常数公式，并计算荷质比。

【实验仪器】光源、单色仪、电磁铁及磁场电源、旋光角度测读装置等组成。

【实验原理】1.法拉第效应实验规律当磁场不是非常强时，法拉第效应中偏振面转过的角度 ，与光波沿介质长度方向所加磁场的磁感应强度B及介质长度D成正比，即式中比例常数V叫做费尔德（Veraet）常数，它由物质和工作波长决定，表征着物质的磁光特性。

表1为几种材料的费尔德常数值。

几乎所有的物质（气体、液体、固体）都存在法拉第效应，不过一般都不显著。

在不同的物质，偏振面旋转的方向可能不同。

设磁场B是由绕在样品上的螺旋线圈产生的。

习惯上规定：振动面的旋转方向和螺旋线圈中电流方向一致，称为正旋(V＞0)；反之，叫做负旋(V＜0)。

表1 几种材料的费尔德常数V（弧分/特斯拉·厘米）2.法拉第效应的旋光性与旋光物质的旋光性的区别对于每一种给定的物质，法拉第旋转方向仅由磁场方向决定，而与光的传播方向无关(不管传播方向与B同向或反向)。