2020高中物理 第十四章 電磁波 第3節(jié)、第4節(jié) 電磁波的發(fā)射和接收 電磁波與信息化社會學案 新人教版選修3-4

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1、第3節(jié) 電磁波的發(fā)射和接收 第4節(jié) 電磁波與信息化社會 1．知道有效地發(fā)射電磁波的兩個條件。 2．了解調(diào)制、調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)諧、解調(diào)、電諧振在電磁波發(fā)射、接收過程中的作用。 3．了解電磁波在信息傳遞中的應用，初步了解電視、雷達、移動電話的應用和原理，初步了解因特網(wǎng)的應用和作用。 一、電磁波的發(fā)射 1．要有效地發(fā)射電磁波，振蕩電路必須具有兩個特點：第一，要有足夠高的振蕩頻率，頻率越高，發(fā)射電磁波的本領(lǐng)越大。第二，應采用開放電路，振蕩電路的電場和磁場必須分散到足夠大的空間。 2．開放電路：實際的開放電路，線圈的一端用導線與大地相連，這條導線叫做地線，線圈的另一端高高地架在空中，叫

2、做天線。 3．無線電技術(shù)：使電磁波隨各種信號而改變的技術(shù)叫做調(diào)制。調(diào)制的方法有兩種，一是調(diào)幅，使高頻電磁波的振幅隨信號的強弱而改變；另一種叫調(diào)頻，使高頻電磁波的頻率隨信號的強弱而改變。 二、電磁波的接收 1．接收原理：電磁波能使導體中產(chǎn)生感應電流，所以導體可用來接收電磁波，這個導體就是接收天線。 2．電諧振：當接收電路的固有頻率跟接收到的電磁波的頻率相等時，接收電路里產(chǎn)生的振蕩電流最強，這種現(xiàn)象叫做電諧振。 3．調(diào)諧：使電路中產(chǎn)生電諧振的過程叫做調(diào)諧。 4．解調(diào)：使聲音或圖像信號從接收到的高頻電流中還原出來，這個過程是調(diào)制的逆過程，叫做解調(diào)。 5．無線電波：波長大于1 mm(頻率

3、低于300 GHz)的電磁波稱做無線電波。并按波長分成若干個波段，像長波、中波、短波、微波等。每個段所用的設(shè)備和技術(shù)不同，因此有不同的用途。 三、電磁波與信息化社會 1．電視：能傳遞活動的圖像。在電視的發(fā)射端，把景物的光信號轉(zhuǎn)換成電信號的過程叫攝像。在電視接收端，將電信號還原成圖像的過程由電視機的顯像管完成，電視的應用很廣泛，發(fā)展也很快。 2．雷達：雷達是用無線電波來測定物體位置的設(shè)備，利用的是電磁波遇到障礙物發(fā)生反射的性質(zhì)，波長越短，傳播的直線性越好。 3．移動電話 (1)功能 每一部移動電話都是一個無線電臺，它將用戶的聲音轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l電信號發(fā)射到空中；同時它又相當于一臺收音機，捕

4、捉空中的電磁波使用戶接收到通話對方送來的信息。 (2)特點 ①體積很小，發(fā)射功率不大； ②它的天線很簡單，靈敏度不高。因此，它與其他用戶的通話要靠較大的無線電臺的轉(zhuǎn)接。 4．因特網(wǎng) 因特網(wǎng)是世界上最大的計算機互聯(lián)網(wǎng)。 人們可以通過互聯(lián)網(wǎng)聽音樂、看電影、聊天、購物、從事金融活動，也可以通過互聯(lián)網(wǎng)查閱各種資料，進行遠程教學、遠程醫(yī)療，甚至可以為身處世界各地的人召開電視會議等。 判一判 (1)制作天線必須用導體。(　　) (2)只有接收電路發(fā)生電諧振時，接收電路中才有振蕩電流。(　　) (3)解調(diào)是調(diào)制的逆過程。(　　) (4)不同波段無線電波的傳播特點不同，但用途是相同的。(

5、　　) 提示：(1)√　(2)×　(3)√　(4)× 想一想 (1)開放電路是如何形成的？ 提示：在LC振蕩電路中減小電容器的極板面積，增大極板間距，使電容器變成兩條長的直線，一條豎立在高空成為天線，另一條接入地下成為地線，使電場完全暴露在空中，形成開放電路。 (2)電磁波可以通過什么方式進行傳播？用光纜通信有何特點？ 提示：可以通過電纜、光纜進行有線傳輸，也可以進行無線傳輸。 光纜通信，因為光的頻率高，所以承載的信息量大，同時光纜傳輸還有抗干擾能力強、損耗小、通訊質(zhì)量高的特點。 課堂任務(wù)　電磁波的發(fā)射和接收 一、電磁波的發(fā)射 1．有效發(fā)射電磁波的條件 要有效

6、地向外發(fā)射電磁波，振蕩電路必須具有的兩個特點： (1)要有足夠高的振蕩頻率。頻率越高，振蕩電路發(fā)射電磁波的本領(lǐng)越大，如果是低頻信號，要用高頻信號運載才能將其更有效地發(fā)射出去。 (2)采用開放電路。采用開放電路可以使振蕩電路的電磁場分散到盡可能大的空間，如下圖。 實際的開放電路：線圈的一端用導線與大地相連，這條導線叫做地線；線圈的另一端與高高地架在空中的天線相連。無線電波就是由這樣巨大的開放電路發(fā)射出去。 2．調(diào)制 (1)調(diào)制：在電磁波的發(fā)射過程中，使電磁波隨各種信號而改變的技術(shù)。 (2)調(diào)制的分類 ①調(diào)幅：使高頻電磁波的振幅隨信號的強弱而改變的調(diào)制技術(shù)，如圖所示。 ②調(diào)

7、頻：使高頻電磁波的頻率隨信號而改變的調(diào)制技術(shù)，如圖所示。 3．無線電波的發(fā)射 由振蕩器(常用LC振蕩電路)產(chǎn)生高頻振蕩電流，用調(diào)制器將需傳送的電信號調(diào)制到振蕩電流上，再耦合到一個開放電路中激發(fā)出無線電波，向四周發(fā)射出去。 二、電磁波的接收 1．電磁波的接收原理 (1)電磁波在空間傳播時，如果遇到導體，就會使導體產(chǎn)生感應電流，感應電流的頻率跟激起它的電磁波的頻率相同。因此利用放在電磁波傳播空間中的導體，就可以接收到電磁波。 (2)當接收電路的固有頻率跟接收到的電磁波的頻率相同時，接收電路中產(chǎn)生的振蕩電流最強。 2．接收電路 (1)調(diào)諧：當接收電路的固有頻率跟接收到的電磁波

8、的頻率相同時，接收電路中產(chǎn)生的振蕩電流最強的現(xiàn)象叫做電諧振。使接收電路產(chǎn)生電諧振的過程叫做調(diào)諧。 (2)解調(diào)：又稱“反調(diào)制”，是從已調(diào)波中重現(xiàn)調(diào)制信號的過程。 3．無線電波波段的劃分 通常使用的無線電波的波長范圍從幾毫米到幾千米，根據(jù)波長或頻率把無線電波分成幾個波段，如下表所示： 例1　(多選)關(guān)于電磁波的發(fā)射和接收，下列說法中正確的是(　　) A．為了使振蕩電路有效地向空間輻射能量，電路必須是閉合的 B．音頻電流的頻率比較低，不能直接用來發(fā)射電磁波 C．當接收電路的固有頻率與收到的電磁波的頻率相同時，接收電路產(chǎn)生的振蕩電流最強 D．要使電視機的屏幕上有圖像，必須要有解

9、調(diào)過程 (1)電磁波的發(fā)射應該采用怎樣的電路？ 提示：應該用開放電路。 (2)電視機是怎樣接收電視信號的？ 提示：由電視天線接收電磁波，經(jīng)調(diào)諧、解調(diào)后得出所需信號。 [規(guī)范解答]　有效發(fā)射電磁波，必須采用開放電路和高頻發(fā)射；一般的音頻電流的頻率較低，不能直接用來發(fā)射電磁波；電磁波接收原理是一種叫電諧振的現(xiàn)象，與機械振動中的共振有些相似；電視機顯示圖像時，必須通過解調(diào)過程，把有效的信號從高頻調(diào)制信號中取出來，否則就不能顯示。故A錯誤，B、C、D正確。 [完美答案]　BCD 無線電波的發(fā)射和接收過程 　(多選)為了有效地把能量以電磁波形式發(fā)射到盡可能大的空間，除了使用敞

10、露空間的電路，還可以(　　) A．增大電容器極板間的距離 B．減小電容器極板的面積 C．減小線圈的匝數(shù) D．采用低頻振蕩電流 答案　ABC 解析　實行開放電路和提高發(fā)射頻率是提高電磁波發(fā)射能力的兩種有效方法；由f＝、C＝可知，選項A、B、C正確。 課堂任務(wù)　電磁波與信息化社會 1．電磁波的傳輸：可以通過電纜、光纜進行有線傳輸，也可實現(xiàn)無線傳輸。電磁波的頻率越高，相同時間內(nèi)傳遞的信息量越大。 2．電磁波的應用實例 (1)電視廣播的發(fā)射和接收過程 (2)雷達的工作原理 雷達利用微波遇到障礙物的反射現(xiàn)象來測定物體位置。根據(jù)發(fā)射無線電波到接收反射波的時間t，確定障礙物的

11、距離x＝，再根據(jù)發(fā)射無線電波的方向和仰角，可以確定障礙物的位置。 (3)移動電話、因特網(wǎng)也是利用電磁波來傳輸信息的。 例2　雷達向遠處發(fā)射無線電波，每次發(fā)射的時間是1 μs，兩次發(fā)射的時間間隔為100 μs，在指示器的熒光屏上呈現(xiàn)出的尖形波如圖所示，已知圖中ab＝bc，障礙物與雷達之間的距離是多大？ (1)b處的尖形波較a、c處的小，說明了什么？ 提示：b處的尖形波是障礙物反射回來的無線電波被雷達接收時出現(xiàn)的，a、c處的尖形波是雷達向目標發(fā)射無線電波時出現(xiàn)的。 (2)障礙物與雷達間距該如何確定？ 提示：障礙物與雷達間距為x＝，其中t為發(fā)射無線電波到接收反射波的時間t，c為光

12、速。 [規(guī)范解答]　圖中a和c處的尖形波是雷達向目標發(fā)射無線電波時出現(xiàn)的，b處的尖形波是雷達收到障礙物反射回來的無線電波時出現(xiàn)的，由ab＝bc可知，無線電波由發(fā)射到返回所用時間為50 μs。設(shè)障礙物與雷達之間的距離為x，由題意可知無線電波來回時間為t＝50 μs，由2x＝ct，得x＝＝3.0×108×50× m＝7.5×103 m。 [完美答案]　7.5×103 m 雷達偵察問題的解決方法 (1)電磁波在空中的傳播速度可認為等于真空中的光速c，由波速、波長和頻率三者間的關(guān)系可求得頻率。 (2)根據(jù)雷達熒光屏上發(fā)射波形和反射波形間的時間間隔，即可求得偵察距離，為此反射波必須在下一個

13、發(fā)射波發(fā)出前到達雷達接收器。 (3)雷達的最大偵察距離應等于電磁波在雷達發(fā)射相鄰兩個脈沖的間隔時間內(nèi)傳播距離的一半。 　某雷達工作時，發(fā)射電磁波的波長λ＝20 cm，每秒脈沖數(shù)n＝5000，每個脈沖持續(xù)時間t＝0.02 μs。求： (1)該電磁波的頻率； (2)此雷達的最大偵察距離。 答案　(1)1.5×109 Hz　(2)3×104 m 解析　(1)電磁波在空氣中傳播的速度一般認為等于真空中光速c＝3×108 m/s，因此f＝＝ Hz＝1.5×109 Hz。 (2)雷達工作時發(fā)射電磁脈沖，每個電磁脈沖持續(xù)時間t＝0.02 μs，在兩個脈沖時間間隔內(nèi)，雷達必須接收到反射回來的

14、電磁脈沖，否則會與后面的電磁脈沖重疊而影響測量。設(shè)最大偵察距離為x，兩個脈沖時間間隔為Δt＝ s＝2×10－4 s?0.02 μs，故脈沖持續(xù)時間可以略去不計，則2x＝vΔt，v＝c＝3×108 m/s，所以x＝＝3×104 m。 A組：合格性水平訓練 1．(無線電波)(多選)下列關(guān)于無線電波的敘述中，正確的是(　　) A．無線電波是波長從幾十千米到幾毫米的電磁波 B．無線電波在任何介質(zhì)中傳播速度均為3.00×108 m/s C．無線電波不能產(chǎn)生干涉和衍射現(xiàn)象 D．無線電波由真空進入介質(zhì)傳播時，波長變短 答案　AD 解析　無線電波中長波波長有幾十千米，微波中的毫

15、米波只有幾毫米，A正確；無線電波在介質(zhì)中的傳播速度小于在真空中的傳播速度3.00×108 m/s，B錯誤；無線電波也能產(chǎn)生干涉和衍射現(xiàn)象，C錯誤；由λ＝無線電波由真空進入介質(zhì)傳播時，由于波速減小可知波長變短，D正確。 2．(電磁波的接收)關(guān)于電視接收的原理，下列說法正確的是(　　) A．電視接收天線接收到的電磁波中包括圖像信號和伴音信號 B．電視接收天線接收到電磁波，天線上并不產(chǎn)生感應電流 C．電視機接收到電磁波，通過電子槍的掃描顯示電視節(jié)目的伴音信號 D．電視機接收到電磁波，直接經(jīng)揚聲器得到電視節(jié)目的伴音信號 答案　A 解析　電視信號中有圖像信號和伴音信號，即電視接收天線接收到

16、的電磁波中包括圖像信號和伴音信號，A正確；電視接收天線收到電磁波，引起電磁感應，天線上產(chǎn)生感應電流，B錯誤；電視機接收到電磁波，然后經(jīng)過解調(diào)還原出圖像信號，通過電子槍的掃描顯示電視節(jié)目的圖像信號，C錯誤；電視機接收到電磁波，通過電諧振得到需要的信號，然后經(jīng)過解調(diào)還原出伴音信號，再經(jīng)過功率放大器，最后通過揚聲器得到電視節(jié)目的伴音信號，D錯誤。 3．(電磁波的發(fā)射)上海人民廣播電臺發(fā)射一種電磁波的頻率為990 kHz，中央人民廣播電臺發(fā)射一種電磁波的頻率是15.58 MHz，兩廣播電臺發(fā)射的電磁波相比，以下分析正確的是 (　　) A．兩廣播電臺發(fā)射的電磁波，波速相同，但上海人民廣播電臺的波長較

17、長 B．中央人民廣播電臺的波速大，兩者的波長相等 C．中央人民廣播電臺的波速大，上海人民廣播電臺的波長較長 D．兩廣播電臺發(fā)射的電磁波，波速相同，中央人民廣播電臺的波長較長 答案　A 解析　因為不同頻率的電磁波在空氣中的傳播速度都相同，B、C錯誤；由于波速都相同，所以波長與頻率是成反比的，上海人民廣播電臺的電磁波頻率小于中央人民廣播電臺電磁波的頻率，則上海人民廣播電臺的波長比中央人民廣播電臺的波長長，A正確，D錯誤。 4．(綜合)(多選)目前雷達發(fā)射的電磁波頻率多在200 MHz至1000 MHz的范圍內(nèi)。下列關(guān)于雷達和電磁波的說法正確的是 (　　) A．真空中上述雷達發(fā)射的

18、電磁波的波長范圍在0.3 m至1.5 m之間 B．電磁波是由恒定不變的電場或磁場產(chǎn)生的 C．測出從發(fā)射電磁波到接收反射波的時間間隔可以確定雷達和目標的距離 D．波長越短的電磁波，直線傳播性能越強 答案　ACD 解析　根據(jù)λ＝，電磁波頻率在200 MHz至1000 MHz的范圍內(nèi)，則電磁波的波長范圍在0.3 m至1.5 m之間，故A正確。電磁波的產(chǎn)生是依據(jù)麥克斯韋的電磁場理論，變化的磁場產(chǎn)生電場，變化的電場產(chǎn)生磁場，B錯誤。雷達是利用電磁波的反射原理，波長越短，直線傳播性能越強，雷達和目標的距離x＝c·Δt，故C、D正確。 5．(電磁波的發(fā)射和接收)(多選)如圖所示為調(diào)幅振蕩電流圖象

19、，此電流存在于電磁波發(fā)射和接收中的哪些階段(　　) A．經(jīng)調(diào)制后 B．經(jīng)調(diào)諧后 C．經(jīng)解調(diào)后 D．耳機中 答案　AB 解析　為了把信號傳遞出去，需要將信號“加”到高頻振蕩電流上，這就是調(diào)制。而題中圖象是將信號加上后使高頻振蕩電流的振幅隨信號變化，這叫調(diào)幅。在接收電路中，經(jīng)過調(diào)諧，回路中將出現(xiàn)調(diào)幅振蕩電流，經(jīng)解調(diào)后，低頻信號從高頻電流中還原出來，而在耳機中只有低頻信號電流，A、B正確。 6．(綜合)調(diào)諧電路的可變電容器的動片從完全旋出到完全旋入仍接收不到較低頻率電臺發(fā)出的信號，要收到該電臺的信號，可采用下列何種辦法(　　) A．增加調(diào)諧電路中線圈的匝數(shù) B．加大電源電壓

20、C．更換一個電容較小的可變電容器 D．減小電源電壓 答案　A 解析　無法接收較低頻率電臺發(fā)出的信號是由于調(diào)諧電路頻率較高，根據(jù)f＝，可采用的辦法有增大線圈自感系數(shù)，或增大電容器的電容，選項A正確。 7．(綜合)(多選)如圖(1)為一個調(diào)諧接收電路，(a)、(b)、(c)為電路中的電流隨時間變化的圖象，則(　　) A．i1是L1中的電流圖象 B．i1是L2中的電流圖象 C．i2是L2中的電流圖象 D．i3是流過耳機的電流圖象 答案　ACD 解析　C1、L1振蕩電路通過電諧振會產(chǎn)生調(diào)幅電流，即i1，A正確，B錯誤；L2中由于電磁感應，產(chǎn)生的感應電動勢的圖象是同(a)圖相似的

21、，但是由于L2和二極管D串聯(lián)，所以L2中的電流圖象應是i2，C正確；通過D的電流，高頻成分由C2流過，所以i3是流過耳機的電流圖象，D正確。 8．(綜合)某地的雷達正在跟蹤一架向雷達勻速飛來的飛機。設(shè)某一時刻從雷達發(fā)出電磁波后到再接收到反射波歷時200 μs；經(jīng)4 s后又發(fā)出一個電磁波。雷達從發(fā)出電磁波到再接收到反射波歷時186 μs，則該飛機的飛行速度多大？ 答案　525 m/s 解析　由電磁波發(fā)射至接收到反射波歷時200 μs，可算出此時飛機距雷達的距離為： L1＝ m＝3.0×104 m。 經(jīng)4 s后，飛機距雷達的距離為： L2＝ m＝2.79×104 m， 故飛機飛行的速

22、度為： v＝＝ m/s＝525 m/s。 B組：等級性水平訓練 9．(無線電波的發(fā)射和接收)關(guān)于無線電波的發(fā)送和接收，下列說法中正確的是(　　) A．為了將信號發(fā)送出去，先要進行調(diào)諧 B．為了從各個電臺發(fā)出的電磁波中將需要的選出來，就要進行調(diào)制 C．為了從高頻電流中還原出聲音信號，就要進行調(diào)頻 D．以上說法都不對 答案　D 解析　為了將信號發(fā)送出去，先要進行調(diào)制，A錯誤；為了從各個電臺發(fā)出的電磁波將需要的選出來，要進行調(diào)諧，B錯誤；為從高頻電流中還原出聲音信號，要進行解調(diào)，C錯誤；故應選D項。 10．(綜合)(多選)下列說法正確的是(　　) A．電磁波的發(fā)射過程中，必須對

23、信號進行調(diào)制 B．電磁波的接收過程中，必須把傳輸信號加到高頻電流上 C．雷達在能見度低的黑夜將無法使用 D．雷達采用的微波的頻率比長波的高 E．雷達采用微波的原因是微波具有直線傳播的特性 答案　ADE 解析　發(fā)射過程必須進行調(diào)制，接收過程必須進行解調(diào)，B錯誤；雷達在黑夜中依然能夠使用，C錯誤；A、D、E正確。 11．(綜合)(多選)用一平行板電容器和一個線圈組成LC振蕩電路，要減小電磁波的發(fā)射頻率，可采用的做法是(　　) A．增大電容器兩極板間的距離 B．減小電容器兩極板間的距離 C．減小電容器兩極板的正對面積 D．增大電容器兩極板的正對面積 E．在電容器兩極板間加入電

24、介質(zhì) 答案　BDE 解析　由f＝可知，要減小f，就必須增大平行板電容器的電容C或線圈的自感系數(shù)L；由C＝可知，要增大C，就必須減小電容器兩極板間的距離、增大電容器兩極板的正對面積或在電容器兩極板間加入電介質(zhì)，故B、D、E正確。 12．(綜合)某收音機接收電磁波的波長范圍在577 m和182 m之間，該收音機LC回路的可變電容器的動片全部旋出時，回路總電容為39 pF，試分析：(計算結(jié)果保留三位有效數(shù)字) (1)動片全部旋出時，對應收音機接收電磁波的波長為多大？此LC回路的線圈的自感系數(shù)為多少？ (2)該收音機LC回路的可變電容器的動片完全旋入時，電容器的電容為多大？ 答案　(1)1

25、82 m　0.239 mH　(2)392 pF 解析　(1)由λ＝c·T，T＝2π可得λ＝2πc 動片完全旋出時，電容器極板正對面積最小，對應電容器的電容最小，因此，對此接收電磁波的波長最小，為182 m， 此時電容器的電容為C＝39 pF 由上面關(guān)系式可導出L＝ 代入數(shù)據(jù)可求出L＝0.239 mH。 (2)由λ＝2πc得＝ 所以Cmax＝Cmin＝×39 pF＝392 pF。 13．(綜合)某高速公路自動測速儀裝置如圖所示，雷達向汽車駛來的方向發(fā)射不連續(xù)的電磁波，每次發(fā)射時間為10－6 s，相鄰兩次發(fā)射時間間隔為t，當雷達向汽車發(fā)射無線電波時，在顯示屏上呈現(xiàn)一個尖形波；在收到反射回來的無線電波時，在熒光屏上呈現(xiàn)第二個尖形波。根據(jù)兩個波的距離，可以計算出汽車距雷達的距離，根據(jù)自動打下的紙帶(如圖所示)，可求出車速。請根據(jù)t1、t2、t、c求出汽車車速表達式。 答案　 解析　第一次測量時汽車距雷達的距離x1＝，第二次測量時汽車距雷達的距離x2＝， 時間間隔Δt＝－＝t－， 則汽車速度v＝＝。 - 13 -