高中物理 第3章 電磁波 第2節(jié) 電磁波的發(fā)射、傳播和接收知識(shí)導(dǎo)航素材 魯科版選修34

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1、 第2節(jié) 電磁波的發(fā)射、傳播和接收 思維激活 1.收音機(jī)在接收信號(hào)時(shí)為什么要調(diào)諧？它又是怎樣實(shí)現(xiàn)調(diào)諧的？ 提示：世界上有許多無(wú)線(xiàn)電臺(tái)，它們發(fā)出的電磁波頻率各不相同，接收電路都能把這些電磁波接收下來(lái).如果不選臺(tái)，這些電臺(tái)的信號(hào)在電路中互相干擾無(wú)法分辨，就好像我們聽(tīng)見(jiàn)一群人在說(shuō)話(huà)，耳邊一片嘈雜聲，什么也聽(tīng)不清楚.所以，要接收所需要的電臺(tái)就要調(diào)諧. 在收音機(jī)接收同一個(gè)波段內(nèi)的不同電臺(tái)時(shí)，一般是通過(guò)改變電容C來(lái)調(diào)諧的.收音機(jī)接收不同波段的電臺(tái)時(shí)，一般要改變電感L和電容C來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)諧. 2.我們常見(jiàn)到的手機(jī)、電視機(jī)、收音機(jī)的天線(xiàn)都是金屬直桿，它有什么用途？ 提示：在盡可能大的范圍內(nèi)

2、接收到電磁波的各種信號(hào). 自主整理 一、電磁波的發(fā)射 空間某處的電場(chǎng)和磁場(chǎng)交替變化，就會(huì)產(chǎn)生____________，它的主要用途是____________.要傳遞信息首先要能發(fā)射____________. 為了有效地發(fā)射___________，振蕩電路必須滿(mǎn)足兩個(gè)條件：（1）____________________；（2）_______________________. 把低頻電信號(hào)加載到________________________上叫做____________，常用的調(diào)制方式有____________和____________兩種. 二、電磁波的傳播 無(wú)線(xiàn)

3、電波通常有三種傳播途徑：____________、____________和____________.沿地球表面空間傳播的無(wú)線(xiàn)電波稱(chēng)為_(kāi)___________，用來(lái)傳播____________、____________和____________.靠____________的反射傳播的無(wú)線(xiàn)電波稱(chēng)為天波，適合傳播__________.空間波是像光束那樣沿直線(xiàn)傳播的無(wú)線(xiàn)電波，適用于____________和____________. 三、電磁波的接收 能夠進(jìn)行調(diào)諧的接收電路叫____________.當(dāng)接收電路的____________跟接收到的電磁波的____________相同時(shí)，接

4、收電路中產(chǎn)生的____________的現(xiàn)象叫電諧振，產(chǎn)生電諧振的過(guò)程，叫____________. 高手筆記 1.無(wú)線(xiàn)電波的波段的劃分 無(wú)線(xiàn)電技術(shù)中使用的電磁波叫無(wú)線(xiàn)電波.無(wú)線(xiàn)電波的波長(zhǎng)從幾毫米到幾十千米，通常根據(jù)波長(zhǎng)或頻率把無(wú)線(xiàn)電波分成長(zhǎng)波、中波、短波、微波等幾種波段.各波段無(wú)線(xiàn)電波有各自的傳播方式和用途.如下表所示. 波段 波長(zhǎng)/m 頻率/MHz 傳播方式 主要用途 長(zhǎng)波 30 000~3 000 0.01~0.1 地波 超遠(yuǎn)程 無(wú)線(xiàn)電 中波 3 000~200 0.1~1.5 地波和天波 通信和導(dǎo)航 中短波 200~50 1.5~6

5、 天波 調(diào)幅（AM）無(wú)線(xiàn)電廣播電報(bào)通信 短波 50~10 6~30 微波 米波（VHF） 10~1 30~300 近似直 線(xiàn)傳播 調(diào)頻（FM） 無(wú)線(xiàn)電廣播 電視導(dǎo)航 分米波（UHF） 1~0.1 300~3 000 3 000~30 000 直線(xiàn)傳播 電視 雷達(dá) 導(dǎo)航 厘米波 0.1~0.01 毫米波 0.01~0.001 30 000~300 000 2.電磁波發(fā)射和接收過(guò)程中幾個(gè)概念 調(diào)制：在電磁波發(fā)射技術(shù)中，使電磁波隨各種信號(hào)（聲音、圖像信號(hào)）而改變叫做調(diào)制. 調(diào)幅：使高頻振蕩的振幅隨信號(hào)（聲音、圖像等低頻信號(hào)

6、）而改變叫做調(diào)幅. 調(diào)頻：使高頻振蕩的頻率隨信號(hào)而改變叫做調(diào)頻. 解調(diào)：由調(diào)諧電路接收到的感應(yīng)電流，是經(jīng)過(guò)調(diào)制的高頻振蕩電流，還不能使我們直接感受到所需要的信號(hào).必須從高頻振蕩電流中“檢”出聲音信號(hào)，叫做檢波，也叫解調(diào). 名師解惑 1.無(wú)線(xiàn)電波的發(fā)射和接收過(guò)程中為什么要分別進(jìn)行調(diào)制和解調(diào)？ 剖析：電臺(tái)發(fā)射信號(hào)，如聲音信號(hào)，為什么不直接將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)發(fā)射出去，而是放到高頻信號(hào)中發(fā)射呢？因?yàn)橄衤曇暨@樣的信號(hào)，一般頻率相對(duì)較低，而電臺(tái)要向外發(fā)射電磁波，要有足夠高的頻率.實(shí)驗(yàn)證明，發(fā)射能量與發(fā)射頻率的4次方成正比，可見(jiàn)只有提高發(fā)射頻率才能提高發(fā)射能量，為此要把

7、頻率較低的信號(hào)加載到高頻信號(hào)去.高頻振蕩信號(hào)就是那些有用的低頻信號(hào)的載體，而“加載”過(guò)程就是物理上所說(shuō)的“調(diào)制”過(guò)程. 既然有用的信號(hào)是加載到高頻信號(hào)上的，當(dāng)接收到電磁波后，為了卸下有用的信號(hào)，就必須通過(guò)解調(diào)，把有用信號(hào)“檢”出來(lái). 2.調(diào)諧的作用是什么？ 剖析：世界上有許許多多的無(wú)線(xiàn)電臺(tái)、電視臺(tái)及各種無(wú)線(xiàn)電信號(hào)，如果不加選擇地全部接收下來(lái)，那必然是一片混亂，分辨不清.因此接收信號(hào)時(shí)，首先要從各種電磁波中把我們需要的選出來(lái)，通常叫選臺(tái).在無(wú)線(xiàn)電技術(shù)中利用電諧振（類(lèi)似于機(jī)械振動(dòng)中的共振）達(dá)到目的. 使接收電路中產(chǎn)生電諧振的過(guò)程叫調(diào)諧，能夠調(diào)諧的接收電路叫調(diào)諧電路.

8、如圖3-2-1所示.調(diào)節(jié)電容器的電容，當(dāng)該LC振蕩電路的固有頻率與某電臺(tái)的頻率相同時(shí)，這個(gè)電臺(tái)的電磁波在電路中激起的感應(yīng)電流最強(qiáng)，這樣就選出了這個(gè)電臺(tái).收音機(jī)一般是通過(guò)改變電容來(lái)調(diào)諧，而電視機(jī)一般通過(guò)改變電感來(lái)調(diào)諧. 圖3-2-1 講練互動(dòng) 【例題1】用一平行板電容器和一個(gè)線(xiàn)圈組成LC振蕩電路，要增大發(fā)射電磁波的波長(zhǎng)，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.減小電容器兩極板正對(duì)面積 D.在電容器兩極板間加入電介質(zhì) 解析：由λ=c/f知，要增大發(fā)射電磁波的波長(zhǎng)，必須減小振蕩

9、電路的振蕩頻率f，由f=可知，要減小f，就必須增大電容器的電容C或電感L，由C=，可判斷B、D操作滿(mǎn)足要求. 答案：BD 綠色通道 熟記f=和C=是分析問(wèn)題的基礎(chǔ). 變式訓(xùn)練 1.關(guān)于無(wú)線(xiàn)電波的發(fā)射過(guò)程，下列說(shuō)法正確的是（ ） A.必須對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制 B.必須使信號(hào)產(chǎn)生電諧振 C.必須把傳輸信號(hào)加到高頻電流上 D.必須使用開(kāi)放回路 解析：為了有效地發(fā)射電磁波，必須使振蕩頻率足夠高，同時(shí)讓電場(chǎng)、磁場(chǎng)盡可能分布到較大的空間，故需把頻率較低的傳輸信號(hào)加到高頻電流上，即調(diào)制，還需使用開(kāi)放電路，故A、C、D

10、選項(xiàng)正確. 答案：ACD 2.LC振蕩電路電容器的電容為310-5 μF，線(xiàn)圈的自感系數(shù)為3 mH，它與開(kāi)放電路耦合后， （1）發(fā)射出去的電磁波的頻率是多大？ （2）發(fā)射出去的電磁波的波長(zhǎng)是多大？ 解析：LC振蕩電路與開(kāi)放電路耦合后，振蕩電路中產(chǎn)生的高頻振蕩電流通過(guò)兩個(gè)電路線(xiàn)圈間的互感作用，使開(kāi)放電路中也產(chǎn)生同頻率的振蕩電流，振蕩電流在開(kāi)放電路中激發(fā)出無(wú)線(xiàn)電波，向四周發(fā)射，所以發(fā)射出電磁波的頻率就等于LC振蕩電路中電磁振蕩的頻率. （1）發(fā)射出去的電磁波的頻率 f=Hz=530 kHz. （2）發(fā)射出去的電磁波的波長(zhǎng)λ=m=566 m. 答案：（1）530 kHz （2）5

11、66 m 【例題2】電磁波接收回路中線(xiàn)圈的自感系數(shù)是400 μH，原來(lái)接收波長(zhǎng)是60 m的電磁波，現(xiàn)在接收波長(zhǎng)是180 m的電磁波，應(yīng)怎樣調(diào)整調(diào)諧電路中電容器的電容？ 解析：由λ=vT（v是電磁波在真空中的傳播速度）和T=2π可知，在接收回路（調(diào)諧電路）L一定時(shí)，要接收波長(zhǎng)較長(zhǎng)的電磁波須增大電容C.電容的增加量為： ΔC=（λ22-λ12）=（1802-602）F=2.010-11 F. 答案：增加電容2.010-11F 綠色通道 通過(guò)調(diào)節(jié)LC回路中的電容，可改變調(diào)諧電路的固有頻率，產(chǎn)生電諧振進(jìn)行選臺(tái). 變式訓(xùn)練 3．調(diào)諧電路的可變電容器的動(dòng)片從完全旋入到完全旋出仍接收

12、不到較高頻率電臺(tái)發(fā)出的電信號(hào)，要收到電信號(hào)，應(yīng)（ ） A.增大調(diào)諧電路中線(xiàn)圈的匝數(shù) B.加大電源電壓 C.減小調(diào)諧電路中線(xiàn)圈的匝數(shù) D.將線(xiàn)圈中的鐵芯取走 解析：當(dāng)調(diào)諧電路的固有頻率等于電臺(tái)發(fā)出信號(hào)的頻率時(shí)，發(fā)生電諧振才能收聽(tīng)到電臺(tái)信號(hào).由題意知收不到電信號(hào)的原因是調(diào)諧電路固有頻率低，由f=，可知在C無(wú)法調(diào)節(jié)的前提下，可減小電感L，即可通過(guò)C、D的操作升高f. 答案：CD 4．有波長(zhǎng)分別為290 m、397 m、566 m的無(wú)線(xiàn)電波同時(shí)傳向收音機(jī)的接收天線(xiàn)，當(dāng)把收音機(jī)的調(diào)諧電路的頻率調(diào)到756 kHz時(shí)

13、， （1）哪種波長(zhǎng)的無(wú)線(xiàn)電波在收音機(jī)中激起的感應(yīng)電流最強(qiáng)？ （2）如果想接收到波長(zhǎng)為290 m的無(wú)線(xiàn)電波，應(yīng)該把調(diào)諧電路中可變電容器的動(dòng)片旋進(jìn)一些，還是旋出一些？ 解析：電磁波在空間傳播時(shí)，如果遇到導(dǎo)體，就把自己的一部分能量傳給導(dǎo)體，使導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)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(dǎo)體，就可以接收到電磁波，無(wú)線(xiàn)電技術(shù)中，用天線(xiàn)和地線(xiàn)組成的接收電路來(lái)接收電磁波，收音機(jī)的調(diào)諧電路，通過(guò)改變可變電容器的電容來(lái)改變調(diào)諧電路的頻率，使它跟我們要接收的電磁波的頻率相同，由于電諧振現(xiàn)象，只有這個(gè)頻率的電磁波才在調(diào)諧電路中激起較強(qiáng)的感應(yīng)電流，而其他頻率的電

14、磁波激起的感應(yīng)電流都非常弱. （1）根據(jù)公式f=得 f1=g Hz=1 034 kHz f2=Hz=756 kHz f3=Hz=530 kHz 所以波長(zhǎng)為397 m的無(wú)線(xiàn)電波在收音機(jī)中激起的感應(yīng)電流最強(qiáng). （2）要接收波長(zhǎng)為290 m的無(wú)線(xiàn)電波，應(yīng)增大調(diào)諧電路的固有頻率，因此，應(yīng)把調(diào)諧電路中可變電容器的動(dòng)片旋出一些. 答案：397 m 旋出一些 【例題3】超遠(yuǎn)程無(wú)線(xiàn)電通信和導(dǎo)航主要是利用長(zhǎng)波段的電磁波，傳播方式是地波，試說(shuō)明用地波傳播長(zhǎng)波的理由.一長(zhǎng)波波長(zhǎng)為15 000 m，其頻率為多少？ 解析：因?yàn)殚L(zhǎng)波段的無(wú)線(xiàn)電波的波長(zhǎng)長(zhǎng)，容易發(fā)生衍射現(xiàn)象，能繞過(guò)障礙物而不被地面上的高大

15、物體擋住，故可采用地波形式傳播，但地波傳播的距離不太遠(yuǎn).由c=λf得 f==Hz=2.0104 Hz=20 kHz. 答案：此長(zhǎng)波的頻率為20 kHz. 綠色通道 波長(zhǎng)長(zhǎng)的長(zhǎng)波，衍射現(xiàn)象明顯，能繞過(guò)物體而不形成反射，用地波傳播；微波的波長(zhǎng)短，方向性好，反射性強(qiáng)，主要傳播方式是直線(xiàn)傳播. 變式訓(xùn)練 5．關(guān)于電磁波的傳播，下列敘述正確的是（ ） A.電磁波頻率越高，越易沿地面?zhèn)鞑? B.電磁波頻率越高，越易沿直線(xiàn)傳播 C.電磁波在各種介質(zhì)中傳播波長(zhǎng)恒定 D.只要有三顆同步衛(wèi)星在赤道上空傳遞微波，就可把信號(hào)傳遍全世界 解析：由c=λf可判定：電磁波頻率越高，波長(zhǎng)越短

16、，衍射性越差，不宜沿地面?zhèn)鞑ィ獾膫鞑ハ嗨?，沿直線(xiàn)傳播.故B對(duì)A錯(cuò).電磁波在不同介質(zhì)中傳播時(shí)，頻率不變，而傳播速度改變，由v=λf，可判斷波長(zhǎng)改變，C錯(cuò).由于同步衛(wèi)星相對(duì)地面靜止在赤道上空3 600 km高的地方，用它作微波中繼站，只要有三顆，就能覆蓋全球，D正確. 答案：BD 6．下列說(shuō)法正確的是（ ） A.發(fā)射出去的無(wú)線(xiàn)電波，可以傳播到無(wú)限遠(yuǎn)處 B.無(wú)線(xiàn)電波遇到導(dǎo)體，就可在導(dǎo)體中激起同頻率的振蕩電流 C.波長(zhǎng)越短的無(wú)線(xiàn)電波，越接近直線(xiàn)傳播 D.移動(dòng)電話(huà)是利用無(wú)線(xiàn)電波進(jìn)行通訊的 解析：無(wú)線(xiàn)電波在傳播過(guò)程中有能量損失，故不能傳播到無(wú)限遠(yuǎn)處，故A錯(cuò).無(wú)線(xiàn)電波遇到導(dǎo)體，就把

17、一部分能量傳給導(dǎo)體，在導(dǎo)體中激起同頻率的振蕩電流，故B對(duì).波長(zhǎng)越短的無(wú)線(xiàn)電波，越不易發(fā)生衍射，越接近直線(xiàn)傳播，故C對(duì).移動(dòng)電話(huà)是無(wú)線(xiàn)電波的應(yīng)用之一，故D對(duì). 答案：BCD 體驗(yàn)探究 【問(wèn)題】接收電磁波的導(dǎo)體可用空心導(dǎo)體代替實(shí)心導(dǎo)體，這是為什么？ 導(dǎo)思： 可根據(jù)電磁感應(yīng)現(xiàn)象解釋. 探究：如圖3-2-2所示，當(dāng)流過(guò)導(dǎo)線(xiàn)的電流是交變電流時(shí)，導(dǎo)線(xiàn)內(nèi)外出現(xiàn)交變磁場(chǎng)，因此在導(dǎo)線(xiàn)內(nèi)產(chǎn)生渦電流.設(shè)某時(shí)刻通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)的電流增大，導(dǎo)線(xiàn)內(nèi)產(chǎn)生的渦電流方向如圖所示，靠近導(dǎo)線(xiàn)中心的渦電流方向與原電流方向相反，而在導(dǎo)線(xiàn)附近渦電流的方向與原電流方向相同，結(jié)果是導(dǎo)線(xiàn)表面附近的電流密度大，形成電流趨向于沿導(dǎo)線(xiàn)表

18、面流動(dòng)，這就是趨膚效應(yīng).提高交變電流的頻率，例如達(dá)到10 MHz，絕大部分電流就會(huì)集中在導(dǎo)線(xiàn)表面附近，這時(shí)可用空心導(dǎo)體代替實(shí)心導(dǎo)體. 圖3-2-2 以上這一現(xiàn)象在做接收電磁波的演示實(shí)驗(yàn)中，可分別用導(dǎo)線(xiàn)連接在銅棒外層和銅棒芯處，觀(guān)察電路中的小電珠是否發(fā)光來(lái)驗(yàn)證. 教材鏈接 【實(shí)驗(yàn)與探究】（課本52頁(yè)） 在步驟（2）中，鐵絲A、B間距離小，電路中的電場(chǎng)幾乎集中在這兩極間，磁場(chǎng)集中在感應(yīng)線(xiàn)圈中，這時(shí)不利于電磁波的發(fā)射.步驟（3）中去掉B鐵絲與感應(yīng)線(xiàn)圈的導(dǎo)線(xiàn)，則鐵絲A和感應(yīng)線(xiàn)圈的高壓端間距大且正對(duì)面積小，有利于電磁波的發(fā)射.由此實(shí)驗(yàn)可看出影響電磁波傳播距離的因素是電容器的

19、電容. 【實(shí)驗(yàn)與探究】（課本55頁(yè)） 移動(dòng)課本圖3-1-4（b）裝置中的滑動(dòng)桿，可發(fā)現(xiàn)氖管發(fā)亮，且在不同位置處其亮度不一樣，當(dāng)滑動(dòng)桿所在位置使矩形線(xiàn)圈的面積與圖3-1-4（a）中的相同時(shí)，氖管最亮.這說(shuō)明當(dāng)接收電路與發(fā)射電路的矩形線(xiàn)圈面積相同時(shí)，兩個(gè)電路的振蕩頻率相同，則在接收電路中產(chǎn)生了電諧振現(xiàn)象，這時(shí)氖管是最亮的. 6EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F375