第4章电磁波及其应用

第4章电磁波及其应用

第 1 页 共 13 页 第四章 电磁波及其应用 第一节 电磁波的发现 典型例题 【例 1】麦克斯韦电磁场理论的主要内容是什么？ 【解析】变化的磁场能够在周围空间产生电场，变化的电场能够在周围产生磁场． 均匀变化的磁场，产生稳定的电场，均匀变化的电场，产生稳定的磁场．这里的“均匀 变化”指在相等时间内磁感应强度（或电场强度）的变化量相等，或者说磁感应强度（或电 场强度）对时间变化率一定． 不均匀变化的磁场产生变化的电场，不均匀变化的电场产生变化的磁场 【例 2】根据麦克斯韦的电磁场理论,下列说法中错误的是． A、变化的电场可产生磁场 B、均匀变化的电场可产生均匀变化的磁场 C、振荡电场能够产生振荡磁场 D、振荡磁场能够产生振荡电场 【解析】麦克斯韦电磁场理论的含义是变化的电场可产生磁场，而变化的磁场能产生电场； 产生的场的形式由原来的场的变化率决定，可由原来场随时间变化的图线的切线斜率判断， 确定． 可见，均匀变化的电场的变化率恒定，产生不变的磁场，B 说法错误；其余正确． 【例 3】能否用实验说明电磁波的存在？ 【解析】赫兹实验能够说明电磁波的存在。依照麦克斯韦理论，电扰动能辐射电磁波。赫兹 根据电容器经由电火花隙会产生振荡原理，设计了一套电磁波发生器。赫兹将一感应线圈的 两端接于产生器二铜棒上。当感应线圈的电流突然中断时，其感应高电压使电火花隙之间产 生火花。瞬间后，电荷便经由电火花隙在锌板间振荡，频率高达数百万周。由麦克斯韦理论， 此火花应产生电磁波，于是赫兹设计了一简单的检波器来探测此电磁波。他将一小段导线弯 成圆形，线的两端点间留有小电火花隙。因电磁波应在此小线圈上产生感应电压，而使电火 花隙产生火花。所以他坐在一暗室内，检波器距振荡器 10 米远，结果他发现检波器的电火 花隙间确有小火花产生。 基础练习 一、选择题（选 6 题，填 3 题，计 3 题） 1、电磁场理论是谁提出的（ ） A、法拉第 B、赫兹 C、麦克斯韦 D、安培 2、电磁场理论是哪国的科学家提出的（ ） A、法国 B、英国 C、美国 D、中国 3、电磁场理论预言了什么（ ） A、预言了变化的磁场能够在周围空间产生电场 B、预言了变化的电场能够在周围产生磁场 C、预言了电磁波的存在，电磁波在真空中的速度为光速 D、预言了电能够产生磁，磁能够产生电 第 2 页 共 13 页 4、关于电磁场的理论，下面说法中正确的是（ ） A、变化的电场周围产生的磁场一定是变化的 B、变化的电场周围产生的磁场不一定是变化的 C、均匀变化的磁场周围产生的电场也是均匀变化的 D、振荡电场周围产生的磁场也是振荡的 5、按照麦克斯韦的电磁场理论，以下说法中正确的是（ ） A、恒定的电场周围产生恒定的磁场，恒定的磁场周围产生恒定的电场 B、变化的电场周围产生磁场 C、均匀变化的磁场周围产生均匀变化的电场 D、均匀变化的电场周围产生稳定的磁场 6、电磁波能够发生一下现象（ ） A、发射 B、折射 C、干涉 D、衍射 二、填空题 7、变化的磁场能够在周围空间产生__________，变化的电场能够在周围产生____________． 8、电磁波__________（填“可以”或“不可以”）在真空中传播. 9、_____________证实了麦克斯韦的预言. 三、计算题 10、麦克斯韦电磁场理论的两大基本要点是什么？ 11、已知电磁波传播的速度为 3×108，某演唱会现场通过卫星用电磁波传输信号，已知现场 到收音机用户总路程为 7200 公里，则信号传播过来所需的时间是多少？ 12、简述电磁波的产生过程 答案：1、C 2、B 3、C 4、D 5、BD 6、ABCD 7、电场 磁场 8、可以 9、赫兹 10、（1）不仅电荷能够产生电场，变化的磁场也能产生电场；（2） 不仅电流能够产生磁场，变化的电场也能产生磁场。 11、2.4×10－2 12、 变化 的电（磁）场产生变化的磁（电）场，然后产生的变化磁（电）场又产生变化的电（磁）场， 由近及远的传播，便形成了电磁波。 能力提升 一、选择题（选 3 题，填 1 题，计 1 题） 1、关于电磁波，下列说法中正确的是（ ） A、电磁波既能在媒质中传播，又能在真空中传播 B、只要有变化的电场，就一定有电磁波存在 C、电磁波在真空中传播时，频率和波长的乘积是一个恒量 D、振荡电路发射电磁波的过程也是向外辐射能量的过程 2、以下电场能产生电磁波的为（ ） A、 N/C B、 N/S C、 N/C D、 N/C 第 3 页 共 13 页 3、比较电磁波和机械波，下列说法正确的是( ) A、电磁波可以在真空中传播，机械波的传播要依赖于介质 B、电磁波和声波都是纵波 C、电磁波是横波 D、电磁波在有的介质中是横波，在有的介质中是纵波 二、填空题 4、如果电场的变化如图所示，则产生的磁场随时间变化的图形如何？ 三、计算题 5、简述赫兹实验的原理。 答案：1、ACD 2、B 3、AC 4、 5、将两段共轴的黄铜杆作为振荡偶极子的两半，A、B 中间留有空隙，空隙两边杆的端点 上焊有一对光滑的黄铜球。将振子的两半联接到感应圈的两极上，感应圈间歇地在 A、B 之 间产生很高的电势差。当黄铜球间隙的空气被击穿时，电流往复振荡通过间隙产生电火花。 由于振荡偶极子的电容和自感均很小，因而振荡频率很高，从而向外发射电磁波。但由于黄 铜杆有电阻，因而其上的振荡电流是衰减的，故发出的电磁波也是衰减的，感应圈以每秒 的频率一次又一次地使间隙充电，电偶极子就一次一次地向外发射减幅振荡 电磁波。探测电磁波则是利用电偶极子共振吸收的原理来实现的。 第二节 电磁波谱 典型例题 【例 1】在真空中传播的波长为 15 米的电磁波，进入某一介质中传播时，若传播速度为 米/秒，该电磁波在介质中的波长是多少？ 【解析】应用关系式 ． 第 4 页 共 13 页 因电磁波在介质中传播其频率不变，其波长比： ， 则有： 米 【例 2】关于电磁波的传播，下列叙述正确的是（ ） A．电磁波频率越高，越易沿地面传播 B．电磁波频率越高，越易直线传播 C．电磁波在各种媒质中传播波长恒定 D．只要有三颗同步卫星在赤道上空传递微波，就可把信号传遍全世界 【解析】电磁波频率越高，波长就越短，绕过地面障碍物的本领就越差，且地波在传播过程 中的能量损失随频率的增高而增大，A 错．随着电磁波频率的增大，粒子性越来越明显，其 传播形式跟光相似，沿直线传播，B 正确．电磁波在各种媒质中传播时，频率不变，但传播 速度不等，波长不同，C 错．由于同步通讯卫星相对于地面静止在赤道上空 3600 千米高的 地方用它来作微波中继站，只要有三颗这样的卫星，就可以把微波讯号传遍全世界，D 正 确．答案为 BD． 【例 3】关于电磁波在真空中传播速度，下列说法中不正确的是（ ） A、频率越高，传播速度越大 B、电磁波的能量越强，传播速度越大 C、波长越长，传播速度越大 D、频率、波长、强弱都不影响电磁波的传播速度 【解析】电磁波在真空中的波速与任何因素均无关——现代物理中称光速不变原理．在媒质 中波速会变小．答案：D． 基础练习 （选 6 题，填 3 题，计 4 题） 一、选择题 1、所有的电磁波在真空中具有相同的( ) 第 5 页 共 13 页 A.频率 B.波长 C.波速 D.能量 2、当电磁波的频率增加时，它在真空中的速度将( ) A.减小 B.增大 C.不变 D.以上都不对 3、关于电磁波的传播速度，下列说法正确的是( ) A.电磁波的频率越高，传播速度越大 B.电磁波的波长越大，传播速度越大 C.电磁波的能量越大，传播速度越大 D.电磁波的传播速度与传播介质有关 4、对于声波、无线电波和红外线，以下说法正确的是( ) A.都能在真空中传播 B.都能发生反射 C.都能发生干涉 D.都是本质上相同的波，只是频率不同而已 5、在电磁波传播过程中，不变的物理量是 A、频率 B、波长 C、振幅 D、波速 6、对于声波、无线电波和红外线，以下说法正确的是（ ） A．都能在真空中传播 B．都能发生反射 C．都能发生干涉 D．都是本质上相同的波，只是频率不同而已 二、填空题 7、麦克斯韦从理论上预言电磁波在真空中的传播速度等于 的速度，其 数值为 . 8、一无线电发射机，辐射无线电波的波长为λ。现要使其辐射波长为 2λ的无线电波，且 振荡电路中的电感不变，则电路中的电容应变为原来的 倍。 9、 某电台发射 500kHz 的电磁波，则此电磁波的波长是 m；若距该电台 6000km 远 处有一无线电接受机，则从发射台发出的信号经 s 可被接受机收到。若该电台发射 频率为 800kHz 的电磁波，则经 s 信号可被接受机收到。 三、计算题 第 6 页 共 13 页 10、在真空中传播的波长为 15 米的电磁波，进入某一介质中传播时，若传播速度为 2×108 米/秒，该电磁波在介质中的波长是多少？ 11.从地球向月球发射电磁波，经过 2.56s 收到它的反射波，月球、地球之间的距离是 km. 12、你有几种测量凸透镜焦距的方法 答案：1、C 2、C 3、D 4、BC 5、A 6、BC 7、光在真空中传播，3×108m/s 8、4 倍 9、600、0.02 、0.02 10、10m 11、7.68×105 12、（1）将太阳光聚焦法，测量光斑到凸透镜的距离 （2）利用凸透镜的成像原理找焦距，方法是在光具座上找到物体成等大像的位置，则此 时物距的一半就是焦距。 物像共扼法；凸透镜与平面镜结合法等 能力提升 （选 3 题，填 1 题，计 1 题） 一、填空题 1、任何电磁波在真空中传播时，都具有相同的（ B ） A、波长 B、波速 C、周期 D、频率 2、关于激光的应用问题，以下说法正确的是（C） A．光纤通信是应用激光平行度非常好的特点对信号来进行调制，使其在光导纤维中进行传 第 7 页 共 13 页 递信息 B．计算机内的“磁头”读出光盘上记录的信息是应用了激光是相干光的特点来进行的 C．医学上用激光作“光刀”来切除肿瘤是应用了激光亮度高的特点 D．“激光测距雷达”利用激光测量很远目标的距离是应用了激光亮度高的特点 3、有些动物夜间几乎什么都看不到，而猫头鹰在夜间却有很好的视力．其原因是（C） A．不需要光线，也能看到目标 B．自身眼睛发光，照亮搜索目标 C．可对红外线产生视觉 D．可对紫外线产生视觉 二、填空题 4、一台收音机中，用一可变电容器与两组不同线圈构成产生中波和短波的两个波段的振荡 电路，其中细导线密绕的一组线圈属于_______波段，粗导线疏绕的一组线圈属于______波 段．（中波；短波） 三、填空题 5、根据热辐射理论，物体发出光的最大波长λm 与物体的绝对温度的关系满足： T·λm=2．90×10-3（K·m），若猫头鹰的猎物——蛇在夜间的体温为 27 ℃，则它发出光 的最大波长为___________m，属于___________波段． （9．7×10-6 m，属于红外线波段） 第三节 电磁波的发射和接收 典型例题 【例 1】发射的无线电波如何被接收到呢？ 答案：电磁波在空间传播时，如果遇到导体，会使导体产生感应电流，感应电流的频率跟激 起它的电磁波的频率相同。因此利用放在电磁波传播空间中的导体，就可以接收到电磁波了。 【例 2】如何使我们需要的电磁波在接收天线中激起的感应电流最强呢？ 答案：当接收电路的固有频率跟接收到的电磁波的频率相同时，接收电路中产生的振荡电流 第 8 页 共 13 页 最强。 这样我们便可以接收无线电波了，下图是收音机内接收无线电波的调谐装置： 通过改变可变电容的电容大小改变调谐电路的固有频率，进而使其与接收电台的电磁波频率 相同，这个频率的电磁波就在调谐电路里激起较强的感应电流，这样就选出了电台。 【例 3】无线广播的中波段波长的范围是 187m～560m，为了避免临近电台的干扰，两个电台 的频率范围至少相差 Hz，则在此波段中最多容纳的电台数约为多少？ 【分析】这是一道实例题，运用中波段波长范围，得到中波段频率范围，进而得到此波段中 最多容纳的电台数。 ， 根据 可以得到： ， ， 中波段频率范围是： 。 这样此波段中能容纳的电台数为： 基础练习 （选 6 题，填 3 题，计 3 题） 一、选择题 1、下列关于电磁波的说法中正确的是（ C） A．电磁波传播时需要介质 B．电磁波是沿某一特定方向在空间传播的 C．宇航员在月球上面对面交谈时是靠移动无线电话来实现的 D．水波、声波是自然现象，而电磁波是人工制造出的现象 2、关于电磁波的产生原因，以下说法中正确的是（D ） A．只要电路中有电流通过，电路的周围就有电磁波产生 B．电磁波就是水波 C．电磁波只能在通电导体内传播 D．只要有变化的电流，周围空间就存在电磁波 第 9 页 共 13 页 3、关于电磁波的波长，下面叙述中正确的是（AD ） A．频率越高的电磁波，波长越短 B．电磁波的波长都是 3× 810 m C．频率越低的电磁波，波长越短 D．电磁波的波长与频率有关 4、收音机的波段刻度盘中刻有 kHz、MHz 字样，它们分别表示（A ） A．千赫，兆赫 B．千米，兆米 C．千秒，兆秒 D．千米/秒，兆米/秒 5、电磁波在真空中的传播速度是（C ） A．340m/s B．3× 810 km/s C．3× 510 km/s D．3× 510 m/s 6、一般女同学发出声音的最高频率约为 1.1kHz，这样的声音通过中央人民广播电台第二套 节目 720 kHz 向外广播时，发出的无线电波的频率是（B ） A．721.1 Hz B．720 kHz C．718.9 Hz D．1.1 kHz 二、填空题 7、上海人民广播电台发射的一种电磁波的频率为 990kHz，中央人民广播电台发射一种电磁 波的频率为 15.58MHz，它们发射的电磁波的波长分别为________m 和________m． （303 19.3） 8、电磁波在真空中传播的速度________3× 810 m/s．（填“大于”、“小于”或“等于”） （等于） 9、我们可以用电磁波来传递________信号和________信号． （声音 图像） 三、计算题 10、有效的向外发射电磁波的条件是什么？ 答：（1）要有足够高的振荡频率，因为频率越高，发射电磁波的本领越大。 （2）振荡电路的电场和磁场必须分散到尽可能大的空间，才有可能有效的将电磁场的 能量传播出去。 11、电磁波的发射过程 第 10 页 共 13 页 答：①振荡器产生高频振荡电流 ②用话筒把声音信号转变为变化的电流 ③用调制器把两种电流迭加，获得高频调制电信号 ④高频调制电信号送到天线上，由天线发射电磁波 12、电磁波的接收过程是怎样的？ 答：①为了接收在空间传播的电磁波，必须使用天线进行接收。但由于天线能接收传播过来 的所有电磁波而没有选择性，如把天线接收的电磁波全部变成声音，那只是一片嘈杂声，什 么也听不清。 ②为了从各种各样的电磁波中选择我们要接收的某一频率的电磁波，必须使用“调谐装 置”。 ③此时我们所接收到的电磁波的信号还是高频电信号，不能直接用耳机听到，所以还必 须把高频电信号通过检波器，把声音信号从高频电信号中“检”出来。 ④把检出的声音信号电流通过耳机（或扬声器），就还原成声音了。 能力提升 （选 3 题，填 1 题，计 1 题） 一、选择题 1、某卫星与地面的距离为 3.56× 710 m，该卫星向地球发射的电磁波到达地面所用的时间 是（A ） A．0.12 s B．1.2 s C．0.24 s D．2.4 s 2、某雷达探测高空的一颗人造卫星，如果从雷达发射的电磁波反射回来用的时间是 0.16 s， 这颗卫星距雷达的距离是（ A） A．24× 310 km B．2.4× 310 km C．24× 610 km D．2.4× 610 km 3、我们在选择收音机的电台时，常要旋动收音机上的某个旋钮，这实际上是调节（ D） A．电流 B．波长 C．波速 D．频率 二、填空题 4、各种波段无线电波的用途是：超远程地面通讯用________波；无线电广播用________波、 ________波、________波；无线电视用________波；宇航通信用________波． （长 中 中短 短 微 微） 三、计算题 5、某电台的广播频率为 640 kHz，则此电台所发射电磁波的波长为多少?波速为多少? （468.75m 3× 810 m/s） 第四节 信息化社会 典型例题 （3 题，解析） 【例 1】在我们生活的小区楼道内装有自动开关：晚上有人经过楼道时，开关自动接通；白 第 11 页 共 13 页 天，不管是否有人经过，开关都是断开的，请你解释其原理。 【解析】这是因为在楼道内装有了声光控开关，在晚上，利用声音来控制开关，当人经过时， 开关自动接通，而无人时，自动熄灭。而在白天，是利用关照强度来控制开关的，由于白天 关照强度大，所以不管是否有人经过，开关都是断开的。 【例 2】在真空中传播的波长是 15m 的电磁波，进入某一介质中传播时，其传播速度为 2× 810 m/s，求此电磁波在介质中的波长。 【解析】电磁波在真空中的传播速度 c＝3.0× 810 m/s，根据波速、波长与频率的关系式 c ＝ f0 ，得此电磁波的频率 又因 V＝λf，得电磁波在介质中的波长 10mm100.2 102 7 8   f v 【例 3】有一架雷达搜寻到了目标，经 1.4×10-4s 后收到了回波，那么这个目标距雷达多远? 【解析】雷达是利用无线电波——电磁波来发现目标的，它能将一定频率的无线电波向空中 发射出去，遇到目标后，电磁波被反射回，被雷达接收后在荧光屏上显示出来.因此，1.4×10-4s 的时间是电磁波发射到目标并反射回原地共需时间.根据 s=υt 可求出目标距雷达的距离，这 里 t= 2 1 ×1.4×10-4s. 已知：t= 2 1 ×1.4×10-4s υ=3×108m/s，求：S 解：S=υt=3×108m/s× 2 1 ×1.4×10-4s =2.1×104m 答：目标距雷达的距离是 2.1×104m. 基础练习 1、现代信息技术的三大基础是（ ABD ） A、信息的拾取 B、信息的传输 C、信息的记录 D、信息的处理 2、在信息化时代，下列那些技术应运而生（ACD） A、传感技术 B、无线电技术 C、通信技术 D、计算机技术 3、下列说法正确的是( A ) A、导体中有迅速变化的电流时，会向周围空间发射电磁波 B、电磁波不能在真空中传播 Hzcf 7 8 0 100.215 100.3   第 12 页 共 13 页 C、雷雨天打雷时，收音机中听到“咔咔”声是由于雷声是声波且较强大造成的 D、电磁波的波长越长，频率越大 4、数字信号比模拟信号具有的有点是（ABC） A、抗干扰力强 B、容易加密 C、便以计算机处理 D、传输简单 5、在空气中传播着几种电磁波，下列说法中正确的是( D ) A、频率越高的电磁波传播越快 B、频率越低的电磁波传播越快 C、波长越短的电磁波传播越快 D、电磁波的传播速度与频率、波长无关 6、数字电视与模拟电视相比较具有如下优点（ABCD） A、高清晰度 B、网上浏览 C、收发邮件 D、信息处理 7、在生活中打电话的电信号是 信号，而发电报的电信号是 信号。 8、世界上最大的计算机互联网是 。 9、某无线电波的频率是 1500kHz，则该无线电波的波长是_________m. 200 10、冰箱内用一温控传感器，请你解释一下它的工作原理。 11、某雷达装置发射信号的波长为 6×103m，用这架雷达搜索目标，回收信号的时间为 2×10-4s， 飞机距雷达多远?该信号频率为多大? 某雷达装置发射信号的波长为 6×103m，用这架雷达搜 索目标，回收信号的时间为 2×10-4s，飞机距雷达多远?该信号频率为多大? 12、某广播电台发射一种电磁波的频率为 990 千赫，中央人民广播电台发射一种电磁波的频 率是 15.58 兆赫，它们发射电磁波的波长分别为多少？ 303m，19.3m. 能力提升 1、下列关于电磁波的说法中正确的是( C ) A、电磁波的传播需要介质 B、不同频率的电磁波传播速度不同 C、水波、声波是一种自然现象，而电磁波是一种人为制造的现象 D、给导体中通直流电时，它周围也能产生电磁波 2、我国 1～12 电视频道的波长范围是 1.37～5.71m，那么相应频率的范围是（B） A、16MHz—52MHz B、58MHz—220MHz C、82MHz—96MHz D、106MHz—142MHz 3、我国第一颗人造地球卫星采用 20.009 兆赫和 19.995 兆赫的频率发送无线电信号，这两种 第 13 页 共 13 页 频率的电磁波的波长各是 和 （14.983 米和 14.993 米） 4、收音机中波段长的范围是 187—560m，为了避免电台间的干扰，两个电台的频率范围至 少相差 104Hz，则在此波段中最多能容纳的电台数约为多少个？ 106 个