高中物理 第3章 电磁波 第2节 电磁波的发射、传播和接收知识导航素材 鲁科版选修3-4（通用）

高中物理 第3章 电磁波 第2节 电磁波的发射、传播和接收知识导航素材 鲁科版选修3-4（通用）

第2节 电磁波的发射、传播和接收 ‎ 思维激活 ‎1.收音机在接收信号时为什么要调谐？它又是怎样实现调谐的？‎ 提示：世界上有许多无线电台，它们发出的电磁波频率各不相同，接收电路都能把这些电磁波接收下来.如果不选台，这些电台的信号在电路中互相干扰无法分辨，就好像我们听见一群人在说话，耳边一片嘈杂声，什么也听不清楚.所以，要接收所需要的电台就要调谐.‎ 在收音机接收同一个波段内的不同电台时，一般是通过改变电容C来调谐的.收音机接收不同波段的电台时，一般要改变电感L和电容C来实现调谐.‎ ‎2.我们常见到的手机、电视机、收音机的天线都是金属直杆，它有什么用途？‎ 提示：在尽可能大的范围内接收到电磁波的各种信号.‎ 自主整理 一、电磁波的发射 空间某处的电场和磁场交替变化，就会产生____________，它的主要用途是____________.要传递信息首先要能发射____________.‎ 为了有效地发射___________，振荡电路必须满足两个条件：（1）____________________；（2）_______________________.‎ 把低频电信号加载到________________________上叫做____________，常用的调制方式有____________和____________两种.‎ 二、电磁波的传播 无线电波通常有三种传播途径：____________、____________和____________.沿地球表面空间传播的无线电波称为____________，用来传播____________、____________和____________.靠____________的反射传播的无线电波称为天波，适合传播__________.空间波是像光束那样沿直线传播的无线电波，适用于____________和____________.‎ 三、电磁波的接收 能够进行调谐的接收电路叫____________.当接收电路的____________跟接收到的电磁波的____________相同时，接收电路中产生的____________的现象叫电谐振，产生电谐振的过程，叫____________.‎ 高手笔记 ‎1.无线电波的波段的划分 无线电技术中使用的电磁波叫无线电波.无线电波的波长从几毫米到几十千米，通常根据波长或频率把无线电波分成长波、中波、短波、微波等几种波段.各波段无线电波有各自的传播方式和用途.如下表所示.‎ 波段 波长/m 频率/MHz 传播方式 主要用途 长波 ‎30 000~3 000‎ ‎0.01~0.1‎ 地波 超远程 无线电 中波 ‎3 000~200‎ ‎0.1~1.5‎ 地波和天波 通信和导航 中短波 ‎200~50‎ ‎1.5~6‎ 天波 调幅（AM）无线电广播电报通信 短波 ‎50~10‎ ‎6~30‎ 微波 米波（VHF）‎ ‎10~1‎ ‎30~300‎ 近似直 线传播 调频（FM）‎ 无线电广播 电视导航 分米波（UHF）‎ ‎1~0.1‎ ‎300~3 000‎ ‎3 000~30 000‎ 直线传播 电视 雷达 导航 厘米波 ‎0.1~0.01‎ 毫米波 ‎0.01~0.001‎ ‎30 000~300 000‎ ‎2.电磁波发射和接收过程中几个概念 调制：在电磁波发射技术中，使电磁波随各种信号（声音、图像信号）而改变叫做调制.‎ 调幅：使高频振荡的振幅随信号（声音、图像等低频信号）而改变叫做调幅.‎ 调频：使高频振荡的频率随信号而改变叫做调频.‎ 解调：由调谐电路接收到的感应电流，是经过调制的高频振荡电流，还不能使我们直接感受到所需要的信号.必须从高频振荡电流中“检”出声音信号，叫做检波，也叫解调.‎ 名师解惑 ‎1.无线电波的发射和接收过程中为什么要分别进行调制和解调？‎ 剖析：电台发射信号，如声音信号，为什么不直接将声音信号转化为电信号发射出去，而是放到高频信号中发射呢？因为像声音这样的信号，一般频率相对较低，而电台要向外发射电磁波，要有足够高的频率.实验证明，发射能量与发射频率的4次方成正比，可见只有提高发射频率才能提高发射能量，为此要把频率较低的信号加载到高频信号去.高频振荡信号就是那些有用的低频信号的载体，而“加载”过程就是物理上所说的“调制”过程.‎ 既然有用的信号是加载到高频信号上的，当接收到电磁波后，为了卸下有用的信号，就必须通过解调，把有用信号“检”出来.‎ ‎2.调谐的作用是什么？‎ 剖析：世界上有许许多多的无线电台、电视台及各种无线电信号，如果不加选择地全部接收下来，那必然是一片混乱，分辨不清.因此接收信号时，首先要从各种电磁波中把我们需要的选出来，通常叫选台.在无线电技术中利用电谐振（类似于机械振动中的共振）达到目的.‎ 使接收电路中产生电谐振的过程叫调谐，能够调谐的接收电路叫调谐电路.如图‎3-2-1‎所示.调节电容器的电容，当该LC振荡电路的固有频率与某电台的频率相同时，这个电台的电磁波在电路中激起的感应电流最强，这样就选出了这个电台.收音机一般是通过改变电容来调谐，而电视机一般通过改变电感来调谐.‎ 图‎3-2-1‎ 讲练互动 ‎【例题1】用一平行板电容器和一个线圈组成LC振荡电路，要增大发射电磁波的波长，可采用的做法是（ ）‎ A.增大电容器两极板间的距离 B.减小电容器两极板间的距离 C.减小电容器两极板正对面积 D.在电容器两极板间加入电介质 解析：由λ=c/f知，要增大发射电磁波的波长，必须减小振荡电路的振荡频率f，由f=可知，要减小f，就必须增大电容器的电容C或电感L，由C=，可判断B、D操作满足要求.‎ 答案：BD 绿色通道 熟记f=和C=是分析问题的基础.‎ 变式训练 ‎1.关于无线电波的发射过程，下列说法正确的是（ ）‎ A.必须对信号进行调制 B.必须使信号产生电谐振 C.必须把传输信号加到高频电流上 D.必须使用开放回路 解析：为了有效地发射电磁波，必须使振荡频率足够高，同时让电场、磁场尽可能分布到较大的空间，故需把频率较低的传输信号加到高频电流上，即调制，还需使用开放电路，故A、C、D选项正确.‎ 答案：ACD ‎2.LC振荡电路电容器的电容为3×10-5 μF，线圈的自感系数为3 mH，它与开放电路耦合后，‎ ‎（1）发射出去的电磁波的频率是多大？‎ ‎（2）发射出去的电磁波的波长是多大？‎ 解析：LC振荡电路与开放电路耦合后，振荡电路中产生的高频振荡电流通过两个电路线圈间的互感作用，使开放电路中也产生同频率的振荡电流，振荡电流在开放电路中激发出无线电波，向四周发射，所以发射出电磁波的频率就等于LC振荡电路中电磁振荡的频率.‎ ‎（1）发射出去的电磁波的频率 f=Hz=530 kHz.‎ ‎（2）发射出去的电磁波的波长λ=m=‎566 m.‎ 答案：（1）530 kHz （2）‎‎566 m ‎【例题2】电磁波接收回路中线圈的自感系数是400 μH，原来接收波长是‎60 m的电磁波，现在接收波长是‎180 m的电磁波，应怎样调整调谐电路中电容器的电容？‎ 解析：由λ=vT（v是电磁波在真空中的传播速度）和T=2π可知，在接收回路（调谐电路）L一定时，要接收波长较长的电磁波须增大电容C.电容的增加量为：‎ ΔC=（λ22-λ12）=×（1802-602）F=2.0×10‎-11 F.‎ 答案：增加电容2.0×10‎‎-11F 绿色通道 通过调节LC回路中的电容，可改变调谐电路的固有频率，产生电谐振进行选台.‎ 变式训练 ‎3．调谐电路的可变电容器的动片从完全旋入到完全旋出仍接收不到较高频率电台发出的电信号，要收到电信号，应（ ）‎ A.增大调谐电路中线圈的匝数 B.加大电源电压 C.减小调谐电路中线圈的匝数 D.将线圈中的铁芯取走 解析：当调谐电路的固有频率等于电台发出信号的频率时，发生电谐振才能收听到电台信号.由题意知收不到电信号的原因是调谐电路固有频率低，由f=‎ ‎，可知在C无法调节的前提下，可减小电感L，即可通过C、D的操作升高f.‎ 答案：CD ‎4．有波长分别为‎290 m、‎397 m、‎566 m的无线电波同时传向收音机的接收天线，当把收音机的调谐电路的频率调到756 kHz时，‎ ‎（1）哪种波长的无线电波在收音机中激起的感应电流最强？‎ ‎（2）如果想接收到波长为‎290 m的无线电波，应该把调谐电路中可变电容器的动片旋进一些，还是旋出一些？‎ 解析：电磁波在空间传播时，如果遇到导体，就把自己的一部分能量传给导体，使导体中产生感应电流，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，无线电技术中，用天线和地线组成的接收电路来接收电磁波，收音机的调谐电路，通过改变可变电容器的电容来改变调谐电路的频率，使它跟我们要接收的电磁波的频率相同，由于电谐振现象，只有这个频率的电磁波才在调谐电路中激起较强的感应电流，而其他频率的电磁波激起的感应电流都非常弱.‎ ‎（1）根据公式f=得 f1=g Hz=1 034 kHz f2=Hz=756 kHz f3=Hz=530 kHz 所以波长为‎397 m的无线电波在收音机中激起的感应电流最强.‎ ‎（2）要接收波长为‎290 m的无线电波，应增大调谐电路的固有频率，因此，应把调谐电路中可变电容器的动片旋出一些.‎ 答案：‎397 m 旋出一些 ‎【例题3】超远程无线电通信和导航主要是利用长波段的电磁波，传播方式是地波，试说明用地波传播长波的理由.一长波波长为15 ‎000 m，其频率为多少？‎ 解析：因为长波段的无线电波的波长长，容易发生衍射现象，能绕过障碍物而不被地面上的高大物体挡住，故可采用地波形式传播，但地波传播的距离不太远.由c=λf得 f==Hz=2.0×104 Hz=20 kHz.‎ 答案：此长波的频率为20 kHz.‎ 绿色通道 波长长的长波，衍射现象明显，能绕过物体而不形成反射，用地波传播；微波的波长短，方向性好，反射性强，主要传播方式是直线传播.‎ 变式训练 ‎5．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，越易沿直线传播 C.电磁波在各种介质中传播波长恒定 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：由c=λf可判定：电磁波频率越高，波长越短，衍射性越差，不宜沿地面传播，而跟光的传播相似，沿直线传播.故B对A错.电磁波在不同介质中传播时，频率不变，而传播速度改变，由v=λf，可判断波长改变，C错.由于同步卫星相对地面静止在赤道上空3 ‎600 km高的地方，用它作微波中继站，只要有三颗，就能覆盖全球，D正确.‎ 答案：BD ‎6．下列说法正确的是（ ）‎ A.发射出去的无线电波，可以传播到无限远处 B.无线电波遇到导体，就可在导体中激起同频率的振荡电流 C.波长越短的无线电波，越接近直线传播 D.移动电话是利用无线电波进行通讯的 解析：无线电波在传播过程中有能量损失，故不能传播到无限远处，故A错.无线电波遇到导体，就把一部分能量传给导体，在导体中激起同频率的振荡电流，故B对.波长越短的无线电波，越不易发生衍射，越接近直线传播，故C对.移动电话是无线电波的应用之一，故D对.‎ 答案：BCD 体验探究 ‎【问题】接收电磁波的导体可用空心导体代替实心导体，这是为什么？‎ 导思：‎ 可根据电磁感应现象解释.‎ 探究：如图‎3-2-2‎所示，当流过导线的电流是交变电流时，导线内外出现交变磁场，因此在导线内产生涡电流.设某时刻通过导线的电流增大，导线内产生的涡电流方向如图所示，靠近导线中心的涡电流方向与原电流方向相反，而在导线附近涡电流的方向与原电流方向相同，结果是导线表面附近的电流密度大，形成电流趋向于沿导线表面流动，这就是趋肤效应.提高交变电流的频率，例如达到10 MHz，绝大部分电流就会集中在导线表面附近，这时可用空心导体代替实心导体.‎ 图3-2-2‎ 以上这一现象在做接收电磁波的演示实验中，可分别用导线连接在铜棒外层和铜棒芯处，观察电路中的小电珠是否发光来验证.‎ 教材链接 ‎【实验与探究】（课本52页）‎ 在步骤（2）中，铁丝A、B间距离小，电路中的电场几乎集中在这两极间，磁场集中在感应线圈中，这时不利于电磁波的发射.步骤（3）中去掉B铁丝与感应线圈的导线，则铁丝A和感应线圈的高压端间距大且正对面积小，有利于电磁波的发射.由此实验可看出影响电磁波传播距离的因素是电容器的电容.‎ ‎【实验与探究】（课本55页）‎ 移动课本图‎3-1-4‎（b）装置中的滑动杆，可发现氖管发亮，且在不同位置处其亮度不一样，当滑动杆所在位置使矩形线圈的面积与图3-1-4（a）中的相同时，氖管最亮.这说明当接收电路与发射电路的矩形线圈面积相同时，两个电路的振荡频率相同，则在接收电路中产生了电谐振现象，这时氖管是最亮的.‎