2020版高中物理 第三章4 无线电波的发射、传播和接收学案 教科版选修3-4

2020版高中物理 第三章4 无线电波的发射、传播和接收学案 教科版选修3-4

1 3 电磁波谱 电磁波的应用 4 无线电波的发射、传播和接收 [学习目标] 1.了解电磁波各波段的特性和主要作用.2.了解电磁波的应用和在科技、经济、 社会发展中的作用.3.了解有效地发射电磁波的两个条件.4.了解调制、调幅、调谐、电谐振 在电磁波发射、接收过程中的作用. 一、电磁波谱 电磁波的应用 1.电磁波谱：按电磁波的波长(或频率)大小的顺序把它们排列成谱，叫电磁波谱. 2.电磁波谱按频率由小到大的顺序排列为：无线电波、红外线、可见光、紫外线、X 射线、 γ射线. 3.不同电磁波的特点及应用 (1)无线电波：波长从几毫米到几十千米的电磁波，主要用于通信、广播及其他信号传播. (2)红外线 ①波长位于微波和可见光之间的电磁波.波长范围在 760～10 6 nm. ②应用：遥控、加热、红外线遥感. (3)紫外线 ①波长范围为 60～400nm，不能直接引起视觉. ②应用：灭菌消毒、防伪、有助于人体合成维生素 D. (4)X 射线 ①波长比紫外线还短的电磁波. ②特点：穿透能力很强. ③应用：可用于检查工件内部、透视人体. (5)γ射线 ①比 X射线波长更短的电磁波，波长范围为 10 －7 ～10 －2 nm. ②特点：穿透能力比 X 射线更强. ③应用：工业上进行探伤；医学上用来治疗某些疾病. 二、无线电波的发射、传播和接收 1.无线电波的发射 (1)要有效地发射电磁波，振荡电路必须具有如下特点： 2 第一，振荡电路产生的电场和磁场必须分布到广大的开放空间中，才能有效地把电磁场的能 量传播出去. 第二，要有足够高的振荡频率. (2)载波：用来“运载”信号的高频等幅波. (3)调制：把传递的信号“加”到载波上的过程. 分类 调幅：使高频振荡的振幅随信号而变. 调频：使高频振荡的频率随信号而变. 2.无线电波的传播 (1)地波：沿地球表面空间传播的无线电波. 适用于能够绕过地面障碍物的长波、中波和中短波. 短波和微波不宜用地波传播. (2)天波：依靠电离层的反射来传播的无线电波. 适用于不易吸收和穿过电离层而易被电离层反射的短波. 实验证明：微波易穿过电离层进入太空，长波易被电离层吸收. (3)直线传播：沿直线传播的电磁波，叫做空间波或视波.适用于微波. 3.无线电波的接收 (1)接收原理 电磁波在传播过程中如果遇到导体，会在导体中产生感应电流.因此空中的导体可以用来接 收电磁波. (2)电磁谐振(电谐振) 当振荡电路的固有频率跟传播来的电磁波的频率相等时，电路中激起的感应电流最强. (3)调谐 使接收电路产生电谐振的过程. 调谐电路：能够调谐的接收电路. [即学即用] 判断下列说法的正误. (1)各种电磁波中最容易表现出干涉和衍射现象的是γ射线.( × ) (2)X 射线的穿透本领比γ射线更强.( × ) (3)低温物体不能辐射红外线.( × ) (4)调制就是将低频信号变成高频信号，再放大后直接发射出去.( × ) (5)当处于电谐振时，只有被接收的电磁波才能在接收电路中产生感应电流.( × ) 3 一、电磁波谱及电磁波的应用 [导学探究] 电磁波在我们日常生活中应用相当广泛，请你列举出下列电磁波的应用实例： 无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线和γ射线. 答案 无线电波：收音机；微波：电视机；红外线：电烤箱；可见光：人可看到的五彩缤纷 的世界；紫外线：紫外线消毒灯；X 射线：X 光透视机；γ射线：γ射线探伤. [知识深化] 不同电磁波的特性及应用 电磁 波谱 无线电波 红外线 可见光 紫外线 X 射线 γ射线 频率 由左向右，频率变化为由小到大 真空中 的波长 由左向右，波长变化为由长到短 特性 波动性强 热效应强 感光性 强 化学作用、荧 光效应强 穿透力 强 穿透力最 强 用途 通信、广播、 天体物理研 究 遥控、遥测、加 热、红外摄像、 红外制导 照明、照 相等 日光灯、杀 菌、防伪、治 疗皮肤病等 检查、探 测、透 视、治疗 探测、治 疗 例 1 (多选)关于电磁波谱，下列说法正确的是( ) A.波长不同的电磁波在本质上完全相同 B.电磁波的波长若差异太大则会出现本质不同的现象 C.电磁波谱的频带很宽 D.电磁波的波长很短，所以电磁波的频带很窄 答案 AC 解析 电磁波谱中的电磁波在本质上是完全相同的，只是波长或频率不同而已.其中最长波 长是最短波长的 1021倍以上. 例 2 下面列出一些医疗器械的名称和这些器械运用的物理现象，请将相应的字母填写在 运用这种现象的医疗器械后面的空格上. (1)X 光机，. (2)紫外线灯，. (3)理疗医用“神灯”照射伤口，可使伤口愈合得较好.这里的“神灯”是利用. A.光的全反射 4 B.紫外线具有很强的荧光作用 C.紫外线具有杀菌消毒作用 D.X 射线有很强的贯穿力 E.红外线具有显著的热效应 F.红外线波长较长，易发生衍射 答案 (1)D (2)C (3)E 解析 (1)X 光机是用来透视人体内部器官的，因此需要具有较强穿透力的电磁波，但又不 能对人体造成太大的伤害，因此采用了穿透能力比较强又不会给人体造成太大的伤害的 X 射线，故选择 D. (2)紫外线灯主要是用来杀菌的，因此它应用的是紫外线的杀菌作用而非荧光作用，故选择 C. (3)“神灯”又称红外线灯，主要是用于促进局部血液循环，它利用的是红外线的热效应， 使人体局部受热，血液循环加快，故选择 E. 二、无线电波的发射、传播和接收 [导学探究] 1.将两根铝管固定在感应圈的两极上，另两根铝管接微安表头并固定在绝缘手柄上，如图 1 所示. 图 1 (1)接通感应圈电源，把手柄上两铝管平行靠近感应圈上的两铝管，你看到了什么现象？为 什么？ (2)当把感应圈两极上的铝管拆掉后，把手柄靠近感应圈有什么现象？为什么？ 答案 (1)微安表头指针偏转，这说明绝缘手柄上的铝管接收到了电磁波.(2)没有装铝管时， 微安表头指针不偏转，说明绝缘手柄上的铝管没有接收到电磁波.因为发射电磁波要有天线. 2.按图 2 甲，用两个莱顿瓶(附矩形发射框和带氖泡的矩形接收框)、感应圈和直流电源连成 电路.如图乙所示，发射框上的铜球与莱顿瓶上的铜球相距约 1～2cm，氖泡两端分别接莱顿 瓶的内壁和外壁金属箔.感应圈高压加在铜球和莱顿瓶上，使铜球间发生火花放电.调节接收 框上的可移动的竖直金属滑动杆，使它从最右端慢慢向左移动，观察接收框上的氖泡发光有 什么变化？并说明产生这种变化的原因. 5 图 2 答案 在滑动杆向左滑动的过程中，氖泡先变亮后变暗，当矩形接收框与发射框的大小差不 多时氖泡最亮.当两框大小相等时，两框的电感接近相等，与莱顿瓶组成的 LC振荡电路的固 有频率接近相同，发射电路与接收电路发生电谐振，接收框接收到的信号最强，所以氖泡最 亮. [知识深化] 1.无线电波的发射、传播和接收过程 2.对概念的理解 (1)“调幅”和“调频”都是调制过程，解调是调制的逆过程. (2)电谐振就是电磁振荡中的“共振”. (3)调谐与电谐振不同，电谐振是一个物理现象，而调谐则是一个操作过程. 例 3 为了增大无线电台向空间发射无线电波的能力，对 LC 振荡电路的结构可采用下列哪 些措施( ) A.增大电容器极板的正对面积 B.增大电容器极板的间距 C.增大电感线圈的匝数 D.提高供电电压 答案 B 解析 要增大无线电波向空间发射电磁波的能力，必须提高其振荡频率，即减小 L 或减小 C， 要减小 L，可通过减小线圈匝数、向外抽铁芯的方法；要减小 C，可采用增大板间距、减小 极板正对面积、减小介电常数的办法.故 B 正确. 例 4 在如图 3 所示的电路中，C1＝200pF，L1＝40μH，L2＝160μH，怎样才能使回路 2 与 回路 1发生电谐振？发生电谐振的频率是多少？ 6 图 3 答案 改变可变电容器 C2的电容，使得 C2为 50pF 1.78MHz 解析 发生电谐振时两电路的固有频率相同.为使回路发生电谐振，可以改变可变电容器 C2 的电容，使 f2＝f1， 即 1 2π L2C2 ＝ 1 2π L1C1 C2＝ L1C1 L2 ＝ 40×200 160 pF＝50 pF. 发生电谐振时的频率 f1＝ 1 2π L1C1 ≈1.78×106 Hz＝1.78 MHz. 1.(电磁波谱)(多选)在电磁波中，波长按从长到短排列的是( ) A.无线电波、可见光、红外线 B.无线电波、可见光、γ射线 C.红光、黄光、绿光 D.紫外线、X 射线、γ射线 答案 BCD 解析 电磁波谱按波长从长到短的排列顺序依次是无线电波→红外线→可见光(红、橙、黄、 绿、青、蓝、紫)→紫外线→X射线→γ射线，由此可知 B、C、D 选项正确. 2.(电磁波的特性及应用)电磁波在生活中有着广泛的应用.不同波长的电磁波具有不同的特 性，因此也有不同的应用.下列器材与其所应用的电磁波对应关系不正确的是( ) A.雷达——无线电波 B.手机——X 射线 C.紫外消毒柜——紫外线 D.遥控器——红外线 答案 B 解析 雷达是利用了无线电波中的微波来测距的，故 A 正确；手机采用的是无线电波，X 射 线对人体有很大的辐射，不能用于通信，故 B 错误；紫外线具有很强的消毒作用，故 C 正确； 红外线可以用于遥控器，故 D正确. 3.(电磁波的发射)(多选)关于电磁波的发射过程，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 7 C.必须把传输信号加到高频电流上 D.必须使用开放回路 答案 ACD 解析 在电磁波的发射过程中，一定要对低频输入信号进行调制，把传输信号加到高频电流 上.为了有效地向外发射电磁波，必须使用开放电路，A、C、D 正确.而产生电谐振是在接收 过程中，B错误. 4.(电磁波的接收)一台收音机可接收中波、短波两个波段的无线电波，打开收音机后盖，在 磁棒上能看到两组线圈，其中一组是用细线密绕匝数多的线圈，另一组是用粗线疏绕匝数少 的线圈，由此可以判断( ) A.匝数多的电感大，使调谐电路的固有频率较小，故用于接收中波 B.匝数多的电感小，使调谐电路的固有频率较大，故用于接收短波 C.匝数少的电感小，使调谐电路的固有频率较小，故用于接收中波 D.匝数少的电感大，使调谐电路的固有频率较大，故用于接收短波 答案 A 解析 根据匝数多密绕的线圈电感大、匝数少疏绕的线圈电感小，可排除 B、D 选项；根据 T＝2π LC，电感越大，回路固有频率越小，可排除 C 选项；根据 c＝fλ，频率越小，波长 越长，故用细线密绕匝数多的线圈可用于接收中波，可知 A 选项是正确的. 一、选择题 考点一 电磁波谱 1.一种电磁波入射到半径为 1m 的孔上，可发生明显的衍射现象，这种波属于电磁波谱中的 ( ) A.可见光 B.γ射线 C.无线电波 D.紫外线 答案 C 2.在电磁波谱中，红外线、可见光和伦琴射线(X 射线)三个波段的频率大小关系是( ) A.红外线的频率最大，可见光的频率最小 B.伦琴射线的频率最大，红外线的频率最小 C.可见光的频率最大，红外线的频率最小 D.伦琴射线的频率最大，可见光的频率最小 答案 B 解析 在电磁波谱中，红外线、可见光和伦琴射线(X 射线)按照频率从大到小的排列顺序是： 伦琴射线(X 射线)、可见光、红外线. 8 考点二 电磁波的特性及应用 3.(多选)电磁波按波长大小的顺序把它们排列成谱，如图 1 所示，由电磁波谱可知( ) 图 1 A.微波是不可见光 B.红外线可以灭菌消毒 C.紫外线的波长比红外线长 D.X 射线能穿透物质，可以用来检查生物骨骼结构 答案 AD 解析 微波是不可见光，选项 A 正确；红外线有热效应，紫外线可以灭菌消毒，选项 B 错误； 紫外线的波长比红外线短，选项 C 错误；X射线穿透性强，可以用来检查生物骨骼结构，选 项 D 正确. 4.关于生活中遇到的各种波，下列说法正确的是( ) A.电磁波可以传递信息，声波不能传递信息 B.手机在通话时涉及的波既有电磁波又有声波 C.太阳光中的可见光和医院“B 超”中的超声波传播速度相同 D.遥控器发出的红外线波长和医院“CT”中的 X射线波长相同 答案 B 解析 声波、电磁波都能传递能量和信息，A 项错误；在手机通话过程中，既涉及电磁波又 涉及声波，B 项正确；可见光属于电磁波，B 超中的超声波是声波，波速不同，C 项错误； 红外线波长较 X射线波长长，故 D项错误. 5.在烤箱中能看见一种淡红色的光，下列关于这种光的说法中正确的是( ) A.是电热丝发出的红外线 B.是电热丝发出的红光 C.主要是利用这种光为食物加热 D.给食物加热是利用比这种光波长更短的电磁波 答案 B 解析 烤箱中看到的淡红色的光是可见的红光，起加热作用的主要是波长较长的红外线，而 不是红光，故正确选项为 B. 6.“红外夜视仪”在夜间也能看清黑暗中的物体，主要是因为( ) 9 A.“红外夜视仪”发射出强大的红外线，照射被视物体 B.一切物体均在不停地辐射红外线 C.一切高温物体均在不停地辐射红外线 D.“红外夜视仪”发射出γ射线，被视物体受到激发而放出红外线 答案 B 解析 所有物体都发射红外线，因而“红外夜视仪”可以看清黑暗中的物体. 7.如图 2 所示的容器中盛有含碘的二硫化碳溶液，在太阳光的照射下，地面呈现的是圆形黑 影，在黑影中放一支温度计，可发现温度计显示的温度明显上升，则由此可判定( ) 图 2 A.含碘的二硫化碳溶液对于可见光是透明的 B.含碘的二硫化碳溶液对于紫外线是不透明的 C.含碘的二硫化碳溶液对于红外线是透明的 D.含碘的二硫化碳溶液对于红外线是不透明的 答案 C 解析 紫外线具有荧光效应，红外线热效应明显，可见光有视觉感应，地面呈现的是圆形黑 影，说明含碘的二硫化碳溶液对于可见光是不透明的；温度计显示的温度明显上升，红外线 热效应明显，故说明含碘的二硫化碳溶液对于红外线是透明的.故选 C. 考点三 无线电波的发射、传播和接收 8.(多选)关于无线电广播过程，下列说法正确的是( ) A.话筒将声音信号转变成音频信号 B.每个电台都能使用任意频率发射电磁波信号 C.接收机上的天线，直接接收来自广播台的声音信号 D.收音机上的“调谐”旋钮起到选台的作用 答案 AD 解析 话筒是声传感器，将声音信号转变成音频信号(低频电信号)，故 A 正确；每个电台发 射的电磁波的频率都是特定的，故 B错误；接收机上的天线，通过电谐振原理将所需信号从 众多的电磁波信号中选出来，故 C 错误；收音机上的“调谐”旋钮通过改变自身频率，利用 电谐振原理将所需信号从众多的电磁波信号中选出来，起到选台的作用，故 D 正确. 9.世界各地有许多无线电台同时广播，用收音机一次只能收听到某一电台的播音，而不是同 10 时收听到许多电台的播音，其原因是( ) A.收听到的电台离收音机最近 B.收听到的电台频率最高 C.接收到的电台电磁波能量最强 D.接收到的电台电磁波与收音机调谐电路的频率相同，产生了电谐振 答案 D 解析 选台就是调谐过程，使 f 固＝f 电磁波，在接收电路中产生电谐振激起的感应电流最强， 故选 D. 10.(多选)如图 3 所示，调谐电路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，可采用以下哪种措施( ) 图 3 A.增大调谐电路中线圈的匝数 B.加大电源电压 C.减少调谐电路中线圈的匝数 D.将线圈中的铁芯取走 答案 CD 解析 当调谐电路的固有频率等于接收电磁波的频率时，发生电谐振才能较好地收到电台信 号.题图调谐电路收不到信号的原因是调谐电路的固有频率低，由 f＝ 1 2π LC 知，在 C 无法 再调节的情况下，可减小 L 以提高 f，故选项 C、D 正确. 11.收音机中的调谐电路线圈的电感为 L，要想接收波长为λ的电台信号，应把调谐电路中 电容器的电容调至(c 为光速)( ) A. λ 2πLc B. 1 2π Lcλ C. λ2 2πLc2 D. λ2 4π 2Lc2 答案 D 解析 由 T＝2π LC，在真空中 c＝ λ T 得，C＝ λ2 4π2Lc2 ，故选 D. 11 12.(多选)图 4甲为一个调谐接收电路，图乙、丙、丁为电路中的电流随时间变化的图像， 则( ) 图 4 A.i1是 L1中的电流图像 B.i1是 L2中的电流图像 C.i2是 L2中的电流图像 D.i3是流过耳机的电流图像 答案 ACD 解析 L1中由于电磁感应，产生的感应电流的图像同题图乙相似，但是由于 L2和 D串联，所 以当 L2的电压与 D 反向时，电路不通，因此这时 L2中没有电流，所以 L2中的电流图像应是 题图丙.高频部分通过 C2，通过耳机的电流如同题图丁中的 i3，只有低频的音频电流，故选 项 A、C、D正确. 二、非选择题 13.(电磁波的接收)收音机调谐回路中可变电容器旋到电容为 100pF 时能收到波长为 300m 的电磁波，如果要收到波长为 240m 的电磁波，可变电容器的电容要调为多少？这个回路的 电感为多少？ 答案 64pF 2.5×10－4H 解析 根据 v＝λf 和 f＝ 1 2π LC ，有λ＝v·2π LC， 其中 v＝3×10 8 m/s， 则 300＝3×10 8 ×2π L×100×10 －12 240＝3×108×2π LC′ 解得：L≈2.5×10－4H，C′＝64pF.