电磁波的发射和接收--优质获奖教案

4.3电磁波的发射和接收
【教学目标】
1、知识与技能：了解无线电波的波长范围．
了解无线电波的发射过程和调制的简单概念．
了解调谐、检波及无线电波的接收的基本原理．
2、过程与方法：理解无线电波发射的过程
3、情感态度与价值观：体会科学与技术的结合之美
【重点难点】
1、重点：调制、调幅、调频、调谐和解调
2、难点：调制、调幅、调频、调谐和解调
【教学用具】
多媒体投影仪，示波器
【教学方法】
讲解法，学生自学、讨论法
教学过程：电磁波的发射
(1)发射电磁波的振荡电路的特点
①要有足够高的振荡频率：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，因此，采用开放电路．
电台发射的信号，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，而是加载到高频信号中发射呢？
【提示】因为声音信号频率较低，而电台要向外发射电磁波，要有足够高的频率．实践证明，只有提高发射频率才能提高发射能力，高频振荡信号就是那些有用的低频信号的“载体”，而把频率较低的信号加载到高频信号上去的过程就是调制过程．
电磁波的接收
1.基本知识
(1)原理
电磁波在传播过程中如果遇到导体，会使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)电谐振与调谐
①电谐振：当接收电路的固有频率跟收到的电磁波的频率相同时，接收电路中产生的振荡电流最强的现象．
②调谐：使接收电路产生电谐振的过程．
(3)解调
使声音或图象信号从高频电流中还原出来的过程，它是调制的逆过程．
(4)无线电波
技术上把波长大于1_mm的电磁波称做无线电波，并按波长把无线电波分为若干波段：长波、中波、中短波、短波、微波．
2. 思考判断
(1)电磁波是纵波．(×)
(2)当电磁波在空间传播时，电磁能也随着一起传播．(√)
(3)电磁波的传播速度与介质无关．(×)
3.探究交流
图14－3－1
如图14－3－1所示是我们常用的收音机中与调台旋钮相连的一个电子器件，它由两组铝片组成，一组铝片固定，称为静片；另一组铝片可以旋转，称为动片．收音机调台时就是通过转动动片，改变动片与静片的正对面积，从而实现选台目的的，你知道这是如何实现的吗？
【提示】 这是一个可变电容器．两组铝片之间是互相绝缘的，动片旋入得越多，正对面积越大，电容也就越大．它是振荡电路的一部分，由振荡电路周期T ＝2πLC 知，调节电容C ，可以改变振荡周期．当LC 回路振荡频率与待接收的电磁波频率相同时，产生电谐振，从而将需要的电台信号选出来．
互动探究
【问题导思】
1 .发射电路有何特点？
2 .如何将声音、图像信号发射出去？
1 .发射电路的两个特点
(1)发射频率足够高．
(2)应用开放电路．
2.调制
(1)使电磁波随各种信号而改变的技术叫做调制．
(2)调制方法
①调幅：使高频电磁波的振幅随信号的强弱而改变．
②调频：使高频电磁波的频率随信号的强弱而改变．
3.无线电波的发射
由振荡器(常用LC 振荡电路)产生高频振荡电流，用调制器将需传送的电信号调制到振荡电流上，再耦合到一个开放电路中激发出无线电波，向四周发射出去．一般电台的中波、中短波、短波广播以及电视中的图象信号，都采用调幅波；电台的高频广播和电视中的伴音信号，都采用调频波．
要提高LC 振荡电路发射电磁波的本领，应该采取的措施是( )
A ．增加辐射波的波长
B ．使振荡电容的正对面积足够小
C ．尽可能使电场和磁场分散开
D ．增加回路中的电容和电感
【解析】 理论证明，电磁波发射本领(功率)与f 成正比，电磁场应尽可能扩散到
周围空间，形成开放电路．f ＝12πLC
，C ＝εS 4πkd ，要使f 增大，应减小L 或C ，B 、C 符合题意．
【答案】 BC
迁移应用
1.关于调制器的作用，下列说法正确的是()
A．调制器的作用是把低频声音信号加载到高频信号上去
B．调制器的作用可以是把低频信号的信息加载到高频信号的振幅上去
C．调制器的作用可以是把低频信号的信息加载到高频信号的频率上去
D．调制器的作用是将低频声音信号变成高频信号，再放大后直接发射出去
【解析】调制器的作用是把低频声音信号加载到高频振荡信号上去，如果高频信号的振幅随低频信号的变化而变化，则是调幅；如果高频信号的频率随低频信号的变化而变化，则是调频．由于低频信号不利于直接从天线发射，所以需要将低频信号加载到高频信号上去．
【答案】ABC
电磁波的接收
【问题导思】
1 .电磁波是如何接收的？
2 .无线电波是如何分类的？
1.电磁波的接收
(1)电谐振：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最强的现象，类似于机械振动中的共振．
(2)调谐：使接收电路发生电谐振的过程．
(3)通过解调获取信号
解调：把声音或图象等信号从高频振荡电流中还原出来的过程．
检波：调幅波的解调称为检波．
2.无线电波的分类
特别提醒：
1.电谐振就是电磁振荡中的“共振”．
2.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．
关于电磁波的发射和接收，下列说法中正确的是()
A．为了使振荡电路有效地向空间辐射能量，电路必须是闭合的
B．音频电流的频率比较低，不能直接用来发射电磁波
C．当接收电路的固有频率与收到的电磁波的频率相同时，接收电路产生的振荡电流最强
D．要使电视机的屏幕上有图象，必须要有检波过程
【审题指导】求解本题应把握以下两点：
(1)知道电磁波的发射和接收原理．
(2)知道电谐振的原理．
【解析】有效发射电磁波，必须采用开放电路和高频发射；一般的音频电流的频率较低，不能直接用来发射电磁波；电磁波接收原理是一种叫电谐振的现象，与机械振动中的共振有些相似；电视机显示图象时，必须通过检波过程，把有效的信号从高频调制信号中取出来，否则就不能显示，故A错误，B、C、D正确．
【答案】BCD
迁移应用
2 .关于无线电波的传播，下列说法正确的是()
A．发射出去的电磁波，可以传到无限远处
B．无线电波遇到导体，就可以在导体中激起同频率的振荡电流
C．波长越短的电磁波，越接近直线传播
D．移动电话是利用无线电波进行通信的
【解析】无线电波在传播过程中，遇到障碍物就被吸收一部分，遇到导体，会在导体内产生涡流(同频率的振荡电流)，故A错，B正确．波长越短，传播方式越接近光的直线传播，移动电话发射或接收的电磁波属于无线电波的高频段，故C、D正确，【答案】BCD
综合解题方略——电磁波图象问题
例3：如图14－3－2所示是一个调谐接收电路，甲、乙、丙为电路中的电流随时间变化的图象，则()
甲乙丙
图14－3－2
A．i1是L1中的电流图象
B．i1是L2中的电流图象
C．i2是L2中的电流图象
D．i3是流过耳机的电流图象
【规范解答】L1中由于电磁感应，产生的感应电动势的图象是同甲图相似的，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没有电流，所以L2中的电流图象应是乙图中的i2.高频部分通过C2，通过耳机的电流如同丙图中的i3，只有低频的音频电流，故选项A、C、D正确．
【答案】ACD
课堂练习：
1.把经过调制的高频电流变为调制信号电流的过程叫()
A．调幅B．调频
C．调谐D．检波
【解析】检波是把经过调制的高频电流变为调制信号电流的过程，D正确．
【答案】 D
2 .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，而不是同时收听到许多电台的播音，其原因是()
A．因为收听到的电台离收音机最近
B．因为收听到的电台频率最高
C．因为接收到的电台电磁波能量最强
D．因为接收到的电台电磁波与收音机调谐电路的固有频率相同，产生了电谐振【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，D正确．
【答案】 D
3. 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】电磁波的发射过程中，一定要对低频输入信号进行调制，用开放电路发射．为了有效地向外发射电磁波，必须使电路开放，A、C、D正确．而产生电谐振的过程是在接收电路，B不正确．
【答案】ACD
作业：
1. 在无线电波广播的接收中，调谐和检波是两个必须经历的过程，下列关于接收过程的顺序，正确的是()
A．调谐高频放大检波音频放大
B．检波高频放大调谐音频放大
C．调谐音频放大检波高频放大
D．检波音频放大调谐高频放大
【解析】接收过程的顺序为调谐、高频放大、检波、音频放大．
【答案】 A
2. 下列说法正确的是()
A．地波的波长较长，衍射能力强，能够沿着地面传播
B．天波的波长较短，能够穿透电离层传播
C．地波沿着地面传播，容易受到干扰
D．微波能够穿透电离层，并沿直线传播
【解析】地波的波长较长，衍射能力强，能够沿着地面传播，能够绕过一般的障碍物．天波的波长较短，能够在地面与电离层之间来回反射进行传播，天波受电离层的影响，容易受到干扰．微波能够穿透电离层，并沿直线传播，但必须建立中继站．【答案】AD
3 .电视机的室外天线能把电信号接收下来，是因为()
A．天线处于变化的电磁场中，天线中产生感应电流，相当于电源，通过馈线输送给LC电路
B．天线只处于变化的电场中，天线中产生感应电流，相当于电源，通过馈线输送给LC电路
C．天线只是有选择地接收某台电信号，而其他电视台信号不接收
D．天线将电磁波传输到电视机内
【解析】电视机的天线处在变化的电磁场中，接收所有频率的电磁波，通过调谐电路选出特定频率的电磁波，然后由解调电路把电信号从高频振荡电路中还原出来，故A正确．
【答案】 A
4 .关于电磁波的接收，下列说法正确的是()
A．当处于电谐振时，所有的电磁波仍能在接收电路中产生感应电流
B．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
C．由调谐电路接收的感应电流，再经过耳机就可以听到声音了
D．由调谐电路接收的感应电流，再经过检波、放大，通过耳机才可以听到声音
【解析】当处于电谐振时，所有的电磁波仍能在接收电路中产生感应电流，只不过频率跟谐振电路固有频率相等的电磁波在接收电路中激发的感应电流最强．由调谐电路接收的感应电流，要再经过检波(也就是调制的逆过程)、放大，通过耳机才可以听到声音，故正确答案为A、D.
【答案】AD
5.实际发射无线电波如图所示，高频振荡器产生高频等幅振荡如图甲所示，人对着话筒说话产生低频振荡如图乙所示，根据这两个图象，发射出去的电磁波图象应是图中的()
图14－3－3
【解析】振荡器产生高频等幅振荡，话筒里面有碳膜电阻，它的阻值随压力变化而变化．当我们对着话筒说话时，空气对它的压力随着声音信号的变化而变化，那么它的电阻也就随声音信号的变化而变化，振荡电流的振幅也就随着声音信号的变化而变化，这就是调制．它不但影响了正半周，也影响了负半周，故选B.
【答案】 B
6.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】该题考查实际问题的处理方法．
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 ＝12πLC
可知在C 无法再调节前提下，可减小电感L ，即可通过C 、D 的操作提高f .
【答案】 CD
7.下列关于无线电波的叙述中，正确的是( )
A ．无线电波是波长从几十千米到几毫米的电磁波
B ．无线电波在任何介质中传播速度均为3.00×108 m/s
C ．无线电波不能产生干涉和衍射现象
D ．无线电波由真空进入介质传播时，波长变短
【解析】 无线电波中长波波长有几十千米，微波中的毫米波只有几毫米，A 项正确；无线电波在介质中的传播速度小于在真空中的传播速度3.00×108 m/s ，B 项错误；
无线电波也能产生干涉和衍射现象，C 项错误；由λ＝v f 知，无线电波由真空进入介质传
播时，由于波速减小可知波长变短，D 项正确．
【答案】 AD
8.关于电磁波的传播，下列叙述正确的是( )
A ．电磁波频率越高，越容易沿地面传播
B ．电磁波频率越高，越容易沿直线传播
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，就几乎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，不易沿地面传播，而跟光的传播相似，沿直线传播，故选项B 正确，A 错误；电磁波在介质中传播时，频率不变，而传播速度改变，由v ＝λf ，可判断波长改变，故选项C 错误；由于同步卫星相对地面静止在赤道上空36 000 km 高的地方，用它作微波中继站，只要有三颗互成120°的同步卫星，就几乎可覆盖全球，故选项D 正确．
【答案】 BD
9.收音机的调谐电路中线圈的自感系数为L ，要想接收波长为λ的电磁波，应把调谐电路中电容器的电容调至(c 为光速)( )
A.λ2πLc
B.12πLc
C.λ22πLc 2
D.λ2
4π2Lc 2
【解析】 接收电磁波必须进行调谐，使接收回路产生电谐振，由产生电谐振的条
件f 固＝f 电磁波得12πLC ＝c λ
，解得C ＝λ24π2Lc 2，故正确答案为D. 【答案】 D
10.手机A 拨叫手机B 时，手机B 发出铃声，屏上显示A 的号码．若将手机A 置于一真空玻璃罩中，用手机B 拨叫手机A ，则( )
A ．能听到A 发出的铃声，并看到A 显示的
B 的号码
B ．不能听到A 发出的铃声，但能看到A 显示的B 的号码
C ．能听到A 发出的铃声，但A 不能显示号码
D ．既不能听到A 发出的铃声，也不能看到A 显示的号码
【解析】 机械波不能在真空中传播，电磁波可以在真空中传播，故B 正确．
【答案】 B
11. 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 ＝12πLC ＝12π3×10－3×3×10－5×10－6
Hz ＝530 kHz. (2)发射出去的电磁波的波长
λ＝c f ＝3.0×108
530×103
m ＝566 m. 【答案】 (1)530 kHz (2)566 m
12 .在电视节目中，我们经常看到主持人与派到热带地区的记者通过同步通信卫星通话，他们之间每一问一答总是迟“半拍”，这是为什么？如果有两个手持卫星电话的人通过同步卫星通话，一方讲话，另一方至少要等多长时间才能听到对方的讲话？(已知地球的质量为6.0×1024 kg ，地球半径为6.4×106 m ，引力常量为6.67×10－11 N ·m 2·kg －2)
【解析】 主持人与记者之间通话不合拍是因为电磁波是以有限的速度在空中传播的，利用电磁波传递信息是需要时间的．设同步卫星高度为H ，由万有引力提供卫星做
圆周运动的向心力，即GMm （R ＋H ）2＝m 4π2T 2(R ＋H )，H ＝3GMT 24π
2－R ＝3.6×107 m ，则一方讲话另一方听到所需的最少时间是t ＝2H c ＝0.24 s.
【答案】 电磁波传递信息也是需要时间的 0.24 s。