2017-2018学年高中物理选修3-4教师用书：第3章 第2+3

第2节电磁波的发射、传播和接收
第3节电磁波的应用及防护
1．电磁波的发射
(1)有效发射条件
①振荡频率足够高．
②电场、磁场尽可能分布到较大的空间．
(2)开放电路
为了满足发射条件，可以减小电容器的极板面积，增大极板间距，使电容器变成两条长直导线，一条伸入高空成为天线，另一条接入地下成为地线．
2．电磁波的传播
(1)无线电波通常有三种传播途径：地波、天波和空间波．
①地波：沿地球表面空间传播的无线电波．在无线电技术中，通常采用地波的形式传播长波、中波和中短波．
②天波：靠大气层中电离层的反射传播的无线电波．短波最适合采用天波的形式传播．
③空间波：象光束那样沿直线传播的无线电波．这种传播方式适用于超短波和微波通信，此外卫星中继通信，卫星电视转播等也主要是利用空间波作为传输途径．
3．电磁波的接收
(1)电谐振现象
当接收电路的固有频率跟收到的电磁波的频率相同时，接收电路中产生电流最强的现象．与机械振动中的共振现象类似．
(2)调谐
在无线电技术中，对空间存在的各种频率电磁波，需要选择某一特定的频率接收的过程．
(3)调谐电路
能够调谐的接收电路．
调节调谐电路可调电容或电感，改变电路的固有频率，使它与要接收的电台的电磁波的频率相同，这个电磁波在调谐电路里激起的电流最强．
1．振荡频率足够高的开放电路才能发射电磁波．(√)
2．电磁波波长较长的波贯穿障碍物的能力强．(×)
3．电磁波波长较短的波能量大，穿透能力强．(√)
如图3­2­1，这是著名的法国埃菲尔铁塔，曾经保持世界最高建筑纪录45年，现在塔顶装有超高频(UHF)电视天线，既是法国广播电台的中心，又是气象台和电视发射台．电视塔和电视转播塔为什么都建在高处？
图3­2­1
【提示】电视塔发射和转播采用微波，传播形式为直线传播，越高覆盖范围越大．
1．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．2．调制
(1)使电磁波随各种信号而改变的技术叫作调制．
(2)调制方法：
调幅：使高频电磁波的振幅随信号的强弱而改变． 调频：使高频电磁波的频率随信号的强弱而改变．
3．无线电波的接收：天线接收到的所有的电磁波，经调谐选择出所需要的电磁波，再经解调取出携带的信号，放大后再还原成声音或图象的过程．
4．电谐振、调谐和检波
(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．
1．关于电磁波的发射和接收，下列说法中正确的是( )
【导学号：78510035】
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
E ．电视信号可以直接通过天线向外发射
【解析】 有效发射电磁波，必须采用开放电路和高频发射；一般的音频电流和电视信号的频率较低，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 、E 错误，B 、C 、D 正确．
【答案】 BCD
2．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)多少？
【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
1
2π
LC ＝c
λ
，解得C ＝λ
2
4π2Lc 2.
【答案】 λ
2
4πLc
1．电磁波的发射需要振荡频率高，电磁场分布空间大的开放电路．
2．电磁波的接收需要调谐和解调．
1．电磁波谱
电磁波包括无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线等，把这些电磁波按波长或频率顺序排列起来，就构成了电磁波谱．电磁波谱中的各种波有一定的波长范围，它们都具有反射、折射、衍射和干涉的特性；它们在真空中的传播速度均等于光速．2．电磁波的应用
(1)红外线和紫外线的应用
①红外线：具有明显的热效应．利用红外线的这种热效应，制成了红外线烤箱、红外线炉等；利用红外线还可制成夜视仪、遥感器等．
②紫外线：紫外线能使很多物质发出荧光，很容易让底片感光．当紫外线照射人体时，能使人体合成维生素D，可以预防佝偻病，但过量的紫外线会伤害人体，应注意防护．紫外线还具有杀菌作用，医院里的病房利用紫外线消毒；银行利用紫外线灯鉴别钞票的真伪．
(2)无线电波的应用
①雷达
a．雷达的概念：是一种用来检测飞行器、船只等远距离物体位置的系统．
b．雷达的工作原理
电磁波遇到障碍物会被反射，根据信号的返回时间和方向，判断物体的方位．
c．雷达的用途
探测目标、导航、预报天气、绘制地图等．
②移动电话
a．功能：使用户接收到通话对方送来的信息，并能发送自己的信息．
b．特点：需通过无线基站转接实现自由通话．
3．电磁污染及防护
(1)电磁污染又称电磁波污染或射频辐射污染．研究发现，电磁辐射会危害人体健康，波长越短，危害越突出，过量的电磁波辐射对心脏、血液和眼睛等都有很大的危害．
(2)电磁波污染的防治从物理学角度看，可以从电磁波源、电磁波的传播途径以及受辐射的人这三个方面进行防护．
1．可见光是整个电磁波谱中极狭窄的一段，其中红光波长最长．(√)
2．红外线属于可见光．(×)
3．紫外线有明显的热效应．(×)
生活中的哪些现象应用了电磁波？
【提示】生活中，电磁波应用非常广泛，象电视、雷达、卫星导航、微波炉、移动电话(手机)等都应用了电磁波．
3．关于电磁波谱，下列说法中正确的是( )
【导学号：78510036】A．X射线对生命物质有较强的作用，过量的X射线辐射会引起生物体的病变
B．γ射线是波长最短的电磁波，它比X射线的频率还要高
C．紫外线比紫光更容易发生干涉和衍射
D．在电磁波谱中，更容易发生衍射现象的是γ射线
E．红外线容易穿透云雾烟尘
【解析】X射线对生命物质有较强的作用，过量的X射线辐射会引起生物体的病变，
故A 正确；γ射线是波长最短的电磁波，它比X 射线的频率还要高，故B 正确；在电磁波谱中从无线电波到γ射线，波长逐渐减小，频率逐渐增大，而波长越大，波动性越强，越容易发生干涉、衍射现象，因此紫光比紫外线更容易发生干涉和衍射现象，无线电波最容易发生衍射现象，故C 、D 错；红外线波长比可见光长，更容易发生衍射、易穿透云雾烟尘，E 正确．
【答案】 ABE
4．某防空雷达发射的电磁波频率为f ＝3×103
MHz ，屏幕上尖形波显示，从发射到接收经历时间Δt ＝0.4 ms ，那么被监视的目标到雷达的距离为________ km.该雷达发出的电磁波的波长为________ m.
【解析】 s ＝c Δt ＝1.2×105
m ＝120 km ，这是电磁波往返的路程，所以目标到雷达的距离为60 km.由c ＝λf 可得λ＝0.1 m.
【答案】 60 0.1
5.一个雷达向远处发射无线电波，每次发射的时间为1 μs ，两次发射的时间间隔为100 μs ，在指示器的荧光屏上呈现出的尖形波如图所示，已知图3­2­2中刻度ab ＝bc ，则障碍物与雷达之间的距离是多大？
图3­2­2
【解析】 图中a 和c 处的尖形波是雷达向目标发射无线电波时出现的，b 处的尖形波是雷达收到障碍物反射回来的无线电波时出现的，由ab ＝bc 可知，无线电波从发射到返回所用时间为50 μs.
设雷达离障碍物的距离为s ，无线电波来回时间为t ，波速为c ，由2s ＝ct 得
s ＝ct 2
＝
3.0×108×50×10－6
2
m ＝7.5×103
m.
【答案】 7.5×103
m
雷达侦察问题的解决方法
1．电磁波在空气中的传播速度可认为等于真空中的光速c ，根据雷达荧光屏上发射波形和反射波形间的时间间隔，可求得侦察距离．
2．根据发射无线电波的方向和仰角，确定被侦察物体的位置．
3．雷达的最大侦察距离应等于电磁波在雷达发射相邻两个脉冲的时间间隔内传播距离的一半．。