高中物理 第十四章 3 电磁波的发射和接收 4 电磁波与信息化社会教材梳理教案 新人教版选修3-4

3 电磁波的发射和接收4 电磁波与信息化社会疱丁巧解牛知识·巧学一、无线电波的发射和接收1.无线电波的发射（1）无线电波及波段划分无线电技术中把波长大于1 mm （频率低于300 GHz ）的电磁波称为无线电波.并按波长（频率）把无线电波分为若干波段.不同波段的无线电波的传播特点不一样，发射、接收所（2）发射电磁波的振荡电路的特点第一，要有足够高的振荡频率，理论研究证明：振荡电路向外界辐射能量的本领，与振荡频率密切相关.频率越高，发射电磁波的本领越大.第二，振荡电路的电场和磁场必须分散到尽可能大的空间，这样才能有效地把能量辐射出去.用于放电路可以有效地把电磁波发射出去.（3）无线电波的发射①调制：在无线电应用技术中，首先将声音、图象等信息通过声电转换、光电转换等方式转为电信号，这种电信号频率很低，不能用来直接发射电磁波，把要传递的低频电信号“加”到高频电磁波上，使电磁波随各种信号而改变叫调制.②调幅和调频：使高频振荡的振幅随信号的强弱而改变叫做调幅，使高频振荡的频率随信号的强弱而改变叫做调频.学法一得 无线电广播中的低频信号波由于频率较低，能量小，传播距离小，只能加载到高频波上才能发射出去，这一过程就像卫星只能通过运载火箭才能达到预定轨道一样. 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. 深化升华 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；电台的调频广播和电视中的伴音信号，都采用调频波.深化升华 电磁波的发射过程，如图14-3-1所示.图14-3-12.无线电波的接收（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，这种现象叫做电谐振.（2）调谐：调谐电路的固有频率可以在一定范围内连续改变，将调谐电路的频率调节到与需要接收的某个频率的电磁波相同，即使接收电路产生电谐振的过程叫做调谐.联想发散收音机周围各种电磁波都有，将我们需要的电磁波在接收天线中激起的感应电流最强，这就需要调谐.调谐时使收音机的振荡频率和某电台的频率一致，此时发生共振，产生的感应电流最强，即可选出相应的电台.（3）检波：从接收到的高频振荡电流中分离出所携带的信号的过程叫做检波.要点提示检波是调制的逆过程，也叫解调.（4）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，再经检波取出携带的信号，放大后再还原成声音或图象的过程.深化升华无线电的接收过程：如图14-3-2所示.图14-3-2二、电磁波与信息化社会1.电磁波与信息的传递电磁波可以通过电缆、光缆进行有线传输，也可以实现无线传输，电磁波的频率越高，在相同时间内传递的信息量越大.2.电视电视系统主要由摄像机和接收机组成.把图象各个部位分成一系列小点，称为像素，每幅图象至少要有几十万个像素，摄像机将画面上各个部分的光点，根据明暗情况逐点逐行逐帧地变为强弱不同的信号电流，随电磁波发射出去.电视机接收到电磁波后，经调谐、检波得到电信号，按原来的次序在显像管的荧光屏上汇成图象.深化升华在电视发射端，由摄像管摄取景物并将景物反射的光转换为电信号.在电视接收端，由电视接收机的显像管把电信号还原成景物的像.摄像机在一秒钟内要传送25张画面，电视接收机也以相同的速率在荧光屏上显现这些画面.由于画面更换迅速和视觉暂留，我们感觉到的便是活动景象.电视接收机的天线接收到的电磁波除了载有图象信号外，还有伴音信号.伴音信号经检波取出后，送到扬声器，扬声器便伴随电视屏幕上的景象发出声音来. 中国电视广播标准采用每秒钟传送25帧画面，每帧由625条线组成.3.雷达雷达是利用无线电波来测定物体位置的无线电设备，一般由天线系统、发射装置、接收装置、输出装置（显示器）、电源、用于控制雷达工作和处理信号的计算机以及防干扰设备等构成.深化升华（1）雷达既是无线电波的发射端，又是无线电波的接收端；（2）雷达使用的无线电波是直线性好、反射性能强的微波波段；（3）雷达发射的是不连续的无线电波，即脉冲，每次发射时间约为百万分之一秒，两次发射的时间间隔约为万分之一秒；（4）障碍物的距离等情况都由显示器直接显示出来.4.移动电话移动电话系统是城市电话网的一部分，每一部移动电话都是一个无线电台，它将用户的声音转变为高频电信号发射到空中；同时它又相当于一台收音机，捕捉空中的电磁波，使用户接收到通话对方送来的信息，移动电话的体积小，发射功率不大；它的天线也很简单，灵敏度不高，它与其他用户的通话要靠基地台转接.深化升华 移动电话机又称为手机.每个手机都是一个小电磁波发射台，它将用户的声音或数字信息转变为高频信号发射到空中；同时它又相当于一个收音机，捕捉空中的电磁波，使用户接收到通话对方送来的信息.移动通信系统是一个有线与无线相结合的综合通信系统.以甲市移动用户A 与乙市移动用户B 进行移动通信为例，其信号流程图如图14-3-3所示：图14-3-35.因特网世界上最大的计算机互联网——因特网的飞速发展，将从根本上改变我们的生活和工作方式.人们可以通过互联网听音乐、看电影、聊天、购物，可以通过互联网查阅各种资料，进行远程教学、远程医疗，甚至可以为身处世界各地的人召开电视会议，数以亿计的人们通过因特网联系起来，通过资源共享和最有效的全球合作，推动人类社会更快向前发展. 典题·热题知识点一 无线电波的发射例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=LCπ21可知，要减小f ，就必须增大电容器的电容C 或电感L ，由C=kd S πε4，可判断B 、D 两选项操作满足要求.答案：BD巧解提示 熟记f=LC π21和C=kdS πε4是分析问题的基础. 例2在LC 振荡电路中，如果C=100 pF ，要发出波长为30 m 的无线电波，应用多大电感的线圈？解析：本题考查应用LC 振荡电路的周期公式以及电磁波的速度、周期、波长关系进行分析、计算的能力.答案：由公式T=2πLC 和v=λ/T得L=λ2/4π2v 2C式中v=3.0×108 m/s,C=100×10-12 F L=12-282210100)10(33.14430⨯⨯⨯⨯ H=2.5 μH. 方法归纳 LC 振荡电路是最简单的电磁振荡电路，在多种计算中广泛应用，须熟记. 知识点二 无线电波的接收例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=LC π21，可知在C 无法调节前提下，可减小电感L ，即可通过C 、D 两选项的操作升高f.答案：CD知识点三 电磁波的传播例4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 选项对A 选项错；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，C 选项错；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 选项正确. 答案：BD方法归纳 记住波长越长衍射能力越强，波在各种介质中传播时频率不变，传播速度公式v=λf 是解题关键.知识点四 雷达例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现出的尖形波如图14-3-4所示，已知图中刻度ab=bc ，则障碍物与雷达之间的距离是_______________________.图14-3-4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=2ct =21050103.0-68⨯⨯⨯ m=7.5×103 m. 答案：7.5×103 m方法归纳 在荧光屏上根据波幅很容易区分发射波和反射波，根据两个尖形波距离，可直接从荧光屏上的刻度读出障碍物的距离.知识点五 电磁污染例6科学技术是一把双刃剑.电磁波的应用也是这样.它在使人类的生活发生日新月异变化的同时也存在副作用——电磁污染.频率超过0.1 MHz 的电磁波的强度足够大时就会对人体构成威胁.按照有关规定，人体所受到的电磁辐射强度（即单位时间内垂直通过单位面积的电磁波的能量）不得超过某一规定值I e .已知某无线通信设备发射电磁波的功率为P ，设该通信设备向四面八方均匀地发射电磁波，且电磁波在传播过程中无能量损失.由数学知识可知，球面的面积S=4πr 2（式中r 为球半径），球半径与球面总是垂直的.根据上述资料，可估算出人体到该通信设备发射电磁波处的安全距离至少应为，这时人体所受到的电磁辐射强度才不会超过规定值.解析：由题给信息知发射的电磁波都分布在以天线为中心的球面上，即：24rp π≤I e ， 则：r≥eI p π4. 答案：r≥e I p π4 方法归纳 解决本题时需构建物理模型，电磁波发射出去后，电磁波所有的能量都均匀分布在以天线为中心的球面上，就像太阳发出的光都均匀分布在以太阳为中心的球面上一样. 问题·探究误区陷阱探究问题 很多同学认为调谐也叫电谐振，这种说法对吗？探究过程：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叫电谐振，而接收电路中产生电谐振的过程，叫调谐，由定义可知：一个是物理现象，一个是过程操作，两者是不同的.探究结论:调谐和电谐振不是一回事.实验论证探究问题 用实验探究电谐振.探究过程:实验原理：发射电磁波的装置，看另一个能否接收到电磁波.实验器材：发射电路：莱顿瓶、由金属球和金属框组成的发射装置.接收电路：莱顿瓶、金属球、金属横杆、带鳄鱼夹的氖管.实验过程：（1）按图14-3-5（a ）连接好发射电路.（2）按图14-3-5（b ）连接好接收电路.图14-3-5 电谐振实验电路图（3）调节发射电路上的两金属间隙为4—8 mm，调节接收电路上的两金属球，使之相接触，把两电路平等靠近（图14-3-6）.图14-3-16（4）调整鳄鱼夹的位置，使接收电路和发射电路上的矩形框一样大，闭合高压电源上的开关，你看到了什么现象？（5）将鳄鱼夹夹在横杆的不同位置，闭合高压电源上的开关，你看到了什么现象？探究结论:实验表明在接收电路中能够接收到电磁波.。