人教版高中物理选修 电磁波基础知识梳理

第十四章电磁波
14.1 电磁波的发现
一、电磁场和电磁波
1．麦克斯韦电磁理论的两个基本假设
(1)变化的磁场能够在周围空间产生电场。

(2)变化的电场能够在周围空间产生磁场
注意：变化的磁场产生的电场,叫感应电场或涡流电场,它的电场线是闭合的;
静电荷周围产生的电场叫静电场,它的电场线由正电荷起到负电荷止,是不闭合的。

二、电磁波的产生机理
1．电磁场
变化的电场和变化的磁场交替产生，形成不可分割的统一体，称为电磁场。

2．电磁波
(1)电磁波的产生：变化的电场和磁场交替产生而形成的电磁场是由近及远地传播的，这种变化的电磁场在空间的传播称为电磁波。

(2)电磁波的特点：
①电磁波在空间传播不需要介质；在真空中，电磁波的传播速度与光速相同：
即 v
真空= c ＝ 3.0×10
8
m/s 光是一种电磁波
②电磁波是横波，在空间传播时任一位置上（或任一时刻）E、B、v三矢量相互垂直且E和B随时间做正弦规律变化。

③电磁波具有波的共性,能产生干涉、衍射等现象,电磁波与物质相互作用时,能发生反射、吸收、折射等现象,电磁波也是传播能量的一种形式。

④相邻两个波峰(或波谷)之间的距离等于电磁波的波长,一个周期的时间,电磁波传播一个波长的距离。

⑤电磁波的频率为电磁振荡的频率,由波源决定,与介质无关。

(3)电磁波的波速、波长与频率的关系:v=λf，λ=v
f 。

注意：①同一种电磁波在不同介质中传播时,频率不变(频率由波源决定),波速、波长发生改变,在介质中的速度为v=c
(n为介质对电磁波的折射率),在介质中的速
n
度都比在真空中的速度小.②不同电磁波在同一种介质中传播时,传播速度不同,频率越高波速越小,频率越低波速越大.
三、赫兹的电火花一发现了电磁波
1.赫兹实验
赫兹观察到:当感应圈的两个金属球间有火花跳过时,导线环两个小球间也跳过火花。

据此实验,赫兹在人类历史上首先捕捉到了电磁波。

2.赫兹的其他成果
赫兹观察到了电磁波的反射、折射、干涉、偏振和衍射等现象，测量证明了电磁波在真空中具有与光相同的速度c,证实了麦克斯韦关于光的电理论。

3.赫兹实验的意义
(1)意义:
①证实了麦克斯韦关于光的电磁理论;
②人类历史上首次捕捉到了电磁波。

(2)赫兹的实验为无线电技术的发展开拓了道路,后人把频率的单位定为赫兹
四、正确理解麦克斯韦的电磁场理论
1.电磁场与静电场、静磁场的比较
三者可以在某空间混合存在,但由静电场和静磁场混合的空间不属于电磁场。

电磁场是电场、磁场相互激发形成的统一体。

注意：
(1)变化的磁场周围产生电场,是一种普遍存在的现象,跟闭合电路是否存在无关；
(2)有单独存在的静电场,也有单独存在的静磁场,但没有静止的电磁场。

2、电场和磁场的变化关系
(1)变化的磁场产生电场
①均匀变化的磁场产生恒定的电场．
②非均匀变化的磁场产生变化的电场．
③周期性变化的磁场产生同频率的周期性变化的电场．
(2)变化的电场产生磁场
①均匀变化的电场产生恒定的磁场．
②非均匀变化的电场产生变化的磁场．
③周期性变化的电场产生同频率的周期性变化的磁场．五、电磁波和机械波的比较
第十四章电磁波
14.2 电磁振荡
一、电场振荡的产生
1．振荡电流和振荡电路
（1）振荡电流：大小和方向都做周期性变化的电流．
（2）振荡电路：能产生振荡电流的电路．
（3）LC振荡电路：由线圈L和电容器C组成的电路是最简单的振荡电路，
称为LC振荡电路，如图。

(4）LC振荡电路的两种起振方式：
①电容器充电起振
如图，乙开关S先闭合到1位置,电容器充电,然后闭合到2位置,电路开始进行电磁振荡。

电容器的电荷量q随t按余弦规律变化,电路中的电流i随t按正弦规律变化,图像分别如图甲、乙所示。

2.电磁振荡过程分析
LC回路中电磁振荡规律可用下图表示.(图中表示增加, 表示减少)。

3. 阻尼振荡和无阻尼振荡
(1)无阻尼振荡:没有能量损耗的振荡。

无阻尼振荡必是等幅振荡.
(2)阻尼振荡:有能量损耗的振荡,若能量得不到补充,振幅会逐渐减小。

二、电磁振荡的周期和频率
1．电磁振荡的周期与频率
(1)周期：电磁振荡完成一次周期性变化需要的时间，用“T”表示。

(2)频率：1 s内完成周期性变化的次数，用“f”表示。

(3)周期和频率关系：T＝1
f
振荡电路里发生无阻尼振荡时的周期和频率分别叫做固有周期、固有频率。

2．LC的周期与频率
3.对“LC电路”固有周期和固有频率的理解
(1)LC电路的周期、频率都由电路本身的特性(L和C的值)决定,与电容器极板上电荷量的多少、极板间电压的高低、是否接入电路中等因素无关。

所以称为LC电路的固有周期和固有频率.
(2)使用周期公式时,一定要注意单位：
T、L、C、f的单位分别是秒(s)、亨利(H)、法拉(F)、赫兹(Hz)。

(3)电感L和电容C在LC振荡电路中既是能量的转换器,又决定着这种转换的快慢,L或C越大,能量转换时间也越长,故周期也越长。

(4)电路中的电流、线圈中的磁感应强度B、电容器极板间的电场强度E的变化周期就是LC电路的振荡周期, T=2πLC,在一个周期内上述各量方向改变两次;电容器极板上所带的电荷量,其变化周期也是振荡周期, T=2πLC,极板上电荷的电性在一个周期内改变两次;电场能、磁场能也在做周期性变化,但是它们的变化周期是振荡周期的一半,即T′=T
=πLC。

2
三、LC振荡电路各量变化的对应关系
(1)根据电流流向判断：当电流流向带正电的极板时，电容器的电荷量增加，磁
场能向电场能转化，处于充电过程；反之，当电流流出带正电的极板时，电荷量减
少，电场能向磁场能转化，处于放电过程。

(2)根据物理量的变化趋势判断：当电容器的带电量q(电压U、场强E)增大或电
流i (磁场B) 减小时，处于充电过程；反之，处于放电过程。

(3)根据能量判断：电场能增加时充电，磁场能增加时放电。

　
2 .同步同变关系
（1）电容器上的物理量：电量q、板间电压U、电场强度E、电场能E
电
是同步同向
变化的，即：q↓→U↓→E↓→E
电↓ (或q↑→U↑→E↑→ E
电
↑) 。

（2）振荡线圈上的物理量：振荡电流i、磁感应强度B、磁场能E
磁
也是同步同向
变化的，即：i↓→B↓→ E
磁↓ (或i↑→B↑→ E
磁
↑)。

3.同步异变关系
电容器上的三个物理量q、E、 E
电与线圈中的三个物理量i、B、 E
磁
是同步异
向变化的，即q、E、 E
电同时减小时，i、B、 E
磁
同时增大，且它们的变化是同步
的，即（ q、E、 E
电）↑→（ i、B、 E
磁
）↓。

3.物理量的等式和决定关系
(1) 线圈上的振荡电流 i＝Δq
Δt
;
i由极板上电荷量的变化率决定，与电荷量的多少无关。

(2) 自感电动势 E
自＝L· Δi
Δt
;
E
自
由电路中电流的变化率决定，与电流的大小无关。

(3)两极板间的电压 U＝q
C
;
U由极板上的电荷量决定，与电荷量的变化率无关
(4)振荡周期 T＝2πL C。

第十四章电磁波
14.3 电磁波的发射和接收
一、电磁波的发射
1.有效发射电磁波的条件
若要有效地向外发射电磁波,振荡电路必须具有如下特点:
(1)要有足够高的频率,频率越高,越容易向外界辐射能量;
(2)要有开放电路.振荡电路的电场和磁场必须分散到尽可能大的空间,才能有效地把电磁场的能量传播出去,有效地发射电磁波必须用开放电路,如图所示.
2.无线电波的调制
(1)载波:用来“运载”信号的高频等幅波叫载波
(2)调制:在电磁波发射技术中,使电磁波随各种信号而改变的技术叫做调制.
即把传递信号加到载波上的过程。

(3)调制的方式
①调幅:使高频电磁波的振幅随信号的强弱而改变。

如图所示为经过调幅的高频振
荡电流的波形：
②调频:高频电磁波的频率随信号的强弱而改变。

如图所示为经过调频的高频振荡电流的波形：
3.无线电波的发射过程
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。

二、电磁波的接收
1．接收原理：电磁波在传播时遇到导体会使导体中产生感应电流，所以导体可用来接收电磁波，这个导体就是接收天线。

2．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等时，接收电路里产生的震荡电流最强，这种现象叫做电谐振。

3．调谐：使电路中产生电谐振的过程叫做调谐。

4.通过电谐振来选台
(1)选台:接收电磁波时,从诸多的电磁波中把需要的选出来。

(2)电谐振:当接收电路的固有频率跟接收到的电磁波频率相同时,接收电路中产生的振荡电流最强,这种现象叫电谐振。

相当于机械振动中的共振。

(3)调谐:使接收电路发生电谐振的过程叫调谐,其基本原理就是电谐振。

(4)调谐电路:能够调谐的接收电路叫做调谐电路，
如图所示：
在调谐电路中,由于电感的调节不方便,因此一般采用调节电容器电容大小的方法来改变调谐频率。

使它跟要接收的电台发出的电磁波的频率相同,这个频率的电磁波在调谐电路里激起较强的感应电流,于是就选出了这个电台。

5．解调
使声音或图像信号从接收到的感应（高频振荡）电流中还原出来，这个过程是调制的逆过程，叫做解调。

调幅波的解调也叫检波。

6．无线电波的接收
波长大于1mm(频率低于300GHz)的电磁波叫作无线电波。

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像。

三、无线电波的发射、接收及传播
1.无线电波的发射和接收过程
2.“调幅”和“调频”都是调制过程
(1)高频电磁波的振幅随信号的强弱而变的调制方式叫调幅。

一般电台的中波、中短波、短波广播以及电视中的图像信号采用调幅波。

(2)高频电磁波的频率随信号的强弱而变的调制方式叫调频。

电台的立体声广播和电视中的伴音信号,采用调频波。

3.解调是调制的逆过程
声音、图像等信号频率相对较低,不能转化为电信号直接发射出去。

将这些低频信号加载到高频电磁波信号上去将声音、图像信号加载到高频电磁波上的过程就是调制,而将声音、图像信号从高频调制信号中还原出来的过程就是解调。

4.正确理解调谐的作用
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达到该目的。

5.无线电波的传播
无线电技术中使用的电磁波叫做无线电波,它们的波长在几毫米到几十千米之间。

无线电波在沿地球表面、大气层中传播时,由于不同波长的电磁波衍射和被吸收的情况各不相同,不同波长的电磁波在传播方式上也各不相同。

地波、天波、空间波的传播方式、适合的波段、特点如下表所示：
相近概念的辨析技巧
(1)调频和调幅：
这是调制的两种方式，使电磁波的频率随信号改变的调制方式叫调频；使电磁波的振幅随信号改变的调制方式叫调幅。

(2)调制和解调：
把低频电信号加载到高频等幅振荡电流上叫作调制；
把低频电信号从高频载波中检出来叫解调，是调制的逆过程。

第十四章电磁波
14.4 电磁波与信息化社会
一、电磁波的传输途径与特点
1.电磁波传输途径及特点
(1)电磁波可以通过无线传输,也可以通过有线传输；
(2)电磁波的频率越高,相同时间内传递的信息量越大.光的频率比无线电波的频率高得多,因此光缆可以传递大量信息。

电磁波的频率越高，相同时间传递的信息量越大
二、电磁波的应用
1.电视
①电视信号的发射,如图所示：
用话筒把声音信号转换成音频电信号,用摄像机把图像信号转换成视频电信号,但音频、视频电信号不能直接发射出去.由载波发生器产生高频电磁波,通过调制器把音频、视频电信号加载到高频电磁波上.最后通过天线把载有音频、视频电信号的电磁波发射出去。

②电视信号的接收
接收机收到高频电磁波以后,利用电视机的调谐器选出我们所需要的某一频率的电磁波,再从高频电信号中取出音频、视频电信号,音频电信号经放大后送到扬声器,转换成声音;视频电信号送到显像设备,转换成图像
1.在电视信号发送和接收过程中,各元件所起的作用：
2.视觉暂留,使人观察到电视的活动图像
人眼观察物体时,若将物体移去,眼睛的视神经对物体的印象并不能立即消失,而要延续0.1s的时间,这种生理现象叫做视觉暂留。

由于电视每秒传送25张画面,所以人看电视时,前一张画面的印象尚未消失,后一张画面已出现在荧光屏上,从而产生电视图像连续活动的感觉。

三.雷达
1.构造：雷达一般由天线系统、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
2.工作原理:利用电磁波遇到障碍物会发生反射的特性来确定目标物体的位置
3.特点
(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,每次发射时间小于1us,两次发射的时间间隔约为0.1ms;
(4)障碍物的距离等情况都由显示器直接显示出来。

4.应用
可以用于探测飞机、导弹等军事目标,也可以用于导航,在天文学上可以用于研究星体,在气象上可以用于探测台风、雷雨、乌云等。

5.雷达侦察问题的解决方法
(1)当反射波形与发射波形之间的时间间隔等于发射脉冲的时间间隔时,雷达的侦察距离最大,x=C △t
；
2
(2)确定被测物体位置的方法:已知无线电波的传播速度为c,测出从发射无线电波脉冲到接收到反射回来的无线电波的时间t,就可以由公式 2s=ct 确定与被测物体的距离,再根据无线电波的方向和仰角,便可以确定被测物体的位置了.
(3)要增大雷达的最大侦察距离,必须相应地延长发射脉冲的时间间隔,即减少每秒发射的脉冲数；
(4)因电磁波在传播过程中不可避免地要损失能量,因此要提高雷达的侦察能力,增大最大侦察距离,最根本的还在于提高雷达的发射功率。

四.移动电话
特点：手持移动电话的体积很小，发射功率不大。

它的天线也很简单，灵敏度不高因此，手机通话时要靠强大的固定无线电台转接。

这种固定的无线电台叫做基站。

城市高大建筑物上、农村有的山头上，常常可以看到移动通信基站的天线。

五.因特网
因特网是世界上最大的计算机互联网,可以在网上看电影、聊天购物、答查阅各种资料,进行远程教学、远程医疗,也可进行网上会议。

第十四章电磁波
14.5 电磁波谱
一、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,叫做电磁波谱。

电磁根波谱按波长由大到小(频率由小到大)的顺序,依次是无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线
特别提醒：
1.从无线电波到γ射线都是本质相同的电磁波。

遵循共同的规律, 但因波长(或频率)不同又表现出不同的特点。

2.电磁波谱中的各部分没有严格的分界线。

无线电波的微波部分和红外线的一部分重叠,紫外线和X射线的一部分重叠,γ射线和X射线的一部分重叠。

二、波长不同的电磁波的特点及应用
（1）无线电波
①波长大于1mm频率小300000MHz
②分为：长波、中波、短波和微波
③主要用于无线电通讯和广播。

（2）红外线
①波长比无线电波短，比可见光长。

②所有的物体都在不停地发射红外线。

（温度越高，辐射能力越强）
③主要用于遥感、加热。

应用：红外体温计、红外夜视议、红外摄影、红外遥感技术等。

（3）可见光
①波长在700nm~400nm进入人眼能引起视觉的电磁波叫可见光。

②分为红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七色光。

③波长较短的光比波长较长的光更容易被散射,大气对波长较短的光吸收也较强。

（4）紫外线
①可见光光谱中的紫光外侧是紫外线,紫外线也是不可见光.其波长比紫光还短,波长范围在5nm到370nm之间。

②有较高的能量。

③可用于灭菌消毒，荧光效应，促进钙吸收，主要是化学作用。

（5）X射线（伦琴射线）
①波长比紫外线更短。

②有比紫外线更高的能量。

③有较强的穿透作用，可用于透视、检查金属内部缺陷。

X射线对生命物质有较强的作用,过量照射会引起生命体的病变。

（6）γ射线
①γ射线是波长最短的电磁波, 频率非常高，有很高的能量。

②γ射线能破坏生命物质，在医学上可以用来治疗癌症;
③γ射线有很强的穿透作用，可用于检查金属内部缺陷。

三、各种电磁波的共性与区别
1.共同点
(1)它们在本质上都是电磁波,它们的行为服从相同的规律,各波段之间的区别并没有绝对的意义。

(2)都遵守公式v=λf ,它们在真空中的传播速度都是 c=3×108
m/s
(3)它们的传播都不需要介质。

(4)它们都具有反射、折射、衍射和干涉的特性。

2.不同点
(1)不同电磁波的频率或波长不同,表现出不同的特性,波长越长越容易产生衍射现象,波长越短穿透能力越强。

(2)同频率的电磁波,在不同介质中传播速度不同.不同频率的电磁波,在同一种介质中传播时,频率越大，折射率越大,速度越小。

(3)它们的产生机理不同：
(4)它们的用途不同：
电磁场具有能量，电磁波是一种物质，是物质存在的一种形式。

太阳辐射中的电磁波能量主要集中在可见光、红外线和紫外线三个区域内。