高中物理 第3章 電磁波 第2節(jié) 電磁波的發(fā)射、傳播和接收知識(shí)導(dǎo)航素材 魯科版選修3-4(通用)
《高中物理 第3章 電磁波 第2節(jié) 電磁波的發(fā)射、傳播和接收知識(shí)導(dǎo)航素材 魯科版選修3-4(通用)》由會(huì)員分享,可在線閱讀,更多相關(guān)《高中物理 第3章 電磁波 第2節(jié) 電磁波的發(fā)射、傳播和接收知識(shí)導(dǎo)航素材 魯科版選修3-4(通用)(9頁(yè)珍藏版)》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。
1、第2節(jié) 電磁波的發(fā)射、傳播和接收 思維激活 1.收音機(jī)在接收信號(hào)時(shí)為什么要調(diào)諧?它又是怎樣實(shí)現(xiàn)調(diào)諧的? 提示:世界上有許多無(wú)線電臺(tái),它們發(fā)出的電磁波頻率各不相同,接收電路都能把這些電磁波接收下來(lái).如果不選臺(tái),這些電臺(tái)的信號(hào)在電路中互相干擾無(wú)法分辨,就好像我們聽(tīng)見(jiàn)一群人在說(shuō)話,耳邊一片嘈雜聲,什么也聽(tīng)不清楚.所以,要接收所需要的電臺(tái)就要調(diào)諧. 在收音機(jī)接收同一個(gè)波段內(nèi)的不同電臺(tái)時(shí),一般是通過(guò)改變電容C來(lái)調(diào)諧的.收音機(jī)接收不同波段的電臺(tái)時(shí),一般要改變電感L和電容C來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)諧. 2.我們常見(jiàn)到的手機(jī)、電視機(jī)、收音機(jī)的天線都是金屬直桿,它有什么用途? 提示:在盡可能大的范圍內(nèi)接收到電磁
2、波的各種信號(hào). 自主整理 一、電磁波的發(fā)射 空間某處的電場(chǎng)和磁場(chǎng)交替變化,就會(huì)產(chǎn)生____________,它的主要用途是____________.要傳遞信息首先要能發(fā)射____________. 為了有效地發(fā)射___________,振蕩電路必須滿足兩個(gè)條件:(1)____________________;(2)_______________________. 把低頻電信號(hào)加載到________________________上叫做____________,常用的調(diào)制方式有____________和____________兩種. 二、電磁波的傳播 無(wú)線電波通常有三種傳播途徑:_
3、___________、____________和____________.沿地球表面空間傳播的無(wú)線電波稱為_(kāi)___________,用來(lái)傳播____________、____________和____________.靠____________的反射傳播的無(wú)線電波稱為天波,適合傳播__________.空間波是像光束那樣沿直線傳播的無(wú)線電波,適用于____________和____________. 三、電磁波的接收 能夠進(jìn)行調(diào)諧的接收電路叫____________.當(dāng)接收電路的____________跟接收到的電磁波的____________相同時(shí),接收電路中產(chǎn)生的__________
4、__的現(xiàn)象叫電諧振,產(chǎn)生電諧振的過(guò)程,叫____________. 高手筆記 1.無(wú)線電波的波段的劃分 無(wú)線電技術(shù)中使用的電磁波叫無(wú)線電波.無(wú)線電波的波長(zhǎng)從幾毫米到幾十千米,通常根據(jù)波長(zhǎng)或頻率把無(wú)線電波分成長(zhǎng)波、中波、短波、微波等幾種波段.各波段無(wú)線電波有各自的傳播方式和用途.如下表所示. 波段 波長(zhǎng)/m 頻率/MHz 傳播方式 主要用途 長(zhǎng)波 30 000~3 000 0.01~0.1 地波 超遠(yuǎn)程 無(wú)線電 中波 3 000~200 0.1~1.5 地波和天波 通信和導(dǎo)航 中短波 200~50 1.5~6 天波 調(diào)幅(AM)無(wú)線電廣播電報(bào)通信
5、 短波 50~10 6~30 微波 米波(VHF) 10~1 30~300 近似直 線傳播 調(diào)頻(FM) 無(wú)線電廣播 電視導(dǎo)航 分米波(UHF) 1~0.1 300~3 000 3 000~30 000 直線傳播 電視 雷達(dá) 導(dǎo)航 厘米波 0.1~0.01 毫米波 0.01~0.001 30 000~300 000 2.電磁波發(fā)射和接收過(guò)程中幾個(gè)概念 調(diào)制:在電磁波發(fā)射技術(shù)中,使電磁波隨各種信號(hào)(聲音、圖像信號(hào))而改變叫做調(diào)制. 調(diào)幅:使高頻振蕩的振幅隨信號(hào)(聲音、圖像等低頻信號(hào))而改變叫做調(diào)幅. 調(diào)頻:使高頻振蕩的頻率隨信號(hào)而改變叫
6、做調(diào)頻. 解調(diào):由調(diào)諧電路接收到的感應(yīng)電流,是經(jīng)過(guò)調(diào)制的高頻振蕩電流,還不能使我們直接感受到所需要的信號(hào).必須從高頻振蕩電流中“檢”出聲音信號(hào),叫做檢波,也叫解調(diào). 名師解惑 1.無(wú)線電波的發(fā)射和接收過(guò)程中為什么要分別進(jìn)行調(diào)制和解調(diào)? 剖析:電臺(tái)發(fā)射信號(hào),如聲音信號(hào),為什么不直接將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)發(fā)射出去,而是放到高頻信號(hào)中發(fā)射呢?因?yàn)橄衤曇暨@樣的信號(hào),一般頻率相對(duì)較低,而電臺(tái)要向外發(fā)射電磁波,要有足夠高的頻率.實(shí)驗(yàn)證明,發(fā)射能量與發(fā)射頻率的4次方成正比,可見(jiàn)只有提高發(fā)射頻率才能提高發(fā)射能量,為此要把頻率較低的信號(hào)加載到高頻信號(hào)去.高頻振蕩信號(hào)就是那些有用的低頻信號(hào)的載體,而“加載
7、”過(guò)程就是物理上所說(shuō)的“調(diào)制”過(guò)程. 既然有用的信號(hào)是加載到高頻信號(hào)上的,當(dāng)接收到電磁波后,為了卸下有用的信號(hào),就必須通過(guò)解調(diào),把有用信號(hào)“檢”出來(lái). 2.調(diào)諧的作用是什么? 剖析:世界上有許許多多的無(wú)線電臺(tái)、電視臺(tái)及各種無(wú)線電信號(hào),如果不加選擇地全部接收下來(lái),那必然是一片混亂,分辨不清.因此接收信號(hào)時(shí),首先要從各種電磁波中把我們需要的選出來(lái),通常叫選臺(tái).在無(wú)線電技術(shù)中利用電諧振(類似于機(jī)械振動(dòng)中的共振)達(dá)到目的. 使接收電路中產(chǎn)生電諧振的過(guò)程叫調(diào)諧,能夠調(diào)諧的接收電路叫調(diào)諧電路.如圖3-2-1所示.調(diào)節(jié)電容器的電容,當(dāng)該LC振蕩電路的固有頻率與某電臺(tái)的頻率相同時(shí),這個(gè)電臺(tái)的電磁波在電
8、路中激起的感應(yīng)電流最強(qiáng),這樣就選出了這個(gè)電臺(tái).收音機(jī)一般是通過(guò)改變電容來(lái)調(diào)諧,而電視機(jī)一般通過(guò)改變電感來(lái)調(diào)諧. 圖3-2-1 講練互動(dòng) 【例題1】用一平行板電容器和一個(gè)線圈組成LC振蕩電路,要增大發(fā)射電磁波的波長(zhǎng),可采用的做法是( ) A.增大電容器兩極板間的距離 B.減小電容器兩極板間的距離 C.減小電容器兩極板正對(duì)面積 D.在電容器兩極板間加入電介質(zhì) 解析:由λ=c/f知,要增大發(fā)射電磁波的波長(zhǎng),必須減小振蕩電路的振蕩頻率f,由f=可知,要減小f,就必須增大電容器的電容C或電感L,由C=,可判斷B、D操作滿足要求
9、. 答案:BD 綠色通道 熟記f=和C=是分析問(wèn)題的基礎(chǔ). 變式訓(xùn)練 1.關(guān)于無(wú)線電波的發(fā)射過(guò)程,下列說(shuō)法正確的是( ) A.必須對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制 B.必須使信號(hào)產(chǎn)生電諧振 C.必須把傳輸信號(hào)加到高頻電流上 D.必須使用開(kāi)放回路 解析:為了有效地發(fā)射電磁波,必須使振蕩頻率足夠高,同時(shí)讓電場(chǎng)、磁場(chǎng)盡可能分布到較大的空間,故需把頻率較低的傳輸信號(hào)加到高頻電流上,即調(diào)制,還需使用開(kāi)放電路,故A、C、D選項(xiàng)正確. 答案:ACD 2.LC振蕩電路電容器的電容為3×10-5 μF,線圈的自感系數(shù)為3 mH,它與開(kāi)放
10、電路耦合后, (1)發(fā)射出去的電磁波的頻率是多大? (2)發(fā)射出去的電磁波的波長(zhǎng)是多大? 解析:LC振蕩電路與開(kāi)放電路耦合后,振蕩電路中產(chǎn)生的高頻振蕩電流通過(guò)兩個(gè)電路線圈間的互感作用,使開(kāi)放電路中也產(chǎn)生同頻率的振蕩電流,振蕩電流在開(kāi)放電路中激發(fā)出無(wú)線電波,向四周發(fā)射,所以發(fā)射出電磁波的頻率就等于LC振蕩電路中電磁振蕩的頻率. (1)發(fā)射出去的電磁波的頻率 f=Hz=530 kHz. (2)發(fā)射出去的電磁波的波長(zhǎng)λ=m=566 m. 答案:(1)530 kHz (2)566 m 【例題2】電磁波接收回路中線圈的自感系數(shù)是400 μH,原來(lái)接收波長(zhǎng)是60 m的電磁波,現(xiàn)在接收波長(zhǎng)
11、是180 m的電磁波,應(yīng)怎樣調(diào)整調(diào)諧電路中電容器的電容? 解析:由λ=vT(v是電磁波在真空中的傳播速度)和T=2π可知,在接收回路(調(diào)諧電路)L一定時(shí),要接收波長(zhǎng)較長(zhǎng)的電磁波須增大電容C.電容的增加量為: ΔC=(λ22-λ12)=×(1802-602)F=2.0×10-11 F. 答案:增加電容2.0×10-11F 綠色通道 通過(guò)調(diào)節(jié)LC回路中的電容,可改變調(diào)諧電路的固有頻率,產(chǎn)生電諧振進(jìn)行選臺(tái). 變式訓(xùn)練 3.調(diào)諧電路的可變電容器的動(dòng)片從完全旋入到完全旋出仍接收不到較高頻率電臺(tái)發(fā)出的電信號(hào),要收到電信號(hào),應(yīng)( ) A.增大調(diào)諧電路中線圈的匝數(shù)
12、 B.加大電源電壓 C.減小調(diào)諧電路中線圈的匝數(shù) D.將線圈中的鐵芯取走 解析:當(dāng)調(diào)諧電路的固有頻率等于電臺(tái)發(fā)出信號(hào)的頻率時(shí),發(fā)生電諧振才能收聽(tīng)到電臺(tái)信號(hào).由題意知收不到電信號(hào)的原因是調(diào)諧電路固有頻率低,由f=,可知在C無(wú)法調(diào)節(jié)的前提下,可減小電感L,即可通過(guò)C、D的操作升高f. 答案:CD 4.有波長(zhǎng)分別為290 m、397 m、566 m的無(wú)線電波同時(shí)傳向收音機(jī)的接收天線,當(dāng)把收音機(jī)的調(diào)諧電路的頻率調(diào)到756 kHz時(shí), (1)哪種波長(zhǎng)的無(wú)線電波在收音機(jī)中激起的感應(yīng)電流最強(qiáng)? (2)如果想接收到波長(zhǎng)為290 m的無(wú)線電波,應(yīng)該
13、把調(diào)諧電路中可變電容器的動(dòng)片旋進(jìn)一些,還是旋出一些? 解析:電磁波在空間傳播時(shí),如果遇到導(dǎo)體,就把自己的一部分能量傳給導(dǎo)體,使導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電流,感應(yīng)電流的頻率跟激起它的電磁波的頻率相同,因此,利用放在電磁波傳播空間中的導(dǎo)體,就可以接收到電磁波,無(wú)線電技術(shù)中,用天線和地線組成的接收電路來(lái)接收電磁波,收音機(jī)的調(diào)諧電路,通過(guò)改變可變電容器的電容來(lái)改變調(diào)諧電路的頻率,使它跟我們要接收的電磁波的頻率相同,由于電諧振現(xiàn)象,只有這個(gè)頻率的電磁波才在調(diào)諧電路中激起較強(qiáng)的感應(yīng)電流,而其他頻率的電磁波激起的感應(yīng)電流都非常弱. (1)根據(jù)公式f=得 f1=g Hz=1 034 kHz f2=Hz=756
14、kHz f3=Hz=530 kHz 所以波長(zhǎng)為397 m的無(wú)線電波在收音機(jī)中激起的感應(yīng)電流最強(qiáng). (2)要接收波長(zhǎng)為290 m的無(wú)線電波,應(yīng)增大調(diào)諧電路的固有頻率,因此,應(yīng)把調(diào)諧電路中可變電容器的動(dòng)片旋出一些. 答案:397 m 旋出一些 【例題3】超遠(yuǎn)程無(wú)線電通信和導(dǎo)航主要是利用長(zhǎng)波段的電磁波,傳播方式是地波,試說(shuō)明用地波傳播長(zhǎng)波的理由.一長(zhǎng)波波長(zhǎng)為15 000 m,其頻率為多少? 解析:因?yàn)殚L(zhǎng)波段的無(wú)線電波的波長(zhǎng)長(zhǎng),容易發(fā)生衍射現(xiàn)象,能繞過(guò)障礙物而不被地面上的高大物體擋住,故可采用地波形式傳播,但地波傳播的距離不太遠(yuǎn).由c=λf得 f==Hz=2.0×104 Hz=20 k
15、Hz. 答案:此長(zhǎng)波的頻率為20 kHz. 綠色通道 波長(zhǎng)長(zhǎng)的長(zhǎng)波,衍射現(xiàn)象明顯,能繞過(guò)物體而不形成反射,用地波傳播;微波的波長(zhǎng)短,方向性好,反射性強(qiáng),主要傳播方式是直線傳播. 變式訓(xùn)練 5.關(guān)于電磁波的傳播,下列敘述正確的是( ) A.電磁波頻率越高,越易沿地面?zhèn)鞑? B.電磁波頻率越高,越易沿直線傳播 C.電磁波在各種介質(zhì)中傳播波長(zhǎng)恒定 D.只要有三顆同步衛(wèi)星在赤道上空傳遞微波,就可把信號(hào)傳遍全世界 解析:由c=λf可判定:電磁波頻率越高,波長(zhǎng)越短,衍射性越差,不宜沿地面?zhèn)鞑?,而跟光的傳播相似,沿直線傳播.故B對(duì)A錯(cuò).電磁波在不同介質(zhì)中傳播時(shí),頻率不變,而傳播速度改
16、變,由v=λf,可判斷波長(zhǎng)改變,C錯(cuò).由于同步衛(wèi)星相對(duì)地面靜止在赤道上空3 600 km高的地方,用它作微波中繼站,只要有三顆,就能覆蓋全球,D正確. 答案:BD 6.下列說(shuō)法正確的是( ) A.發(fā)射出去的無(wú)線電波,可以傳播到無(wú)限遠(yuǎn)處 B.無(wú)線電波遇到導(dǎo)體,就可在導(dǎo)體中激起同頻率的振蕩電流 C.波長(zhǎng)越短的無(wú)線電波,越接近直線傳播 D.移動(dòng)電話是利用無(wú)線電波進(jìn)行通訊的 解析:無(wú)線電波在傳播過(guò)程中有能量損失,故不能傳播到無(wú)限遠(yuǎn)處,故A錯(cuò).無(wú)線電波遇到導(dǎo)體,就把一部分能量傳給導(dǎo)體,在導(dǎo)體中激起同頻率的振蕩電流,故B對(duì).波長(zhǎng)越短的無(wú)線電波,越不易發(fā)生衍射,越接近直線傳播,故C對(duì).移
17、動(dòng)電話是無(wú)線電波的應(yīng)用之一,故D對(duì). 答案:BCD 體驗(yàn)探究 【問(wèn)題】接收電磁波的導(dǎo)體可用空心導(dǎo)體代替實(shí)心導(dǎo)體,這是為什么? 導(dǎo)思: 可根據(jù)電磁感應(yīng)現(xiàn)象解釋. 探究:如圖3-2-2所示,當(dāng)流過(guò)導(dǎo)線的電流是交變電流時(shí),導(dǎo)線內(nèi)外出現(xiàn)交變磁場(chǎng),因此在導(dǎo)線內(nèi)產(chǎn)生渦電流.設(shè)某時(shí)刻通過(guò)導(dǎo)線的電流增大,導(dǎo)線內(nèi)產(chǎn)生的渦電流方向如圖所示,靠近導(dǎo)線中心的渦電流方向與原電流方向相反,而在導(dǎo)線附近渦電流的方向與原電流方向相同,結(jié)果是導(dǎo)線表面附近的電流密度大,形成電流趨向于沿導(dǎo)線表面流動(dòng),這就是趨膚效應(yīng).提高交變電流的頻率,例如達(dá)到10 MHz,絕大部分電流就會(huì)集中在導(dǎo)線表面附近,這時(shí)可用空心導(dǎo)體代替實(shí)心導(dǎo)
18、體. 圖3-2-2 以上這一現(xiàn)象在做接收電磁波的演示實(shí)驗(yàn)中,可分別用導(dǎo)線連接在銅棒外層和銅棒芯處,觀察電路中的小電珠是否發(fā)光來(lái)驗(yàn)證. 教材鏈接 【實(shí)驗(yàn)與探究】(課本52頁(yè)) 在步驟(2)中,鐵絲A、B間距離小,電路中的電場(chǎng)幾乎集中在這兩極間,磁場(chǎng)集中在感應(yīng)線圈中,這時(shí)不利于電磁波的發(fā)射.步驟(3)中去掉B鐵絲與感應(yīng)線圈的導(dǎo)線,則鐵絲A和感應(yīng)線圈的高壓端間距大且正對(duì)面積小,有利于電磁波的發(fā)射.由此實(shí)驗(yàn)可看出影響電磁波傳播距離的因素是電容器的電容. 【實(shí)驗(yàn)與探究】(課本55頁(yè)) 移動(dòng)課本圖3-1-4(b)裝置中的滑動(dòng)桿,可發(fā)現(xiàn)氖管發(fā)亮,且在不同位置處其亮度不一樣,當(dāng)滑動(dòng)桿所在位置使矩形線圈的面積與圖3-1-4(a)中的相同時(shí),氖管最亮.這說(shuō)明當(dāng)接收電路與發(fā)射電路的矩形線圈面積相同時(shí),兩個(gè)電路的振蕩頻率相同,則在接收電路中產(chǎn)生了電諧振現(xiàn)象,這時(shí)氖管是最亮的.
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