高中物理 第3章 電磁場與電磁波 3_3 無線電通信 3_4 電磁波家族教師用書 滬科版選修3-4

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3.3　無線電通信 3.4　電磁波家族 學(xué) 習(xí) 目 標(biāo) 知 識(shí) 脈 絡(luò) 1.了解電磁波的發(fā)射、傳播和接收的基本原理.知道調(diào)制、調(diào)諧、電諧振、解調(diào)(檢波)等概念的意義及區(qū)別.(難點(diǎn)) 2.了解無線電波的三種主要傳播途徑及其特點(diǎn).(重點(diǎn)) 3.知道電磁波譜及其組成部分的特點(diǎn)和作用，知道光是一種電磁波.(重點(diǎn)) 4.了解電磁波的利用及其危害的防護(hù)措施. 無 線 電 波 的 發(fā) 射 與 傳 播 1.無線電廣播 無線電廣播傳遞的是聲音信號(hào)，無線電廣播是先將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，再將此電信號(hào)加載到等幅的高頻信號(hào)上，并進(jìn)行放大，再通過發(fā)射塔發(fā)射出去. 圖331 2.振蕩器的作用 振蕩器的作用是產(chǎn)生等幅高頻信號(hào).低頻音頻信號(hào)只有加載到高頻信號(hào)上去，形成隨音頻信號(hào)而改變的高頻信號(hào)、才能通過發(fā)射天線發(fā)射出去. 3.調(diào)制器的作用 (1)調(diào)制器的作用就是把低頻信號(hào)加載到高頻信號(hào)上去. (2)調(diào)制方式有調(diào)幅和調(diào)頻. 4.電磁波的傳播 (1)無線電波通常有三種傳播途徑：地波、天波和空間波. ①地波：沿地球表面空間傳播的無線電波.在無線電技術(shù)中，通常采用地波的形式傳播長波、中波和中短波. ②天波：靠大氣層中電離層的反射傳播的無線電波.短波最適合采用天波的形式傳播. ③空間波：像光束那樣沿直線傳播的無線電波.這種傳播方式適用于超短波和微波通信，此外衛(wèi)星中繼通信，衛(wèi)星電視轉(zhuǎn)播等也主要是利用空間波作為傳輸途徑. 1.攝像管輸出的電信號(hào)可以直接通過天線向外發(fā)射.() 2.攝像管輸出的電信號(hào)必須“加”在高頻振蕩電流上，才能向外發(fā)射.(√) 3.同步衛(wèi)星進(jìn)行無線電通信只能利用微波.(√) 1.通常情況下如何對電磁波進(jìn)行調(diào)制？ 【提示】　有調(diào)幅和調(diào)頻兩種： (1)調(diào)幅是使高頻振蕩信號(hào)的振幅隨低頻信號(hào)變化. (2)調(diào)頻是使高頻振蕩信號(hào)的頻率隨低頻信號(hào)變化. 2.電磁波的發(fā)射過程為什么要采用調(diào)制技術(shù)？ 【提示】　像聲音這樣的信號(hào)，一般頻率相對較低，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，可見只有提高發(fā)射頻率才能提高發(fā)射能量，為此要把這些信號(hào)加載到高頻信號(hào)上去.就好像人的遠(yuǎn)行能力不足，要乘汽車、飛機(jī)一樣.這個(gè)加載的過程就是調(diào)制. 1.無線電波的發(fā)射：由振蕩器(常用LC振蕩電路)產(chǎn)生高頻振蕩電流，用調(diào)制器將需傳送的電信號(hào)調(diào)制到振蕩電流上，再耦合到一個(gè)開放電路中激發(fā)出無線電波，向四周發(fā)射出去. 2.電磁波的發(fā)射示意圖(如圖332所示) 圖332 3.“調(diào)幅”和“調(diào)頻”都是調(diào)制過程 (1)高頻振蕩信號(hào)的振幅隨低頻信號(hào)變化的調(diào)制方式叫調(diào)幅，一般電臺(tái)的中波、中短波、短波廣播以及電視中的圖像信號(hào)采用調(diào)幅波. (2)高頻振蕩信號(hào)的頻率隨低頻信號(hào)變化的調(diào)制方式叫調(diào)頻，電臺(tái)的立體聲廣播和電視中的伴音信號(hào)，采用調(diào)頻波. 1.要提高LC振蕩電路輻射電磁波的本領(lǐng)，應(yīng)該采取的措施是(　　) A.增加輻射波的波長 B.增加輻射波的頻率 C.使振蕩電容的正對面積足夠小 D.盡可能使電場和磁場分散開 E.減小回路中的電容和電感 【解析】　提高電磁波發(fā)射本領(lǐng)(功率)應(yīng)增大f，電磁場應(yīng)盡可能擴(kuò)散到周圍空間，形成開放電路.f＝，C＝，要使f增大，應(yīng)減小L或C，故正確答案為B、C、E. 【答案】　BCE 2.為了把需要傳遞的信號(hào)(圖像、聲音等)加載到電磁波上發(fā)射出去，必須對振蕩電流進(jìn)行________.(選填“調(diào)諧”“調(diào)制”或“解調(diào)”) 【解析】　信息(聲音或圖像等)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)后，往往由于信號(hào)頻率低不能直接用來發(fā)射，需要把要傳遞的電信號(hào)“加載”到高頻電磁波上，這就是調(diào)制. 【答案】　調(diào)制 無線電波的發(fā)射及相關(guān)問題 1.無線電波的發(fā)射：由振蕩器(常用LC振蕩電路)產(chǎn)生高頻振蕩電流，用調(diào)制器將需要傳送的電信號(hào)調(diào)制到振蕩電流上，再耦合到一個(gè)開放電路中激發(fā)出無線電波，向四周發(fā)射出去. 2.一般電臺(tái)的中波、中短波、短波廣播以及電視中的圖像信號(hào)，都采用調(diào)幅波；電臺(tái)的調(diào)頻廣播和電視中的伴音信號(hào)，都采用調(diào)頻波. 低頻信號(hào)類比成貨物，高頻波類比成運(yùn)載工具，調(diào)制的過程類比成將貨物裝載到運(yùn)載工具上. 無 線 電 波 的 接 收 1.電磁波的接收原理 電磁波在傳播過程中如果遇到接收天線——導(dǎo)體，會(huì)在天線上產(chǎn)生微弱的感應(yīng)電流.這個(gè)感應(yīng)電流的頻率跟接收的電磁波的頻率相同. 2.電諧振現(xiàn)象與調(diào)諧 (1)電諧振現(xiàn)象：當(dāng)接收電路的固有頻率跟收到的電磁波的頻率相同時(shí)，接收電路中產(chǎn)生電流最強(qiáng)的現(xiàn)象.與機(jī)械振動(dòng)中的共振現(xiàn)象類似. (2)調(diào)諧：在無線電技術(shù)中，對空間存在的各種頻率電磁波，需要選擇某一特定的頻率接收的過程. 3.檢波 使聲音或圖像信號(hào)從調(diào)諧電路接收到的高頻振蕩電流中“檢”出來的過程，它是調(diào)制的逆過程，也叫做解調(diào). 1.無線電波的接收需要經(jīng)過調(diào)諧、高頻放大、檢波、音頻放大的過程.(√) 2.調(diào)諧就是使某一頻率的電磁波與接收電路產(chǎn)生電諧振.(√) 3.檢波就是從眾多的電磁波中得到我們所需要的信號(hào).() 1.調(diào)諧電路能進(jìn)行調(diào)諧的基本原理是什么？ 【提示】　調(diào)諧電路能進(jìn)行調(diào)諧的基本原理是電諧振，即讓接收電磁波的頻率和被接收電磁波的頻率相同. 2.如何才能從經(jīng)過調(diào)制的電磁波中得到聲音、圖像信號(hào)？ 【提示】　要對接收到的調(diào)制信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，去掉高頻成份，只保留聲音、圖像這些低頻信號(hào)，即從振蕩電流中“檢”出聲音、圖像信號(hào). 1.解調(diào)是調(diào)制的逆過程 聲音、圖像等信號(hào)頻率相對較低，不能轉(zhuǎn)化為電信號(hào)直接發(fā)射出去，而要將這些低頻信號(hào)加載到高頻電磁波信號(hào)上去.將聲音、圖像信號(hào)加載到高頻電磁波中的過程就是調(diào)制.而將聲音、圖像信號(hào)從高頻信號(hào)中還原出來的過程就是解調(diào). 2.正確理解調(diào)諧的作用 世界上有許許多多的無線電臺(tái)、電視臺(tái)及各種無線電信號(hào)，如果不加選擇全部接收下來，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，通常叫選臺(tái).在無線電技術(shù)中利用電諧振達(dá)到目的. 3.關(guān)于電磁波的發(fā)射和接收，下列說法中正確的是(　　) A.為了使振蕩電路有效地向空間輻射能量，電路必須是閉合的 B.音頻電流的頻率比較低，不能直接用來發(fā)射電磁波 C.當(dāng)接收電路的固有頻率與收到的電磁波的頻率相同時(shí)，接收電路產(chǎn)生的振蕩電流最強(qiáng) D.要使電視機(jī)的屏幕上有圖像，必須要有檢波過程 E.振蕩電路的頻率越高，產(chǎn)生的電磁波在空間傳播越快 【解析】　有效發(fā)射電磁波，必須采用開放電路和高頻發(fā)射；一般的音頻電流的頻率較低，不能直接用來發(fā)射電磁波；電磁波接收原理是一種叫電諧振的現(xiàn)象，與機(jī)械振動(dòng)中的共振有些相似；電視機(jī)顯示圖像時(shí)，必須通過檢波過程，把有效的信號(hào)從高頻調(diào)制信號(hào)中取出來，否則就不能顯示，B、C、D正確. 【答案】　BCD 4.有一個(gè)LC接收電路，原來接收較低頻率的電磁波，現(xiàn)在要想接收較高頻率的電磁波，其調(diào)節(jié)方式應(yīng)把可動(dòng)電容器的動(dòng)片適當(dāng)________一些. 【解析】　增大LC接收電路的頻率，由公式f＝可知應(yīng)減小電容或電感；把可動(dòng)電容器的動(dòng)片適當(dāng)旋出一些即可. 【答案】　旋出 5.世界各地有許多無線電臺(tái)同時(shí)廣播，用收音機(jī)一次只能收聽到某一電臺(tái)的播音，而不是同時(shí)收聽到許多電臺(tái)的播音，其原因是因?yàn)榻邮盏降碾娕_(tái)電磁波與收音機(jī)調(diào)諧電路的固有頻率________，產(chǎn)生了________. 【解析】　選臺(tái)就是調(diào)諧過程，使f固＝f電磁波，在接收電路中產(chǎn)生電諧振，激起的感應(yīng)電流最強(qiáng). 【答案】　相同　電諧振 相近概念的辨析技巧 1.調(diào)頻和調(diào)幅：這是調(diào)制的兩種方式，使電磁波的頻率隨信號(hào)改變的調(diào)制方式叫調(diào)頻；使電磁波的振幅隨信號(hào)改變的調(diào)制方式叫調(diào)幅. 2.調(diào)制和解調(diào)：把低頻電信號(hào)加載到高頻等幅振蕩電流上叫作調(diào)制；把低頻電信號(hào)從高頻載波中檢出來叫解調(diào)，是調(diào)制的逆過程. 電 磁 波 家 族 1.電磁波譜 按電磁波的波長或頻率大小的順序把它們排列起來，就組成了電磁波譜.按波長由長到短依次為：無線電波、紅外線、可見光、紫外線、X射線、γ射線. 2.電磁波家族成員的特性 (1)無線電波：波長較長，主要應(yīng)用于廣播、電視、雷達(dá)、微波爐等. (2)紅外線：不能引起人的視覺，熱效應(yīng)作用較強(qiáng).波長比可見光長，衍射現(xiàn)象明顯.所有物體都能輻射紅外線，能在云霧、煙塵中傳播得較遠(yuǎn).主要應(yīng)用于紅外線搖感或紅外高空攝影. (3)可見光：引起人類視覺的部分，萬物生長靠太陽. (4)紫外線：頻率比可見光要高，不能引起人的視覺.化學(xué)作用較強(qiáng)，應(yīng)用于殺菌消毒；還有較強(qiáng)的熒光效應(yīng)，用來激發(fā)熒光物質(zhì)發(fā)光. (5)X射線：頻率比紫外線還高，當(dāng)高速電子流轟擊固體時(shí)能發(fā)出X射線，又叫倫琴射線.穿透力較強(qiáng).用來檢查工業(yè)部件的內(nèi)部有無裂紋或氣孔，醫(yī)學(xué)上用于人體透視. (6)γ射線：頻率比X射線還要高，穿透能力更強(qiáng)，主要應(yīng)用它的穿透能力. 1.X射線對生命物質(zhì)有較強(qiáng)的作用，過量的X射線輻射會(huì)引起生物體的病變.(√) 2.γ射線是波長最短的電磁波，它比X射線的頻率還要高.(√) 3.紫外線比紫光更容易發(fā)生干涉和衍射.() 1.為什么超遠(yuǎn)程無線電利用無線電波中的長波波段，而雷達(dá)利用微波波段？ 【提示】　根據(jù)波的衍射特性，波長越長，越容易繞過障礙物，所以超遠(yuǎn)程無線電利用長波波段.微波波長短，傳播時(shí)直線性好，雷達(dá)正是利用了微波直線傳播性好的特點(diǎn). 2.紅外體溫計(jì)不用與人體接觸便可以迅速測量體溫，如圖333所示，你知道它的工作原理嗎？ 圖333 【提示】　根據(jù)體溫越高，輻射紅外線越強(qiáng)的原理. 1.電磁波的共性 (1)它們在本質(zhì)上都是電磁波，它們的行為服從相同的規(guī)律，各波段之間的區(qū)別并沒有絕對的意義. (2)都遵守公式v＝λf，它們在真空中的傳播速度都是c＝3.0108 m/s. (3)它們的傳播都不需要介質(zhì). (4)它們都具有反射、折射、衍射和干涉的特性. 2.電磁波的個(gè)性 (1)不同電磁波的頻率或波長不同，表現(xiàn)出不同的特性，波長越長越容易產(chǎn)生干涉、衍射現(xiàn)象，波長越短穿透能力越強(qiáng). (2)同頻率的電磁波，在不同介質(zhì)中速度不同.不同頻率的電磁波，在同一種介質(zhì)中傳播時(shí)，頻率越大折射率越大，速度越小. (3)產(chǎn)生機(jī)理不同 無線電波 振蕩電路中電子周期性運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生 紅外線、可見光和紫外線 原子的外層電子受激發(fā)后產(chǎn)生 X射線 原子的內(nèi)層電子受激發(fā)后產(chǎn)生 γ射線 原子核受激發(fā)后產(chǎn)生 (4)用途不同：無線電波用于通信和廣播，紅外線用于加熱和遙感技術(shù)，紫外線用于殺菌消毒，X射線應(yīng)用于醫(yī)學(xué)上的X光照片，γ射線檢查金屬部件的缺陷等. 6.無線電波的中波波長范圍為200～3 000 m.求該波段的頻率范圍. 【解析】　根據(jù)頻率公式f＝得f1＝＝ Hz＝1.5106 Hz，f2＝＝ Hz＝1.0105 Hz，即該波段的頻率范圍為1.0105～1.5106 Hz. 【答案】　1.0105～1.5106 Hz 7.下面列出一些醫(yī)療器械的名稱和這些器械運(yùn)用的物理現(xiàn)象，請將相應(yīng)的字母填寫在運(yùn)用這種現(xiàn)象的醫(yī)療器械后面的空格上. (1)X光機(jī)，________. (2)紫外線燈，________. (3)用理療“神燈”照射傷口，可使傷口愈合得較好，這里的“神燈”是利用________. A.光的全反射 B.紫外線具有很強(qiáng)的熒光作用 C.紫外線具有殺菌消毒作用 D.X射線的很強(qiáng)的貫穿力 E.紅外線具有顯著的熱效應(yīng) F.紅外線波長較長，易發(fā)生衍射 【解析】　(1)X光機(jī)是用來透視人的體內(nèi)器官的，因此需要具有較強(qiáng)穿透力的電磁波，但又不能對人體造成太大的傷害，因此采用了穿透能力比較強(qiáng)又不會(huì)給人體造成太大傷害的X射線，選擇D.(2)紫外線燈主要是用來殺菌的，因此它應(yīng)用的是紫外線的殺菌作用而非熒光作用，因此選擇C.(3)“神燈”又稱紅外線燈，主要是用于促進(jìn)局部血液循環(huán)，它利用的是紅外線的熱效應(yīng)，使人體局部受熱，血液循環(huán)加快，因此選擇E. 【答案】　(1)D　(2)C　(3)E 巧記電磁波譜的性質(zhì) 1.電磁波譜中都是電磁波，在真空中傳播速度相等，都等于光速； 2.電磁波譜中都是波，具有波的一切特性.例如，反射、折射、干涉、衍射等； 3.由于頻率和波長不同，各自特性又有所不同，波長越長衍射現(xiàn)象越明顯，頻率越高能量越大.