学年高中物理人教版选修34教学案第十四章 第45节 电磁波与信息化社会 电磁波谱.docx

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学年高中物理人教版选修34教学案第十四章第45节电磁波与信息化社会电磁波谱

第4、5节

电磁波与信息化社会__电磁波谱

一、电磁波与信息化社会

1．电磁波的传输

信息可以通过电缆、光缆进行有线传输，也可实现无线传输。

电磁波的频率越高，相同时间内传递的信息量越大。

2．电磁波的应用实例

（1）电视广播的发射和接收过程：

（2）雷达的工作原理：

雷达利用微波遇到障碍物的反射现象来测定物体位置。

根据发射无线电波到接收反射波的时间t，确定障碍物的距离s＝

，再根据发射无线电波的方向和仰角，确定障碍物的位置。

（3）移动电话、因特网也是利用电磁波来传输信息的。

二、电磁波谱

1．概念

按电磁波的波长或频率大小的顺序把它们排列成谱。

2．电磁波谱的排列

按波长由长到短依次为：

无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线。

3．不同电磁波的特点及应用

特点

用途

无线电波

波动性强

通讯、广播、导航

红外线

热作用强

加热、遥测、遥感、红外线制导

可见光

感光性强

照明、照相等

紫外线

化学作用荧光效应

杀菌消毒、治疗皮肤病等

X射线

穿透力强

检查、探测、透视、治疗

γ射线

穿透力最强

探测、治疗

1．自主思考——判一判

（1）高频电磁波是信息传送的载体。

（√）

（2）雷达是利用微波定位的。

（√）

（3）电视机是一种发射电磁波的装置。

（×）

（4）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。

（√）

（5）γ射线是波长最短的电磁波，它比X射线的频率还要高。

（√）

（6）紫外线比紫光更容易发生干涉和衍射。

（×）

2．合作探究——议一议

（1）如图1441，中国女航天员王亚平在“天宫一号”为中小学生授课。

思考一下，王亚平授课的视频是怎样传到地面上的？

图1441

提示：

通过电磁波来传递。

（2）为什么超远程无线电利用无线电波中的长波波段，而雷达利用微波波段？

提示：

根据波的衍射特性，波长越长，越容易绕过障碍物，所以远程无线电利用长波波段。

微波波长短，传播时直线性好，雷达正是利用了微波直线传播性好的特点。

各种电磁波的共性与个性

1．共性

（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＝3.0×108m/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．个性

（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干涉、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）产生机理不同

无线电波

振荡电路中电子周期性运动产生

红外线、可见光和紫外线

原子的外层电子受激发后产生

X射线

原子的内层电子受激发后产生

γ射线

原子核受激发后产生

（4）用途不同：

无线电波用于通信和广播，红外线用于加热和遥感技术，紫外线用于杀菌消毒，X射线应用于医学上的X光照片，γ射线检查金属部件的缺陷等。

[典例]　下列有关电磁波的特性和应用，说法正确的是（　　）

A．红外线和X射线都有很高的穿透本领，常用于医学上透视人体

B．过强的紫外线照射有利于人的皮肤健康

C．电磁波中频率最大的为γ射线，最容易发生衍射现象

D．紫外线和X射线都可以使感光底片感光

[思路点拨]　

（1）穿透能力很强的是γ射线和X射线。

（2）红外线波长较长，紫外线对皮肤有伤害作用。

[解析]　X射线有很高的穿透本领，医学上常用于透视人体，红外线不能，A错误；过强的紫外线照射对人的皮肤有害，B错误；电磁波中频率最大的为γ射线，其波长最短，最不容易发生衍射，C错误；紫外线和X射线都可以使感光底片感光，D正确。

[答案]　D

1．根据电磁波谱选出下列各组电磁波，其中频率互相交错重叠，且波长顺序由短到长排列的是（　　）

A．微波、红外线、紫外线

B．γ射线、X射线、紫外线

C．紫外线、可见光、红外线

D．紫外线、X射线、γ射线

解析：

选B　红外线与紫外线在电磁波谱中不相邻，更不会频率重叠，A错误；紫外线、可见光、红外线虽相邻，但它们三者间有明确的界线，频率也不相重叠，C错误；在电磁波谱中紫外线、X射线、γ射线有重叠，γ射线波长最短，紫外线波长最长，故B正确，D错误。

2．关于电磁波的特性和应用，下列说法正确的是（　　）

A．红外线具有很强的穿透本领，常用来在医学上做人体透视

B．适量的紫外线照射有利于人的健康

C．紫外线热效应显著，制成了紫外线炉

D．γ射线最容易用来观察衍射现象

解析：

选B　红外线具有很强的热效应，制成了红外线炉，穿透能力很差，A、C项错；适量的紫外线照射有利于人的健康，过量照射有害身体健康，B项对；γ射线波长很短，不容易用来观察衍射现象，D项错。

3．下列说法正确的是（　　）

A．麦克斯韦证明了光的电磁说的正确性

B．红外线的显著作用是热作用，紫外线最显著的作用是化学作用

C．X射线的穿透本领比γ射线更强

D．X射线与γ射线的产生机理不同，因此它们的频率范围界线分明，不可能重叠

解析：

选B　麦克斯韦提出了光的电磁说，赫兹用实验证明了光的电磁说的正确性。

X射线是原子的内层电子受激发而产生的，γ射线是原子核受激发而产生的，产生机理确实不同，但X射线和γ射线都有一个较大的频率范围，较高频率的X射线与较低频率的γ射线产生了重叠，其他相邻电磁波间也存在重叠。

雷达探测的原理和应用

1．雷达的原理

利用电磁波遇到障碍物发生反射的特性。

2．雷达的构造及特点

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。

（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。

[典例]　一个雷达向远处发射无线电波，每次发射的时间为1μs，两次发射的时间间隔为100μs，在指示器的荧光屏上呈现出的尖形波如图1442所示，已知图中刻度ab＝bc，则障碍物与雷达之间的距离是多大？

图1442

[思路点拨]　应用ab段为无线电波发射到返回的时间，可求出电磁波的路程，即可求出障碍物与雷达之间的距离。

[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50μs。

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＝

＝

m＝7.5×103m。

[答案]　7.5×103m

雷达侦察问题的解决方法

（1）电磁波在空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。

1．（多选）雷达采用微波而不用其他无线电波的原因是（　　）

A．微波具有很高的频率

B．微波具有直线传播的特性

C．微波的反射性强

D．微波比其他无线电波（长波、中波、短波等）传播的距离更远

解析：

选ABC　微波的波长较短，频率较高，不容易产生衍射或干涉现象，微波的反射性较强，直线性较好。

微波与其他无线电波的波速相等，都可以传播较远的距离，所以A、B、C项正确。

2．关于雷达的特点，下列说法正确的是（　　）

A．雷达所用无线电波的波长比短波更长

B．雷达只有连续发射无线电波，才能发现目标

C．雷达的显示屏上可以直接读出障碍物的距离

D．雷达在能见度低的黑夜将无法使用

解析：

选C　雷达是利用无线电波的反射来工作的，因此它利用的无线电波处于微波段，目的是增加反射，减小衍射。

雷达大约每隔0.1ms发射时间短于1μs的脉冲信号，根据屏上显示的发射信号和接收到的反射信号可以直接读出障碍物的距离。

3．一雷达站探测敌机时荧光屏上出现的记录图像如图1443，A是发射时的雷达探索波的脉冲波形，B是敌机反射回来的脉冲波形，则敌机距雷达站的距离是（　　）

图1443

A．9×105m　　　　　　B．4.5×105m

C．3×105mD．无法确定

解析：

选B　由题图知两波形相差3×10－3s，即敌机与雷达站距离为s＝vt＝3×108×

×3×10－3m＝4.5×105m，故B正确。

1．古代也采用过“无线”通信的方式，如利用火光传递信息的烽火台，利用声音传递信号的鼓等，关于声音与光，下列说法中正确的是（　　）

A．声音和光都是机械波

B．声音和光都是电磁波

C．声音是机械波，光是电磁波

D．声音是电磁波，光是机械波

解析：

选C　声音必须在介质中传播，是机械波；光可以在真空中传播，是电磁波。

2．一种电磁波入射到半径为1m的孔上，可发生明显的衍射现象，这种波属于电磁波谱中的（　　）

A．可见光　　　　　　　B．γ射线

C．无线电波D．紫外线

解析：

选C　波能发生明显衍射现象的条件是：

障碍物或孔的尺寸大小跟光的波长差不多或比波长还要小。

如图所示，电磁波中的无线电波波长范围是104～10－3m，红外线波长范围是10－3～10－7m，可见光、紫外线、γ射线的波长更短，所以只有无线电波才符合条件。

3．验钞机发出的光能使钞票上的荧光物质发光，电视机、空调的遥控器发出的光能控制电视机、空调的工作状态。

对于它们发出的光，以下判断正确的是（　　）

A．它们发出的都是红外线

B．它们发出的都是紫外线

C．验钞机发出的是红外线，遥控器发出的是紫外线

D．验钞机发出的是紫外线，遥控器发出的是红外线

解析：

选D　紫外线有较强的荧光作用，能使荧光物质发出荧光，故验钞机发出的是紫外线，红外线波长较长，容易发生衍射，故能很方便地遥控家用电器。

故D正确。

4．（多选）在电磁波中，下列说法正确的是（　　）

A．各种电磁波有明显的频率和波长区域界限

B．γ射线的频率一定大于X射线的频率

C．X射线的波长有可能等于紫外线波长

D．可见光波长一定比无线电波的短

解析：

选CD　X射线与γ射线、X射线与紫外线的界限并不明显。

5．科学家曾经设想通过高耸的天线塔，以无线电波的形式将电能输送到指定地点，但一直没有在应用层面上获得成功，其主要原因是这类无线电波（　　）

A．在传输中很多能量被吸收

B．在传播中易受山脉阻隔

C．向各个方向传输能量

D．传输能量易造成电磁污染

解析：

选C　电磁波可以向各个方向传播，而电能的输送需要定向传播。

6．（多选）等离子显示屏PDP是一种以等离子管作为发光元件，并由大量的等离子管排列在一起构成的屏幕。

每个等离子管的透明玻璃管内都充有低压的氖氙气体，管的两端各有一个电极，在两个电极间加上高电压后，封在管内的气体便产生某种肉眼看不见的射线，它激发显示屏上的红绿蓝三基色荧光粉发出可见光。

每个等离子管作为一个像素，由这些像素的明暗和颜色变化的组合，便形成了各种灰度和色彩的图像，则（　　）

A．等离子管发光的微观机理是通过高电压使低压氖氙气体原子的外层电子受到激发而发光

B．等离子管发光的微观机理是通过高电压使低压氖氙气体原子的内层电子受到激发而发光

C．该射线使荧光粉发出可见光是利用了光的荧光效应

D．该射线使荧光粉发出可见光是利用了光的化学作用

解析：

选AC　根据紫外线的产生机理、特点及应用可知是某种看不见的射线使荧光粉发光，看不见的射线应是紫外线，使荧光粉发光，这是紫外线的荧光效应。

紫外线作为电磁波家族中的一员，它的产生机理与可见光和红外线的产生机理是相同的，都是原子的外层电子受到激发后产生的，所以正确的选项是A、C。

7．（多选）雷达是应用电磁波来工作的，它发射的电磁波频率多在300MHz至1000MHz的范围内，已知真空中光速c＝3×108m/s，下列说法中正确的是（　　）

A．电磁波可由恒定不变的电场和磁场产生

B．电磁波可由周期性变化的电场和磁场产生

C．雷达发射的电磁波在真空中的波长范围多在0.3m至1m之间

D．雷达与目标之间的距离可由电磁波从发射到接收的时间间隔确定

解析：

选BCD　恒定的电场不能产生磁场，A错误；周期性变化的电场可以产生周期性变化的磁场，周期性变化的磁场也可以产生周期性变化的电场，这样的电场和磁场形成的统一体就是电磁场，B正确；雷达发射的电磁波频率多在300MHz至1000MHz的范围内。

因此，它在真空中的波长可由λ＝c/f求得，则其波长范围为0.3m至1m，C正确；雷达与目标之间的距离可由电磁波从发射到接收的时间间隔确定，等于cΔt/2，D正确。

8．某雷达工作时，发射电磁波的波长λ＝20cm，每秒脉冲数n＝5000，每个脉冲持续时间t＝0.02μs，求：

该电磁波的振荡频率为多少？

最大侦察距离是多少？

解析：

由c＝λf可得电磁波的振荡频率

f＝

＝

Hz＝1.5×109Hz。

电磁波在雷达发射相邻两个脉冲间隔时间内传播的距离

s＝cΔt＝c

＝3×108×

m

≈6×104m，

所以雷达的最大侦察距离s′＝

＝3×104m＝30km。

答案：

1.5×109Hz　30km

9．收音机接收无线电波的频率范围比较宽，通常把频率分成几个波段，利用改变调谐电路中线圈自感的方法来选择波段，再利用调节可变电容器的方法，在同一波段内选择所需要的频率。

如图1所示是某收音机的调谐电路，当转换开关S置于位置1时，电路中线圈的自感为L1，接收中波段的无线电波；当S置于位置2时，电路中线圈的自感为L2，接收短波段的无线电波。

如果可变电容器C的调节范围为12～180pF，L1为700μH，那么在中波段接收无线电波的频率范围是多大？

如果这台收音机能接收的无线电波的频率最高为20MHz，那么L2是多大？

图1

解析：

据公式f＝

，得f1＝

＝

Hz＝1737kHz。

f2＝

＝

Hz

＝449kHz。

据fmax＝

得

L2＝

＝

H

＝5.28μH。

答案：

449～1737kHz　5.28μH