学年高中物理教科版选修34教学案第三章 第34节 电磁波谱 电磁波的应用 无线电波的发射.docx

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学年高中物理教科版选修34教学案第三章第34节电磁波谱电磁波的应用无线电波的发射

第3、4节

电磁波谱__电磁波的应用

无线电波的发射、传播和接收

1.在电磁波谱中波长由长到短的排列顺序为：

无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线。

不同的电磁波，频率不同，特性不同，产生机理也不同。

2．要有效地发射电磁波必须具备两个条件：

（1）开放电路，

（2）足够高的振荡频率。

3．将要传递的信号加到载波上的过程叫调制，调制有调幅和调频两种。

4．要接收传递的信号，必须经过调谐和解调过程，调谐过程是选择信号的过程，解调过程是分离有用信号的过程。

电磁波谱　电磁波的应用

[自读教材·抓基础]

1．电磁波谱

按波长（或频率）的顺序把所有电磁波排列起来，称之为电磁波谱。

按照波长从长到短依次排列为：

无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线。

2．不同电磁波的比较

波长、频率

特点

应用

无线电波

波长大于可见光

许多自然过程也辐射无线电波

广播和通讯，天体卫星研究

红外线

所有物体都会发射红外线，热物体的红外线辐射比冷物体强

红外线摄影

红外线遥感

可见光

复色光

波长

（红）

（紫）

频率

没有大气，天空蓝色

短波散射，傍晚阳光红色

短波吸收

紫外线

能量较高

灭菌消毒

促进人体对钙的吸收，利用荧光效应防伪

X射线

对生命物质有较强作用，过量会引起病变，穿透本领强

检查人体内部器官、零件内部缺陷

γ射线

能量很高，破坏生命物质

治疗疾病

探测金属部件内部缺陷

[跟随名师·解疑难]

1．电磁波的共性

（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．电磁波的个性

（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

[学后自检]┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄（小试身手）

电磁波包含了γ射线、红外线、紫外线、无线电波等，按波长由长到短的排列顺序是（　　）

A．无线电波、红外线、紫外线、γ射线

B．红外线、无线电波、γ射线、紫外线

C．γ射线、红外线、紫外线、无线电波

D．紫外线、无线电波、γ射线、红外线

解析：

选A　在电磁波家族中，按波长由长到短分别为无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线等，所以A项对。

无线电波的发射、传播和接收

[自读教材·抓基础]

1．无线电波的发射

（1）有效地向外发射电磁波，振荡电路必须具有的特点：

①采用开放电路：

用开放电路可以使振荡电路的电磁场尽可能地分散到大的空间。

②要有足够高的振荡频率：

频率越高，发射电磁波的本领越大。

（2）载波：

用来“运载”信号的高频等幅波。

（3）调制：

①定义：

把传递的信号“加”到载波上的过程。

②分类：

调幅：

使高频振荡的振幅随信号的强弱而改变的技术。

调频：

使高频振荡的频率随信号而改变的调制技术。

2．无线电波的传播

（1）传播途径：

无线电波通常有3种传播途径：

地波、天波和空间波。

（2）传播途径对比：

途径

传播形式

适合波段

主要特点

地波

沿地球表面空间传播

长波、中波、中短波

衍射能力较强，但能量损失较多

天波

靠大气中电离层的反射传播

短波

反射能力较强，但不够稳定

空间波

像光束那样沿直线传播

超短波和微波

穿透能力较强但传播距离受限制

3．无线电波的接收

（1）接收原理：

电磁波在传播过程中如果遇到导体，会在导体中感应出振荡电流。

（2）电谐振：

当振荡电路的固有频率跟传播来的电磁波的频率相等时，接收电路中产生的振荡电流最强的现象，叫电磁谐振，也叫电谐振。

（3）调谐：

①定义：

使接收电路产生电谐振的过程。

②调谐电路：

能够调谐的接收电路。

[跟随名师·解疑难]

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，而要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中的过程就是调制。

而将声音、图像信号从高频信号中还原出来的过程就是解调。

4．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目的。

[学后自检]┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄（小试身手）

下列说法正确的是（　　）

A．用带有天线和地线的开放电路，就可将电磁波发射出去

B．电磁波的传播方式只有两种：

天波和地波

C．发射图像信号不需要调制过程

D．使发射信号振幅随高频信号而改变叫调幅

解析：

选A　

各种电磁波的特性比较

[典题例析]

1．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

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

[探规寻律]

（1）不同的电磁波波长和频率不同，所呈现的特性及用途也不相同。

（2）记清电磁波谱中各种电磁波的排列顺序，同时还要了解有的电磁波没有明显界线而重叠。

[跟踪演练]

关于电磁波谱，下列说法中正确的是（　　）

A．电磁波中最容易表现出干涉、衍射现象的是无线电波

B．红外线、紫外线、可见光是原子的外层电子受激发后产生的

C．伦琴射线和γ射线是原子的内层电子受激发后产生的

D．红外线的显著作用是热作用，温度较低的物体不能辐射红外线

解析：

选AB　波长越长的无线电波波动性越显著，干涉、衍射现象易发生；从电磁波产生的机理可知γ射线是原子核受激发后产生的；不论物体温度高低如何，都能辐射红外线，物体的温度越高，它辐射的红外线越强。

选项A、B正确。

电磁波的应用——雷达

[典题例析]

2．某一战斗机正以一定的速度朝雷达的正上方水平匀速飞行，已知雷达发射相邻两次电磁波之间的时间间隔为5×10－4s，某时刻在雷达荧光屏上显示的波形如图3－3－1（a）所示，t＝173s后雷达向正上方发射和接收的波形如图3－3－1（b）所示，雷达监视相邻刻线间表示的时间间隔为10－4s，电磁波的传播速度为c＝3×108m/s，则该战斗机的飞行速度大约为多少？

图3－3－1

[思路点拨]　解答本题时应注意以下两点：

（1）飞机与雷达的位置关系；

（2）飞机与雷达的距离与飞机位移的关系。

解析：

由题意知荧光屏相邻刻线间的时间间隔t0＝10－4s，（a）图发射波和接收波的时间间隔t1＝4×10－4s，（b）图时间间隔t2＝1×10－4s，所以第一次飞机位置距雷达的距离为s1＝c×

＝6.0×104m，第二次飞机在雷达正上方，所以飞机高度h＝c·

＝1.5×104m，所以173s内飞机飞行的水平距离为s＝

＝5.8×104m，所以v＝

＝335m/s。

答案：

335m/s

[探规寻律]

雷达侦察问题的解决方法：

电磁波在空中的传播可认为等于真空中的光速c，由波速、波长和频率三者间的关系可求得频率。

根据雷达荧光屏上发射波形和反射波形间的间隔，即可求得侦察距离，为此反射波必须在下一个发射波发出前到达雷达接收器。

可见，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间隔时间内传播距离的一半。

（1）当反射波形与发射波形对应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·

。

（2）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。

（3）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。

[跟踪演练]

对于雷达指示器的荧光屏上出现的尖形波如图3－3－2所示，下列说法正确的是（　　）

图3－3－2

①两个尖形波都是雷达向目标发射的无线电波形成的

②两个尖形波都是雷达收到反射回来的无线电波形成的

③第一个尖形波是雷达向目标发射的无线电波形成的

④第二个尖形波是雷达收到反射回来的无线电波形成的

A．①②　　　　　　　B．②③

C．③④D．①

解析：

选C　第一个尖形波振幅大能量大，是发射的无线电波形成的，第二个尖形波振幅小，能量小，是反射回来的无线电波形成的，故C正确。

无线电波的发射与接收

[典题例析]

3．如图3－3－3所示，是一个调谐接收电路，（a）、（b）、（c）为电路中的电流随时间变化的图像，则（　　）

图3－3－3

A．i1是L1中的电流图像

B．i1是L2中的电流图像

C．i2是L2中的电流图像

D．i3是流过耳机的电流图像

[思路点拨]　解答本题时应注意以下四点：

（1）电谐振的原理；

（2）电磁感应；

（3）电磁波的接收过程；

（4）晶体二极管的作用。

解析：

L1中由于电磁感应，产生的感应电动势的图像是同（a）图相似的，但是由于L2和D串联，所以当L2的电压与D反向时，电路不通，因此这时L2没有电流，所以L2

中的电流图像应是（b）图。

高频部分通过C2，通过耳机的电流如同（c）图中的i3，只有低频的音频电流，故选项A、C、D正确。

答案：

ACD

[探规寻律]

（1）L1和C1组成的回路为调谐电路，其作用是选出携带所需信号的电磁波。

（2）L2、C2和D构成检波回路，其作用是去掉高频信号，选出所需的低频信号。

[跟踪演练]

实际发射无线电波如图所示，高频振荡器产生高频等幅振荡如图3－3－4甲所示，人对话筒说话产生低频振荡如图乙所示，根据这两个图像，发射出去的电磁波图像应是图3－3－5中的（　　）

图3－3－4

图3－3－5

解析：

选B　振荡器产生高频等幅振荡，话筒结构是里边有碳膜电阻，它的阻值随压力变化而变化。

当我们对着它说话时，空气对它的压力随着声音而变化，那么它的电阻也就随声音信号而变化，振荡电流的振幅也就随着声音信号而变化，这就是调制。

它不但影响了正半周，也影响了负半周。

[课堂双基落实]

1．下列关于无线电波的叙述正确的是（　　）

A．无线电波是波长从几十千米到几毫米的电磁波

B．无线电波在任何介质中传播速度均为3.0×108m/s

C．无线电波不能产生干涉和衍射现象

D．无线电波由真空进入介质传播时，波长变短

解析：

选AD　无线电波的波长是从几十千米到几毫米的电磁波，故选项A正确；干涉、衍射是一切波都具有的特性，故选项C错误；无线电波由真空进入介质时，波速变小，故选项B错误；由v＝λf知，频率不变，波速变小，波长变短，故选项D正确。

2．现代军事行动中，士兵都配戴“红外夜视仪”，在夜间也能清楚地看清目标，主要是因为（　　）

A．“红外夜视仪”发射出强大的红外线，照射被视物体

B．一切物体均在不停地辐射红外线

C．一切高温物体均在不停地辐射红外线

D．“红外夜视仪”发射出γ射线，被射物体受到激发而发出红外线

解析：

选B　一切物体都在不停地向外辐射红外线，不同物体辐射出来的红外线不同，采用红外线接收器，可以清楚地分辨出物体的形状、大小和位置，不受白天和夜晚的影响，确认出目标可以采取有效的行动，故B符合题意。

3．简单的、比较有效的电磁波的发射装置，至少应具备以下电路中的（　　）

①调谐电路；②调制电路；③高频振荡电路；④开放振荡电路

A．①②③　　　　　　　　B．②③④

C．①④D．①②④

解析：

选B　比较有效的发射电磁波的装置应该有调制电路、高频振荡电路和开放振荡电路。

调制电路是把需要发射的信号装载在高频电磁波上才能发射出去，高频振荡电路能产生高频电磁波，开放振荡电路能把电磁波发送的更远。

而调谐电路是在接收端需要的电路。

4．在无线电波广播的接收中，调谐和检波是两个必须经历的过程，下列关于接收过程的顺序，正确的是（　　）

A．调谐→高频放大→检波→音频放大

B．检波→高频放大→调谐→音频放大

C．调谐→音频放大→检波→高频放大

D．检波→音频放大→调谐→高频放大

解析：

选A　在无线电波的接收中，首先要选择出所需要的电磁波—调谐，然后经高频放大后，再将音频信号提取出来—检波，最后再进行音频放大，故A正确。

[课下综合检测]

1．关于电磁波谱，下列说法正确的是（　　）

A．波长不同的电磁波在本质上完全相同

B．电磁波的波长若差异太大则会出现本质不同的现象

C．电磁波谱的频带很宽

D．电磁波的波长很短，所以电磁波谱的频带很窄

解析：

选AC　电磁波谱中的电磁波在本质上是完全相同的，只是波长或频率不同而已，故A、C正确。

2．电磁波包括的范围很广，产生的机理有所不同，下列说法正确的是（　　）

A．红外线、可见光、紫外线、X射线是原子外层电子受激发而产生的

B．X射线是原子核受激发而产生的

C．γ射线是原子核受激发而产生的

D．无线电波是自由电子在振荡电路中的周期性运动而产生的

解析：

选CD　X射线是原子内层电子运动发生变化时产生的，A、B错误；γ射线是原子核受激发而产生的，C正确；无线电波是自由电子在振荡电路中的周期性运动而产生的，D正确。

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．增加调谐电路中线圈的匝数

B．加大电源电压

C．减少调谐电路中线圈的匝数

D．将线圈中的铁芯取走

解析：

选CD　

4．如图1所示为调幅振荡电流图像，此电流存在于电磁波发射和接收的哪些阶段（　　）

图1

A．经调制后　　　　　　　B．经调谐后

C．经检波后D．耳机中

解析：

选AB　为了把信号传递出去，需要将信号“加”到高频振荡电流上，这就是调制。

调制的方法之一是使高频振荡电流的振幅随信号而变化，成为调幅振荡电流，这就是调幅。

在接收电路中，经过调谐，回路中将出现调幅振荡电流，经检波后，调幅振荡电流将波“切”去一半，得到单向脉冲电流，而在耳机中只有随信号变化的音频电流。

5．地球大气中的水汽（H2O），二氧化碳（CO2）能强烈吸收某些波长范围的红外辐射，图2为水和二氧化碳对某一波段不同波长电磁波的吸收情况，由图可知，在该波段红外遥感大致能够接收到的波长范围为（　　）

图2

A．2.5～3.5μmB．4～4.5μm

C．5～7μmD．8～13μm

解析：

选D　由图像可知，8～13μm波段的红外线，H2O和CO2几乎均不吸收，故选D，A、B、C错误。

6．关于电磁波的发射和接收，下列说法中正确的是（　　）

A．为了使振荡电路有效地向空间辐射能量，电路必须是闭合的

B．音频电流的频率比较低，不能直接用来发射电磁波

C．当接收电路的固有频率与收到的电磁波的频率相同时，接收电路产生的振荡电流最强

D．要使电视机的屏幕上有图像，必须要有检波过程

解析：

选BCD　有效发射电磁波，必须采用开放电路和高频发射；一般的音频电流的频率较低，不能直接用来发射电磁波；电磁波接收原理是一种叫电谐振的现象，与机械振动中的共振有些相似；电视机显示图像时，必须通过检波过程，把有效的信号从高频调制信号中取出来，否则就不能显示。

故A错误，B、C、D正确。

7．如图3所示为某收音机接收电路，其电感L＝10－3mH，为了接收波长为500m的电磁波，其电容C应调到多少μF。

图3

解析：

该电磁波的频率为

f＝

＝

Hz＝6×105Hz，

那么该电路的固有频率也应调到f。

由电磁振荡的频率公式得：

C＝

，

代入数据得：

C≈7.04×10－2μF。

答案：

7.04×10－2μF

8．在电视节目中，我们经常看到主持人与派到热带地区的记者通过同步通信卫星通话，他们之间每一问一答总是迟“半拍”，这是为什么？

如果有两个手持卫星电话的人通过同步通信卫星通话，一方讲话，另一方至少要等多长时间才能听到对方的讲话。

（已知地球的质量为6.0×1024kg，地球半径为6.4×106m，引力常量为6.67×10－11N·m2·kg－2）

解析：

主持人与记者之间通话的不合拍是因为电磁波是以有限的速度在空中传播的，利用电磁波传递信息是需要时间的，设同步卫星高度为H，由万有引力提供卫星做圆周运动的向心力，即

＝m

（R＋H），H＝

－R＝3.6×107m，则一方讲话，另一方听到对方的讲话所需的最少时间是t＝

＝0.24s。

答案：

电磁波传递信息需要时间　0.24s