金版教程高中物理选修34第十四章第3节第4节.docx

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金版教程高中物理选修34第十四章第3节第4节

第3节　电磁波的发射和接收

第4节　电磁波与信息化社会

1．知道有效地发射电磁波的两个条件。

2．了解调制、调幅、调频、调谐、解调、电谐振在电磁波发射、接收过程中的作用。

3．了解电磁波在信息传递中的应用，初步了解电视、雷达、移动电话的应用和原理，初步了解因特网的应用和作用。

一、电磁波的发射

1．要有效地发射电磁波，振荡电路必须具有两个特点：

第一，要有

足够高的振荡频率，频率越高，发射电磁波的本领越大。

第二，应采用

开放电路，振荡电路的电场和磁场必须分散到足够大的空间。

2．开放电路：

实际的开放电路，线圈的一端用导线与大地相连，这条导线叫做

地线，线圈的另一端高高地架在空中，叫做

天线。

3．无线电技术：

使电磁波随各种信号而改变的技术叫做

调制。

调制的方法有两种，一是调幅，使高频电磁波的

振幅随信号的强弱而改变；另一种叫调频，使高频电磁波的

频率随信号的强弱而改变。

二、电磁波的接收

1．接收原理：

电磁波能使

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，接收电路里产生的振荡电流最强，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．解调：

使声音或图像信号从接收到的

高频电流中还原出来，这个过程是调制的逆过程，叫做解调。

5．无线电波：

波长大于

1mm（频率低于300GHz）的电磁波称做无线电波。

并按波长分成若干个波段，像长波、中波、短波、微波等。

每个段所用的设备和技术不同，因此有不同的用途。

三、电磁波与信息化社会

1．电视：

能传递活动的图像。

在电视的发射端，把景物的光信号转换成

电信号的过程叫摄像。

在电视接收端，将电信号还原成图像的过程由电视机的

显像管完成，电视的应用很广泛，发展也很快。

2．雷达：

雷达是用无线电波来测定物体位置的设备，利用的是电磁波遇到障碍物发生

反射的性质，波长越短，传播的直线性越好。

3．移动电话

（1）功能

每一部移动电话都是一个

无线电台，它将用户的声音转变为高频电信号发射到空中；同时它又相当于一台

收音机，捕捉空中的

电磁波使用户接收到通话对方送来的信息。

（2）特点

①体积

很小，发射功率

不大；

②它的天线很

简单，灵敏度

不高。

因此，它与其他用户的通话要靠较大的无线电台的转接。

4．因特网

因特网是世界上最大的计算机互联网。

人们可以通过互联网

听音乐、

看电影、

聊天、

购物、从事金融活动，也可以通过互联网查阅各种资料，进行远程教学、远程医疗，甚至可以为身处世界各地的人召开电视会议等。

判一判

（1）制作天线必须用导体。

（　　）

（2）只有接收电路发生电谐振时，接收电路中才有振荡电流。

（　　）

（3）解调是调制的逆过程。

（　　）

（4）不同波段无线电波的传播特点不同，但用途是相同的。

（　　）

提示：

（1）√　

（2）×　（3）√　（4）×

想一想

（1）开放电路是如何形成的？

提示：

在LC振荡电路中减小电容器的极板面积，增大极板间距，使电容器变成两条长的直线，一条竖立在高空成为天线，另一条接入地下成为地线，使电场完全暴露在空中，形成开放电路。

（2）电磁波可以通过什么方式进行传播？

用光缆通信有何特点？

提示：

可以通过电缆、光缆进行有线传输，也可以进行无线传输。

光缆通信，因为光的频率高，所以承载的信息量大，同时光缆传输还有抗干扰能力强、损耗小、通讯质量高的特点。

课堂任务

　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

要有效地向外发射电磁波，振荡电路必须具有的两个特点：

（1）要有足够高的振荡频率。

频率越高，振荡电路发射电磁波的本领越大，如果是低频信号，要用高频信号运载才能将其更有效地发射出去。

（2）采用开放电路。

采用开放电路可以使振荡电路的电磁场分散到尽可能大的空间，如下图。

实际的开放电路：

线圈的一端用导线与大地相连，这条导线叫做地线；线圈的另一端与高高地架在空中的天线相连。

无线电波就是由这样巨大的开放电路发射出去。

2．调制

（1）调制：

在电磁波的发射过程中，使电磁波随各种信号而改变的技术。

（2）调制的分类

①调幅：

使高频电磁波的振幅随信号的强弱而改变的调制技术，如图所示。

②调频：

使高频电磁波的频率随信号而改变的调制技术，如图所示。

3．无线电波的发射

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．电磁波的接收原理

（1）电磁波在空间传播时，如果遇到导体，就会使导体产生感应电流，感应电流的频率跟激起它的电磁波的频率相同。

因此利用放在电磁波传播空间中的导体，就可以接收到电磁波。

（2）当接收电路的固有频率跟接收到的电磁波的频率相同时，接收电路中产生的振荡电流最强。

2．接收电路

（1）调谐：

当接收电路的固有频率跟接收到的电磁波的频率相同时，接收电路中产生的振荡电流最强的现象叫做电谐振。

使接收电路产生电谐振的过程叫做调谐。

（2）解调：

又称“反调制”，是从已调波中重现调制信号的过程。

3．无线电波波段的划分

通常使用的无线电波的波长范围从几毫米到几千米，根据波长或频率把无线电波分成几个波段，如下表所示：

例1　（多选）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，必须要有解调过程

（1）电磁波的发射应该采用怎样的电路？

提示：

应该用开放电路。

（2）电视机是怎样接收电视信号的？

提示：

由电视天线接收电磁波，经调谐、解调后得出所需信号。

[规范解答]　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，必须通过解调过程，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。

[完美答案]　BCD

无线电波的发射和接收过程

　（多选）为了有效地把能量以电磁波形式发射到尽可能大的空间，除了使用敞露空间的电路，还可以（　　）

A．增大电容器极板间的距离

B．减小电容器极板的面积

C．减小线圈的匝数

D．采用低频振荡电流

答案　ABC

解析　实行开放电路和提高发射频率是提高电磁波发射能力的两种有效方法；由f＝

、C＝

可知，选项A、B、C正确。

课堂任务

　电磁波与信息化社会

1．电磁波的传输：

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x＝

，再根据发射无线电波的方向和仰角，可以确定障碍物的位置。

（3）移动电话、因特网也是利用电磁波来传输信息的。

例2　雷达向远处发射无线电波，每次发射的时间是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所示，已知图中ab＝bc，障碍物与雷达之间的距离是多大？

（1）b处的尖形波较a、c处的小，说明了什么？

提示：

b处的尖形波是障碍物反射回来的无线电波被雷达接收时出现的，a、c处的尖形波是雷达向目标发射无线电波时出现的。

（2）障碍物与雷达间距该如何确定？

提示：

障碍物与雷达间距为x＝

，其中t为发射无线电波到接收反射波的时间t，c为光速。

[规范解答]　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，无线电波由发射到返回所用时间为50μs。

设障碍物与雷达之间的距离为x，由题意可知无线电波来回时间为t＝50μs，由2x＝ct，得x＝

＝3.0×108×50×

m＝7.5×103m。

[完美答案]　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，由波速、波长和频率三者间的关系可求得频率。

（2）根据雷达荧光屏上发射波形和反射波形间的时间间隔，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。

（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间隔时间内传播距离的一半。

　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：

（1）该电磁波的频率；

（2）此雷达的最大侦察距离。

答案　

（1）1.5×109Hz　

（2）3×104m

解析　

（1）电磁波在空气中传播的速度一般认为等于真空中光速c＝3×108m/s，因此f＝

＝

Hz＝1.5×109Hz。

（2）雷达工作时发射电磁脉冲，每个电磁脉冲持续时间t＝0.02μs，在两个脉冲时间间隔内，雷达必须接收到反射回来的电磁脉冲，否则会与后面的电磁脉冲重叠而影响测量。

设最大侦察距离为x，两个脉冲时间间隔为Δt＝

s＝2×10－4s≫0.02μs，故脉冲持续时间可以略去不计，则2x＝vΔt，v＝c＝3×108m/s，所以x＝

＝3×104m。

A组：

合格性水平训练

1．（无线电波）（多选）下列关于无线电波的叙述中，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3.00×108m/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

答案　AD

解析　无线电波中长波波长有几十千米，微波中的毫米波只有几毫米，A正确；无线电波在介质中的传播速度小于在真空中的传播速度3.00×108m/s，B错误；无线电波也能产生干涉和衍射现象，C错误；由λ＝

无线电波由真空进入介质传播时，由于波速减小可知波长变短，D正确。

2．（电磁波的接收）关于电视接收的原理，下列说法正确的是（　　）

A．电视接收天线接收到的电磁波中包括图像信号和伴音信号

B．电视接收天线接收到电磁波，天线上并不产生感应电流

C．电视机接收到电磁波，通过电子枪的扫描显示电视节目的伴音信号

D．电视机接收到电磁波，直接经扬声器得到电视节目的伴音信号

答案　A

解析　电视信号中有图像信号和伴音信号，即电视接收天线接收到的电磁波中包括图像信号和伴音信号，A正确；电视接收天线收到电磁波，引起电磁感应，天线上产生感应电流，B错误；电视机接收到电磁波，然后经过解调还原出图像信号，通过电子枪的扫描显示电视节目的图像信号，C错误；电视机接收到电磁波，通过电谐振得到需要的信号，然后经过解调还原出伴音信号，再经过功率放大器，最后通过扬声器得到电视节目的伴音信号，D错误。

3．（电磁波的发射）上海人民广播电台发射一种电磁波的频率为990kHz，中央人民广播电台发射一种电磁波的频率是15.58MHz，两广播电台发射的电磁波相比，以下分析正确的是（　　）

A．两广播电台发射的电磁波，波速相同，但上海人民广播电台的波长较长

B．中央人民广播电台的波速大，两者的波长相等

C．中央人民广播电台的波速大，上海人民广播电台的波长较长

D．两广播电台发射的电磁波，波速相同，中央人民广播电台的波长较长

答案　A

解析　因为不同频率的电磁波在空气中的传播速度都相同，B、C错误；由于波速都相同，所以波长与频率是成反比的，上海人民广播电台的电磁波频率小于中央人民广播电台电磁波的频率，则上海人民广播电台的波长比中央人民广播电台的波长长，A正确，D错误。

4．（综合）（多选）目前雷达发射的电磁波频率多在200MHz至1000MHz的范围内。

下列关于雷达和电磁波的说法正确的是（　　）

A．真空中上述雷达发射的电磁波的波长范围在0.3m至1.5m之间

B．电磁波是由恒定不变的电场或磁场产生的

C．测出从发射电磁波到接收反射波的时间间隔可以确定雷达和目标的距离

D．波长越短的电磁波，直线传播性能越强

答案　ACD

解析　根据λ＝

，电磁波频率在200MHz至1000MHz的范围内，则电磁波的波长范围在0.3m至1.5m之间，故A正确。

电磁波的产生是依据麦克斯韦的电磁场理论，变化的磁场产生电场，变化的电场产生磁场，B错误。

雷达是利用电磁波的反射原理，波长越短，直线传播性能越强，雷达和目标的距离x＝

c·Δt，故C、D正确。

5．（电磁波的发射和接收）（多选）如图所示为调幅振荡电流图象，此电流存在于电磁波发射和接收中的哪些阶段（　　）

A．经调制后B．经调谐后

C．经解调后D．耳机中

答案　AB

解析　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。

而题中图象是将信号加上后使高频振荡电流的振幅随信号变化，这叫调幅。

在接收电路中，经过调谐，回路中将出现调幅振荡电流，经解调后，低频信号从高频电流中还原出来，而在耳机中只有低频信号电流，A、B正确。

6．（综合）调谐电路的可变电容器的动片从完全旋出到完全旋入仍接收不到较低频率电台发出的信号，要收到该电台的信号，可采用下列何种办法（　　）

A．增加调谐电路中线圈的匝数

B．加大电源电压

C．更换一个电容较小的可变电容器

D．减小电源电压

答案　A

解析　无法接收较低频率电台发出的信号是由于调谐电路频率较高，根据f＝

，可采用的办法有增大线圈自感系数，或增大电容器的电容，选项A正确。

7．（综合）（多选）如图

（1）为一个调谐接收电路，（a）、（b）、（c）为电路中的电流随时间变化的图象，则（　　）

A．i1是L1中的电流图象

B．i1是L2中的电流图象

C．i2是L2中的电流图象

D．i3是流过耳机的电流图象

答案　ACD

解析　C1、L1振荡电路通过电谐振会产生调幅电流，即i1，A正确，B错误；L2中由于电磁感应，产生的感应电动势的图象是同（a）图相似的，但是由于L2和二极管D串联，所以L2中的电流图象应是i2，C正确；通过D的电流，高频成分由C2流过，所以i3是流过耳机的电流图象，D正确。

8．（综合）某地的雷达正在跟踪一架向雷达匀速飞来的飞机。

设某一时刻从雷达发出电磁波后到再接收到反射波历时200μs；经4s后又发出一个电磁波。

雷达从发出电磁波到再接收到反射波历时186μs，则该飞机的飞行速度多大？

答案　525m/s

解析　由电磁波发射至接收到反射波历时200μs，可算出此时飞机距雷达的距离为：

L1＝

m＝3.0×104m。

经4s后，飞机距雷达的距离为：

L2＝

m＝2.79×104m，

故飞机飞行的速度为：

v＝

＝

m/s＝525m/s。

B组：

等级性水平训练

9．（无线电波的发射和接收）关于无线电波的发送和接收，下列说法中正确的是（　　）

A．为了将信号发送出去，先要进行调谐

B．为了从各个电台发出的电磁波中将需要的选出来，就要进行调制

C．为了从高频电流中还原出声音信号，就要进行调频

D．以上说法都不对

答案　D

解析　为了将信号发送出去，先要进行调制，A错误；为了从各个电台发出的电磁波将需要的选出来，要进行调谐，B错误；为从高频电流中还原出声音信号，要进行解调，C错误；故应选D项。

10．（综合）（多选）下列说法正确的是（　　）

A．电磁波的发射过程中，必须对信号进行调制

B．电磁波的接收过程中，必须把传输信号加到高频电流上

C．雷达在能见度低的黑夜将无法使用

D．雷达采用的微波的频率比长波的高

E．雷达采用微波的原因是微波具有直线传播的特性

答案　ADE

解析　发射过程必须进行调制，接收过程必须进行解调，B错误；雷达在黑夜中依然能够使用，C错误；A、D、E正确。

11．（综合）（多选）用一平行板电容器和一个线圈组成LC振荡电路，要减小电磁波的发射频率，可采用的做法是（　　）

A．增大电容器两极板间的距离

B．减小电容器两极板间的距离

C．减小电容器两极板的正对面积

D．增大电容器两极板的正对面积

E．在电容器两极板间加入电介质

答案　BDE

解析　由f＝

可知，要减小f，就必须增大平行板电容器的电容C或线圈的自感系数L；由C＝

可知，要增大C，就必须减小电容器两极板间的距离、增大电容器两极板的正对面积或在电容器两极板间加入电介质，故B、D、E正确。

12．（综合）某收音机接收电磁波的波长范围在577m和182m之间，该收音机LC回路的可变电容器的动片全部旋出时，回路总电容为39pF，试分析：

（计算结果保留三位有效数字）

（1）动片全部旋出时，对应收音机接收电磁波的波长为多大？

此LC回路的线圈的自感系数为多少？

（2）该收音机LC回路的可变电容器的动片完全旋入时，电容器的电容为多大？

答案　

（1）182m　0.239mH　

（2）392pF

解析　

（1）由λ＝c·T，T＝2π

可得λ＝2πc

动片完全旋出时，电容器极板正对面积最小，对应电容器的电容最小，因此，对此接收电磁波的波长最小，为182m，

此时电容器的电容为C＝39pF

由上面关系式可导出L＝

代入数据可求出L＝0.239mH。

（2）由λ＝2πc

得

＝

所以Cmax＝

Cmin＝

×39pF＝392pF。

13．（综合）某高速公路自动测速仪装置如图所示，雷达向汽车驶来的方向发射不连续的电磁波，每次发射时间为10－6s，相邻两次发射时间间隔为t，当雷达向汽车发射无线电波时，在显示屏上呈现一个尖形波；在收到反射回来的无线电波时，在荧光屏上呈现第二个尖形波。

根据两个波的距离，可以计算出汽车距雷达的距离，根据自动打下的纸带（如图所示），可求出车速。

请根据t1、t2、t、c求出汽车车速表达式。

答案　

解析　第一次测量时汽车距雷达的距离x1＝

，第二次测量时汽车距雷达的距离x2＝

，

时间间隔Δt＝

－

＝t－

，

则汽车速度v＝

＝

。