高中物理选修34同步第十四章 34电磁波的发射和接收.docx

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高中物理选修34同步第十四章34电磁波的发射和接收

3　电磁波的发射和接收

4　电磁波与信息化社会

[学科素养与目标要求]　

物理观念：

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、解调、电谐振在电磁波发射、接收过程中的作用．

科学态度与责任：

了解电磁波的应用和其在科技、经济、社会发展中的作用．

一、电磁波的发射

1.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，发射电磁波的本领越大．

（2）振荡电路的电场和磁场必须分散到尽可能大的空间，因此采用开放电路．

2．实际应用中的开放电路，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．

3．电磁波的调制：

在电磁波发射技术中，使电磁波随各种信号而改变的技术．

调制包括

（1）调幅（AM）：

使高频电磁波的振幅随信号的强弱而改变的调制方法．

（2）调频（FM）：

使高频电磁波的频率随信号的强弱而改变的调制方法．

二、电磁波的接收

1．接收原理：

电磁波在传播时遇到导体，会使导体中产生感应电流，导体可用来接收电磁波，这个导体就是接收天线．

2．电谐振：

接收电路的固有频率跟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，相当于机械振动中的共振．

（1）调谐：

使接收电路产生电谐振的过程．

（2）解调：

把声音或图象信号从高频电流中还原出来的过程．调幅波的解调也叫检波．

三、电磁波与信息化社会

1．电磁波的传输：

电磁波可以通过电缆、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．光的频率比无线电波的频率高得多，因此光缆可以传递大量信息．

2．电磁波的应用实例

（1）电视：

摄像管摄取景物的图象并将其转换为电信号．用信号电流调制高频电流，通过天线把带有信号的电磁波发射出去．电视接收机收到高频信号以后，经调谐、解调，将得到的图象信号送到显像管．伴音信号经解调后送到扬声器．

（2）雷达：

利用无线电波来测定物体位置的无线电设备．

工作原理：

利用电磁波遇到障碍物发生反射的特性工作．

（3）移动电话：

每一部移动电话既是一个无线电台，将用户的声音转变为高频电信号发射到空中；又相当于一台收音机，接收信息．

（4）因特网．

判断下列说法的正误．

（1）调制就是将低频信号变成高频信号，再放大后直接发射出去．（　×　）

（2）当处于电谐振时，只有被接收的电磁波才能在接收电路中产生感应电流．（　×　）

（3）解调就是使声音或图象信号从高频电流中还原出来．（　√　）

（4）雷达是通过接收障碍物发出的电磁波来确定物体位置的．（　×　）

一、电磁波的发射

将两根铝管固定在感应圈的两极上，另两根铝管接微安表头并固定在绝缘手柄上，如图所示．

（1）接通感应圈电源，把手柄上两铝管平行靠近感应圈上的两铝管，你看到了什么现象？

为什么？

（2）当把感应圈两极上的铝管拆掉后，把手柄靠近感应圈有什么现象？

为什么？

答案　

（1）微安表头指针偏转，这说明绝缘手柄上的铝管接收到了电磁波．

（2）没有装铝管时，微安表头指针不偏转，说明绝缘手柄上的铝管没有接收到电磁波．因为发射电磁波要有天线．

（1）要想有效地发射电磁波，应增大电磁波的频率，且使电磁场分布到尽可能大的空间，实际应用中常用地线和天线形成敞开的电容器，和线圈组成高频振荡电路．

（2）为发射有用信号，需对电磁波进行调制，把要传递的信号“加”到高频等幅振荡电流上，使电磁波随各种信号而改变．其中使高频振荡电流的振幅随调制信号而改变的调制方法叫做调幅（AM）；使高频振荡电流的频率随调制信号而改变的调制方法叫做调频（FM）．

例1　为了增大无线电台向空间发射无线电波的能力，对LC振荡电路的结构可采用下列哪些措施（　　）

A．增大电容器极板的正对面积

B．增大电容器极板的间距

C．增大自感线圈的匝数

D．提高供电电压

答案　B

解析　要增大无线电波向空间发射电磁波的能力，必须提高其振荡频率，即减小L或减小C，要减小L，可通过减小线圈匝数、向外抽铁芯的方法；要减小C，可采用增大板间距、减小极板正对面积、减小介电常数的办法，故B正确．

二、电磁波的接收

按图甲，用两个莱顿瓶（附矩形发射框和带氖泡的矩形接收框）、感应圈和直流电源连成电路．如图乙所示，发射框上的铜球与莱顿瓶上的铜球相距约1～2厘米，氖泡两端分别接莱顿瓶的内壁和外壁金属箔．感应圈高压加在铜球和莱顿瓶上，使铜球间发生火花放电．调节接收框上的可移动的竖直金属滑动杆，使它从最右端慢慢向左移动，观察接收框上的氖泡发光有什么变化？

并说明产生这种变化的原因．

答案　滑动杆向左滑动的过程中，氖泡先变亮后变暗，当矩形接收框与发射框的大小差不多时氖泡最亮．当两框大小相等时，两框的自感系数近似相等，与莱顿瓶组成的LC振荡电路的固有频率近似相同，发射电路与接收电路发生电谐振，接收框接收到的信号最强，所以氖泡最亮．

（1）调谐实际上就是从众多电磁波中选出我们所需要的电磁波的过程，解调就是把有用信号从高频电流中还原出来的过程．

（2）无线电波的发射和接收过程如图1所示：

图1

例2　电台将播音员的声音转换成如图2甲所示的电信号，再加载到如图乙所示的高频载波上，使高频载波的振幅随电信号改变（如图丙所示）．这种调制方式称为（　　）

图2

A．调频B．调谐

C．调幅D．解调

答案　C

解析　使电磁波随各种信号而改变的技术叫做调制，而调制共有两种方式：

一种是调幅，即通过改变电磁波的振幅来实现信号加载；另一种是调频，即通过改变电磁波的频率来实现信号加载．由题意可知高频载波的振幅随电信号改变，故为调幅，故选C.

例3　在如图3所示的电路中，C1＝200pF，L1＝40μH，L2＝160μH，怎样才能使回路2与回路1发生电谐振？

发生电谐振的频率是多少？

图3

答案　改变可变电容器C2的电容，使得C2为50pF　1.78MHz

解析　发生电谐振时两电路的固有频率相同．为使回路发生电谐振，可以改变可变电容器C2，使f2＝f1，

即

＝

C2＝

＝

pF＝50pF.

发生电谐振时的频率

f1＝

≈1.78×106Hz＝1.78MHz.

对概念的理解：

（1）“调幅”和“调频”都是调制过程，解调是调制的逆过程．

（2）电谐振相当于机械振动中的“共振”．

（3）调谐与电谐振不同，电谐振是一个物理现象，而调谐则是一个操作过程．

三、电磁波与信息化社会

无线电视、雷达和手机都是通过电磁波传递信息的，请你从它们自身是否是发射端或接收端进行比较，它们有什么不同？

答案　无线电视仅仅是接收端，它接收来自电视台的无线电信号；雷达自身发射信号，遇到障碍物反射回来，通过接收反射波来确定物体的位置，因此雷达既是发射端又是接收端．手机接收来自基站的信号，同时它又向基站发射信号，它既是接收端也是发射端．

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．

例4　（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到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，反射性能越强

答案　ACD

解析　由公式v＝λf可得，λmin＝

＝

m＝0.3m，λmax＝

＝

m＝1.5m，A正确；电磁波是由周期性变化的电场或磁场产生的，B错误；由雷达的工作原理可知，C正确；波长越短的电磁波，传播的直线性越好，反射性能越强，D正确．

[学科素养]　例4考查了雷达的相关知识，在题目中，串联了相关物理概念和规律，锻炼了从物理学视角对客观事物的内在规律及相互联系认识的能力，体现了“物理观念”与“科学思维”的学科素养.

1．（电磁波的发射）（多选）关于电磁波的发射过程，下列说法正确的是（　　）

A．必须对信号进行调制

B．必须使信号产生电谐振

C．必须把传输信号加到高频电流上

D．必须使用开放回路

答案　ACD

解析　电磁波的发射过程中，一定要对低频输入信号进行调制，把传输信号加到高频电流上，为了有效地向外发射电磁波，必须使用开放电路，A、C、D正确．而产生电谐振是在接收过程，B错误．

2．（电磁波的接收）一台收音机可接收中波、短波两个波段的无线电波，打开收音机后盖，在磁棒上能看到两组线圈，其中一组是用细线密绕匝数多的线圈，另一组是用粗线疏绕匝数少的线圈，由此可以判断（　　）

A．匝数多的电感大，使调谐电路的固有频率较小，故用于接收中波

B．匝数多的电感小，使调谐电路的固有频率较大，故用于接收短波

C．匝数少的电感小，使调谐电路的固有频率较小，故用于接收中波

D．匝数少的电感大，使调谐电路的固有频率较大，故用于接收短波

答案　A

解析　根据匝数多密绕的线圈电感大、匝数少疏绕的线圈电感小，可排除B、D选项；根据T＝2π

，电感越大，回路固有频率越小，可排除C选项；根据c＝fλ，频率越小，波长越长，可知A选项是正确的．

3．（电磁波与信息化社会）（多选）雷达是利用无线电波来探测目标方向和距离的一种装置，雷达的天线犹如喊话筒，能使电脉冲的能量集中向某一方向发射；接收机的作用则与人耳相仿，用以接收雷达发射机所发出电脉冲的回波．测速雷达主要是利用多普勒效应，可由回波的频率改变数值，计算出目标与雷达的相对速度．以下说法正确的是（　　）

A．雷达发射的是不连续的电磁波

B．雷达用的是微波波段的无线电波

C．目标离雷达天线而去时，反射信号频率将高于发射信号频率

D．目标向雷达天线靠近时，反射信号频率将高于发射信号频率

答案　ABD

解析　雷达发射的是不连续的电磁波，采用微波进行发射．根据多普勒效应，当目标离雷达天线而去时反射信号频率低于发射信号频率，当目标向雷达天线靠近时反射信号频率高于发射信号频率，故选项A、B、D对，选项C错．

4．（电磁波与信息化社会）（多选）2016年底以来，共享单车风靡全国各大城市，如图4所示，单车的车锁内集成了嵌入式芯片、GPS模块和SIM卡等，便于监控单车在路上的具体位置．用户仅需用手机上的客户端软件（APP）扫描二维码，即可自动开锁，骑行时手机APP上能实时了解单车的位置；骑行结束关锁后APP就显示计时、计价、里程等信息．此外，单车能够在骑行过程中为车内电池充电，满足定位和自动开锁等过程中的用电．根据以上信息，下列说法正确的是（　　）

图4

A．单车和手机之间是利用声波传递信息的

B．单车某个时刻的准确位置信息是借助通信卫星定位确定的

C．单车是利用电磁感应原理实现充电的

D．由手机APP上的显示信息，可求出骑行的平均速度

答案　BC

解析　单车和手机之间没有电路连接，是利用电磁波传递信息的，A错误；单车某个时刻的准确位置信息是借助通信卫星定位确定的，B正确；单车在运动过程中通过电磁感应将机械能转化为电能，从而实现充电，C正确；手机APP上的里程表示路程，而平均速度为位移与时间的比值，只知道路程不知道位移，无法求出骑行的平均速度，D错误.

考点一　电磁波的发射

1．（多选）关于调制的作用，下列说法正确的是（　　）

A．调制的作用是把低频信号的信息加载到高频电磁波上去

B．调制的作用是把低频信号的信息加载到高频电磁波的振幅上去

C．调制的作用是把低频信号的信息加载到高频电磁波的频率上去

D．调制的作用是将低频信号变成高频信号，再放大后直接发射出去

答案　ABC

2．为了使需要传递的信息（如声音、图象等）加载到电磁波上发射到远方，必须对振荡电流进行（　　）

A．调谐B．放大C．调制D．检波

答案　C

解析　声音、图象信号的频率很低，不能直接发射出去，只有高频电磁波才能向外发射，所以要用高频电磁波携带着低频信号才能向外发射出去，而把低频信号加到高频电磁波上去的过程叫调制．

考点二　电磁波的接收

3．在无线电广播的接收中，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

答案　A

解析　调谐是从众多的电磁波中选出所需频率的高频信号，然后进行高频放大，再从放大后的高频信号中“检”出高频信号所承载的低频声音信号，最后将这些低频声音信号放大后通过扬声器播放出来，综上所述，A对．

4．世界各地有许多无线电台同时广播，用收音机一次只能收听到某一电台的播音，而不是同时收听到许多电台的播音，其原因是（　　）

A．收听到的电台离收音机最近

B．收听到的电台频率最高

C．接收到的电台电磁波能量最强

D．接收到的电台电磁波与收音机调谐电路的频率相同，产生了电谐振

答案　D

解析　选台就是调谐过程，使f固＝f电磁波，在接收电路中产生电谐振激起的感应电流最强．

5．（多选）如图1所示，调谐电路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（　　）

图1

A．增大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

答案　CD

解析　当调谐电路的固有频率等于接收电磁波的频率时，发生电谐振才能较好地收到电台信号．题图调谐电路收不到信号的原因是调谐电路的固有频率低，由f＝

知，在C无法再调节的情况下，可减小L以提高f，故选项C、D正确．

6．收音机中的调谐电路线圈的自感系数为L，要想接收波长为λ的电台信号，应把调谐电路中电容器的电容调至（c为光速）（　　）

A.

B.

C.

D.

答案　D

解析　由T＝2π

，在真空中c＝

得，C＝

，故选D.

7．（多选）图2甲为一个调谐接收电路，图乙、丙、丁为电路中的电流随时间变化的图象，则（　　）

图2

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　L1中由于电磁感应，产生的感应电流的图象同题图乙相似，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中的电流图象应是题图丙．高频部分通过C2，通过耳机的电流如同题图丁中的i3，只有低频的音频电流，故选项A、C、D正确．

考点三　电磁波与信息化社会

8．（多选）下列说法正确的是（　　）

A．摄像机实际上是一种将光信号转变为电信号的装置

B．电视机实际上是一种将电信号转变为光信号的装置

C．摄像机在1s内要送出25张画面

D．电视机接收的画面是连续的

答案　ABC

解析　摄像机通过摄像头摄取到景物的光信号，再通过特殊装置转变为电信号，在1s内要送出25张画面；电视机通过显像管将接收到的电信号转变为光信号，最后还原成图象，每秒要接收到25张画面；由于画面更换迅速和人眼的视觉暂留效应，我们感觉到的便是连续的影像．故正确答案为A、B、C.

9．当电冰箱的电路接通或断开时，可从附近的收音机中听到“喀喀”的杂音，这是因为（　　）

A．电路通、断时，发出的声音被收音机所接收

B．电路通、断时，发出的电流被收音机所接收

C．电路通、断时，发出的电磁波被收音机所接收

D．电路通、断时，发出的振荡电流被收音机所接收

答案　C

解析　当电冰箱的电路接通或断开时，会产生一定频率的电磁波，当被收音机接收到会听到“喀喀”的杂音，C正确．

10．关于电视信号的发射，下列说法中错误的是（　　）

A．摄像管输出的电信号可以直接通过天线向外发射

B．摄像管输出的电信号必须“加”在高频振荡电流上，才能向外发射

C．伴音信号和图象信号是同步向外发射的

D．电视台发射的是带有信号的高频电磁波

答案　A

解析　摄像管输出的电信号是低频的电流，不能直接发射，必须将其“加”在高频振荡电流上才能向外发射，伴音信号和图象信号是通过高频电磁波同步向外发射的，故选A.