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第四章 电磁振荡与电磁波
第三节 电磁波的发射、传播和接收
粤教版（2019）高中物理选择性必修第二册
一、电磁波的发射
要有效地发射电磁波，LC振荡电路必须具备以下两个条件：
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。理论研究表明，单位时间内发射出去的电磁波的能量与振荡频率的四次方成正比。根据振荡频率公式：????=????????????????????。可知要使振荡频率高，电路中LC的乘积应比较小；结合平行板电容器的电容公式：????=????????????????????????????，可以通过减小电容器两极板的正对面积、增大极板间距来满足要求。
?
第二：要使LC振荡电路的电场和磁场分散到尽可能大的空间。
为了满足以上两个条件，应将如图(a)所示的LC振荡电路进行改造。如图(b)和图(c)所示，可以增大电容器极板间的距离，减小电容器两极板的正对面积，减少自感线圈的匝数，甚至演化成为一条导线，如图(d)所示，使电场和磁场扩展到电容器的外部，这样的振荡电路称为开放电路。
实际应用中，广播电台或电视台的天线都可以看成是开放电路，它的一端伸向高空，另一端接入地下.电磁波就由这样一个开放电路发射出去.在无线电技术中使用的电磁波称为无线电波。
发射无线电波可以采用感应耦合开放电路，如图所示。天线被安装在高大的发射塔上，发射塔越高，发射电磁波的本领越强。
在无线电通信中，电磁波是用来传输信号的。例如，无线电广播传递的是声音，无线电传真传递的是图片或文字，电视传递的不仅有声音还有图像。信号传输前，首先要将声音、图像等信息转变为电信号。但这种电信号频率很低，不能直接送到天线上向空间发射。发射电磁波必须采用高频电流。因此必须把低频的电信号“加载”在高频振荡电流上这个过程称为调制。
调制的方式主要有两种：调幅(AM)和调频(FM)，如图所示。调幅是使高频电磁波的振幅随信号的强弱而变，如图(c)所示。调频是使高频电磁波的频率随信号的强弱而变，如图(d)所示。
与调幅广播相比，调频广播抵抗干扰的能力比较强，在传递过程中不容易失真。因此，音频广播多采用调频方式。电视信号因包含图像和声音两种信号，这两种信号如果采用相同方式调制会相互干扰，给图像与声音带来不良影响。因此，一般情况下图像采用调幅方式进行调制，声音采用调频方式进行调制。
二、电磁波的传播
波长不同的电磁波有着不同的传播特性，这里我们主要学习无线电波的传播。无线电波的波长范围是1mm~30km。根据波长或频率，可以把无线电波分为几个波段，不同波段的传播方式和主要用途如下表所示。
{5940675A-B579-460E-94D1-54222C63F5DA}波段
波长λ/m
频率f/kHz
传播方式
主要用途
长波
3000~30000
10~100
地波
超远程无线电通信和导航
中波
200~3000
100~1500
地波和天波
调幅无线电广播、电报、通信
中短波
50~200
1500~6000
短波
10~50
6000~30000
天波
微波
米波
1~10
30000~300000
近似于直线传播
调频无线电广播、电视、导航
分米波
0.1~1
300000~3000000
直线传播
电视、雷达、导航
厘米波
0.01~0.1
3000000~30000000
毫米波
0.001~0.01
30000000~300000000
无线电波的传播方式主要有三种：地波、天波和直线传播，如图所示：
沿地球表面传播无线电波的方式称为地波传播.无线电波的波长越长，越容易绕过地面的障碍物。中、长波能绕过地球表面上多数障碍物，因此可采用地波传播方式。但中波和中短波虽然能绕过障碍物，能量损耗却较多。因此中波段的收音机一般只能收听到本地或附近省市的电台。
利用大气中电离层的反射来传播无线电波的方式称为天波传播。短波和部分中波的波长较短，但能够在地面与电离层之间来回反射进行传播，可采用天波传播方式。由于电离层容易受到太阳辐射的影响，造成反射的天波时强时弱，所以收音机收到的短波信号会出现忽大忽小、不够稳定的现象。
沿直线传播无线电波的方式称为直线传播，又叫作空间波。微波的波长较短，能够穿透电离层，因此只能采用直线传播方式，从发射天线直接传播到接收天线。由于地球是一个近似的球体，无线电波沿直线传播的距离一般只有几十千米，所以需要设立许多中继站，不断地把信号接收、放大，再传到下一站，就像接力赛跑一样，一站一站地把信号传送到远方。
同步通信卫星(如图所示)是一个很好的中继站。把无线电信号先传给通信卫星，然后由通信卫星把信号转发回地面，这样能大大地增加信号的覆盖面积。
三、电磁波的接收
在空间传播的电磁波如果遇到导体，会在导体中产生微弱的感应电流，感应电流的频率与激起它的电磁波的频率相同。因此，可以用导体制成的天线和地线组成接收电路来接收电磁波。
在我们周围空间弥漫着许多不同频率的无线电波，从中把需要的选出来，这一过程称为选台。类比机械振动中的共振现象，当接收电路的固有频率被调到与需要接收的无线电波的频率相同时，这个频率的无线电波在接收电路里将激起最强的振荡电流，这个过程称为调谐。能够调谐的接收电路称为调谐电路。如图所示是一个简单的调谐电路。
经过调制的高频振荡电流，还必须设法从中筛选出需要的低频信号电流。从高频振荡电流中“检”出它所携带的低频信号电流的过程称为检波。检波是调制的逆过程，所以又叫解调。检波之后的信号再经过放大、重现，还原成声音、文字、图片或图像。
1.（2022·河北·高二期中）2021年10月16日，“神舟十三号”载人飞船成功发射，将3名航天员送入中国空间站开展为期6个月的科学实验。在空间站，航天员与地面通信采用的是（　　）
A．超声波 B．无线电波 C．有线通信 D．声波
B
课堂练习
2.（2021·贵州·开阳县第三中学高二）雷达可以用来探测台风、雷雨、云层，在军事上可以用来发现飞机、舰艇等目标。雷达工作时利用了下列哪种电磁波（　　）
A．可见光 B．紫外线
C．无线电波 D．????射线
?
C
3.关于无线电波的发射和接收，下列说法中正确的是（　　）
A．为了将信号发射出去，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．为了从高频电流中取出声音信号，就要进行调频
D．为了将信号发射出去，必须使用开放电路
D
4.（2022·重庆·西南大学附中高二）“小蜜蜂”是老师上课常用的扩音设备，随着无线电技术的应用，很多老师用上了蓝牙“小蜜蜂”（蓝牙属于电磁波），麦克风与扩音器不用导线连接，老师拿着麦克风在教室中间说话，放在讲台上的扩音器也能工作．下列说法正确的是（???????）
A．“小蜜蜂”只接收到了来自麦克风的信号
B．麦克风中只要有变化的电场，就一定能发出蓝牙信号
C．“小蜜蜂”接收电磁波时，通过调制来使接收电路中出现电谐振现象
D．麦克风回路可通过减小发射电磁波的波长来提高LC振荡电路发射电磁波的本领
D
5.（2022·山西·朔州市朔城区第一中学校高二开学考试）手机发射和接收的信号属于电磁波。手机将信号通过天线发送到最近的一个移动基站，基站通过有线连接到机房的交换机，交换机再通过线连接到另一部手机最近的基站，基站将信号发送出去，通过已知信道被另一部手机接收。下列关于电磁波的说法正确的是（　　）
A．只要有电场和磁场，并且发生变化，就能产生电磁波
B．电磁波的传播必须在介质中才能进行
C．基站停止工作，发射出去的电磁波也就停止传播
D．电磁波的传播也就是能量的传播
D
6.（2021·辽宁锦州·高二期末）如图所示，2020年11月13日，万米深潜器“奋斗者号”再次深潜至地球的最深处——马里亚纳海沟。借助无线电波、激光等传输信号，实现深潜器舱内和海底作业的电视直播。下列选项正确的是（　　）
A．无线电波属于电磁波
B．将图像、声音等信号加载到高频电磁波上的过程叫解调
C．信号传输到电视台实现直播的过程中无时间延迟
D．麦克斯韦通过实验证实了电磁波的存在，带来了通信技术的快速发展
A
7.（2022·广东佛山·高二期末）有“中国天眼”美誉的FAST是目前世界最大口径的射电望远镜，它是一种用于接收和研究天体发射的电磁波的特殊装置.下列有关电磁波的说法，正确的是（　　）
A．恒定电场可以在其周围产生电磁波
B．麦克斯韦用实验证实了电磁波的存在
C．电磁波的传播不需要介质
D．电磁波具有能量，但没有质量
C
8.（2021·山东·夏津第一中学高二）雪深雷达是2020珠峰高程测量主力设备之一，该系统主要利用天线发射和接收高频电磁波来探测珠峰峰顶冰雪层厚度，如图所示。下列说法正确的是（　　）
A．雷达利用电磁波的干涉特性工作
B．电磁波发射时需要进行调谐和解调
C．电磁波从空气进入雪地，频率减小，波长增大
D．在电磁波中，电场和磁场随时间和空间做周期性变化
D
9.近场通信（NFC）是一种短距高频的无线电技术，其主要结构就是线圈和电容组成的类似LC振荡电路的并联谐振电路，其终端有主动、被动和双向三种模式，最常见的被动模式广泛应用于公交卡、门禁卡、校园一卡通等，刷卡时，电路发生电谐振，给电容器充电，达到一定电压后，在读卡设备发出的射频场中响应，被读或写入信息。下列说法正确的是（　　）
A．LC电路的电容器在充电时，电流增大
B．如果增大LC电路中电容器两极板间距离，振荡周期将增大
C．LC电路中，电容器充电时，线圈中自感电动势增大
D．电磁波发射时，使电磁波随各种信号而改变的技术叫电谐振
C
10.（2021·山东山东·高二期中）关于高频电视信号的发射和接收，下列说法中不正确的是（　　）
A．要使电视机的屏幕上有图像，必须要有解调过程
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．为了使振荡电路有效地向空间辐射能量，必须是闭合电路
D
2.电磁波的传播与无线电波的传播方式
3.电磁波的接收
课堂小结
1.电磁波的发射、无线电波
课堂训练
1.（2022·广东汕尾·高二期末）下列说法中正确的是（???????）
A．全息照相的拍摄利用了光的干涉原理
B．做简谐运动的物体，其振动能量与振幅无关
C．医学上用激光做“光刀”来进行手术，主要是利用了激光的亮度高、能量大的特点
D．机械波传播需要介质，电磁波可以在真空中传播
ACD
课堂训练
2.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
ABC
课堂训练
3.无线电技术的发展给人类带来了极大的便利。有关无线电技术，下列说法中正确的是（　　）
A．在通信中被广泛应用的无线电波是电磁波谱中波长最短的
B．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
C．为了从高频电流中取出所携带的声音信号，就要进行调制
D．手机使用过程中发射的无线电波都是经过调制的
BD
课堂训练
4.（2022·湖南省临湘市教研室高二期末）下列说法正确的是（　　）
A．LC振荡回路中，振荡电流相邻两次为零的时间间隔等于振荡周期的一半
B．LC振荡回路中，振荡电流为零时，电场能为零
C．在电磁波接收过程中，把声音信号或图像信号从高频电流中还原出来的过程叫调制
D．电视信号的发射、接收过程为：景物→电信号→电磁波→电信号→图像
AD
课堂训练
5.有一种多功能LED限速牌，如图所示，没有车通过的时候，它显示出该路段的限速值。当有车通过时，它显示出该车的车速，并根据该车是否超速给出提示，这是雷达在生活中的一种应用。下列说法正确的是（　　）
A．该雷达只需发送一次电磁脉冲就能知道车的速度
B．该雷达至少要发送两次电磁脉冲才能知道车的速度
C．该雷达只需发送一次电磁脉冲就能知道车离雷达的距离
D．该雷达必须发送两次电磁脉冲才能知道车离雷达的距离
BC
课堂训练
6.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原理，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
ABD

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