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2　电磁场与
电磁波
3　无线电波的发射和接收
[定位·学习目标]　
1.进一步了解麦克斯韦电磁场理论的基本思想。知道电磁波的概念。初步了解电磁场是物质的一种形式。会从电磁场的物质性与能量传播的观点解释电磁波的发射与接收。2.了解有效地发射电磁波的两个条件。了解调制、调幅、调频、调谐、解调、电谐振的概念及其相互关系。能解释无线电波发射、接收的过程。了解电视广播的发射与接收的原理与过程。3.领会在发现电磁波的过程中所蕴含的科学精神和科学研究方法,体会赫兹实验证明电磁波存在的重大意义。4.了解发现电磁波的历史背景,知道麦克斯韦对电磁学的伟大贡献。领会物理实验对物理学发展的基础意义。领会高频电磁波在无线电发射与接收中的重要作用。
探究·必备知识
知识点一　电磁场与电磁波
「探究新知」
1.麦克斯韦电磁场理论
(1)变化的磁场产生 场(图甲);变化的电场产生 场(图乙)。
电
磁
(2)变化的电场和磁场总是相互联系的,形成一个不可分割的统一的 场。
(3)变化的 场和 场由近及远地向周围传播,形成了电磁波。
电磁
电
磁
2.电磁波
(1)麦克斯韦预言:电磁波在真空中的传播速度等于 ;光是电磁波。
(2) 通过实验证实了电磁波的存在。
光速c
赫兹
正误辨析
(1)在变化的磁场周围一定会产生变化的电场。(　 　)
(2)在电容器充、放电的过程中,电容器两极板间周期性变化的电场会产生磁场。(　 　)
(3)电磁波是横波。(　 　)
(4)赫兹证实了麦克斯韦的电磁场理论。(　 　)
√
×
√
√
知识点二　无线电波的发射和接收
「探究新知」
1.无线电波的发射
(1)有效发射电磁波的条件。
①要有足够 的振荡频率。频率越高,发射电磁波的本领就越大。
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 电路。
(2)电磁波的调制。
①载波:用来携带信号的高频电磁波。
②调制:使载波随各种信号而改变的技术。
高
开放
③调幅(AM):使高频电磁波的 随信号的强弱而变的调制方法,如图。
振幅
④调频(FM):使高频电磁波的 随信号的强弱而变的调制方法,如图。
频率
2.无线电波的接收
(1)电谐振:当接收电路的 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。
(2)调谐:
使接收电路产生 的过程叫作调谐,如图是收音机的一种调谐电路。
(3)解调:把声音或图像信号从 中还原出来。
固有
电谐振
高频电流
3.电视广播的发射和接收
(1)高频电视信号的传播方式主要有三种,即地面无线电传输、有线网络传输以及 传输。
(2)不同的传播方式使用不同 范围的电磁波,采取不同的调制方式。
卫星
频率
依据下面情境,判断下列说法的对错。
如图所示的收音机内部含有调谐电路,调节可变电容器的电容可以改变电路的固有频率,从而选出不一样的电台。
(1)这一过程叫作调谐。(　 　)
(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)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。(　 　)
(4)要将传递的声音信号向远距离发射,必须以高频电磁波作为载波。(　 　)
正误辨析
√
×
×
√
突破·关键能力
要点一　电磁场与电磁波
仔细观察下图,认真参与探究活动。
「情境探究」
探究1:如图甲,在变化的磁场中放一个闭合电路,电路里就会产生感应电流。麦克斯韦从场的观点出发,提出了什么假设
【答案】 麦克斯韦从场的观点出发,认为电路里能产生感应电流,是因为变化的磁场产生了电场,正是这个电场促使导体中的自由电荷做定向运动,产生感应电流。他将这种用场描述电磁感应现象的观点,推广到不存在闭合电路的情形,即变化的磁场产生电场。
探究2:静止的电荷在空间各点产生的电场变化吗 当电荷从静止到运动时,它产生的电场变化吗 这时还会在空间产生什么场
【答案】 静止的电荷,它产生的是静电场,即空间各点的电场强度不随时间变化。当电荷从静止到运动时,电场就发生变化,即空间各点的电场强度将随时间变化。运动的电荷在空间要产生磁场。
探究3:如图乙,在电容器放电的过程中,电荷定向运动形成电流,同时两极板间的电场随着放电而变化,从场的观点出发,麦克斯韦提出了什么假设
【答案】 从场的观点出发,麦克斯韦假设变化的电场就像运动的电荷,也会在空间产生磁场,即变化的电场产生磁场。
探究4:如果图乙中的电容器周期性地充、放电,在电容器两极板间就会形成周期性变化的电场。试根据麦克斯韦的两个假设阐述电磁波的形成。
【答案】 这个周期性变化的电场会在空间引起变化的磁场,变化的电场和磁场又会在较远的空间引起新的变化的电场和磁场。这样变化的电场和磁场由近及远地向周围传播,形成了电磁波。
探究5:根据上述探究分析,电磁波在真空中能传播吗
【答案】 电磁波的传播,靠的是电和磁的相互“感应”,而不是靠介质的机械传递。所以电磁波不需要任何介质,在真空中也能传播。这是由电磁波的本性所决定的。
探究6:根据甲、乙两图电场与磁场方向的关系分析,电磁波的传播方向与电场强度E和磁感应强度B的方向有什么关系
【答案】 根据甲、乙两图电场与磁场方向的关系并结合电磁波的形成过程可知,产生的电场方向垂直于磁场,产生的磁场方向垂直于电场,而电磁波的传播方向与电场强度E和磁感应强度B的方向都垂直。
1.对麦克斯韦电磁场理论的理解
「要点归纳」
恒定的电场不产生磁场 恒定的磁场不产生电场
均匀变化的电场在周围空间产生恒定的磁场 均匀变化的磁场在周围空间产生恒定的电场
不均匀变化的电场在周围空间产生变化的磁场 不均匀变化的磁场在周围空间产生变化的电场
振荡(周期性变化的)电场产生同频率的振荡磁场 振荡(周期性变化的)磁场产生同频率的振荡电场
2.对电磁波的理解
(1)电磁波的传播不需要介质,可在真空中传播。在真空中,不同频率的电磁波传播速度是相同的(都等于光速)。
(2)不同频率的电磁波,在同一介质中传播,其速度是不同的,频率越高,波速越小。
3.电磁波与机械波的比较
项目 机械波 电磁波
研究对象 力学现象 电磁现象
周期性 位移随时间和空间做周期性变化 电场强度E和磁感应强度B随时间和空间做周期性变化
传播情况 传播需要介质,波速与介质有关,与频率无关 传播无需介质,在真空中波速等于光速c,在介质中传播时,波速与介质和频率都有关
产生机理 由质点(波源)的振动产生 由电磁振荡激发
是横波 还是纵波 可能是横波, 也可能是纵波 横波
干涉 和衍射 可以发生干涉和衍射 [例1] (对电磁场的理解)(多选)根据麦克斯韦电磁场理论,变化的磁场可以产生电场。当产生的电场的电场线如图所示时,可能是(　 　)
[A] 向上方向的磁场在增强
[B] 向下方向的磁场在减弱
[C] 向上方向的磁场在减弱
[D] 向下方向的磁场在增强
「典例研习」
AB
【解析】 向上方向的磁场在增强,根据楞次定律结合安培定则可知,产生的电场方向为顺时针方向,故A正确;向下方向的磁场在减弱,根据楞次定律结合安培定则可知,产生的电场方向为顺时针方向,故B正确;同理可判断C、D错误。
[例2] (对电磁波的理解)(多选)“中国天眼”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] 麦克斯韦预言电磁波存在,赫兹通过实验证实电磁波的存在
[B] 变化的磁场一定可以产生电场,变化的电场一定可以产生变化的磁场
[C] 电磁波的传播需要介质
[D] 电磁波是横波
AD
【解析】 麦克斯韦预言电磁波存在,赫兹通过实验证实电磁波的存在,故A正确;变化的磁场一定可以产生电场,变化的电场不一定可以产生变化的磁场,比如均匀变化的电场产生稳定的磁场,故B错误;电磁波的传播不需要介质,故C错误;电磁波的传播方向与振动方向垂直,是横波,故D正确。
[例3] (电磁波与机械波的比较)(多选)下列关于机械波与电磁波的说法正确的是(　 　)
[A] 机械波与电磁波本质上是一致的
[B] 机械波的波速只与介质有关,而电磁波在介质中的波速不仅与介质有关,还与电磁波的频率有关
[C] 机械波可能是纵波,而电磁波必定是横波
[D] 它们都能发生反射、折射、干涉和衍射现象
BCD
【解析】 机械波是机械振动在介质中的传播,所以机械波的传播离不开介质,且其波速只与介质的性质有关,而与机械波的频率无关,机械波既有横波又有纵波;电磁波是电磁场范围的不断扩大,电场和磁场都可以在真空中存在,因而电磁波可以在真空中传播,电磁波的波速由介质和波的频率共同决定,电磁波只能是横波;任何波都能产生反射、折射、干涉和衍射现象,故A错误,B、C、D正确。
·规律方法·
(1)机械波与电磁波的产生原理不同。
(2)机械波有横波也有纵波,而电磁波是横波。
(3)机械波的传播速度仅由介质决定,而介质中的电磁波的传播速度由介质和频率决定。
要点二　无线电波的发射和接收
「情境探究」
仔细观察下图,认真参与探究活动。
探究1:如图甲所示的普通LC振荡电路中,电场和磁场的分布有什么特点
【答案】 在普通的LC振荡电路中,电场主要集中在电容器的极板之间,磁场主要集中在线圈内部。
探究2:如图甲电路在电磁振荡的过程中,电场能和磁场能主要是在电路内互相转化,辐射出去的能量很少,乙与甲相比,哪个电路能更有效地发射电磁波呢 乙与丙相比呢
【答案】 乙与甲相比,乙电路电场分布更广,所以乙能更有效地发射电磁波。乙与丙相比,丙的电场分布更广,磁场分布也广,所以丙比乙能更有效地发射电磁波。
探究3:研究表明,振荡电路向外辐射能量的本领,与振荡频率有关。应从哪些方面提高振荡电路发射电磁波的本领
【答案】 振荡频率,以及电场和磁场的分布空间。
探究4:根据电磁感应现象,考虑如何接收电磁波信号。
【答案】 变化的磁场会使导体中产生感应电流,所以放置一个闭合导体电路,当有电磁波经过时,变化的磁场会在导体电路中产生变化的感应电流,这样就可以接收到电磁波信号。
「要点归纳」
1.无线电波的发射和接收过程
2.调幅和调频是调制的两种不同方式
(1)使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)使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、图像等信号的频率相对较低,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、图像等信号加载到高频电磁波上的过程就是调制;而将声音、图像等信号从高频信号中还原出来的过程就是解调。
4.正确理解调谐的作用
世界上有许许多多的无线电台、电视台以及各种无线电通信设备,它们不断发射不同频率的电磁波,如果不加选择地全部接收下来,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择出来,通常叫选台。如图所示的是调谐接收电路,在无线电技术中是利用电谐振原理达到该目的的。
[例4] (对无线电波的发射和接收的理解)无线电广播系统方框图如图所示,下列关于a、b装置说法正确的是(　　)
[A] a是调制,b是调谐
[B] a是调制,b是解调
[C] a是调谐,b是解调
[D] a是调谐,b是调制
「典例研习」
B
【解析】 在无线电广播中,人们先将声音信号转换为电信号,然后将这些信号由高频电磁波带着向周围空间传播,可知a是调制。而在另一地点,人们利用接收机接收到这些电磁波后,又将其中的电信号还原成声音信号,这就是无线电广播的大致过程。其中“收音”的顺序大致为:天线接收电磁波→调谐器选出某一频率的电磁波→解调器从高频电流中取出音频电信号,放大后送到扬声器→扬声器把音频电信号转换成声音,可知b是解调。
[例5] (无线电波的发射和接收的应用)随着无线电技术的应用,很多老师用上了蓝牙(蓝牙信号属于电磁波)扩音设备,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] 扩音器直接接收到了来自麦克风的声波信号
[B] 麦克风中只要有变化的电场,就一定能发出蓝牙信号
[C] 扩音器接收电磁波时,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
【解析】 因为蓝牙信号属于电磁波,所以扩音器接收的是来自麦克风的电磁波信号,故A错误;均匀变化的电场产生恒定的磁场,不能产生电磁波信号,故B错误;使电磁波随各种信号而改变的技术叫作调制,使接收电路产生电谐振的过程叫调谐,故C错误;减小发射电磁波的波长会提高频率,从而可以提高LC振荡电路发射电磁波的本领,故D正确。
·规律方法·
电磁波发射的两点提醒
(1)无线电波的发射:由LC振荡电路产生高频振荡电流,用调制器将需要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。
(2)一般电台的中波、中短波、短波广播以及电视中的图像信号,都采用调幅波;电台的调频广播和电视中的伴音信号,都采用调频波。将低频信号类比成货物,高频信号类比成运载工具,调制的过程类比成将货物装载到运载工具上。
提升·核心素养
雷达探测的原理和雷达侦察问题的解决方法
「核心归纳」
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。
3.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。
(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,最根本的在于提高雷达的发射功率。
[例题] 某一飞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5×10-4 s。某时刻在雷达荧光屏上显示的波形如图甲所示,t=173 s后雷达向正上方发射和接收的波形如图乙所示,雷达监视相邻刻线间表示的时间间隔为1×10-4 s,电磁波的传播速度为c=3×108 m/s,则该飞机的飞行速度大约为多少 (结果保留整数)
「典例研习」
【答案】 335 m/s
检测·学习效果
1.关于电磁场和电磁波,下列说法不正确的是(　　)
[A] 变化的电场周围产生变化的磁场,变化的磁场周围产生变化的电场,两者相互联系,统称为电磁场
[B] 电磁场从发生区域由近及远地传播称为电磁波
[C] 电磁波是一种物质,可在真空中传播。所以,平日说真空是没有实物粒子,但不等于什么都没有,有“场”这种特殊物质
[D] 电磁波在真空中的传播速度总是3×108 m/s
A
【解析】 只有非均匀变化的电场才能产生变化的磁场,非均匀变化的磁场才能产生变化的电场,故A错误;非均匀变化的电场周围产生变化的磁场,非均匀变化的磁场周围产生变化的电场且由近及远地传播出去就形成了电磁波,故B正确;电磁波是电场和磁场交替激发在真空中传播,所以电磁波是一种物质,即真空不空,有“场”这种物质,故C正确;电磁波在真空中的传播速度等于光速,即v=3.0×108 m/s,故D正确。
2.在海洋中是不能应用电磁波进行水下通信的,在大海中航行的潜艇都装有声呐,声呐利用声波来进行水下通信,帮助船只导航、测距、定位等,在海洋中不能应用电磁波进行水下通信的主要原因是(　　)
[A] 电磁波不能在海水中传播
[B] 在海水中电磁波的频率不稳定,会随海水起伏而变化
[C] 电磁波在海水中传播速度比在空气中传播速度小
[D] 海水是导体,电磁波在海水中的衰减导致传播距离较短
D
【解析】 在海洋中不能应用电磁波进行水下通信的主要原因是海水是导体,海水对电磁波能量吸收得很厉害,电磁波信号在海水中衰减太快,导致传播距离较短,故选D。
3.老师在讲台上给同学们演示摩擦起电实验:将玻璃棒周期性地反复在丝绸上摩擦,玻璃棒就带上正电荷,丝绸上就带上负电荷。在老师做这个实验过程中,下列说法正确的是(　　)
[A] 摩擦起电过程中只发生电荷转移,不会在周围产生磁场
[B] 摩擦起电过程中既发生电荷转移,又会在周围产生磁场
[C] 老师的手停止摩擦,静止状态下带电的玻璃棒仍会在周围产生磁场
[D] 老师的手停止摩擦,静止状态下带电的丝绸仍会在周围产生磁场
B
【解析】 摩擦起电过程带电玻璃棒反复周期性运动,周期性变化的电场产生磁场,A错误,B正确;老师的手停止摩擦后,静止的电荷不会产生磁场,C、D错误。
4.如图所示为电视接收过程示意图,其工作过程顺序正确的是(　　)
[A] 解调→放大→调谐→显示
[B] 调谐→放大→解调→显示
[C] 调谐→解调→放大→显示
[D] 放大→调谐→解调→显示
C
【解析】 天线接收电磁波;调谐器选出某一频率的电磁波;经高频放大后,从高频电磁波中取出音频电信号,经检波器后送到扬声器;扬声器把音频电信号转换成声音,故接收过程的顺序为调谐→解调→放大→显示。故选C。
感谢观看2　电磁场与电磁波
3　无线电波的发射和接收
[定位·学习目标]　1.进一步了解麦克斯韦电磁场理论的基本思想。知道电磁波的概念。初步了解电磁场是物质的一种形式。会从电磁场的物质性与能量传播的观点解释电磁波的发射与接收。2.了解有效地发射电磁波的两个条件。了解调制、调幅、调频、调谐、解调、电谐振的概念及其相互关系。能解释无线电波发射、接收的过程。了解电视广播的发射与接收的原理与过程。3.领会在发现电磁波的过程中所蕴含的科学精神和科学研究方法,体会赫兹实验证明电磁波存在的重大意义。4.了解发现电磁波的历史背景,知道麦克斯韦对电磁学的伟大贡献。领会物理实验对物理学发展的基础意义。领会高频电磁波在无线电发射与接收中的重要作用。
知识点一　电磁场与电磁波
探究新知
1.麦克斯韦电磁场理论
(1)变化的磁场产生电场(图甲);变化的电场产生磁场(图乙)。
(2)变化的电场和磁场总是相互联系的,形成一个不可分割的统一的电磁场。
(3)变化的电场和磁场由近及远地向周围传播,形成了电磁波。
2.电磁波
(1)麦克斯韦预言:电磁波在真空中的传播速度等于光速c;光是电磁波。
(2)赫兹通过实验证实了电磁波的存在。
正误辨析
(1)在变化的磁场周围一定会产生变化的电场。(　×　)
(2)在电容器充、放电的过程中,电容器两极板间周期性变化的电场会产生磁场。(　√　)
(3)电磁波是横波。(　√　)
(4)赫兹证实了麦克斯韦的电磁场理论。(　√　)
知识点二　无线电波的发射和接收
探究新知
1.无线电波的发射
(1)有效发射电磁波的条件。
①要有足够高的振荡频率。频率越高,发射电磁波的本领就越大。
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)电磁波的调制。
①载波:用来携带信号的高频电磁波。
②调制:使载波随各种信号而改变的技术。
③调幅(AM):使高频电磁波的振幅随信号的强弱而变的调制方法,如图。
④调频(FM):使高频电磁波的频率随信号的强弱而变的调制方法,如图。
2.无线电波的接收
(1)电谐振:当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。
(2)调谐:
使接收电路产生电谐振的过程叫作调谐,如图是收音机的一种调谐电路。
(3)解调:把声音或图像信号从高频电流中还原出来。
3.电视广播的发射和接收
(1)高频电视信号的传播方式主要有三种,即地面无线电传输、有线网络传输以及卫星传输。
(2)不同的传播方式使用不同频率范围的电磁波,采取不同的调制方式。
正误辨析
依据下面情境,判断下列说法的对错。
如图所示的收音机内部含有调谐电路,调节可变电容器的电容可以改变电路的固有频率,从而选出不一样的电台。
(1)这一过程叫作调谐。(　√　)
(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)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。(　×　)
(4)要将传递的声音信号向远距离发射,必须以高频电磁波作为载波。(　√　)
要点一　电磁场与电磁波
情境探究
仔细观察下图,认真参与探究活动。
探究1:如图甲,在变化的磁场中放一个闭合电路,电路里就会产生感应电流。麦克斯韦从场的观点出发,提出了什么假设
【答案】 麦克斯韦从场的观点出发,认为电路里能产生感应电流,是因为变化的磁场产生了电场,正是这个电场促使导体中的自由电荷做定向运动,产生感应电流。他将这种用场描述电磁感应现象的观点,推广到不存在闭合电路的情形,即变化的磁场产生电场。
探究2:静止的电荷在空间各点产生的电场变化吗 当电荷从静止到运动时,它产生的电场变化吗 这时还会在空间产生什么场
【答案】 静止的电荷,它产生的是静电场,即空间各点的电场强度不随时间变化。当电荷从静止到运动时,电场就发生变化,即空间各点的电场强度将随时间变化。运动的电荷在空间要产生磁场。
探究3:如图乙,在电容器放电的过程中,电荷定向运动形成电流,同时两极板间的电场随着放电而变化,从场的观点出发,麦克斯韦提出了什么假设
【答案】 从场的观点出发,麦克斯韦假设变化的电场就像运动的电荷,也会在空间产生磁场,即变化的电场产生磁场。
探究4:如果图乙中的电容器周期性地充、放电,在电容器两极板间就会形成周期性变化的电场。试根据麦克斯韦的两个假设阐述电磁波的形成。
【答案】 这个周期性变化的电场会在空间引起变化的磁场,变化的电场和磁场又会在较远的空间引起新的变化的电场和磁场。这样变化的电场和磁场由近及远地向周围传播,形成了电磁波。
探究5:根据上述探究分析,电磁波在真空中能传播吗
【答案】 电磁波的传播,靠的是电和磁的相互“感应”,而不是靠介质的机械传递。所以电磁波不需要任何介质,在真空中也能传播。这是由电磁波的本性所决定的。
探究6:根据甲、乙两图电场与磁场方向的关系分析,电磁波的传播方向与电场强度E和磁感应强度B的方向有什么关系
【答案】 根据甲、乙两图电场与磁场方向的关系并结合电磁波的形成过程可知,产生的电场方向垂直于磁场,产生的磁场方向垂直于电场,而电磁波的传播方向与电场强度E和磁感应强度B的方向都垂直。
要点归纳
1.对麦克斯韦电磁场理论的理解
恒定的电场不产生磁场 恒定的磁场不产生电场
均匀变化的电场在周围空间产生恒定的磁场 均匀变化的磁场在周围空间产生恒定的电场
不均匀变化的电场在周围空间产生变化的磁场 不均匀变化的磁场在周围空间产生变化的电场
振荡(周期性变化的)电场产生同频率的振荡磁场 振荡(周期性变化的)磁场产生同频率的振荡电场
2.对电磁波的理解
(1)电磁波的传播不需要介质,可在真空中传播。在真空中,不同频率的电磁波传播速度是相同的(都等于光速)。
(2)不同频率的电磁波,在同一介质中传播,其速度是不同的,频率越高,波速越小。
3.电磁波与机械波的比较
项目 机械波 电磁波
研究对象 力学现象 电磁现象
周期性 位移随时间和空间做周期性变化 电场强度E和磁感应强度B随时间和空间做周期性变化
传播情况 传播需要介质,波速与介质有关,与频率无关 传播无需介质,在真空中波速等于光速c,在介质中传播时,波速与介质和频率都有关
产生机理 由质点(波源)的振动产生 由电磁振荡激发
是横波 还是纵波 可能是横波, 也可能是纵波 横波
干涉 和衍射 可以发生干涉和衍射
典例研习
[例1] (对电磁场的理解)(多选)根据麦克斯韦电磁场理论,变化的磁场可以产生电场。当产生的电场的电场线如图所示时,可能是(　　)
[A] 向上方向的磁场在增强
[B] 向下方向的磁场在减弱
[C] 向上方向的磁场在减弱
[D] 向下方向的磁场在增强
【答案】 AB
【解析】 向上方向的磁场在增强,根据楞次定律结合安培定则可知,产生的电场方向为顺时针方向,故A正确;向下方向的磁场在减弱,根据楞次定律结合安培定则可知,产生的电场方向为顺时针方向,故B正确;同理可判断C、D错误。
[例2] (对电磁波的理解)(多选)“中国天眼”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] 麦克斯韦预言电磁波存在,赫兹通过实验证实电磁波的存在
[B] 变化的磁场一定可以产生电场,变化的电场一定可以产生变化的磁场
[C] 电磁波的传播需要介质
[D] 电磁波是横波
【答案】 AD
【解析】 麦克斯韦预言电磁波存在,赫兹通过实验证实电磁波的存在,故A正确;变化的磁场一定可以产生电场,变化的电场不一定可以产生变化的磁场,比如均匀变化的电场产生稳定的磁场,故B错误;电磁波的传播不需要介质,故C错误;电磁波的传播方向与振动方向垂直,是横波,故D正确。
[例3] (电磁波与机械波的比较)(多选)下列关于机械波与电磁波的说法正确的是(　　)
[A] 机械波与电磁波本质上是一致的
[B] 机械波的波速只与介质有关,而电磁波在介质中的波速不仅与介质有关,还与电磁波的频率有关
[C] 机械波可能是纵波,而电磁波必定是横波
[D] 它们都能发生反射、折射、干涉和衍射现象
【答案】 BCD
【解析】 机械波是机械振动在介质中的传播,所以机械波的传播离不开介质,且其波速只与介质的性质有关,而与机械波的频率无关,机械波既有横波又有纵波;电磁波是电磁场范围的不断扩大,电场和磁场都可以在真空中存在,因而电磁波可以在真空中传播,电磁波的波速由介质和波的频率共同决定,电磁波只能是横波;任何波都能产生反射、折射、干涉和衍射现象,故A错误,B、C、D正确。
(1)机械波与电磁波的产生原理不同。
(2)机械波有横波也有纵波,而电磁波是横波。
(3)机械波的传播速度仅由介质决定,而介质中的电磁波的传播速度由介质和频率决定。
要点二　无线电波的发射和接收
情境探究
仔细观察下图,认真参与探究活动。
探究1:如图甲所示的普通LC振荡电路中,电场和磁场的分布有什么特点
【答案】 在普通的LC振荡电路中,电场主要集中在电容器的极板之间,磁场主要集中在线圈内部。
探究2:如图甲电路在电磁振荡的过程中,电场能和磁场能主要是在电路内互相转化,辐射出去的能量很少,乙与甲相比,哪个电路能更有效地发射电磁波呢 乙与丙相比呢
【答案】 乙与甲相比,乙电路电场分布更广,所以乙能更有效地发射电磁波。乙与丙相比,丙的电场分布更广,磁场分布也广,所以丙比乙能更有效地发射电磁波。
探究3:研究表明,振荡电路向外辐射能量的本领,与振荡频率有关。应从哪些方面提高振荡电路发射电磁波的本领
【答案】 振荡频率,以及电场和磁场的分布空间。
探究4:根据电磁感应现象,考虑如何接收电磁波信号。
【答案】 变化的磁场会使导体中产生感应电流,所以放置一个闭合导体电路,当有电磁波经过时,变化的磁场会在导体电路中产生变化的感应电流,这样就可以接收到电磁波信号。
要点归纳
1.无线电波的发射和接收过程
2.调幅和调频是调制的两种不同方式
(1)使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)使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、图像等信号的频率相对较低,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、图像等信号加载到高频电磁波上的过程就是调制;而将声音、图像等信号从高频信号中还原出来的过程就是解调。
4.正确理解调谐的作用
世界上有许许多多的无线电台、电视台以及各种无线电通信设备,它们不断发射不同频率的电磁波,如果不加选择地全部接收下来,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择出来,通常叫选台。如图所示的是调谐接收电路,在无线电技术中是利用电谐振原理达到该目的的。
典例研习
[例4] (对无线电波的发射和接收的理解)无线电广播系统方框图如图所示,下列关于a、b装置说法正确的是(　　)
[A] a是调制,b是调谐
[B] a是调制,b是解调
[C] a是调谐,b是解调
[D] a是调谐,b是调制
【答案】 B
【解析】 在无线电广播中,人们先将声音信号转换为电信号,然后将这些信号由高频电磁波带着向周围空间传播,可知a是调制。而在另一地点,人们利用接收机接收到这些电磁波后,又将其中的电信号还原成声音信号,这就是无线电广播的大致过程。其中“收音”的顺序大致为:天线接收电磁波→调谐器选出某一频率的电磁波→解调器从高频电流中取出音频电信号,放大后送到扬声器→扬声器把音频电信号转换成声音,可知b是解调。
[例5] (无线电波的发射和接收的应用)随着无线电技术的应用,很多老师用上了蓝牙(蓝牙信号属于电磁波)扩音设备,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] 扩音器直接接收到了来自麦克风的声波信号
[B] 麦克风中只要有变化的电场,就一定能发出蓝牙信号
[C] 扩音器接收电磁波时,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
【答案】 D
【解析】 因为蓝牙信号属于电磁波,所以扩音器接收的是来自麦克风的电磁波信号,故A错误;均匀变化的电场产生恒定的磁场,不能产生电磁波信号,故B错误;使电磁波随各种信号而改变的技术叫作调制,使接收电路产生电谐振的过程叫调谐,故C错误;减小发射电磁波的波长会提高频率,从而可以提高LC振荡电路发射电磁波的本领,故D正确。
电磁波发射的两点提醒
(1)无线电波的发射:由LC振荡电路产生高频振荡电流,用调制器将需要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。
(2)一般电台的中波、中短波、短波广播以及电视中的图像信号,都采用调幅波;电台的调频广播和电视中的伴音信号,都采用调频波。将低频信号类比成货物,高频信号类比成运载工具,调制的过程类比成将货物装载到运载工具上。
雷达探测的原理和雷达侦察问题的解决方法
核心归纳
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。
3.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,最根本的在于提高雷达的发射功率。
典例研习
[例题] 某一飞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5×10-4 s。某时刻在雷达荧光屏上显示的波形如图甲所示,
t=173 s后雷达向正上方发射和接收的波形如图乙所示,雷达监视相邻刻线间表示的时间间隔为1×10-4 s,电磁波的传播速度为c=3×108 m/s,则该飞机的飞行速度大约为多少 (结果保留整数)
【答案】 335 m/s
【解析】 由题意知荧光屏相邻刻线间的时间间隔t0=1×10-4 s,题图甲发射波和接收波的时间间隔t1=4×10-4 s,题图乙时间间隔t2=1×10-4 s,所以第一次飞机位置距雷达的距离为
s1=c·=6.0×104 m,
第二次飞机在雷达正上方,所以飞机高度h=c·=1.5×104 m,
所以173 s内飞机飞行的水平距离为s=≈5.8×104 m,
所以v=≈335 m/s。
1.关于电磁场和电磁波,下列说法不正确的是(　　)
[A] 变化的电场周围产生变化的磁场,变化的磁场周围产生变化的电场,两者相互联系,统称为电磁场
[B] 电磁场从发生区域由近及远地传播称为电磁波
[C] 电磁波是一种物质,可在真空中传播。所以,平日说真空是没有实物粒子,但不等于什么都没有,有“场”这种特殊物质
[D] 电磁波在真空中的传播速度总是3×108 m/s
【答案】 A
【解析】 只有非均匀变化的电场才能产生变化的磁场,非均匀变化的磁场才能产生变化的电场,故A错误;非均匀变化的电场周围产生变化的磁场,非均匀变化的磁场周围产生变化的电场且由近及远地传播出去就形成了电磁波,故B正确;电磁波是电场和磁场交替激发在真空中传播,所以电磁波是一种物质,即真空不空,有“场”这种物质,故C正确;电磁波在真空中的传播速度等于光速,即v=3.0×108 m/s,故D正确。
2.在海洋中是不能应用电磁波进行水下通信的,在大海中航行的潜艇都装有声呐,声呐利用声波来进行水下通信,帮助船只导航、测距、定位等,在海洋中不能应用电磁波进行水下通信的主要原因是(　　)
[A] 电磁波不能在海水中传播
[B] 在海水中电磁波的频率不稳定,会随海水起伏而变化
[C] 电磁波在海水中传播速度比在空气中传播速度小
[D] 海水是导体,电磁波在海水中的衰减导致传播距离较短
【答案】 D
【解析】 在海洋中不能应用电磁波进行水下通信的主要原因是海水是导体,海水对电磁波能量吸收得很厉害,电磁波信号在海水中衰减太快,导致传播距离较短,故选D。
3.老师在讲台上给同学们演示摩擦起电实验:将玻璃棒周期性地反复在丝绸上摩擦,玻璃棒就带上正电荷,丝绸上就带上负电荷。在老师做这个实验过程中,下列说法正确的是(　　)
[A] 摩擦起电过程中只发生电荷转移,不会在周围产生磁场
[B] 摩擦起电过程中既发生电荷转移,又会在周围产生磁场
[C] 老师的手停止摩擦,静止状态下带电的玻璃棒仍会在周围产生磁场
[D] 老师的手停止摩擦,静止状态下带电的丝绸仍会在周围产生磁场
【答案】 B
【解析】 摩擦起电过程带电玻璃棒反复周期性运动,周期性变化的电场产生磁场,A错误,B正确;老师的手停止摩擦后,静止的电荷不会产生磁场,C、D错误。
4.如图所示为电视接收过程示意图,其工作过程顺序正确的是(　　)
[A] 解调→放大→调谐→显示
[B] 调谐→放大→解调→显示
[C] 调谐→解调→放大→显示
[D] 放大→调谐→解调→显示
【答案】 C
【解析】 天线接收电磁波;调谐器选出某一频率的电磁波;经高频放大后,从高频电磁波中取出音频电信号,经检波器后送到扬声器;扬声器把音频电信号转换成声音,故接收过程的顺序为调谐→解调→放大→显示。故选C。
课时作业
(分值:50分)
基础巩固练
考点一　电磁场与电磁波
1.(4分)在下列磁感应强度B随时间t变化的磁场中,能产生电磁波的是(　　)
　　　　
[A] [B]
　　　　
[C] [D]
【答案】 A
【解析】 B随t成正弦规律变化,产生的电场成余弦规律变化,周期性变化的磁场和电场交替产生,从而产生电磁波,故A符合题意;B随t均匀变化,产生恒定电场,不能产生电磁波,故B不符合题意;B随t不是连续变化,只在方向改变的一瞬间有电场产生,不能形成交替变化的电场和磁场,进而不能产生电磁波,故C不符合题意;B恒定,不产生电场,不能产生电磁波,故D不符合题意。
2.(4分)1886年,赫兹做了如图所示的实验,关于该实验,下列说法正确的是(　　)
[A] 实验证实了电磁波的存在
[B] 实验证实了法拉第的电磁场理论
[C] 实验可以说明电磁波是一种纵波
[D] 在真空环境下进行实验,仍能观察到明显的火花放电
【答案】 A
【解析】 该实验是赫兹用来发射和接收电磁波的实验,不能说明电磁波是横波还是纵波。之后进行了一系列实验观察到电磁波的反射、折射、干涉、偏振和衍射等现象,测出了电磁波在真空中的速度等于光速,证明了电磁波与光的统一性,才证实了麦克斯韦的电磁场理论,故A正确,B、C错误。实验中火花放电是空气被击穿的现象,在真空环境下进行实验,不能观察到明显的火花放电,故D错误。
3.(4分)如图所示为公交车上的读卡机,当听到“嘀”的声音时,表示刷卡成功。刷卡所用的IC卡内部有电感线圈L和电容器C构成的LC振荡电路。刷卡时,读卡机向外发射某一特定频率的电磁波,IC卡内的LC振荡电路产生电谐振,线圈L中产生感应电流,给电容器C充电,达到一定的电压后,驱动卡内芯片进行数据处理和传输。下列说法正确的是(　　)
[A] 读卡机发射的电磁波不能在真空中传播
[B] IC卡工作所需要的能量来源于卡内的电源
[C] 若读卡机发射的电磁波频率偏离该特定频率,则IC卡内不会产生感应电流
[D] IC卡既能接收读卡机发射的电磁波,也有向读卡机传输数据的功能
【答案】 D
【解析】 读卡机发射的电磁波能够在真空中传播,A错误。IC卡工作时所需要的能量来源于电磁感应产生的能量,B错误。若读卡机发射的电磁波频率偏离该特定频率,则不能产生电谐振,但能使IC卡内产生感应电流,对电容器C充电,C错误。IC卡接收读卡机发射的电磁波,发生电谐振,通过电磁感应产生感应电流,驱动卡内芯片进行数据处理后向读卡机传输数据,D正确。
考点二　无线电波的发射和接收
4.(4分)收音机的调谐电路如图所示,旋转收音机面板上的“调频”旋钮可以改变可变电容器C的电容,进而改变调谐电路的频率。某同学发现一个频率最高的中波电台接收不到,但可以接收其他中波电台。下列说法或做法正确的是(　　)
[A] 为了接收到这个电台,他应该增加线圈的匝数
[B] 将可变电容器的动片旋出一些后将接收到波长更大的电信号
[C] 调节“调频”旋钮的目的是使调谐电路的固有频率跟接收的电磁波频率相同
[D] 电磁波经过调谐电路后就可以得到我们所需要的声音信号
【答案】 C
【解析】 接收不到高频电台的信号,需要增加调谐电路的固有频率,根据f=可知,增加线圈匝数,会使自感系数增大,从而导致固有频率减小,所以应该减少线圈匝数,故A错误;电容器的动片旋出一些相当于电容减小,因此调谐电路的固有频率会增加,根据公式c=λf可知,频率越大,波长越小,所以电容器的动片旋出一些后将接收到波长更小的电信号,故B错误;调节“调频”旋钮的目的是达到电谐振,即使调谐电路的固有频率跟接收的电磁波频率相同,故C正确;电磁波经过调谐电路后还需要通过解调才能得到我们需要的声音信号,故D错误。
5.(6分)(多选)关于电磁波的发射和接收,下列说法正确的是(　　)
[A] 为了使振荡电路有效地向空间辐射能量,必须是闭合电路
[B] 为了使振荡电路有效地向空间辐射能量,必须是开放电路
[C] 当接收电路的固有频率与收到的电磁波的频率相同时,接收电路中产生的振荡电流最强
[D] 要使电视机的屏上有图像,必须要有解调过程
【答案】 BCD
【解析】 为了有效地向空间辐射能量,必须是开放电路,故A错误,B正确;当接收电路的固有频率与收到的电磁波的频率相同时,发生电谐振,接收电路中产生的振荡电流最强,故C正确;接收到的高频感应电流还不是所需要的信号,还要将信号从高频电流还原出来,解调后才能得到原来的信号,故D正确。
6.(6分)(多选)电磁波可应用于卫星通信,下列说法正确的是(　　)
[A] 当接收电路中产生电谐振时,振荡电流的振幅最大,接收到的能量最大
[B] 电磁波的频率越高,越趋近于直线传播,衍射能力越差,在传播中的衰减也越大
[C] 为了有效地发射电磁波,可降低LC开放电路的振荡频率
[D] 卫星通信是利用卫星作为无线电波传播的中继站,补充能量后再发往下一站
【答案】 ABD
【解析】 电谐振现象发生时,振荡电流的振幅最大,接收到的能量最大,故A正确;电磁波的频率越高,波长越小,越趋近于直线传播,衍射能力越差,在传播中的衰减也越大,故B正确;为了有效地发射电磁波,可增大LC开放电路的振荡频率,故C错误;卫星通信是利用卫星作为无线电波传播的中继站,补充能量后再发往下一站,故D正确。
能力提升练
7.(4分)(2024·浙江阶段练习)某同学自己绕制天线线圈,制作一个简单的收音机,用来收听中波的无线电广播,初步制作后发现有一个频率最高的中波电台收不到,但可以接收其他中波电台。适当调整后,去户外使用,假设空间中存在波长分别为300 m、397 m、566 m的无线电波,下列说法正确的是(　　)
[A] 使接收电路产生电谐振的过程叫作解调
[B] 在电磁波发射技术中,只有调频这种调制方式
[C] 为更好接收波长为300 m的无线电波,应把收音机的调谐频率调到1 MHz
[D] 为了能收到频率最高的中波电台,应增加线圈的匝数
【答案】 C
【解析】 使接收电路产生电谐振的过程叫作调谐,故A错误;在电磁波发射技术中,有调频和调幅两种调制方式,故B错误;为更好接收波长为300 m的无线电波,根据f== Hz=
1×106 Hz=1 MHz,可知应把收音机的调谐频率调到 1 MHz,故C正确;为了能收到频率最高的中波电台,应增大调谐电路的固有频率,根据f=,可知应减少线圈的匝数,故D
错误。
8.(6分)打开收音机的开关,转动选台旋钮,使收音机收不到电台的广播,然后开大音量。接着,按照如图所示的方式在收音机附近将电池盒的两引线反复碰触,你会听到收音机中发出“咔咔咔”的响声。为什么会产生这种现象
【答案】 见解析
【解析】 电池盒的两根引线反复碰触时,电流迅速变化,产生的电场迅速变化,变化的电场产生磁场,变化的磁场产生电场形成电磁波向外传播,当电磁波遇到收音机时被接收到,从而发出咔咔的声响。
9.(12分)如图所示,某车载收音机的LC电路由固定线圈和可调电容器组成。一听众通过旋转可变电容器的动片,使收音机接收电路产生电谐振,从而清晰地收听到FM 101.5 MHz某广播电台的节目。已知电感线圈的自感系数 L=5.0×10-4 H,光速c=3.0×108 m/s,取
π2=10。求:
(1)FM 101.5 MHz在空气中传播时的波长;(结果保留2位有效数字)
(2)电谐振时电容器的电容。(结果保留2位有效数字)
【答案】 (1)3.0 m　(2)4.9×10-15 F
【解析】 (1)f=101.5 MHz=101.5×106 Hz,
由c=λf,
得λ=≈3.0 m。
(2)由f=,
得C=≈4.9×10-15 F。

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