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第四章 电磁振荡与电磁波
人教物理选择性必修第二册
第四章 电磁振荡与电磁波
4.4
电磁波谱
我们知道电磁波包括无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线等。太阳辐射中就包含了波长不同的各种各样的电磁波。不同电磁波具有不同的波长(频率)，具有不同的特性。电磁波谱就是按电磁波的波长大小或频率高低的顺序把它们排列成的谱。
一 无线电波
技术上把波长大于 1mm (频率低于300GHz) 的电磁波称作无线电波，并按波长(频率) 划分为若干波段。不同波段的无线电波的传播特点不一样，发射、接收所用的设备和技术也不尽相同，因此各有不同的用途。无线电波的波段可大致如表1所示划分。
无线电波广泛应用于通信、广播及其他信号传输。
广播电台和电视台都有发射无线电波的设备，雷达也是利用无线电波来测定物体位置的无线电设备(图4.4-1)。电磁波遇到障碍物要发生反射，雷达就是利用电磁波的这个特性工作的。波长短的电磁波，由于衍射现象不明显，传播的方向性好，有利于用电磁波定位，因此雷达用的是微波。
移动电话也应用了无线电波。每一部移动电话都是一个无线电台，它将用户的信息转变为高频电信号发射到空中；同时它又捕捉空中的电磁波，使用户接收到对方送来的信息。
许多自然过程也辐射无线电波。天文学家用射电望远镜 (图 4.4-2) 接收天体辐射的无线电波，进行天体物理研究。
移动电话经常使用 Wi-Fi联网，也会用蓝牙传输数据。但是，由于Wi-Fi和蓝牙使用了相同频段的无线电波，两者可能互相干扰。请你利用移动电话中的应用程序检查一下，在连接蓝牙鼠标或蓝牙音响后，移动电话的上网速度会不会受到影响(图4.4-3)。再查一查Wi-Fi和蓝牙所使用的电磁波的频率是多少。
二 红外线
红外线的波长比无线电波短，比可见光长。所有物体都发射红外线。热物体的红外辐射比冷物体的红外辐射强。
烤箱中的红光不是红外线，红外线是看不见的
红外探测器能在较冷的背景上探测出较热物体的红外辐射，这是夜视仪器和红外摄影的基础 (图4.4-4)。
用灵敏的红外探测器接收远处物体发出的红外线，然后用电子电路对信号进行处理，可以得知被测对象的形状及温度、湿度等参数。这就是红外遥感技术。利用红外遥感技术可以在飞机或人造地球卫星上勘测地热、寻找水源、监视森林火情、预报风暴和寒潮。红外遥感技术在军事上的应用也十分重要。人体也在发射红外线，体温越高，发射的红外线越强。根据这个原理制成的红外体温计不与身体接触也可以测量体温。
森林火场热红外影像
许多动物具有发达的红外感受器官，因此在夜间也可以“看到”物体。查一查哪些动物有这方面的功能。
响尾蛇
三 可见光
能使人的眼睛产生视觉效应的电磁波，称为可见光。可见光的波长为 400~760nm。科学研究发现，波长 (频率) 范围不同的光表现为不同的颜色，如表2所示。
不同波长的单色光组合也能产生不同的颜色，我们看到的阳光就是由各种色光组成的(图4.4-5)。人类的眼睛正是通过这一波段的电磁波，获得了外部世界的大量信息。
大气散射阳光，波长短散射容易。早、晚的阳光穿过的大气层较厚，蓝、紫光散射多，剩下更多的红、橙光， 所以颜色发红。
彩虹的成因
大气中的水滴把阳光分解为色光
牛顿用三棱镜分解太阳光的实验
四 紫外线
人眼看不到比紫光波长更短的电磁波。在紫光之外，波长范围为 5 ~ 370nm 的电磁波是紫外线。紫外线具有较高的能量，足以破坏细胞核中的物质。因此，可以利用紫外线灭菌消毒(图4.4-6)。
太阳光中有许多紫外线，人体接受适量的紫外线照射，能促进钙的吸收，改善身体健康状况。但过强的紫外线会伤害眼睛和皮肤。
许多物质在紫外线的照射下会发出荧光，根据这一点可以设计防伪措施。
五 X射线和γ射线
波长比紫外线更短的电磁波就是X射线和γ射线了。人们用X射线管来产生X射线。X射线对生命物质有较强的作用，过量的又射线辐射会引起生物体的病变。又射线具有很强的穿透本领，可以用来检查人体的内部器官，帮助医生判断人体组织是否发生了病变 (图4.4-7)。
在工业上利用X射线检查金属构件内部的缺陷。机场等地进行安全检查时，γ射线能轻而易举地探测到箱内的物品。
寻找地外文明
人类探索自然奥秘的活动从来没有停止过。20世纪，“外星人”成了科幻小说的主题之一1960年美国国立射电天文台执行了一项计划：寻找“外星人”。他们使用一台直径26 m 的射电望远镜，接收21 cm 波长的无线电信号。字宙中最多的元素是氢，21 cm 波长是氢原子辐射的波长之一。如果存在着任何智慧生物，他们都会对氢元素作透彻的研究。同年4月8日，这架射电望远镜开始搜索。遗憾的是，至今没有发现什么有价值的信息。研究人员又在1972~1975 年用两台直径更大的射电望远镜和更精密的仪器，在同一波段对660颗与太阳类似的恒星进行无线电监听，结果仍然没有新的发现。
我国在贵州建造的世界最大的球面射电望远镜 FAST 正在开展对地外文明的探索。
除了千方百计接收来自太空的“外星人来电”之外，地球上的人也主动向宇宙发射过几次无线电信号。1974年11月16日，设在波多黎各的一个天文台用波长12.6cm的调频电磁波第一次向银河系发送了人类对外星人的问候(图4.4-8)。
时至今日，人们虽然已经发现了太阳系外的行星，但还没有找到地外文明。目前已知的文明星球只有一个—地球。生活在地球上的人们应该更加爱护自己的地球母亲。
1. 我们根据什么说电磁波是一种物质
解：电场以及磁场已被证明是一种客观存在，场像分子、原子等实物粒子一样具有能量，因而场也是物质存在的一种形式.电磁波是变化的电场和磁场由近及远的传播，是由电场和磁场“构成”的，故电磁波是一种物质.
2.波长为 0.6 μm 的红光，从 10 m 外的交通信号灯传到你的眼睛，大约需要多长时间 这个距离是波长的多少倍
解：光传到眼睛需要的时间为 t＝＝s＝3.33×10－8s，
这个距离是波长的 ＝1.67×107倍.
3. 某雷达站正在跟踪一架飞机，此时飞机正朝着雷达站方向匀速飞来。某一时刻雷达发出一个无线电脉冲，经 200 μs 后收到反射波；隔 0.8 s 后再发出一个脉冲，经 198 μs 收到反射波。求飞机的飞行速度。
解：t1＝200 μs＝2×10－4s，t2＝198 μs＝1.98×10－4s，则两脉冲与飞机相遇时的时间间隔 t＝0.8 s＋－＝0.8 s＋s－ s≈0.8 s；
在这段时间内飞机的位移 x＝c－c＝c(－)＝3.0×108×(－ )m ＝300m，
则飞机的飞行速度 v＝＝＝375m/s.
4. 除了可见光外，红外线、紫外线、无线电波、X射线、γ射线，都是电磁波大家族的成员。请在这些看不见的电磁波中，每种选一个与你关系最密切的，或者令你印象最深的实例，按照波长由长至短的顺序列举出来。
解：例：收音机接收无线电波，遥控器发出红外线，医院用于灭菌消毒的紫外线，医疗透视用的X射线，金属探伤用的射线.
5. 能够引起人的视觉的电磁波波长范围是多少 在长长的电磁波谱中，能够引起人的视觉的只是很窄的一部分。有趣的是，这部分正处于太阳辐射最强的范围内。这是“巧合吗 请说出你的猜想。
解：不是巧合. 能够引起人的视觉反应的电磁波波长范围是400~760nm,根据适者生存的原则，适应这种环境 (对这部分电磁波敏感，能引起视觉感应) 的生物的生存能力比适应其他部分电磁波波长的生物的生存能力强，经自然选择和进化后，人具有较强的生存能力.
结束
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