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第1节　电磁波的产生
[定位·学习目标]　1.知道麦克斯韦电磁场理论及其在物理学发展史上的意义。2.知道赫兹实验,他第一次证实了电磁波的存在。3.知道振荡电路中振荡电流的产生过程,知道电磁振荡过程中的能量转化情况。会求振荡电路的周期和频率。
知识梳理
知识点一　麦克斯韦的预言
1.1820年,丹麦物理学家奥斯特发现了通电导线会使磁针偏转,揭示了电流的磁效应。1831年,英国物理学家法拉第发现电磁感应现象,表明磁也会“生电”。19世纪60年代,英国物理学家麦克斯韦预言了电磁波的存在,并提出了重要假设。
2.麦克斯韦电磁场理论的两个基本假设
(1)变化的磁场周围会产生电场(如图甲所示)。
(2)变化的电场周围会产生磁场(如图乙所示)。
3.电磁波:交变的电场周围产生频率相同的交变的磁场,交变的磁场周围产生频率相同的交变的电场。交变的电场和交变的磁场相互联系在一起,就会在空间形成一个统一的、不可分割的电磁场。这种在空间交替变化并传播出去的电磁场就形成了电磁波。
知识点二　赫兹实验
1.1888年,德国物理学家赫兹注意到感应线圈高压电极间的空隙处有时会产生火花放电现象。他对这种放电现象进行了深入研究,第一次用实验证实了电磁波的存在。
2.赫兹实验的分析
当与感应线圈两极相连的金属球间有火花跳过时,环的间隙处(接收端)也有火花跳过。当火花在发射端跳动时,在周围空间激发出一个迅速变化的电磁场,按照麦克斯韦的理论,这种变化的电磁场以电磁波的形式在空间传播。当电磁波经过接收器时,导致接收器产生感应电动势,使接收器两球间隙处产生电压;当电压足够高时,两球之间就会产生火花放电现象,从而证明了电磁波的存在。
赫兹的实验证明了麦克斯韦的预言,为麦克斯韦的电磁场理论奠定了坚实的实验基础。
知识点三　电磁振荡
1.电磁振荡的产生
(1)振荡电流:大小和方向都周期性变化的电流。
(2)振荡电路:产生振荡电流的电路。由电感线圈L和电容器C所组成的电路就是一种基本的振荡电路,称为LC振荡电路。
(3)LC振荡电路的放电、充电过程。
在LC振荡电路中,已充电的电容器未放电时,电路中没有电流,电容器内电场最强。此时,电路的全部能量是电容器里存储的电场能。
①电容器放电:闭合开关,电容器放电,其电荷量减少,由于线圈自感的阻碍作用,电流逐渐增大,磁场的磁感应强度与能量也逐渐增大。放电完毕时,电流最大,电场能全部转化为磁场能。
②电容器充电:由于线圈的自感作用,线圈中的电流继续保持原来的方向并且逐渐减小,同时给电容器反向充电,电容器的电荷量逐渐增多,电场的强度与电场能逐渐增大,电流与磁场逐渐减弱。电流减为零时,磁场能全部转化为电场能。
上述过程周而复始地进行,就产生了方向和大小随时间做周期性变化的振荡电流,与振荡电流相联系的电场和磁场也周期性交替变化,电场能和磁场能相互转化。这种现象称为电磁振荡。
2.电磁振荡的周期和频率
(1)周期:电磁振荡完成一次周期性变化的时间。
(2)频率:一段时间内完成周期性变化的次数与这段时间之比,数值上等于周期的倒数。
如果没有能量损失,也没有外界影响,这时电磁振荡的周期和频率称为振荡电路的固有周期和固有频率。
(3)周期和频率公式:T=2π,f= 。
新知检测
1.思考判断
(1)变化的电场一定产生变化的磁场。(　×　)
(2)磁场一定可以产生电场,电场也一定可以产生磁场。(　×　)
(3)LC振荡电路中,电容器的某一极板,从带最多的正电荷放电到这一极板充满负电荷为止,这一段时间为一个周期。(　×　)
(4)要提高LC振荡电路的振荡频率,可以减小电容器极板的正对面积。(　√　)
(5)电磁振荡的周期和频率是由电容器和线圈(电感)共同决定的。(　√　)
(6)赫兹在验证电磁波的实验中只是证实了电磁波的存在。(　×　)
2.思维探究
(1)麦克斯韦根据什么提出“变化的磁场产生电场”的假设
(2)空间存在如图所示的电场,那么在空间能不能产生磁场 在空间能不能形成电磁波
(3)如何理解电磁振荡中的“电”和“磁”
【答案】 (1)麦克斯韦在法拉第发现电磁感应现象的基础上提出“变化的磁场产生电场”的假设。
(2)题图所示的电场是均匀变化的,根据麦克斯韦电磁场理论可知会在空间激发出磁场,但磁场恒定,不会激发出新的电场,故不会产生电磁波。
(3)电磁振荡中的“电”不仅指电容器两极板上的电荷,也指该电荷产生的电场(电场强度、电势差、电场能);“磁”不仅指线圈中的电流,也指该电流产生的磁场(磁场能、磁感应强度)。电磁振荡是指这些电荷、电场、电流、磁场都随时间做周期性迅速变化的现象。
要点一　麦克斯韦电磁场理论
情境探究
如图所示,磁铁相对闭合线圈上、下运动时,闭合线圈中的自由电荷做定向移动,是受到什么力的作用 这能否说明变化的磁场产生了电场 如果没有导体,情况会怎样
【答案】 磁铁上、下运动时,导体中自由电荷做定向移动,说明电荷受到静电力作用,即导体处在电场中。磁铁的上下运动使线圈处在变化的磁场中,这表明变化的磁场周围产生了电场。如果没有导体,该处仍会产生电场。
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.对电磁场的理解
(1)电磁场的产生:振荡电场产生同频率的振荡磁场,振荡磁场产生同频率的振荡电场,周期性变化的电场、磁场相互激发,形成的电磁场一环套一环,如图所示。
(2)电磁场并非是简单地将电场、磁场相加,而是相互联系、不可分割的统一整体。在电磁场示意图中,电场和磁场在空间相互激发时,E和B相互垂直,以光速c在真空中传播。
[例1] 关于电磁场理论,下列说法正确的是(　　)
A.在电场周围一定产生磁场,磁场周围一定产生电场
B.在变化的电场周围一定产生变化的磁场,在变化的磁场周围一定产生变化的电场
C.均匀变化的电场周围一定产生均匀变化的磁场
D.周期性变化的电场周围一定产生周期性变化的磁场
【答案】 D
【解析】 根据麦克斯韦电磁场理论,只有变化的电场能产生磁场,均匀变化的电场产生稳定的磁场,非均匀变化的电场才能产生变化的磁场,周期性变化的电场周围一定产生周期性变化的磁场,故D正确。
理解麦克斯韦电磁场理论的关键
(1)掌握四个关键词:“恒定的”“均匀变化的”“非均匀变化的”“周期性变化的(即振荡的)”。
(2)掌握“变化的电场和变化的磁场交替产生,由近及远地向周围传播”。
[针对训练1] (双选)麦克斯韦在前人研究的基础上,创造性地建立了经典电磁场理论,进一步揭示了电现象与磁现象之间的联系。他大胆地假设:变化的电场就像导线中的电流一样,会在空间产生磁场,即变化的电场产生磁场。以平行板电容器为例:圆形平行板电容器在充、放电的过程中,板间电场发生变化,产生的磁场相当于一连接两板的板间直导线通以充、放电电流时所产生的磁场。若某时刻连接电容器和电阻R的导线中电流i的方向及电容器极板间电场强度E的方向如图所示,则下列说法正确的是(　　)
A.两平行板间的电场正在增强
B.该变化电场产生逆时针方向(俯视)的磁场
C.该变化电场产生的磁场越来越弱
D.电路中的电流正比于板间的电场强度的大小
【答案】 CD
【解析】 由电容器中电场方向可知电容器的上极板带负电,下极板带正电,电流由下极板通过电阻R流向上极板,故电容器正在放电,电容器的电荷量正在减少,两平行板间的电压减小,其中的电场正在减弱,故A错误;由题意可知,产生的磁场相当于由上极板直接流向下极板的电流所产生的磁场,由安培定则可知产生的磁场为顺时针方向(俯视),故B错误;两平行板间的电压减小,由欧姆定律可知通过电阻R的电流减小,由题意,产生的磁场相当于一连接两板的板间直导线通以充、放电电流时所产生的磁场,故该变化电场产生的磁场越来越弱,故C正确;设电容器的电压为U,板间距离为d,板间的电场强度的大小为E,则有 E=,而电路中的电流为I==,可知电路中的电流正比于板间的电场强度的大小,故D正确。
要点二　电磁振荡的产生
情境探究
　如图所示,将开关S掷向1,先给电容器充电,再将开关掷向2。
(1)电容器通过线圈放电过程中,线圈中的电流怎样变化 电容器的电场能转化为什么形式的能
(2)在电容器反向充电过程中,线圈中电流如何变化 电容器和线圈中的能量是如何转化的
(3)线圈中自感电动势的作用是什么
【答案】 (1)电容器放电过程中,线圈中的电流逐渐增大,电容器的电场能转化为线圈的磁场能。
(2)在电容器反向充电过程中,线圈中电流逐渐减小,线圈中的磁场能转化为电容器的电场能。
(3)线圈中电流变化时,产生的自感电动势阻碍电流的变化。
要点归纳
1.用图像对应分析i、q的变化关系(如图所示)
2.相关量与电路状态的对应情况
电路状态 a b c d e
时刻t 0 T
电荷量q 最多 0 最多 0 最多
电场能 最大 0 最大 0 最大
电流i 0 正向最大 0 反向最大 0
磁场能 0 最大 0 最大 0
3.几个关系
(1)同步同变关系。
在LC振荡电路发生电磁振荡的过程中,电容器上的物理量:电荷量q、电场强度E、电场能EE是同步变化的,即
q↓→E↓→EE↓(或q↑→E↑→EE↑)。
振荡线圈上的物理量:振荡电流i、磁感应强度B、磁场能EB也是同步变化的,即
i↓→B↓→EB↓(或i↑→B↑→EB↑)。
(2)同步异变关系。
在LC振荡电路中,电容器上的三个物理量q、E、EE增大时,线圈上的三个物理量i、B、EB减小,且它们的变化是同步的,即
q、E、EE↑i、B、EB↓。
[例2] 无线话筒是LC振荡电路的一个典型应用。在LC振荡电路中,某时刻磁场方向、电场方向如图所示,下列说法正确的是(　　)
A.电容器正在充电,电场能正在增加
B.振荡电流正在增大
C.线圈中的磁场正在增强
D.增大电容器两板距离,LC振荡频率减小
【答案】 A
【解析】 由题图,根据安培定则以及线圈产生的磁感应强度的方向可以判定此时电流流向下极板,电容器正在充电,电场能正在增加,振荡电流正在减小,线圈中的磁场正在减弱,故A正确,B、C错误;增大电容器两板距离,根据C=可知C减小,再根据f=可知LC振荡频率增大,故D错误。
LC振荡电路充、放电过程的判断方法
(1)根据电流流向判断:当电流流向带正电的极板时,电容器的电荷量增加,磁场能向电场能转化,处于充电过程;反之,当电流流出带正电的极板时,电荷量减少,电场能向磁场能转化,处于放电过程。
(2)根据物理量的变化趋势判断:当电容器的电荷量q (电压U、电场强度E、电场能EE)增大或电流i(磁感应强度B、磁场能EB)减小时,处于充电过程;反之,处于放电过程。
(3)根据能量判断:电场能增加时,充电;磁场能增加时,放电。
[针对训练2] 如图所示,i-t图像表示LC振荡电路的电流随时间变化的图像。在t=0时刻,回路中电容器的M板带正电,下列说法正确的是(　　)
A.O～a阶段,电容器正在充电,电场能正在向磁场能转化
B.a～b阶段,电容器正在放电,磁场能正在向电场能转化
C.b～c阶段,电容器正在放电,回路中电流沿顺时针方向
D.c～d阶段,电容器正在充电,回路中电流沿逆时针方向
【答案】 C
【解析】 O～a阶段,电容器正在放电,电流不断增大,电场能正在向磁场能转化,A错误;a～b阶段,电容器正在充电,电流逐渐减小,磁场能正在向电场能转化,B错误;b～c阶段,电容器正在放电,回路中电流沿顺时针方向,C正确;c～d阶段,电容器正在充电,回路中电流沿顺时针方向,D错误。
要点三　电磁振荡的周期和频率
情境探究
　(1)如图所示的电路,如果仅更换自感系数L更大的线圈,振荡周期T会怎样变化
(2)如果仅更换电容C更大的电容器,振荡周期T会怎样变化
【答案】 (1)周期变长。
(2)周期变长。
要点归纳
1.影响电磁振荡的周期和频率的因素
(1)LC振荡电路的周期T=2π和频率f= 只与自感系数L和电容C有关,与其他因素无关。
(2)电容C与正对面积S、板间距离d及相对介电常数εr有关,即根据C=判断;自感系数L与线圈的大小、形状、匝数及有无铁芯等因素有关。
2.LC回路中各物理量的周期
(1)电感线圈L和电容器C在LC振荡电路中既是能量的转换器,又决定着这种转换的快慢,L或C越大,能量转换时间越长,故周期也越长。
(2)回路中的电流i、线圈中的磁感应强度B、电容器极板间的电场强度E的变化周期就是LC振荡电路的振荡周期T=2π;电容器极板上所带的电荷量,其变化周期也是振荡周期T=2π,极板上电荷的电性在一个周期内改变两次;电场能、磁场能也在做周期性变化,但是它们的变化周期是振荡周期的一半,即T′==π。
[例3] LC振荡电路的电容C=556 pF,自感系数L=1 mH,若能向外发射电磁波,则其周期是　　　　,若在线圈中插入铁芯,则振荡频率将　
(选填“变大”“不变”或“变小”)。电容器极板所带电荷量从最大变为零,经过的最短时间是　　　　　　　。
【答案】 4.68×10-6 s　变小　1.17×10-6 s
【解析】 LC振荡电路的周期T=2π=2×3.14× s≈4.68×10-6 s,LC振荡电路周期即其发射的电磁波周期,电容器极板上所带电荷量由最大变为零,经过的最短时间为,则t==1.17×10-6 s,线圈中插入铁芯时,自感系数变大,由 f=可知振荡频率变小。
解电磁振荡周期相关题目的方法
(1)明确振荡周期T=2π,即T取决于L、C,与极板所带电荷量、两板间电压无关。
(2)明确电感线圈的自感系数L及电容器的电容C由哪些因素决定。L一般由线圈的长度、横截面积、单位长度上的匝数及有无铁芯决定;由公式C=可知,电容C与电介质的相对介电常数εr、极板正对面积S及板间距离d有关。
[针对训练3] (双选)如图所示是一台电子钟,其原理类似于摆钟,摆钟是利用单摆的周期性运动计时的,电子钟是利用LC振荡电路来计时的。有一台电子钟在家使用一段时间后,发现每昼夜总是快 1 min。造成这种现象的可能原因是(　　)
A.L不变,C变大了
B.L不变,C变小了
C.L变小了,C不变
D.L、C均变大了
【答案】 BC
【解析】 钟走得偏快了是因为钟的LC振荡电路频率变大,周期变短,根据T=2π可知,选项B、C正确。
模型·方法·结论·拓展
　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
[示例] (双选)关于电磁波和机械波的说法正确的是(　　)
A.电磁波和机械波在真空中都能进行传播
B.电磁波和机械波在传播中的速度=波长×周期
C.电磁波和机械波都能发生干涉和衍射现象
D.电磁波和机械波都能够传递能量和信息
【答案】 CD
【解析】 电磁波的传播不需要介质,可以在真空中传播,机械波的传播需要介质,不能在真空中传播,A错误;电磁波和机械波在传播中的速度=波长÷周期,B错误;电磁波和机械波都属于波,都能发生干涉和衍射现象,C正确;电磁波和机械波都能够传递能量和信息,D正确。
科学·技术·社会·环境
　公交IC卡
　　在我国,随着一卡通的推广,基本上每个城市都有自己的公交IC卡,随着科技的不断发展,公交IC卡在发挥公交、地铁刷卡消费功能的同时,消费职能越来越多,逐渐参与到出租车消费、市政水电缴费、轻轨消费、停车场消费当中。一些城市的公交IC卡甚至充当着当地城市一卡通的职能。
[示例] 公交IC卡内部有一个由电感线圈L和电容器C构成的LC振荡电路,公交车上的读卡机(刷卡时“嘀”地响一声的机器)向外发射某一特定频率的电磁波。刷卡时,IC卡内的线圈L中产生感应电流,给电容器C充电,达到某特定电压后,驱动卡内芯片进行数据的正常处理和传输。下列说法正确的是(　　)
A.仅当读卡机发射该特定频率的电磁波时,IC卡才能有效工作
B.IC卡工作所需要的能量来源于卡内的可充电池
C.若读卡机发射的电磁波偏离该特定频率,则线圈L不会产生感应电流
D.即使读卡机发射的电磁波偏离该特定频率,仍可驱动IC卡芯片进行正常的数据传输
【答案】 A
【解析】 IC卡振荡电路接收与其固有频率相同的电磁波,读卡机发出电磁波频率与之匹配,才能得到充电效果,使电容器电压达到预定值,才能进行数据传输,故A正确;电感线圈产生感应电流为电容器充电,IC卡内没有电池,故B错误;根据法拉第电磁感应定律,如果是其他频率的电磁波,依然会有电磁感应现象,有感应电流,故C错误;IC卡能接收读卡机发射的电磁波,同时将存储的信息传输到读卡机中进行识别,所以只能接收特定频率的电磁波,如果读卡机发射的电磁波偏离该特定频率,则不能正常工作,故D错误。
1.航天员与地面控制中心保持通话联络,直播画面通过电磁波传送到地面接收站。下列关于电磁波和声波的说法正确的是(　　)
A.电磁波是横波,声波是纵波
B.电磁波跟声波一样,只能在介质中传播
C.麦克斯韦预言了电磁波的存在,并用实验验证了电磁波的存在
D.航天员讲话时画面能与声音同步,说明电磁波与声波具有相同的传播速度
【答案】 A
【解析】 电磁波由电磁振荡激发,是横波,声波的振动方向和传播方向平行,是纵波,故A正确;电磁波的传播不依赖介质,声波是机械波,只能在介质中传播,故B错误;麦克斯韦预言了电磁波的存在,赫兹用实验验证了电磁波的存在,故C错误;电磁波的传播速度为光速,声波在空气中的传播速度为340 m/s,两者差距很大,故D错误。
2.LC振荡电路中某时刻电容器内电场与线圈内磁场情况如图所示,该时刻(　　)
A.电容器在充电,电场能在向磁场能转化
B.电容器在充电,磁场能在向电场能转化
C.电容器在放电,电场能在向磁场能转化
D.电容器在放电,磁场能在向电场能转化
【答案】 B
【解析】 根据LC振荡电路的电场与线圈内磁场情况可知,电容器的下极板带正电,上极板带负电,由安培定则可知电流流向电容器的正极板,则电容器正在充电,磁场能在向电场能转化,故选B。
3.(双选)如图所示的电路,电阻 R=20 Ω,电容C=2.0 μF,电感L=2.0 μH,电感线圈的电阻可以忽略。单刀双掷开关S置于“1”,电路稳定后,再将开关S从“1”拨到“2”,图中LC回路开始电磁振荡,下列说法正确的是(　　)
A.LC振荡电路的周期是4π×10-6 s
B.当t=7.5π×10-6 s时,电容器电荷量在减少
C.当t=7.5π×10-6 s时,电容器上极板带正电
D.当t=5π×10-6 s时,电感线圈中的磁感应强度最大
【答案】 AD
【解析】 LC振荡电路的周期为T=2π=2π s=4π×10-6 s,A正确;当t=7.5π×10-6 s时,由于T<7.5π×10-6 s<2T,则此时电容器正在充电,电容器电荷量在增加,电流方向与初始时相反,故电容器下极板带正电,上极板带负电,B、C错误;当t=5π×10-6 s时,由于5π×10-6 s=T,则此时电流最大,故电感线圈中的磁感应强度最大,D正确。
4.如图甲所示为智能停车位,车位地面预埋有自感线圈L,和电容器C构成LC振荡电路。当车辆靠近自感线圈L时,相当于在线圈中插入铁芯,使自感系数变大,引起LC电路中的振荡电流频率变化。智能停车位计时器根据振荡电流频率变化进行计时。某次振荡电路中的电流随时间变化如图乙所示。下列说法正确的是(　　)
A.t2时刻电容器C所带电荷量为零
B.t1～t2过程,线圈L中磁场能在增大
C.t1～t2过程,线圈L的自感电动势在增大
D.由图乙可判断汽车正驶离智能停车位
【答案】 C
【解析】 t2时刻电流为零,此时电容器C所带电荷量最大,故A错误;t1～t2过程,电流逐渐减小,电容器充电,磁场能向电场能转化,线圈L中磁场能在减小,故B错误;t1～t2过程,电流变化的速率越来越大,线圈L的自感电动势在增大,故C正确;由题图乙可知,振荡电路的周期变大,根据T=2π 可知,线圈自感系数变大,则汽车正驶入智能停车位,故D错误。
课时作业
基础巩固
1. 麦克斯韦预言了电磁波的存在,下列关于电磁波的说法正确的是(　　)
A.麦克斯韦通过实验装置证实了电磁波的存在
B.电磁波的传播需要介质
C.均匀变化的电场周围产生均匀变化的磁场
D.周期性变化的磁场周围产生周期性变化的电场
【答案】 D
【解析】 麦克斯韦预言了电磁波的存在,赫兹通过实验装置证实了电磁波的存在,A错误;电磁波可以在真空中传播,不需要介质,B错误;均匀变化的电场周围产生恒定的磁场,周期性变化的磁场周围产生周期性变化的电场,C错误,D正确。
2.(双选)“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。
3.要想增大LC振荡电路中产生的振荡电流的频率,可采用的方法是(　　)
A.增大电容器两极板的间距
B.升高电容器的充电电压
C.增加线圈的匝数
D.在线圈中插入铁芯
【答案】 A
【解析】 LC振荡电路中产生的振荡电流的频率f=,要想增大频率,应该减小电容C或减小线圈的自感系数L,再根据C=,增大电容器两极板的间距,电容减小,A正确;升高电容器的充电电压,电容不变,B错误;增加线圈的匝数、在线圈中插入铁芯,自感系数增大,C、D错误。
4.如图甲所示,在LC振荡电路中,其电流变化规律如图乙所示,规定顺时针方向为电流i的正方向,则(　　)
A.0～0.5 s内,电容器C在放电
B.0.5～1 s内,电场能正在减小
C.1～1.5 s内,磁场能正在减小
D.1.5～2 s内,P点的电势比Q点的电势低
【答案】 A
【解析】 0～0.5 s内,电路中电流顺时针变大,则电容器C在放电,A正确;0.5～1 s内,电路中电流顺时针减小,则电容器正在充电,电场能正在增大,B错误;1～1.5 s内,电路中电流逆时针增加,则磁场能正在增加,C错误;1.5～2 s内,电路中电流逆时针减小,电容器正在充电,此时电容器上极板带正电,即P点的电势比Q点的电势高,D 错误。
5.(双选)如图所示为参展的某个智能玩具内的LC振荡电路部分,电路中线圈自感系数 L=0.25 H,电容器的电容 C=4 μF,现使电容器上极板带正电,下极板带负电,从接通开关S时开始计时。下列说法正确的是(取π=3)(　　)
A.当t=1×10-3 s时,电路中电流为逆时针方向
B.当t=1.5×10-3 s时,电场能达到最大
C.当t=2×10-3 s时,电场能正转化为磁场能
D.当t=3×10-3 s时,电容器上极板带负电
【答案】 AD
【解析】 由周期公式得LC振荡电路的固有周期T=2π=6×10-3 s,由于t=1×10-3 s6.LC振荡电路中电容器上极板电荷量q随时间t在一个周期内的变化图线如图甲所示,某时刻线圈中的磁感应强度方向和极板间的电场强度方向如图乙所示。下列说法正确的是(　　)
A.t1时刻线圈中自感电动势最小
B.t2时刻线圈中电流方向不发生变化
C.t1～t2中某时刻与图乙状态相对应
D.t3～t4时间内回路中的电流为逆时针方向
【答案】 B
【解析】 在t1时刻,上极板的电荷量q达到最大,电流变化率最大,因此线圈中的自感电动势达到最大,故A错误;t2时刻电荷量q为零,线路中的电流最大,所以线圈的电流方向保持不变,故B正确;t1～t2时间内电荷量减少,电容器放电,而题图乙电路电流为逆时针,电容器下极板带正电,电容器处于充电状态,电荷量变大,故C错误;t3～t4时间内,上极板的负电荷转移到下极板,这时电容器放电,所以线圈中的感应电流是顺时针方向,故D错误。
能力提升
7.(双选)如图所示,图甲是LC振荡电路中电流随时间的变化关系,若以图乙回路中顺时针方向的电流为正,a、b、c、d均为电场能或磁场能最大的时刻,下列说法正确的是(　　)
A.图乙中的a是电场能最大的时刻,对应图甲中的时刻
B.图乙中的b是电场能最大的时刻,此后的内电流方向为正
C.图乙中的c是磁场能最大的时刻,对应图甲中的时刻
D.图乙中的d是磁场能最大的时刻,此后电容C的下极板将带上正电荷
【答案】 BC
【解析】 题图乙中的a是电场能最大的时刻,由上极板带正电,即充电时电流沿顺时针方向,对应题图甲中的T时刻,A错误;题图乙中的b是电场能最大的时刻,由下极板带正电,此后的内电容器放电,电流沿顺时针方向,B正确;题图乙中的c是磁场能最大的时刻,此后磁场能转化为电场能,由楞次定律和安培定则判断,电流方向为逆时针方向,题图甲中的时刻电流为逆时针方向,C正确;题图乙中的d是磁场能最大的时刻,此后磁场能转化为电场能,由楞次定律和安培定则判断,电流方向为顺时针方向,此后电容C的下极板将带上负电荷,D错误。
8.1886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。
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器组成的类似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振荡电路的电容器在充电时,电流增大
B.LC振荡电路中,电容器充电时,线圈中自感电动势减小
C.如果增大LC振荡电路中电容器两极板间距离,振荡周期将减小
D.如果增大LC振荡电路中电容器两极板间的正对面积,振荡周期将减小
【答案】 C
【解析】 LC振荡电路的电容器在充电时,电流逐渐减小,选项A错误;LC振荡电路中,电容器充电时,线圈中电流的变化率逐渐变大,则自感电动势变大,选项B错误;如果增大LC振荡电路中电容器两极板间距离,则根据C=可知,电容C变小,根据T=2π 可知,振荡周期将减小,选项C正确;增大LC振荡电路中电容器两极板间的正对面积,振荡周期将变大,选项D错误。
10.如图所示,L是不计电阻的电感器,C是电容器,闭合开关K,待电路达到稳定状态后,再断开开关K,LC电路中将产生电磁振荡。如果规定断开开关K的时刻为t=0,电感L中的电流i的方向从a到b为正,线圈中磁场B的方向以初始时刻的方向为正方向,电容器左极板带电荷量为q,电容器中电场强度E向右为正,时间为t,下列图像能够正确表示电感、电容中物理量变化规律的是(　　)
A B
C D
【答案】 D
【解析】 开关K接通达到稳定时,线圈内有电流而电容器上没有电流,流过线圈的电流是从a到b,正向最大,线圈中的磁场是由电流产生的,磁感应强度正向最大,线圈电阻为零,线圈L两端的电压为零,故电容器两端的电势差为零,根据q=CU可知,电容器左极板的电荷量为零,电场强度为零;断开开关瞬间,电流要减小,根据自感规律,电流方向不变,大小在慢慢减小,同时对电容器充电,电容器左极板电荷量从零逐渐增大,所以电流正向减小,磁感应强度正向减小,电荷量负向增大,电场强度向左在负向增大;当电容器充电完毕时,电流为零,磁感应强度为零,电荷量达到负向最大,电场强度负向最大;接着电容器放电,电流方向与之前相反,大小在不断增大,直到电容器放电完毕时,电流负向最大,磁感应强度负向最大,电荷量为零,电场强度为零;综上可知,D正确,A、B、C错误。
11.某人设计了如图所示的LC振荡电路来测量微小物体所受的重力,电容器的上极板是一片弹性金属薄膜,微小物体放置在金属膜中央会使其下凹,测量时先把开关拨到a,电路稳定后再把开关拨到b。通过电流传感器测出的电流频率就能测量出微小物体所受的重力。已知该电路振荡电流的频率满足关系式f=,则下列说法正确的是(　　)
A.物体质量越大,开关拨向a时,电容器存储的电荷量越小
B.开关由a拨向b瞬间,流经电流传感器的电流最大
C.开关由a拨向b后,该LC电路发生振荡的周期不变
D.测量时,传感器检测到的电流频率越大,表示物体质量越大
【答案】 C
【解析】 根据C=,Q=CU,解得Q=,物体质量增大,金属膜下凹的程度增大,平行板间的距离减小,电容器存储的电荷量增大,A错误;开关由a拨向b瞬间,L产生自感电动势,阻碍电流的变化,此时流经电流传感器的电流为零,B错误;振荡电流的周期为T==2π,电容不变,电感不变,振荡电流周期不变,C正确;由f=可知,测量时,电流传感器检测到的电流频率越大,电容越小,由C=得平行板间的距离越大,则物体质量越小,D错误。
12.为了测量储罐中不导电液体的高度,将与储罐外壳绝缘的两块平行金属板构成的电容C置于储罐中,电容C可通过开关S与电感L或电源相连。当开关从a 拨到b 时,由电感L与电容C构成的回路中产生振荡电流。在LC振荡电路中,某时刻磁场方向、电场方向如图所示,下列说法正确的是(　　)
A.电容器正在充电
B.振荡电流正在增大
C.线圈的自感电动势正在减小
D.当储罐内的液面高度升高时,LC振荡频率增大
【答案】 A
【解析】 由图中电场方向可知,电容器右极板带正电,左极板带负电。由磁场方向可知电流方向为由负极板流向正极板。故电容器正在充电,电容器电压增大,自感线圈两端电压与电容器两端电压相等,线圈的自感电动势增大,磁场能减小,电场能增大,振荡电流正在减小,故A正确,B、C错误。当储罐内的液面高度升高时,两板间充入的电介质增多,电容增大,根据LC振荡频率f=,可知回路的振荡频率减小,故D错误。第3节　电磁波谱
[定位·学习目标]　1.了解什么是电磁波谱,知道各种可见光和不可见光与无线电波一样,也是电磁波。2.了解不同波长电磁波的特性以及应用。
知识梳理
知识点一　认识电磁波谱
1.电磁波谱:按电磁波的波长或频率顺序排列成的谱。
2.按波长从长到短排列的电磁波依次为无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线等。电磁波谱中的各种波都具有反射、折射、衍射和干涉的特性,在真空中的传播速度均等于光速。
3.可见光的波长范围为4.0×10-7～7.6×10-7 m,颜色依次排列为紫、靛、蓝、绿、黄、橙、红。红外线的波长比红光的波长要长,一般为7.6×10-7～10-3 m。紫外线的波长比紫光的波长短,一般为10-8～4.0×10-7m。无线电波的波长最长,X射线和γ射线的波长相比其他波较短。
知识点二　不同波段电磁波的应用
项目 特性 用途
无线电波 波动性强 通信、广播、导航
红外线 热作用强、感光性强 加热、红外摄影仪、 红外遥感器
可见光 感光性强 照明、照相等
紫外线 化学作用、荧光作用 杀菌消毒
X射线 穿透力较强 辅助进行 疾病诊断
γ射线 穿透力很强 治疗
新知检测
1.思考判断
(1)各种电磁波中最容易表现出干涉和衍射现象的是γ射线。(　×　)
(2)红外线有显著的热效应,紫外线有显著的荧光作用。(　√　)
(3)X射线的穿透本领比γ射线更强。(　×　)
(4)低温物体不能辐射红外线。(　×　)
(5)可见光中红光的波长最长,紫光的波长最短。(　√　)
(6)电磁波家族中无线电波的频率最高。(　×　)
2.思维探究
(1)电磁波在真空中的传播速度是多少 无线电波的波长比可见光的波长长还是短 除了无线电波和可见光之外,还有其他哪些电磁波
(2)人为什么不能长时间在太阳下暴晒
【答案】 (1)3×108 m/s。无线电波的波长比可见光的波长长。还有红外线、紫外线、X射线、γ射线。
(2)紫外线的作用较强,人体适量接受太阳光里的紫外线照射,能促进钙质吸收。但过多地吸收紫外线,会对皮肤和眼睛造成伤害。
要点一　认识电磁波谱
要点归纳
1.各种电磁波的共性
(1)在本质上都是电磁波,遵循相同的规律,各波段之间的区别并没有绝对的意义。
(2)都遵循公式c=λf,在真空中的传播速度都是c=3×108 m/s。
(3)传播都不需要介质。
(4)都具有反射、折射、衍射和干涉的特性。
2.各种电磁波的个性
(1)不同电磁波的频率或波长不同,表现出不同的特性,波长越长,越容易产生干涉、衍射现象,波长越短,穿透能力越强。
(2)同频率的电磁波在不同介质中传播速度不同。不同频率的电磁波在同一种介质中传播时,频率越大,折射率越大,速度越小。
[例1] 根据电磁波谱,下列关于各电磁波的说法正确的是(　　)
A.可见光的波长一定比无线电波的波长短
B.各种电磁波的频率和波长有明显的区域界限
C.相同条件下,电磁波谱中最难发生衍射的是X射线
D.可见光实质上也是一种电磁波,红光波长最短
【答案】 A
【解析】 由电磁波谱可知,可见光的波长一定比无线电波的波长短,A正确;电磁波的波长和频率是连续的,没有明显的区域界限,B错误;波长越短,越难发生衍射,电磁波谱中比X射线波长短的还有γ射线,C错误;在可见光中,红光波长最长,D错误。
(1)电磁波是一个大家族,从无线电波到γ射线组成电磁波谱,可见光只是这个谱系中很窄的一个波段。
(2)无线电波和红外线有重叠部分,紫外线和X射线有重叠部分,X射线和γ射线也有重叠部分。
[针对训练1] 看图回答下列问题:
(1)我们知道光是一种电磁波,如图甲所示是红外照片,除可见光和红外线,你还知道哪些电磁波
(2)如图乙所示是可见光的光谱,其他电磁波在光谱中的大致位置是什么
(3)电磁波谱按波长由大到小(频率由低到高)的顺序如何排列的
【答案】 见解析
【解析】 (1)除可见光和红外线,电磁波还有无线电波、紫外线、X射线和γ射线。
(2)无线电波和红外线在题图乙可见光光谱的左边,其中无线电波的波长大于红外线的波长,紫外线、X射线和γ射线在题图乙可见光光谱的右边,依次是紫外线、X射线和γ射线。
(3)电磁波谱按波长由大到小(频率由低到高)的顺序是:无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线和γ射线。
要点二　不同波段电磁波的应用
情境探究
(1)无线电波的波长范围如何 有何应用
(2)红外线有何特点
(3)X射线和γ射线的波长有何特点
【答案】 (1)波长大于1 mm,无线电波可应用于广播、电视、卫星导航和雷达。
(2)红外线具有热效应,任何物体都能发射红外线,温度越高,红外辐射越强。
(3)波长比其他波更短。
要点归纳
不同电磁波的特性及应用
项目 无线 电波 红外线 可见光 紫外线 X 射线 γ 射线
频率 由左向右,频率变化为由小到大
真空 中的 波长 由左向右,波长变化为由长到短
特性 波动 性强 热效 应强 感光 性强 化学 作用、 荧光 作用 穿透 力强 穿透 力最 强
用途 通信、 广播、 天体 物理 研究 等　 遥控、 遥测、 加热、 红外 摄像、 红外 制导 等　 照明、 照相等 日光 灯、 杀菌、 防伪、 治疗 皮肤 病等 检查、 探测、 透视、 治疗 等　 探测、 治疗 等　
[例2] 下面列出一些医疗器械的名称和一些电磁波的特性,请将相应的字母填写在利用这种特性的医疗器械后面的空格上。
(1)X光机,　　　。
(2)紫外线灯,　　　。
(3)红外线灯,　　　。
A.光的全反射
B.紫外线具有很强的荧光作用
C.紫外线具有杀菌消毒作用
D.X射线有很强的穿透力
E.红外线具有显著的热效应
F.红外线波长较长,易发生衍射
【答案】 (1)D　(2)C　(3)E
【解析】 (1)X光机是用来透视人体内部器官的,因此需要具有较强穿透力的电磁波,但又不能对人体造成太大的伤害,因此采用了X射线,故选择D。
(2)医疗上的紫外线灯主要是用来杀菌的,因此它应用的是紫外线的杀菌消毒作用而非荧光作用,故选择C。
(3)红外线灯主要是用于促进局部血液循环,它利用的是红外线的热效应,使人体局部受热,血液循环加快,故选择E。
电磁波的特点和应用
我们不仅要牢记电磁波谱中的不同的电磁波(如红外线、紫外线、X射线、γ射线)的特点和应用,还要记住电磁波谱中波长、频率的变化规律,如频率越高,波长越短,穿透性越强,波动性越弱;频率越低,波长越长,衍射现象越明显,波动性越强,穿透性越弱。
[针对训练2] (双选)为防范和打击利用无线电技术手段进行考试作弊的行为,确保普通高考公平顺利进行,各市无线电管理处周密部署,多措并举,全力以赴确保高考期间无线电安全。关于电磁波的特性,下列说法正确的是(　　)
A.红外线波长短,分辨率高,侦察上可用红外线拍摄指纹照片
B.X射线可用于进行人体透视
C.雷达发出或接收的电磁波受天气影响,在浓雾天能见度低的黑夜不能使用
D.空间站上对地球进行拍摄是利用红外线有较好的穿透云雾烟尘的能力
【答案】 BD
【解析】 侦察上用紫外线拍摄指纹照片,因为紫外线波长短,分辨率高,故A错误;X射线有较强的穿透能力,用来进行人体透视,故B正确;电磁波的使用不受天气影响,故雷达在能见度低的黑夜可以使用,故C错误;红外线的热效应很强,有较好的穿透云雾烟尘的能力,可以制成热谱仪、红外线夜视仪等,所以在空间站上对地球进行拍摄是利用红外线有较好的穿透云雾烟尘的能力,故D正确。
模型·方法·结论·拓展
太阳辐射
　　太阳光中含有无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线。太阳辐射的能量主要集中在红外线、可见光和紫外线三个区域,如图所示。
从图中可以看到,波长在5.5×10-7m的黄绿光附近,辐射的能量最强。我们的眼睛正好对这个区域的电磁辐射最敏感。眼睛把太阳在最强辐射区的辐射作为自己的接收对象,这样就能看到最多的东西,获得最丰富的信息。
[示例] 太阳风暴袭击地球时,太阳日冕抛射出的大量带电粒子流击中地球磁场,产生强磁暴,不仅会影响通信,威胁卫星,而且会破坏臭氧层。臭氧层作为地球的保护伞,是因为臭氧能吸收太阳辐射中(　　)
A.波长较短的可见光
B.波长较长的可见光
C.波长较短的紫外线
D.波长较长的红外线
【答案】 C
【解析】 臭氧层的主要作用就是吸收由太阳射向地球的紫外线,从而有效地保护地球上的动植物,故正确选项是C。
科学·技术·社会·环境
红外线的应用
　　英国天文学家赫歇尔于1800年首先发现红外线。一切物体都在不停地发射红外线,物体温度越高,发射红外线的本领越强。 红外线是一种波长比红光的波长还长的不可见光。其波长范围很宽,约760～1×106 nm,其主要应用有以下几个方面:
1.红外线感应防盗报警器
它是将红外线遥感探测技术和无线数码遥控技术结合的高科技新型产品,利用人体所产生的微弱红外线来触发。当有人试图进入它的探测范围时,它就会发出警报声,直到人离开才停止。
2.红外线反射型检测传感器
它是一种一体化的红外线发射、接收器件,内部包含红外线发射、接收及信号放大与处理电路,能够以非接触的形式检测出前方一定范围内的人体或物体。工作稳定可靠,性能优良,可广泛应用于各种自动检测、报警和控制等装置中。如光电计数器、接近式照明开关、自动干手器、自控水龙头、感应门铃、倒车报警电路等。
3.红外线快速水分测定仪
利用红外线照射加温功能,使被测试样本内的水分蒸发散失,自动换算其含水率,适用于各形式的产品水分测定, 依其功能特性可分为上皿天平式、电子天平式、陶瓷热管式及微量水分计。
[示例] 红外线热像仪通过红外线遥感,可检测出经过它时的异常发热物体。关于红外线热像仪,下列说法正确的是(　　)
A.选择红外线进行检测,主要是因为红外线比可见光波长短
B.红外线热像仪同时还具有消毒灭菌作用
C.红外线热像仪通过发射红外线照射物体来检测
D.红外线热像仪根据物体在不同温度下辐射的红外线的频率和强度不同的原理来检测温度
【答案】 D
【解析】 选择红外线进行检测,主要是因为一切物体一直都在向外辐射红外线,并且温度越高,辐射的红外线强度越剧烈,与红外线的波长无关,故A错误;紫外线具有消毒灭菌作用,而红外线没有消毒灭菌的作用,故B错误;红外线热像仪通过接收物体向外辐射的红外线来检测,故C错误;红外线热像仪根据物体在不同温度下辐射的红外线的频率和强度不同的原理来检测温度,故D正确。
1.(双选)关于电磁波谱,下列说法正确的是(　　)
A.红外线的波长比无线电波的波长短
B.微波炉中使用的微波是黄光
C.人们在烤火时感受到温暖,是因为皮肤正在吸收紫外线
D.电磁波不仅具有能量,而且可以携带信息
【答案】 AD
【解析】 根据电磁波谱的构成可知,红外线的波长比无线电波的波长短,无线电波的波长最长,A正确。微波炉中使用的是微波,不是可见光,B错误。所有物体都会辐射红外线,人们在烤火时感受到温暖,是因为皮肤正在吸收红外线,C错误。电磁波作为信息的一种载体,它可以携带信息,并能传播信息,而且电磁波具有能量,D正确。
2.红外线测温仪是当前应用广泛的测温仪器,与传统的热传导测温仪相比,红外线测温仪具有操作简单、测温效率高等特点。下列说法正确的是(　　)
A.当人体温度超过36.8 ℃时才向外辐射红外线
B.红外线属于电磁波,其波长大于紫外线的波长
C.红外线除了用来做测温仪,还可以用来进行杀菌消毒
D.晚上的时候,我们看到淡淡的红光,那就是红外线
【答案】 B
【解析】 无论人体温度高低都会向外辐射红外线,故A错误;红外线属于电磁波,其波长大于紫外线的波长,故B正确;红外线测温仪是依据人体温度越高人体辐射的红外线强度越大来测体温的,红外线有良好的加热效果,用来杀菌消毒的是紫外线,故C错误; 红外线是肉眼不可见的,故D错误。
3.(双选)关于电磁波的应用,下列说法正确的是(　　)
A.医院里常用X射线对病房和手术室进行消毒
B.工业上利用红外线检查金属部件内部有无裂缝
C.刑侦上用紫外线拍摄指纹照片
D.卫星利用红外遥感技术拍摄云图照片
【答案】 CD
【解析】 医院里常用紫外线对病房和手术室进行消毒,故A错误;γ射线具有很强的穿透性,故工业上利用γ射线检查金属部件内部有无裂缝,故B错误;因为紫外线波长短,分辨率高,所以刑侦上用紫外线拍摄指纹照片,故C正确;因为红外线的波长较长,衍射能力较强,所以卫星利用红外遥感技术拍摄云图照片,故D正确。
4.请回答以下问题:
(1)红外体温计不与人体接触就能测体温,为什么
(2)一切物体都在不停地辐射红外线,为什么在冰窖中我们会感到很冷
(3)红外遥感有哪种方面的应用
【答案】 见解析
【解析】 (1)一切物体都在不停地辐射红外线,且温度越高,辐射的红外线越强,人体当然也是这样,这就是红外体温计的原理。因此红外体温计不与人体接触就可测体温。
(2)冰窖中四周为冰,温度较低,它向外辐射红外线的本领比人体弱,在冰窖中,同样时间内人体向外辐射红外线比接收的冰辐射的红外线要多,因此会感到很冷。
(3)红外遥感技术有着广泛的应用。如利用红外遥感可以在飞机或卫星上勘测地热、寻找水源、监视森林火情、预报风暴和寒潮等,红外遥感在军事上的应用也十分重要。
课时作业
基础巩固
1.间谍卫星上装有某种遥感照相机,可用来探测军用和民用目标,这种照相机能拍到晚上关灯行驶的汽车,即使车队离开,也瞒不过它。这种遥感照相机敏感的电磁波属于(　　)
A.可见光波段 B.X射线波段
C.红外线波段 D.紫外线波段
【答案】 C
【解析】 所有物体都在不停地辐射红外线,且红外线波长较大,所以衍射能力强,容易进行遥感,可知,这种遥感照相机敏感的电磁波属于红外线波段。故选C。
2.关于物理知识在科技和生活中的应用,下列各图对应的说法正确的是(　　)
A.图甲中医用紫外灭菌灯是利用了紫外线波长较长的特点
B.图乙中测温仪测体温是利用红外线有显著热效应的特点
C.图丙中γ手术刀治疗肿瘤是利用γ射线电离本领强的特点
D.图丁中行李安检仪透视检查物品是利用α射线穿透本领强的特点
【答案】 B
【解析】 紫外线波长较短,能杀菌消毒,因此医用紫外灭菌灯不是利用了紫外线波长较长的特点,选项A错误;红外线有显著热效应,可以反映物体的温度,测温仪测体温就是利用这一特点,选项B正确;γ手术刀是利用γ射线穿透本领强,能量高的特点,选项C错误;安检仪透视检查物品是利用X射线穿透本领较强的特点,并非α射线,选项D错误。
3.某驱逐舰采用“双波段(X波段和S波段)”雷达系统,雷达发射的X波段的频率为8～12 GHz,S波段的频率为2～4 GHz,下列说法正确的是(　　)
A.在空气中X波段的传播速度大于S波段的
B.在空气中S波段的波长比X波段的长
C.S波段和X波段的频率都比紫外线的大
D.X波段的电磁波比S波段的电磁波更容易发生明显衍射现象
【答案】 B
【解析】 在同种介质中传播时,频率越大的电磁波传播速度越慢,故在空气中X波段的传播速度小于S波段的传播速度,故A错误;根据v=fλ,S波段的频率较小,可知在空气中S波段的波长比X波段的更长,故B正确;根据电磁波谱可知S波段和X波段的频率都比紫外线的小,故C错误;X波段的频率大于S波段的频率,由λ=得X波段的波长更短,根据明显衍射条件可得S波段的电磁波更容易发生明显衍射现象,故D错误。
4.(双选)关于电磁波谱,下列说法正确的是(　　)
A.X射线对生命物质有较强的作用,过量的X射线辐射会引起生物体的病变
B.γ射线是波长最长的电磁波,它比X射线的频率还要高
C.紫外线比紫光更容易发生干涉和衍射
D.红外线容易穿透云雾烟尘
【答案】 AD
【解析】 X射线对生命物质有较强的作用,过量的X射线辐射会引起生物体的病变,A正确;γ射线是波长最短的电磁波,它比X射线的频率还要高,B错误;在电磁波谱中从无线电波到γ射线,波长逐渐减小,频率逐渐增大,而波长越长,波动性越强,越容易发生干涉、衍射现象,因此紫光比紫外线更容易发生干涉和衍射现象,C错误;红外线波长比可见光长,更容易发生衍射,易穿透云雾烟尘,D正确。
5.在电磁波谱中,红外线、可见光和伦琴射线(X射线)三个波段的频率高低关系是(　　)
A.红外线的频率最高,可见光的频率最低
B.伦琴射线的频率最高,红外线的频率最低
C.可见光的频率最高,红外线的频率最低
D.伦琴射线的频率最高,可见光的频率最低
【答案】 B
【解析】 在电磁波谱中,红外线、可见光和伦琴射线(X射线)按照频率从高到低的排列顺序是伦琴射线(X射线)、可见光、红外线,故B正确。
6.波长为0.6 μm的红光和波长为0.5 μm的绿光,分别从10 m外的交通信号灯传到你的眼睛,需要的时间为　　　　　　　;这个距离是红光波长的　　　　　倍,是绿光波长的　　　　　　倍。
【答案】 3.3×10-8 s　1.7×107　2×107
【解析】 红光、绿光在空气中的速度均为c=3×108 m/s,从10 m外的信号灯传到眼睛所需的时间t== s≈3.3×10-8 s;这个距离是红光波长的n1==≈1.7×107(倍),是绿光波长的n2===2×107(倍)。
能力提升
7.下列关于红外测温仪的说法正确的是(　　)
A.红外测温仪接收到的是身体的热量信号
B.体温越高,测温仪接收到最强辐射频率越低
C.体温越高,测温仪接收到最强辐射波长越短
D.红外线属于电磁波,其波长小于紫外线的波长
【答案】 C
【解析】 红外测温仪接收到的是人体辐射出的红外线,通过波长、强度与温度的关系,就可以得到人体的温度,并不是直接接收人体的热量信号,故A错误;体温越高,辐射的红外线能量越高,测温仪接收到最强辐射频率越高,测温仪接收到最强辐射波长越短,故B错误,C正确;红外线属于电磁波,根据电磁波谱的排列顺序可知,红外线的波长大于紫外线的波长,故D错误。
8.某种“冷光灯”如图所示。其后面的反光镜表面涂有一层透明的薄膜,利用干涉原理,可将灯光中具有明显热效应的那部分电磁波叠加相消。被叠加相消的是(　　)
A.红外线 B.红光
C.紫光 D.紫外线
【答案】 A
【解析】 红外线具有明显热效应,故被叠加相消的是红外线。故选A。
9.(双选)下列关于电磁波的说法正确的是(　　)
A.微波炉能快速加热食物是利用红外线具有显著的热效应
B.常用的电视机遥控器通过发出红外线脉冲信号来遥控电视机
C.天文学家用射电望远镜接收天体辐射的无线电波进行天体物理研究
D.遥感技术中利用了紫外线探测器接收物体发出的紫外线来探测被测物体的特征
【答案】 BC
【解析】 食物中的水分子在微波的作用下热运动加剧,温度升高,内能增加,不是利用红外线来加热,A错误;常用的电视机遥控器通过发出红外线脉冲信号来遥控电视机,B正确;天文学家用射电望远镜接收天体辐射的无线电波进行天体物理研究,C正确;遥感技术中利用红外线探测器接收物体发出的红外线来探测被测物体的特征,D错误。
10.太赫兹(THz)波是指频率在0.1～10 THz(波长为30～3 000 μm)范围内的电磁波,利用该频段可以加深和拓展人类对物理学、化学、天文学、信息学和生命科学中一些基本科学问题的认识,通过和电磁波谱对比,下列说法正确的是(　　)
A.太赫兹波比短波频率更小
B.太赫兹波比红光更容易发生明显衍射
C.太赫兹波比紫外线的能量更大,可以用于杀菌
D.太赫兹波可以用于胸透检查
【答案】 B
【解析】 太赫兹波波长比短波小,频率比短波大,故A错误;发生明显衍射现象的条件是障碍物尺度或者孔径小于波长,太赫兹波波长比红光大,更容易发生明显衍射,故B正确;波长越大,频率越小,能量越小,太赫兹波波长比紫外线大,频率低于紫外线,可知它的光子的能量比紫外线光子的能量更小,故C错误;由于频率越高,其穿透力越强,太赫兹波频率远低于X射线,其比X射线穿透能力更弱,不可以用于胸透检查,故D错误。
11.采用分体式位移传感器测量时,实验装置如图甲所示,发射器安装在小车上,接收器固定在导轨底端。位移传感器通过发射红外线和超声波进行测量,并绘制出小车的x-t图线,如图乙所示。
(1)红外线属于　　　　和　　　　,超声波属于　　　　和　　　　。
A.横波 B.纵波
C.机械波 D.电磁波
(2)当小车滑向接收器时,理论上接收器接收到的超声波波长应　　　　,频率应　　　　。
A.变大　　　　B.变小　　　　C.不变
(3)根据实验数据,论证0.45～0.65 s之间,小车的运动是否为匀加速直线运动 　。
【答案】 (1)A　D　B　C　(2)B　A　(3)见解析
【解析】 (1)红外线属于横波和电磁波,故选A和D。超声波属于纵波和机械波,故选B和C。
(2)当小车滑向接收器时,根据多普勒效应可知接收器接收到的超声波波长变小,故选B;频率变大,故选A。
(3)根据实验数据可知0.45～0.65 s之间,相邻计数点的时间间隔T相同,且为T=0.05 s,x轴坐标依次为 x1=61.7 cm,x2=58.6 cm,x3=55.1 cm,x4=51.2 cm,x5=46.9 cm,相邻计数点间的位移大小为Δx1=x1-x2=3.1 cm,Δx2=x2-x3=3.5 cm,Δx3=x3-x4=3.9 cm,Δx4=x4-x5=4.3 cm,相邻相等时间内的位移之差为Δx2-Δx1=Δx3-Δx2=Δx4-Δx3=0.4 cm,可见在误差允许的范围内,可认为相邻的相等时间间隔内的位移差恒定,故在0.45～0.65 s之间,小车的运动是匀加速直线运动。
12.一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,雷达荧光屏相邻刻线间表示的时间间隔为 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 (结果保留至小数点后一位)
【答案】 335.8 m/s
【解析】 由题意知荧光屏相邻刻线间的时间间隔
t0=10-4 s,
图甲发射波和接收波的时间间隔
t1=4×10-4 s,
图乙时间间隔t2=1×10-4 s,
所以第一次飞机位置与雷达的距离为
s1=c·=6×104 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=≈5.81×104 m,
所以v=≈335.8 m/s。章末总结
专题一　电磁振荡过程分析
[例1] (双选)如图甲为LC振荡电路,其中图乙描绘的是流过电路中M点的电流随时间变化规律的图像,假设回路中电流顺时针方向为正,则下列说法正确的是(　　)
A.在第1 s末到第2 s末的过程中电容器正在放电
B.在第1 s末到第2 s末的过程中电容器的下极板带负电
C.在第2 s末到第3 s末的过程中M点的电势比N点的电势低
D.在第2 s末到第3 s末的过程中电路中电场能正在逐渐减小
【答案】 CD
【解析】 在第1 s末到第2 s末的过程中,振荡电流是充电电流,充电电流是由上极板流向下极板,则下极板带正电,A、B错误;在第2 s末到第3 s末的过程中,振荡电流是放电电流,电场能正在减小,磁场能正在增大,由于电流为负值,所以由N流向M,则N点的电势高,C、D正确。
(1)分析两类物理量:电荷量Q决定了电场能的大小,电容器极板间电压U、电场强度E、电场能EE的变化规律与Q的变化规律相同;振荡电流i决定了磁场能的大小,线圈中的磁感应强度B、磁通量Φ、磁场能EB的变化规律与i的变化规律相同。
(2)两个过程:放电过程电荷量Q减小,振荡电流i增大;充电过程电荷量Q增大,振荡电流i减小。
(3)两个瞬间:放电完毕瞬间Q=0,i最大;充电完毕瞬间i=0,Q最大。
[针对训练1] 如图所示,单刀双掷开关S先打到a端让电容器充满电。t=0时开关S打到b端,t=0.02 s 时LC回路中电容器下极板带正电荷且电荷量第一次达到最大值,则(　　)
A.LC回路的周期为0.02 s
B.LC回路的电流最大时电容器中电场能最大
C.t=1.01 s时线圈中磁场能最大
D.t=1.01 s时回路中电流沿顺时针方向
【答案】 C
【解析】 当电容C充满电后,电容器上极板带正电,电容器中电场能最大,开关S打到b端后,电容器开始放电,当电荷释放完瞬间,LC回路电流最大,电场能转化为磁场能;接着自感线圈对电容器充电,回路中电流逐渐减弱,磁场能转化为电场能,此时电容器下极板带正电;随后电容器开始放电,然后自感线圈再对电容器充电,最后电容器上极板带正电,一个完整的振荡周期结束。根据以上分析 T=0.04 s,选项A错误。电流最大时磁场能最大,电场能最小,选项B错误。t=1.01 s,即相当于 25.25T,即从题目初始状态开始,经过0.25T,电荷释放完,回路中电流最大,自感线圈中磁场能最大,选项C正确。根据以上分析,在0.25T时,线路中的电流是逆时针方向,选项D错误。
专题二　电磁波和电磁波谱
[例2] (双选)关于电磁波的特性,下列说法正确的是(　　)
A.红外线遥感是利用了红外线波长较长的特点
B.一切物体都在不停地发射红外线,温度越高,红外辐射越强
C.验钞机检验钞票真伪体现了紫外线的杀菌作用
D.X射线可深入骨骼,杀死病变细胞
【答案】 AB
【解析】 红外线波长较长,能够发生明显衍射现象,故A正确;一切物体都在发射红外线,红外辐射本领和物体温度正相关,故B正确;钞票上有荧光物质,验钞机发出的紫外线具有荧光作用,可以使荧光物质发光,故C错误;在人体内杀死病变细胞是利用了γ射线的放射作用,X射线可用来检查人体器官,故D错误。
(1)按波长由长到短(频率由低到高)的顺序。
无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线等合起来,构成了范围非常广阔的电磁波谱。
(2)各种不同的电磁波既有共性,又有特性。
①共性:它们在本质上都是电磁波,它们的行为服从相同的规律,都遵守公式c=fλ,它们在真空中
的传播速度都是c=3.0×108 m/s,它们的传播都不需要介质,各波段之间并没有绝对的界限。
②特性:不同电磁波的频率或波长不同,表现出不同的特性。波长越长越容易产生干涉、衍射现象,波长越短,干涉、衍射现象越不明显。正是这些不同的特性决定了它们不同的用途。
(3)电磁波和机械波在波动性上有相同点,都遵守v=fλ,但本质不同,机械波不能在真空中传播,而电磁波的传播不需要介质。
[针对训练2] (双选)(2021·福建卷)以声波作为信息载体的水声通信是水下长距离通信的主要手段。2020年 11月 10日,中国载人潜水器“奋斗者”号创造了10 909米深潜纪录。此次深潜作业利用了水声通信和电磁通信等多种通信方式进行指令传输或数据交换,如图所示。下列说法正确的是(　　)
A.“奋斗者”号与“探索一号”通信的信息载体属于横波
B.“奋斗者”号与“沧海”号通信的信息载体属于横波
C.“探索一号”与通信卫星的实时通信可以通过机械波实现
D.“探索一号”与“探索二号”的通信过程也是能量传播的过程
【答案】 BD
【解析】 “奋斗者”号与“探索一号”通信是通过水声通信,声音在水中的传播是纵波,故信息载体属于纵波,故A错误;“奋斗者”号与“沧海”号通信是通过无线蓝绿光通信,光以横波的形式传播,故信息载体属于横波,故B正确;因为太空中没有介质,故机械波无法传播,所以“探索一号”与通信卫星的实时通信只能通过电磁通信来实现,故C错误;传递信息的过程也是传递能量的过程,故“探索一号”与“探索二号”的通信过程也是能量传播的过程,故D正确。
1.随着通信技术的更新换代,无线通信使用的电磁波频率更高,频率资源更丰富,在相同时间内能够传输的信息量更大。第5代移动通信技术(简称5G)意味着更快的网速和更大的网络容载能力,“4G改变生活,5G改变社会”。与4G相比,5G使用的电磁波(　　)
A.光子能量更大 B.衍射更明显
C.传播速度更大 D.波长更长
【答案】 A
【解析】 5G使用的电磁波频率比4G更大,根据 E=hν,可知5G使用的电磁波比4G光子能量更大,A正确;光在真空中传播速度相同,根据v=λf可知,5G使用的电磁波波长更短,不易发生明显衍射,B、C、D错误。
2.用非接触式体温测量仪,通过人体辐射的红外线测量体温,用紫外线灯在无人的环境下消杀病毒。关于红外线和紫外线的说法正确的是(　　)
A.在同一介质中,红外线的波长比红光的波长大
B.只有热的物体才能辐射红外线
C.在同一介质中,紫外线的波长比紫光的波长大
D.红外线和紫外线都是可见光
【答案】 A
【解析】 根据电磁波谱可知,在同一介质中,红外线的波长比红光的波长大,故A正确;一切物体都在不停地辐射红外线,故B错误;根据电磁波谱可知,在同一介质中,紫外线的波长比紫光的波长小,故C错误;红外线和紫外线都不是可见光,故D错误。
3.(双选)如图所示为理想LC振荡电路,此时刻电容器极板间的电场强度方向和线圈中的磁场方向如图所示。下列说法正确的是(　　)
A.如图所示的时刻电容器正在放电
B.电路中的磁场能在增加
C.电容器两端的电压在增加
D.电容器的两极板间距离变大,振荡电流的频率增大
【答案】 CD
【解析】 根据安培定则可以得到线圈中的电流为逆时针方向(俯视),故电容器正在充电,故A错误;电容器充电,电场能增加,磁场能减少,故B错误;电容器在充电,其两端的电压正在增加,故C正确;电容器的两极板间距离变大,电容减小,由LC振荡电路的周期公式T=2π 可得周期减小,故振荡电流频率增大,故D正确。
4.(双选)蓝牙是一种使用2.4 GHz频段的无线电波支持设备短距离通信的技术,能在手机、无线耳机、智能手环、打印机等众多设备之间进行信息交换,则(　　)
A.这个频段的电磁波比γ射线能量更高
B.这个频段的电磁波比紫外线更难观察到明显衍射现象
C.蓝牙信号“穿墙”时,在墙壁中的传播速率小于 3×108 m/s
D.智能手机中集成的蓝牙模块有发射和接收电磁波的功能
【答案】 CD
【解析】 γ射线是电磁波谱中能量最高的,故A错误;蓝牙的频段为2.4 GHz,低于紫外线的频段,其波长较紫外线长些,比紫外线更容易观察到明显衍射现象,故B错误;3×108 m/s是电磁波在真空中的传播速度,也是最大的速度,电磁波在介质中的传播速度会变小,故C正确;智能手机利用蓝牙技术进行信息交换,可以断定智能手机中集成的蓝牙模块有发射和接收电磁波的功能,故D正确。
5.(双选)如图所示LC振荡电路中,电容C为0.4 μF,电感L为1 mH。已充电的平行板电容器两极板水平放置。开关S断开时,极板间有一带电的灰尘恰好静止。当开关S闭合时,灰尘在电容器内运动。不计带电灰尘对电路的影响,则(　　)
A.灰尘的加速度为g时,电感线圈中磁场能最大
B.灰尘将在两极板间做单向直线运动,直至碰到极板
C.从S闭合开始计时,经2π×10-5 s,电感线圈中电流最大
D.从S闭合开始计时,经4π×10-5 s,电感线圈中电流最大
【答案】 AB
【解析】 LC振荡电路的振荡周期为T=2π=2π s=4π×10-5 s,从S闭合开始计时,闭合开关S后,电容器开始放电,经2π×10-5 s(即T)或经4π×10-5 s(即T),电容器刚好充电完毕,电容器极板的电荷量最大,电感线圈中电流最小,C、D错误;灰尘的加速度为g时,灰尘受到的静电力为0,电容器极板的电荷量为零,电感线圈中电流最大,磁场能最大,A正确;开关S断开时,灰尘恰好静止,开关S闭合后,在 0～T内,重力大于向上的静电力,灰尘加速下降,在T～T内,静电力向下,灰尘加速下降,在T～T内,重力大于向上的静电力,灰尘加速下降,故灰尘将在两极板间做单向直线运动,直至碰到极板,B正确。
6.许多先进的军事作战单位安装了有源相控阵雷达,有源相控阵雷达是相控阵雷达的一种。有源相控阵雷达的每个辐射器都配装有一个发射/接收组件,每一个组件都能自己产生、接收电磁波,因此在频宽、信号处理和冗度设计上都比无源相控阵雷达具有较大的优势。下列说法正确的是(　　)
A.雷达使用的电磁波是长波,它利用了长波容易发生衍射可以绕开障碍物远距离传播的特点
B.雷达使用的电磁波是微波,它利用了微波直线性好、反射性强的特点
C.雷达发射的电磁波会经过调制、调幅或调频、调谐、解调几个过程
D.雷达使用的电磁波比红外遥感使用的电磁波频率大
【答案】 B
【解析】 雷达是根据反射回来的电磁波来测距和测速的,所以应采用直线性好、反射性强的微波,A错误,B正确;雷达发射的电磁波不需要携带信号,所以不需要经过调制和解调等过程,C错误;雷达使用的电磁波是微波,红外遥感使用的电磁波是红外线,微波的频率比红外线的小,D错误。
7.如图所示的振荡电路中,线圈自感系数L=0.5 H,电容器电容 C=2 μF,现使电容器上极板带正电,则振荡电路的振荡周期为　　　　s,从接通开关S时刻算起,在t=3.0×10-2 s时,电路中电流方向是　　　　　　　,在时间t=　　　　　　 s时,线圈中的磁场能第一次达到最大。
【答案】 6.28×10-3　顺时针方向　1.57×10-3
【解析】 LC振荡电路的周期T=2π=2π s≈6.28×10-3 s,当t=3.0×10-2 s时,t≈4.78T,即T电磁波　检测试题
一、单项选择题:本题共4小题,每小题4分,共 16分。在每小题给出的四个选项中,只有一项是符合题目要求的。
1.关于电磁场和电磁波的说法正确的是(　　)
A.紫外线是一种波长比紫光波长更长的电磁波,能够灭菌
B.变化的磁场一定产生变化的电场,变化的电场一定产生变化的磁场
C.频率为750 kHz的电磁波在真空中传播时,其波长为400 m
D.麦克斯韦第一次在实验室通过实验验证了电磁波的存在
【答案】 C
【解析】 紫外线是一种波长比紫光波长更短的电磁波,能够灭菌,故A错误;均匀变化的电场(磁场)产生恒定的磁场(电场),非均匀变化的电场(磁场)产生变化的磁场(电场),故B错误;根据公式λ=可得,频率为750 kHz的电磁波在真空中传播时的波长为400 m,故C正确;赫兹第一次在实验室通过实验验证了电磁波的存在,故D错误。
2.如图所示为LC振荡电路在电磁振荡中电容器极板间电压随时间变化的u-t图像,则(　　)
A.t1～t2时间内,电路中电流不断增大
B.t2～t3时间内,电场能越来越小
C.t3时刻,磁场能为零
D.t3时刻电流方向要改变
【答案】 B
【解析】 在t1～t2时间内,极板间的电压增大,极板电荷量增大,所以为充电过程,电流减小,A错误;在t2～t3时间内极板间电压减小,极板电荷量减小,所以电容器放电,电流逐渐增大,磁场能增大,电场能减小,t3时刻电压为零,说明放电完毕,电场能为零,磁场能最大,之后将是对电容器充电,且电流方向不变,B正确,C、D错误。
3.我国成功研发的反隐身先进米波雷达堪称隐身飞机的克星,它标志着我国雷达研究又创新的里程碑,米波雷达发射无线电波的波长在1～10 m范围内,则对该无线电波的判断正确的是(　　)
A.米波的频率比厘米波频率高
B.和机械波一样靠介质传播
C.同光波一样均为横波
D.比声波的传播速度小
【答案】 C
【解析】 由c=λf可知波长越长频率越低,所以米波频率比厘米波的频率低,故A错误;无线电波是电磁波,电磁波的传播不需要介质,故B错误;无线电波与光波都为横波,故C正确;电磁波的传播速度为光速,故比声波波速大,故D错误。
4.在电磁波发射技术中,使载波随各种信号而改变的技术叫作调制。它有两种方法:一是使高频电磁波的振幅随信号的强弱而变,这种调制叫作调幅;二是使高频电磁波的频率随信号的强弱而变,这种调制叫作调频。下列四幅图中调频波是(　　)
A B
C D
【答案】 D
【解析】 A项,该波是信号波,故A错误;B项,波的振幅变了,而频率没有变,则该波是调幅波,故B错误;C项,该波是用来携带信号的高频电磁波,即载波,故C错误;D项,波的频率变了,而振幅没有变,则该波是调频波,故D正确。
二、双项选择题:本题共4小题,每小题6分,共 24分。每小题有两项符合题目要求,全部选对的得6分,选对但不全的得3分,有选错的得0分。
5.广播电台的天线可以看成是开放电路,如图所示是无线电波发射的示意图,下列说法正确的是(　　)
A.开关闭合瞬间,电路中的电流最大
B.无线电波是一种电磁波,可以在真空中传播
C.当线圈L中电流变为零时,磁场能开始转化为电场能
D.由于线圈L和L′的互感作用,线圈L′上产生感应电动势
【答案】 BD
【解析】 开关闭合瞬间,电容器开始放电,则电路中的电流最小,故A错误;无线电波是一种电磁波,可以在真空中传播,故B正确;当线圈L中电流变为零时,此时磁场能为0,电场能开始转化为磁场能,故C错误;由于线圈L和L′的互感作用,线圈L′上产生感应电动势,故D正确。
6.我国500 米口径球面射电望远镜(FAST)可以接收来自宇宙深处的电磁波。关于电磁波,下列说法正确的是(　　)
A.电磁波是横波
B.变化的电场一定产生变化的磁场
C.频率越高的电磁波,在真空中传播的速度越大
D.电磁波可以传递信息和能量
【答案】 AD
【解析】 电磁波是横波,故A正确;根据麦克斯韦电磁场理论,变化的电场不一定产生变化的磁场,若是均匀变化的电场,在周围空间产生恒定的磁场,故B错误;任何频率的电磁波在真空中传播的速度大小都一样,等于光速,故C错误;电磁波可以传递信息和能量,故D正确。
7.如图所示,电池的电动势为E,内阻为r,电容器的电容为C,绕在铁芯上的理想线圈电感为L,其直流电阻为零。开始时电路中开关S1断开,S2闭合。在t=t1时刻,断开S2,闭合S1,此后回路中出现了振荡电流。若不计电磁波的辐射能量,电路中电阻的存在不会影响振荡电路的振荡频率。下列说法正确的是(　　)
A.闭合S1的瞬间,线圈中产生的感应电动势为E
B.t1+π 时刻,电容器带电量为零
C.t1+π 时刻,电感线圈中产生的自感电动势为零
D.电路最后达到的状态是R两端的电势差恒为零
【答案】 AD
【解析】 闭合S1的瞬间,电容器开始放电,此时放电电流为零,线圈中产生的感应电动势为E,故A正确;t1+π时刻,即经历,电容器刚好充电结束,电容器带电荷量不为零,此时充电电流为零,线圈中产生的感应电动势为E,故B、C错误;振荡电路中电阻R产生焦耳热,能量逐渐减少,直至不再振荡,电路最后达到的状态是R两端的电势差恒为零,故D正确。
8.如图所示,L为电感线圈,C为电容器,R为定值电阻,线圈及导线电阻均不计。先闭合开关S,稳定后,再将其断开,并规定此时t=0。当t1=0.01 s时,LC振荡电路中电容器右极板带正电荷且电荷量第一次达到最大值,则(　　)
A.LC振荡电路的振荡周期为0.04 s
B.LC振荡电路中电流最大时电场能最大
C.t2=0.12 s时线圈中磁场能最大
D.t3=0.125 s时振荡电路中电流沿顺时针方向
【答案】 AC
【解析】 t=0时,线圈中电流向右,断开开关S后,线圈产生自感电动势,对电容器充电,使右极板带正电。在一个周期内,电容器充电两次,放电两次,t=0.01 s时LC振荡电路中电容器右极板带正电荷且电荷量第一次达到最大值,此时充电一次,则周期为0.04 s,选项A正确。根据LC振荡电路的充、放电规律可知,放电完毕时,电路中电流最大,磁场能最大,电场能最小,选项B错误。t2=0.12 s=3T,此时线圈中电流向右最大,磁场能最大,选项C正确。t3=0.125 s=T 时线圈中电流向右给电容器充电,电路中电流沿逆时针方向,选项D错误。
三、非选择题:共60分。
9.(6分)如图所示,LC振荡电路中振荡电流的周期为2×10-2 s,自振荡电流沿逆时针方向达到最大值时开始计时,当t=3.4×10-2 s时,电容器正处于　　　　(选填“充电”“放电”“充电完毕”或“放电完毕”)状态,这时电容器的上极板　　　　(选填“带正电”“带负电”或“不带电”),下极板　　　　　　(选填“带正电”“带负电”或“不带电”)。
【答案】 充电　带正电　带负电
【解析】 以逆时针方向为电流的正方向,根据题意画出LC振荡电路振荡电流随时间的变化图像如图所示,结合图像,t=3.4×10-2 s时刻设为图像中的P点,则该时刻电路正处于反向电流减小的过程中,所以电容器正处于反向充电状态,上极板带正电,下极板带负电。
10.(6分)振荡电路中电容器电容为C,振荡电流i=Imsin ωt。则此电路中线圈的自感系数L=　　　　;假设此电路发射的电磁波在某介质中的波长为λ,则电磁波在此介质中的传播速度 v=　　　　;若要适当增大该振荡电路的频率,可更换自感系数较　　　　(选填“大”或“小”)的线圈。
【答案】 　　小
【解析】 由T==2π得
L=;v==;
由f=可知,可减小L以增大振荡电路的频率。
11.(8分)电流传感器可以在电脑端记录电流随时间变化的图线,某实验小组设计了如图甲所示的实验电路,探究电容器在不同电路中的充放电现象。
实验小组先将开关接1给电容器充电,待电路稳定后再接3,探究LC振荡电路的电流变化规律。
(1)实验小组得到的振荡电路电流波形图像,选取了开关接3之后的LC振荡电流的部分图像,如图乙所示,根据图像中记录的坐标信息可知,振荡电路的周期T=　　　　 s(结果保留两位有效数字)。
(2)如果使用电动势较小的电源给电容器充电,则LC振荡电路的频率将　　　　(选填“增大”“减小”或“不变”)。
【答案】 (1)9.2×10-3　(2)不变
【解析】 (1)由题图乙可知
T= s=9.2×10-3 s。
(2)由振荡周期公式T=2π,可知使用电动势较小的电源给电容器充电,则LC振荡电路的周期不变,则频率也不变。
12.(8分)某同学利用微波发射器和接收器研究电磁波。发射器可发射频率为10 GHz的一定强度电磁波,接收器可显示接收到电磁波的强度。
(1)如图甲所示,接收器和发射器置于同一直线上,在发射器和接收器前均加装一偏振片,此时接收器显示接收到的信号最强。若接收器按图示方向沿轴线转动,接收到信号的强度发生变化,由此说明电磁波属于　　　　(选填“横波”或“纵波”)。若从接收信号最强位置开始旋转180°的过程中,接收的信号强度变化情况是　　　　　　　　。
(2)如图乙所示,在发射器和接收器之间放置一块带双缝的金属平板,接收器沿虚线移动时,接收器接收到信号的强弱会发生变化。这种现象是电磁波的　　　　(选填“偏振”“干涉”或“衍射”)现象,接收器接收到的信号相邻两次最强位置之间的距离　　　　(选填“几乎相等”“中间大两侧小”或“中间小两侧大”),若双缝的两条缝之间距离减小,接收器接收到的信号相邻两次最强位置之间的距离　　　　(选填“变大”“变小”或“不变”)。
【答案】 (1)横波　先减弱后增强
(2)干涉　几乎相等　变大
【解析】 (1)根据题意可知在旋转偏振片后接收到信号的强度发生变化,由此说明电磁波属于横波;若从接收的信号最强开始旋转180°的过程中,接收的信号强度变化情况是先减弱后增强。
(2)在发射器和接收器之间放置一块带双缝的金属平板,接收器沿虚线移动时,接收器接收到信号的强弱会发生变化,这种现象是电磁波的干涉现象。根据双缝干涉条纹间距公式Δx=λ,可知接收器接收到的信号相邻两次最强位置之间的距离几乎相等;若双缝的两条缝之间距离减小,可知接收器接收到的信号相邻两次最强位置之间的距离变大。
13.(8分)著名物理学家玻尔兹曼指出,各个领域中物理方程惊人的类似性显示了世界的统一性。
情境一:水平方向上的弹簧振子。如图甲,水平面光滑,弹簧劲度系数为k,物块在初始位置时,弹簧处于拉伸状态,弹簧形变量为A。物块由静止释放,某时刻t,其相对平衡位置的位移x、速度v三个物理量之间的变化规律可用方程①-kx=m 描述,其中m为物体质量。我们知道,由于物块所受的回复力满足方程 F=-kx,物块做简谐运动,其偏离平衡位置的位移x随时间t的变化关系满足方程x=Acos ωt,其中ω为圆频率。
情境二:如图乙,LC振荡电路中,线圈自感系数为L,电容大小为C。闭合开关前,电容器下极板带正电,电荷量为Q。闭合开关S后t时刻,电容器下极板电荷量为q,流经线圈的电流为i,忽略LC电路中的直流电阻以及振荡过程中的电磁辐射,回路中电压关系满足uC+EL=0,其中uC为电容器两端电压,EL为线圈的自感电动势。
(1)在LC振荡电路中,仿照方程①,补全方程②　　　　=L,并在图丙中定性画出一个周期内的q-t图像。
(2)在情境一中,系统的能量在弹性势能和动能之间相互转化;情境二中,系统的能量在电场能与磁场能之间相互转化。根据方程①②,类比两种情境下周期性的能量转化情况,完成下表。
情境一 情境二
弹性势能减少,动能增加
动能的表达式Ek=mv2
LC电路振荡周期 T=2π
【答案】 (1)-q　图见解析　(2)见解析
【解析】
(1)电容器的带电量为q=uCC,线圈自感电动势为 EL=L,回路中电压关系满足uC+EL=0,整理得-q=L,类比水平方向上的弹簧振子,一个周期内的q-t图像表达式为q=qmcos ωt=qmcos t,则一个周期内的q-t图像如图所示。
(2)水平方向上的弹簧振子,弹性势能减小,动能增加。LC振荡电路中的电流i类比弹簧振子的速度v,则在LC振荡电路中,电场能减小,磁场能增加。
LC振荡电路中的线圈自感系数L类比弹簧振子中的振子质量m,根据动能的表达式Ek=mv2,可得磁场能的表达式E=Li2,LC振荡电路中,电容的倒数类比弹簧振子中的劲度系数k,LC电路振荡周期T=2π,可得弹簧振子周期T=2π,如下表所示。
情境一 情境二
弹性势能减少,动能增加 电场能减少,磁场能增加
动能的表达式 Ek=mv2 磁场能的表达式 E=Li2
弹簧振子周期 T=2π LC电路振荡周期 T=2π
14.(7分)实验室里有一水平放置的平行板电容器,其电容C=1 μF。在两极板带有一定量电荷时,发现一粉尘恰好静止在两极板间。还有一个自感系数L=0.1 mH的电感线圈,现连成如图所示的电路,试分析以下两个问题:(重力加速度为g)
(1)从S闭合时开始计时,经过2π×10-5 s时,电容器内粉尘的加速度大小是多少 (假设此时粉尘未到达极板)
(2)当线圈中电流最大时,粉尘的加速度为多大
【答案】 (1)0　(2)g
【解析】 (1)LC振荡电路的周期为
T=2π=2π s
=2π×10-5 s,
因此t=2π×10-5 s时,LC振荡电路恰好经历一个周期,此时电容器两极板间电场强度的大小、方向均与初始时刻相同,所以此时粉尘所受合力为0,加速度大小为0。
(2)电容器放电过程中,两极板的电荷量减小,电路中的电流增大,当电流最大时,两极板的电荷量为零,极板间电场强度为零,此时粉尘只受重力作用,其加速度大小为g。
15.(7分)某居住地A位于某山脉的一边,山脉的另一边P处建有一无线电波发射站,如图所示。该发射站可发送频率为400 kHz的中波和频率为 300 MHz 的微波,已知无线电波在空气中的传播速度为3×108 m/s,问:
(1)该中波和微波的波长各是多少
(2)发射站发出的电磁波是经过干涉还是衍射后到达居住地A处
(3)若两种波的接收效果不同,请说明哪一种波的接收效果更好 为什么
【答案】 (1)750 m　1 m　(2)衍射　(3)见解析
【解析】 (1)根据λ=,
解得λ1== m=750 m,
λ2== m=1 m。
(2)衍射是波绕过障碍物的现象。电磁波绕过山脉到达A处,发生了衍射现象。
(3)频率为400 kHz的中波接收效果更好,因为它的波长长,衍射现象更明显。
16.(10分)如图所示,一LC振荡电路的电感L=0.25 H,电容C=4 μF,在电容器开始放电时设为零时刻,上极板带正电,下极板带负电,(π取3.14)问:
(1)此LC振荡电路的周期为多少
(2)当t=2.0×10-3 s时,电容器上极板带何种电荷 电流方向如何
(3)如电容器两极板间电压最大为10 V,则在前内的平均电流为多大
【答案】 (1)6.28×10-3 s　(2)负电荷　逆时针
(3)2.55×10-2A
【解析】 (1)根据LC振荡电路的周期公式可知,
T=2π
=2×3.14× s
=6.28×10-3 s。
(2)t=2.0×10-3 s在到之间,电容器在反向充电,所以上极板带负电荷,电流方向为逆时针。
(3)电容器两极板间电压最大为10 V,电容C=4 μF,则电容器所带电荷量
Q=CU=4×10-6×10 C=4×10-5 C,
且Q=t′,t′==1.57×10-3 s,
则== A≈2.55×10-2 A。(共45张PPT)
第3节　电磁波谱
1.了解什么是电磁波谱,知道各种可见光和不可见光与无线电波一样,也是电磁波。2.了解不同波长电磁波的特性以及应用。
[定位·学习目标]　
探究·必备知识
「知识梳理」
知识点一　认识电磁波谱
1.电磁波谱:按电磁波的 或 顺序排列成的谱。
2.按波长从长到短排列的电磁波依次为无线电波、 、可见光、
、 、γ射线等。电磁波谱中的各种波都具有 、折射、 和干涉的特性,在真空中的传播速度均等于 。
波长
频率
红外线
紫外线
X射线
反射
衍射
光速
3.可见光的波长范围为 ,颜色依次排列为
。红外线的波长比红光的波长要长,一般为 。紫外线的波长比紫光的波长短,一般为
。无线电波的波长最 ,X射线和 的波长相比其他波较短。
4.0×10-7～7.6×10-7 m
紫、靛、蓝、绿、黄、橙、红
7.6×10-7～10-3 m
10-8～4.0×10-7m
长
γ射线
项目 特性 用途
无线电波 波动性 通信、广播、导航
红外线 热作用强、感光性强 加热、红外摄影仪、
红外遥感器
可见光 感光性 照明、照相等
紫外线 化学作用、 杀菌消毒
X射线 穿透力较强 辅助进行
疾病诊断
γ射线 穿透力很强 治疗
知识点二　不同波段电磁波的应用
强
强
荧光作用
1.思考判断
(1)各种电磁波中最容易表现出干涉和衍射现象的是γ射线。(　 　)
(2)红外线有显著的热效应,紫外线有显著的荧光作用。(　 　)
(3)X射线的穿透本领比γ射线更强。(　 　)
(4)低温物体不能辐射红外线。(　 　)
(5)可见光中红光的波长最长,紫光的波长最短。(　 　)
(6)电磁波家族中无线电波的频率最高。(　 　)
√
×
「新知检测」
×
×
√
×
2.思维探究
(1)电磁波在真空中的传播速度是多少 无线电波的波长比可见光的波长长还是短 除了无线电波和可见光之外,还有其他哪些电磁波
【答案】 (1)3×108 m/s。无线电波的波长比可见光的波长长。还有红外线、紫外线、X射线、γ射线。
(2)人为什么不能长时间在太阳下暴晒
【答案】 (2)紫外线的作用较强,人体适量接受太阳光里的紫外线照射,能促进钙质吸收。但过多地吸收紫外线,会对皮肤和眼睛造成伤害。
突破·关键能力
要点一　认识电磁波谱
「要点归纳」
1.各种电磁波的共性
(1)在本质上都是电磁波,遵循相同的规律,各波段之间的区别并没有绝对的意义。
(2)都遵循公式c=λf,在真空中的传播速度都是c=3×108 m/s。
(3)传播都不需要介质。
(4)都具有反射、折射、衍射和干涉的特性。
2.各种电磁波的个性
(1)不同电磁波的频率或波长不同,表现出不同的特性,波长越长,越容易产生干涉、衍射现象,波长越短,穿透能力越强。
(2)同频率的电磁波在不同介质中传播速度不同。不同频率的电磁波在同一种介质中传播时,频率越大,折射率越大,速度越小。
[例1] 根据电磁波谱,下列关于各电磁波的说法正确的是(　　)
A.可见光的波长一定比无线电波的波长短
B.各种电磁波的频率和波长有明显的区域界限
C.相同条件下,电磁波谱中最难发生衍射的是X射线
D.可见光实质上也是一种电磁波,红光波长最短
A
【解析】 由电磁波谱可知,可见光的波长一定比无线电波的波长短,A正确;电磁波的波长和频率是连续的,没有明显的区域界限,B错误;波长越短,越难发生衍射,电磁波谱中比X射线波长短的还有γ射线,C错误;在可见光中,红光波长最长,D错误。
·学习笔记·
(1)电磁波是一个大家族,从无线电波到γ射线组成电磁波谱,可见光只是这个谱系中很窄的一个波段。
(2)无线电波和红外线有重叠部分,紫外线和X射线有重叠部分,X射线和γ射线也有重叠部分。
[针对训练1] 看图回答下列问题:
(1)我们知道光是一种电磁波,如图甲所示是红外照片,除可见光和红外线,你还知道哪些电磁波
【答案及解析】 (1)除可见光和红外线,电磁波还有无线电波、紫外线、X射线和γ射线。
(2)如图乙所示是可见光的光谱,其他电磁波在光谱中的大致位置是什么
【答案及解析】 (2)无线电波和红外线在题图乙可见光光谱的左边,其中无线电波的波长大于红外线的波长,紫外线、X射线和γ射线在题图乙可见光光谱的右边,依次是紫外线、X射线和γ射线。
(3)电磁波谱按波长由大到小(频率由低到高)的顺序如何排列的
【答案及解析】 (3)电磁波谱按波长由大到小(频率由低到高)的顺序是:无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线和γ射线。
要点二　不同波段电磁波的应用
「情境探究」
(1)无线电波的波长范围如何 有何应用
【答案】 (1)波长大于1 mm,无线电波可应用于广播、电视、卫星导航和
雷达。
(2)红外线有何特点
【答案】 (2)红外线具有热效应,任何物体都能发射红外线,温度越高,红外辐射越强。
(3)X射线和γ射线的波长有何特点
【答案】 (3)波长比其他波更短。
「要点归纳」
不同电磁波的特性及应用
项目 无线 电波 红外线 可见光 紫外线 X 射线 γ
射线
频率 由左向右,频率变化为由小到大
真空 中的 波长 由左向右,波长变化为由长到短
特性 波动 性强 热效 应强 感光 性强 化学 作用、 荧光 作用 穿透 力强 穿透
力最强
用途 通信、 广播、 天体 物理 研究等　 遥控、 遥测、 加热、 红外 摄像、 红外 制导等　 照明、 照相等 日光灯、 杀菌、 防伪、 治疗 皮肤 病等 检查、 探测、 透视、 治疗等　 探测、
治疗等　
[例2] 下面列出一些医疗器械的名称和一些电磁波的特性,请将相应的字母填写在利用这种特性的医疗器械后面的空格上。
(1)X光机,　　　。
(2)紫外线灯,　　　。
(3)红外线灯,　　　。
A.光的全反射
B.紫外线具有很强的荧光作用
C.紫外线具有杀菌消毒作用
D.X射线有很强的穿透力
E.红外线具有显著的热效应
F.红外线波长较长,易发生衍射
D
C
E
【解析】 (1)X光机是用来透视人体内部器官的,因此需要具有较强穿透力的电磁波,但又不能对人体造成太大的伤害,因此采用了X射线,故选择D。
(2)医疗上的紫外线灯主要是用来杀菌的,因此它应用的是紫外线的杀菌消毒作用而非荧光作用,故选择C。
(3)红外线灯主要是用于促进局部血液循环,它利用的是红外线的热效应,使人体局部受热,血液循环加快,故选择E。
电磁波的特点和应用
我们不仅要牢记电磁波谱中的不同的电磁波(如红外线、紫外线、X射线、γ射线)的特点和应用,还要记住电磁波谱中波长、频率的变化规律,如频率越高,波长越短,穿透性越强,波动性越弱;频率越低,波长越长,衍射现象越明显,波动性越强,穿透性越弱。
·学习笔记·
[针对训练2] (双选)为防范和打击利用无线电技术手段进行考试作弊的行为,确保普通高考公平顺利进行,各市无线电管理处周密部署,多措并举,全力以赴确保高考期间无线电安全。关于电磁波的特性,下列说法正确的是(　 　)
A.红外线波长短,分辨率高,侦察上可用红外线拍摄指纹照片
B.X射线可用于进行人体透视
C.雷达发出或接收的电磁波受天气影响,在浓雾天能见度低的黑夜不能使用
D.空间站上对地球进行拍摄是利用红外线有较好的穿透云雾烟尘的能力
BD
【解析】 侦察上用紫外线拍摄指纹照片,因为紫外线波长短,分辨率高,故A错误;X射线有较强的穿透能力,用来进行人体透视,故B正确;电磁波的使用不受天气影响,故雷达在能见度低的黑夜可以使用,故C错误;红外线的热效应很强,有较好的穿透云雾烟尘的能力,可以制成热谱仪、红外线夜视仪等,所以在空间站上对地球进行拍摄是利用红外线有较好的穿透云雾烟尘的能力,故D正确。
提升·核心素养
「模型·方法·结论·拓展」
太阳辐射
太阳光中含有无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线。太阳辐射的能量主要集中在红外线、可见光和紫外线三个区域,如图所示。
从图中可以看到,波长在5.5×10-7m的黄绿光附近,辐射的能量最强。我们的眼睛正好对这个区域的电磁辐射最敏感。眼睛把太阳在最强辐射区的辐射作为自己的接收对象,这样就能看到最多的东西,获得最丰富的信息。
[示例] 太阳风暴袭击地球时,太阳日冕抛射出的大量带电粒子流击中地球磁场,产生强磁暴,不仅会影响通信,威胁卫星,而且会破坏臭氧层。臭氧层作为地球的保护伞,是因为臭氧能吸收太阳辐射中(　　)
A.波长较短的可见光
B.波长较长的可见光
C.波长较短的紫外线
D.波长较长的红外线
C
【解析】 臭氧层的主要作用就是吸收由太阳射向地球的紫外线,从而有效地保护地球上的动植物,故正确选项是C。
「科学·技术·社会·环境」
红外线的应用
英国天文学家赫歇尔于1800年首先发现红外线。一切物体都在不停地发射红外线,物体温度越高,发射红外线的本领越强。 红外线是一种波长比红光的波长还长的不可见光。其波长范围很宽,约760～1×106 nm,其主要应用有以下几个方面:
1.红外线感应防盗报警器
它是将红外线遥感探测技术和无线数码遥控技术结合的高科技新型产品,利用人体所产生的微弱红外线来触发。当有人试图进入它的探测范围时,它就会发出警报声,直到人离开才停止。
2.红外线反射型检测传感器
它是一种一体化的红外线发射、接收器件,内部包含红外线发射、接收及信号放大与处理电路,能够以非接触的形式检测出前方一定范围内的人体或物体。工作稳定可靠,性能优良,可广泛应用于各种自动检测、报警和控制等装置中。如光电计数器、接近式照明开关、自动干手器、自控水龙头、感应门铃、倒车报警电路等。
3.红外线快速水分测定仪
利用红外线照射加温功能,使被测试样本内的水分蒸发散失,自动换算其含水率,适用于各形式的产品水分测定, 依其功能特性可分为上皿天平式、电子天平式、陶瓷热管式及微量水分计。
[示例] 红外线热像仪通过红外线遥感,可检测出经过它时的异常发热物体。关于红外线热像仪,下列说法正确的是(　　)
A.选择红外线进行检测,主要是因为红外线比可见光波长短
B.红外线热像仪同时还具有消毒灭菌作用
C.红外线热像仪通过发射红外线照射物体来检测
D.红外线热像仪根据物体在不同温度下辐射的红外线的频率和强度不同的原理来检测温度
D
【解析】 选择红外线进行检测,主要是因为一切物体一直都在向外辐射红外线,并且温度越高,辐射的红外线强度越剧烈,与红外线的波长无关,故A错误;紫外线具有消毒灭菌作用,而红外线没有消毒灭菌的作用,故B错误;红外线热像仪通过接收物体向外辐射的红外线来检测,故C错误;红外线热像仪根据物体在不同温度下辐射的红外线的频率和强度不同的原理来检测温度,故D正确。
检测·学习效果
1.(双选)关于电磁波谱,下列说法正确的是(　 　)
A.红外线的波长比无线电波的波长短
B.微波炉中使用的微波是黄光
C.人们在烤火时感受到温暖,是因为皮肤正在吸收紫外线
D.电磁波不仅具有能量,而且可以携带信息
AD
【解析】 根据电磁波谱的构成可知,红外线的波长比无线电波的波长短,无线电波的波长最长,A正确。微波炉中使用的是微波,不是可见光,B错误。所有物体都会辐射红外线,人们在烤火时感受到温暖,是因为皮肤正在吸收红外线,C错误。电磁波作为信息的一种载体,它可以携带信息,并能传播信息,而且电磁波具有能量,D正确。
2.红外线测温仪是当前应用广泛的测温仪器,与传统的热传导测温仪相比,红外线测温仪具有操作简单、测温效率高等特点。下列说法正确的是(　　)
A.当人体温度超过36.8 ℃时才向外辐射红外线
B.红外线属于电磁波,其波长大于紫外线的波长
C.红外线除了用来做测温仪,还可以用来进行杀菌消毒
D.晚上的时候,我们看到淡淡的红光,那就是红外线
B
【解析】 无论人体温度高低都会向外辐射红外线,故A错误;红外线属于电磁波,其波长大于紫外线的波长,故B正确;红外线测温仪是依据人体温度越高人体辐射的红外线强度越大来测体温的,红外线有良好的加热效果,用来杀菌消毒的是紫外线,故C错误; 红外线是肉眼不可见的,故D错误。
3.(双选)关于电磁波的应用,下列说法正确的是(　 　)
A.医院里常用X射线对病房和手术室进行消毒
B.工业上利用红外线检查金属部件内部有无裂缝
C.刑侦上用紫外线拍摄指纹照片
D.卫星利用红外遥感技术拍摄云图照片
CD
【解析】 医院里常用紫外线对病房和手术室进行消毒,故A错误;γ射线具有很强的穿透性,故工业上利用γ射线检查金属部件内部有无裂缝,故B错误;因为紫外线波长短,分辨率高,所以刑侦上用紫外线拍摄指纹照片,故C正确;因为红外线的波长较长,衍射能力较强,所以卫星利用红外遥感技术拍摄云图照片,故D正确。
4.请回答以下问题:
(1)红外体温计不与人体接触就能测体温,为什么
【答案及解析】 (1)一切物体都在不停地辐射红外线,且温度越高,辐射的红外线越强,人体当然也是这样,这就是红外体温计的原理。因此红外体温计不与人体接触就可测体温。
(2)一切物体都在不停地辐射红外线,为什么在冰窖中我们会感到很冷
【答案及解析】 (2)冰窖中四周为冰,温度较低,它向外辐射红外线的本领比人体弱,在冰窖中,同样时间内人体向外辐射红外线比接收的冰辐射的红外线要多,因此会感到很冷。
(3)红外遥感有哪种方面的应用
【答案及解析】 (3)红外遥感技术有着广泛的应用。如利用红外遥感可以在飞机或卫星上勘测地热、寻找水源、监视森林火情、预报风暴和寒潮等,红外遥感在军事上的应用也十分重要。
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第1节　电磁波的产生
第4章　电磁波
1.知道麦克斯韦电磁场理论及其在物理学发展史上的意义。2.知道赫兹实验,他第一次证实了电磁波的存在。3.知道振荡电路中振荡电流的产生过程,知道电磁振荡过程中的能量转化情况。会求振荡电路的周期和频率。
[定位·学习目标]　
探究·必备知识
「知识梳理」
知识点一　麦克斯韦的预言
1.1820年,丹麦物理学家奥斯特发现了通电导线会使磁针偏转,揭示了电流的 。1831年,英国物理学家法拉第发现 ,表明磁也会“生电”。19世纪60年代,英国物理学家麦克斯韦预言了 的存在,并提出了重要假设。
磁效应
电磁感应现象
电磁波
2.麦克斯韦电磁场理论的两个基本假设
(1)变化的磁场周围会产生 (如图甲所示)。
(2)变化的电场周围会产生 (如图乙所示)。
电场
磁场
3.电磁波:交变的电场周围产生频率相同的交变的 ,交变的磁场周围产生频率相同的交变的 。交变的 和交变的 相互联系在一起,就会在空间形成一个统一的、不可分割的电磁场。这种在空间交替变化并传播出去的电磁场就形成了 。
磁场
电场
电场
磁场
电磁波
知识点二　赫兹实验
1.1888年,德国物理学家赫兹注意到感应线圈高压电极间的空隙处有时会产生火花放电现象。他对这种放电现象进行了深入研究,第一次用实验证实了
的存在。
电磁波
2.赫兹实验的分析
当与感应线圈两极相连的金属球间有火花跳过时,环的间隙处(接收端)也有火花跳过。当火花在发射端跳动时,在周围空间激发出一个迅速变化的
,按照麦克斯韦的理论,这种变化的 以 的形式在空间传播。当电磁波经过接收器时,导致接收器产生 ,使接收器两球间隙处产生电压;当电压足够高时,两球之间就会产生火花放电现象,从而证明了电磁波的存在。
赫兹的实验证明了麦克斯韦的预言,为麦克斯韦的电磁场理论奠定了坚实的实验基础。
电磁场
电磁场
电磁波
感应电动势
知识点三　电磁振荡
1.电磁振荡的产生
(1)振荡电流:大小和方向都 变化的电流。
(2)振荡电路:产生 的电路。由电感线圈L和电容器C所组成的电路就是一种基本的振荡电路,称为 。
周期性
振荡电流
LC振荡电路
(3)LC振荡电路的放电、充电过程。
在LC振荡电路中,已充电的电容器未放电时,电路中没有电流,电容器内电场最强。此时,电路的全部能量是电容器里存储的 。
①电容器放电:闭合开关,电容器放电,其电荷量 ,由于线圈自感的阻碍作用,电流逐渐增大,磁场的磁感应强度与能量也逐渐增大。放电完毕时,电流最大, 全部转化为 。
电场能
减少
电场能
磁场能
②电容器充电:由于线圈的自感作用,线圈中的电流继续保持原来的方向并且逐渐减小,同时给电容器 ,电容器的电荷量逐渐增多,电场的强度与电场能逐渐增大,电流与磁场逐渐减弱。电流减为零时, 全部转化为 。
上述过程周而复始地进行,就产生了方向和大小随时间做 变化的振荡电流,与振荡电流相联系的电场和磁场也 交替变化,电场能和磁场能相互转化。这种现象称为 。
反向充电
磁场能
电场能
周期性
周期性
电磁振荡
2.电磁振荡的周期和频率
(1)周期:电磁振荡完成一次 的时间。
(2)频率:一段时间内完成 的次数与这段时间之比,数值上等于周期的 。
如果没有能量损失,也没有外界影响,这时电磁振荡的周期和频率称为振荡电路的 周期和 频率。
(3)周期和频率公式:T= ,f= 。
周期性变化
周期性变化
倒数
固有
固有
1.思考判断
(1)变化的电场一定产生变化的磁场。(　 　)
(2)磁场一定可以产生电场,电场也一定可以产生磁场。(　 　)
(3)LC振荡电路中,电容器的某一极板,从带最多的正电荷放电到这一极板充满负电荷为止,这一段时间为一个周期。(　 　)
(4)要提高LC振荡电路的振荡频率,可以减小电容器极板的正对面积。
(　 　)
(5)电磁振荡的周期和频率是由电容器和线圈(电感)共同决定的。(　 　)
(6)赫兹在验证电磁波的实验中只是证实了电磁波的存在。(　 　)
√
×
「新知检测」
×
×
√
×
2.思维探究
(1)麦克斯韦根据什么提出“变化的磁场产生电场”的假设
【答案】 (1)麦克斯韦在法拉第发现电磁感应现象的基础上提出“变化的磁场产生电场”的假设。
(2)空间存在如图所示的电场,那么在空间能不能产生磁场 在空间能不能形成电磁波
【答案】 (2)题图所示的电场是均匀变化的,根据麦克斯韦电磁场理论可知会在空间激发出磁场,但磁场恒定,不会激发出新的电场,故不会产生电磁波。
(3)如何理解电磁振荡中的“电”和“磁”
【答案】 (3)电磁振荡中的“电”不仅指电容器两极板上的电荷,也指该电荷产生的电场(电场强度、电势差、电场能);“磁”不仅指线圈中的电流,也指该电流产生的磁场(磁场能、磁感应强度)。电磁振荡是指这些电荷、电场、电流、磁场都随时间做周期性迅速变化的现象。
突破·关键能力
要点一　麦克斯韦电磁场理论
「情境探究」
如图所示,磁铁相对闭合线圈上、下运动时,闭合线圈中的自由电荷做定向移动,是受到什么力的作用 这能否说明变化的磁场产生了电场 如果没有导体,情况会怎样
【答案】 磁铁上、下运动时,导体中自由电荷做定向移动,说明电荷受到静电力作用,即导体处在电场中。磁铁的上下运动使线圈处在变化的磁场中,这表明变化的磁场周围产生了电场。如果没有导体,该处仍会产生电场。
「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.对电磁场的理解
(1)电磁场的产生:振荡电场产生同频率的振荡磁场,振荡磁场产生同频率的振荡电场,周期性变化的电场、磁场相互激发,形成的电磁场一环套一环,如图所示。
(2)电磁场并非是简单地将电场、磁场相加,而是相互联系、不可分割的统一整体。在电磁场示意图中,电场和磁场在空间相互激发时,E和B相互垂直,以光速c在真空中传播。
[例1] 关于电磁场理论,下列说法正确的是(　　)
A.在电场周围一定产生磁场,磁场周围一定产生电场
B.在变化的电场周围一定产生变化的磁场,在变化的磁场周围一定产生变化的电场
C.均匀变化的电场周围一定产生均匀变化的磁场
D.周期性变化的电场周围一定产生周期性变化的磁场
D
【解析】 根据麦克斯韦电磁场理论,只有变化的电场能产生磁场,均匀变化的电场产生稳定的磁场,非均匀变化的电场才能产生变化的磁场,周期性变化的电场周围一定产生周期性变化的磁场,故D正确。
·学习笔记·
理解麦克斯韦电磁场理论的关键
(1)掌握四个关键词:“恒定的”“均匀变化的”“非均匀变化的”“周期性变化的(即振荡的)”。
(2)掌握“变化的电场和变化的磁场交替产生,由近及远地向周围传播”。
[针对训练1] (双选)麦克斯韦在前人研究的基础上,创造性地建立了经典电磁场理论,进一步揭示了电现象与磁现象之间的联系。他大胆地假设:变化的电场就像导线中的电流一样,会在空间产生磁场,即变化的电场产生磁场。以平行板电容器为例:圆形平行板电容器在充、放电的过程中,板间电场发生变化,产生的磁场相当于一连接两板的板间直导线通以充、放电电流时所产生的磁场。若某时刻连接电容器和电阻R的导线中电流i的方向及电容器极板间电场强度E的方向如图所示,则下列说法正确的是(　 　)
A.两平行板间的电场正在增强
B.该变化电场产生逆时针方向(俯视)的磁场
C.该变化电场产生的磁场越来越弱
D.电路中的电流正比于板间的电场强度的大小
CD
要点二　电磁振荡的产生
「情境探究」
如图所示,将开关S掷向1,先给电容器充电,再将开关掷向2。
(1)电容器通过线圈放电过程中,线圈中的电流怎样变化 电容器的电场能转化为什么形式的能
【答案】 (1)电容器放电过程中,线圈中的电流逐渐增大,电容器的电场能转化为线圈的磁场能。
(2)在电容器反向充电过程中,线圈中电流如何变化 电容器和线圈中的能量是如何转化的
【答案】 (2)在电容器反向充电过程中,线圈中电流逐渐减小,线圈中的磁场能转化为电容器的电场能。
(3)线圈中自感电动势的作用是什么
【答案】 (3)线圈中电流变化时,产生的自感电动势阻碍电流的变化。
「要点归纳」
1.用图像对应分析i、q的变化关系(如图所示)
2.相关量与电路状态的对应情况
3.几个关系
(1)同步同变关系。
在LC振荡电路发生电磁振荡的过程中,电容器上的物理量:电荷量q、电场强度E、电场能EE是同步变化的,即q↓→E↓→EE↓(或q↑→E↑→EE↑)。
振荡线圈上的物理量:振荡电流i、磁感应强度B、磁场能EB也是同步变化的,即i↓→B↓→EB↓(或i↑→B↑→EB↑)。
(2)同步异变关系。
[例2] 无线话筒是LC振荡电路的一个典型应用。在LC振荡电路中,某时刻磁场方向、电场方向如图所示,下列说法正确的是(　　)
A.电容器正在充电,电场能正在增加
B.振荡电流正在增大
C.线圈中的磁场正在增强
D.增大电容器两板距离,LC振荡频率减小
A
LC振荡电路充、放电过程的判断方法
(1)根据电流流向判断:当电流流向带正电的极板时,电容器的电荷量增加,磁场能向电场能转化,处于充电过程;反之,当电流流出带正电的极板时,电荷量减少,电场能向磁场能转化,处于放电过程。
(2)根据物理量的变化趋势判断:当电容器的电荷量q (电压U、电场强度E、电场能EE)增大或电流i(磁感应强度B、磁场能EB)减小时,处于充电过程;反之,处于放电过程。
(3)根据能量判断:电场能增加时,充电;磁场能增加时,放电。
·学习笔记·
[针对训练2] 如图所示,i-t图像表示LC振荡电路的电流随时间变化的图像。在t=0时刻,回路中电容器的M板带正电,下列说法正确的是(　　)
A.O～a阶段,电容器正在充电,电场能正在向磁场能转化
B.a～b阶段,电容器正在放电,磁场能正在向电场能转化
C.b～c阶段,电容器正在放电,回路中电流沿顺时针方向
D.c～d阶段,电容器正在充电,回路中电流沿逆时针方向
C
【解析】 O～a阶段,电容器正在放电,电流不断增大,电场能正在向磁场能转化,A错误;a～b阶段,电容器正在充电,电流逐渐减小,磁场能正在向电场能转化,B错误;b～c阶段,电容器正在放电,回路中电流沿顺时针方向,C正确;c～d阶段,电容器正在充电,回路中电流沿顺时针方向,D错误。
要点三　电磁振荡的周期和频率
「情境探究」
(1)如图所示的电路,如果仅更换自感系数L更大的线圈,振荡周期T会怎样
变化
【答案】 (1)周期变长。
(2)如果仅更换电容C更大的电容器,振荡周期T会怎样变化
【答案】 (2)周期变长。
「要点归纳」
1.影响电磁振荡的周期和频率的因素
2.LC回路中各物理量的周期
(1)电感线圈L和电容器C在LC振荡电路中既是能量的转换器,又决定着这种转换的快慢,L或C越大,能量转换时间越长,故周期也越长。
[例3] LC振荡电路的电容C=556 pF,自感系数L=1 mH,若能向外发射电磁波,则其周期是　　 　　,若在线圈中插入铁芯,则振荡频率将　 (选填“变大”“不变”或“变小”)。电容器极板所带电荷量从最大变为零,经过的最短时间是　　　　　　　。
4.68×10-6 s
变小
1.17×10-6 s
解电磁振荡周期相关题目的方法
·学习笔记·
[针对训练3] (双选)如图所示是一台电子钟,其原理类似于摆钟,摆钟是利用单摆的周期性运动计时的,电子钟是利用LC振荡电路来计时的。有一台电子钟在家使用一段时间后,发现每昼夜总是快 1 min。造成这种现象的可能原因是(　 　)
A.L不变,C变大了
B.L不变,C变小了
C.L变小了,C不变
D.L、C均变大了
BC
提升·核心素养
「模型·方法·结论·拓展」
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
[示例] (双选)关于电磁波和机械波的说法正确的是(　 　)
A.电磁波和机械波在真空中都能进行传播
B.电磁波和机械波在传播中的速度=波长×周期
C.电磁波和机械波都能发生干涉和衍射现象
D.电磁波和机械波都能够传递能量和信息
CD
【解析】 电磁波的传播不需要介质,可以在真空中传播,机械波的传播需要介质,不能在真空中传播,A错误;电磁波和机械波在传播中的速度=波长÷周期,B错误;电磁波和机械波都属于波,都能发生干涉和衍射现象,C正确;电磁波和机械波都能够传递能量和信息,D正确。
「科学·技术·社会·环境」
　公交IC卡
在我国,随着一卡通的推广,基本上每个城市都有自己的公交IC卡,随着科技的不断发展,公交IC卡在发挥公交、地铁刷卡消费功能的同时,消费职能越来越多,逐渐参与到出租车消费、市政水电缴费、轻轨消费、停车场消费当中。一些城市的公交IC卡甚至充当着当地城市一卡通的职能。
[示例] 公交IC卡内部有一个由电感线圈L和电容器C构成的LC振荡电路,公交车上的读卡机(刷卡时“嘀”地响一声的机器)向外发射某一特定频率的电磁波。刷卡时,IC卡内的线圈L中产生感应电流,给电容器C充电,达到某特定电压后,驱动卡内芯片进行数据的正常处理和传输。下列说法正确的是(　　)
A.仅当读卡机发射该特定频率的电磁波时,IC卡才能有效工作
B.IC卡工作所需要的能量来源于卡内的可充电池
C.若读卡机发射的电磁波偏离该特定频率,则线圈L不会产生感应电流
D.即使读卡机发射的电磁波偏离该特定频率,仍可驱动IC卡芯片进行正常的数据传输
A
【解析】 IC卡振荡电路接收与其固有频率相同的电磁波,读卡机发出电磁波频率与之匹配,才能得到充电效果,使电容器电压达到预定值,才能进行数据传输,故A正确;电感线圈产生感应电流为电容器充电,IC卡内没有电池,故B错误;根据法拉第电磁感应定律,如果是其他频率的电磁波,依然会有电磁感应现象,有感应电流,故C错误;IC卡能接收读卡机发射的电磁波,同时将存储的信息传输到读卡机中进行识别,所以只能接收特定频率的电磁波,如果读卡机发射的电磁波偏离该特定频率,则不能正常工作,故D错误。
检测·学习效果
1.航天员与地面控制中心保持通话联络,直播画面通过电磁波传送到地面接收站。下列关于电磁波和声波的说法正确的是(　　)
A.电磁波是横波,声波是纵波
B.电磁波跟声波一样,只能在介质中传播
C.麦克斯韦预言了电磁波的存在,并用实验验证了电磁波的存在
D.航天员讲话时画面能与声音同步,说明电磁波与声波具有相同的传播速度
A
【解析】 电磁波由电磁振荡激发,是横波,声波的振动方向和传播方向平行,是纵波,故A正确;电磁波的传播不依赖介质,声波是机械波,只能在介质中传播,故B错误;麦克斯韦预言了电磁波的存在,赫兹用实验验证了电磁波的存在,故C错误;电磁波的传播速度为光速,声波在空气中的传播速度为340 m/s,两者差距很大,故D错误。
2.LC振荡电路中某时刻电容器内电场与线圈内磁场情况如图所示,该时刻
(　　)
A.电容器在充电,电场能在向磁场能转化
B.电容器在充电,磁场能在向电场能转化
C.电容器在放电,电场能在向磁场能转化
D.电容器在放电,磁场能在向电场能转化
B
【解析】 根据LC振荡电路的电场与线圈内磁场情况可知,电容器的下极板带正电,上极板带负电,由安培定则可知电流流向电容器的正极板,则电容器正在充电,磁场能在向电场能转化,故选B。
3.(双选)如图所示的电路,电阻 R=20 Ω,电容C=2.0 μF,电感L=2.0 μH,电感线圈的电阻可以忽略。单刀双掷开关S置于“1”,电路稳定后,再将开关S从“1”拨到“2”,图中LC回路开始电磁振荡,下列说法正确的是(　 　)
A.LC振荡电路的周期是4π×10-6 s
B.当t=7.5π×10-6 s时,电容器电荷量在减少
C.当t=7.5π×10-6 s时,电容器上极板带正电
D.当t=5π×10-6 s时,电感线圈中的磁感应强度最大
AD
4.如图甲所示为智能停车位,车位地面预埋有自感线圈L,和电容器C构成LC振荡电路。当车辆靠近自感线圈L时,相当于在线圈中插入铁芯,使自感系数变大,引起LC电路中的振荡电流频率变化。智能停车位计时器根据振荡电流频率变化进行计时。某次振荡电路中的电流随时间变化如图乙所示。下列说法正确的是(　　)
A.t2时刻电容器C所带电荷量为零
B.t1～t2过程,线圈L中磁场能在增大
C.t1～t2过程,线圈L的自感电动势在增大
D.由图乙可判断汽车正驶离智能停车位
C
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第2节　电磁波的发射、传播和
接收
1.能说出电磁波的发射、传播和接收的过程。知道无线通信的基本原理。2.能正确区分调制、调幅、调频、调谐等概念。3.知道电磁波的三种传播方式。
[定位·学习目标]　
探究·必备知识
「知识梳理」
知识点一　电磁波的发射
1.为有效地发射电磁波,振荡电路必须满足两个条件
(1)振荡频率足够 。
(2)电场、磁场尽可能分布到较大的空间。
2.实际应用:为满足以上要求,可 电容器的极板面积, 极板间距,使电容器变成两条长的直导线,一条深入高空成为 ,另一条接入地下成为 ,形成 。
高
减小
增大
天线
地线
开放电路
调制 把低频电信号加载到高频等幅振荡电流上
分类 调幅 (AM) 使电磁波的 随信号改变,频率始终保持不变
调频 (FM) 使电磁波的 随信号而改变
3.电磁波的调制
振幅
频率
知识点二　电磁波的传播
无线电波通常有三种传播途径: 、 和 。
地波:沿 传播的无线电波。
天波:靠大气中 的反射传播的无线电波。
空间波:像光束那样沿 传播的无线电波。
地波
天波
空间波
地球表面空间
电离层
直线
知识点三　电磁波的接收
1.原理
电磁波在传播时如果遇到导体,会使导体中产生感应电流。因此,空中的导体可以用来接收电磁波。
2.电谐振与调谐
(1)电谐振:两个电路的振荡 相同时,电磁波会使接收电路中产生
的电流。
(2)调谐:选择某一特定频率,使接收电路产生 的过程。
3.检波:把声音或图像信号从高频载波中“检”出来的过程称为检波,是
的逆过程,也叫 。
频率
最强
电谐振
调制
解调
1.思考判断
(1)频率越高,振荡电路发射电磁波的本领越大。(　 　)
(2)电视台发射的电磁波都经过了调制。(　 　)
(3)当接收电路的固有频率和电磁波频率相同时,出现电谐振现象。(　 　)
(4)收音机能够直接接收声波。(　 　)
(5)要使电视机的屏幕上出现图像,必须将电视机接收到的无线电信号解调。
(　 　)
(6)调制的两种方法是调谐和调频。(　 　)
√
×
「新知检测」
√
√
√
×
2.思维探究
(1)说话的声音一般只能传几十米,最多只有几百米,而当我们的声音通过无线电广播却可以传到几千米以外,甚至传遍全球,为什么
【答案】 (1)我们说话的声音是在空气中传播的声波,能量很低,而且在空气中的损耗很大,传播不太远的距离就损耗殆尽了,而无线电广播中的声音信号是搭载在高频电磁波上的,高频电磁波的能量很高,而且在空气中损耗很小,因而能传播很远的距离。
(2)在电磁波的接收中,为什么要进行“选台” “选台”的原理是什么
【答案】 (2)天空中有各种频率的电磁波,携带着各种信号,这些电磁波在天线中均会产生感应电流,如果把它们都接收下来,那必然是混乱的信号,因此要进行“选台”。“选台”的原理是利用电谐振,当接收电路的固有频率与某电磁波的频率相同时,接收电路中产生的振荡电流最强。
突破·关键能力
要点一　电磁波的发射
「情境探究」
将两根铝管固定在感应线圈的两极上,另两根铝管接微安表头并固定在绝缘手柄上,如图所示。
(1)接通感应线圈电源,把手柄上两铝管平行靠近感应线圈上的两铝管,你看到了什么现象 为什么
【答案】 (1)微安表头指针偏转;因为绝缘手柄上的铝管接收到了电磁波。
(2)当把感应线圈两极上的铝管拆掉后,把手柄靠近感应线圈有什么现象 为什么
【答案】 (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。
「要点归纳」
1.发射电磁波的条件
(1)要有足够高的振荡频率。理论研究表明,振荡电路向外界辐射能量的本领,即单位时间内辐射出去的能量,与振荡频率密切相关,频率越高,发射电磁波的本领越大。
(2)开放电路要使振荡电路的电场和磁场尽可能分布到较大的空间。
2.电磁波的发射示意图
[例1] 实际发射无线电波的过程如图所示。高频振荡器产生高频等幅振荡电流如图甲所示,人对着话筒说话时产生低频信号如图乙所示。根据图像,发射出去的电磁波图像应是(　　)
B
A B C D
【解析】 高频振荡器产生高频等幅振荡,话筒结构里边有碳膜电阻,它的阻值随压力变化而变化。当我们对着它说话时,空气对它的压力随着声音而变化,那么它的电阻也就随声音信号而变化,振荡电流的振幅也就随着声音信号而变化,这就是调制。它不但影响了正半周,也影响了负半周,故选B。
·学习笔记·
(1)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。
(3)低频信号类比成货物,高频波类比成运载工具,调制的过程类比成将货物装载到运载工具上。
[针对训练1] 无线电广播需要对电磁波进行调制的原因是(　　)
A.未经调制的高频电磁波无法向外界辐射
B.调制后的电磁波在空间传播的波长保持不变
C.调制后的电磁波在空间传播得更快
D.调制后的高频电磁波才能把要发射的信号传递出去
D
【解析】 未经调制的高频电磁波也能向外界辐射,但是传递目的地不确定,所以A错误;调制后不同频率的电磁波在空间传播的波长不同,所以B错误;电磁波在空间传播速度一般不变,所以C错误;经过调制后的高频电磁波才能把要发射的信号传递出去,所以D正确。
要点二　电磁波的接收
「情境探究」
(1)我们在城市里可以看见矗立在高楼顶上的天线,它的作用是什么
【答案】 (1)天线用以接收空中的电磁波。
(2)我们应该如何从众多信号中选出我们所需要的信号呢
【答案】 (2)通过调谐电路选出我们所需要的信号。
「要点归纳」
1.原理
利用电谐振,当接收电路的固有频率跟接收到的电磁波的频率相同时,接收电路产生的振荡电流最强。
2.方法
(1)利用调谐产生电谐振,使接收电路的感应电流最强。
(2)利用解调把接收电路中的有用信号分离出来。
(3)调谐和解调的区别:调谐就是一个选台的过程,即选携带有用信号的高频电磁波,在接收电路中产生最强的感应电流的过程;解调是将高频电磁波中携带的有用信号分离出来的过程。
3.接收电路示意图
[例2] (双选)关于无线电波的接收,下列说法正确的是(　 　)
A.当接收电路的固有频率跟接收到的电磁波频率相同时,该电磁波在接收电路中激起的感应电流最强
B.使接收电路中产生电谐振的过程叫作调频
C.收音机的接收电路是LC振荡电路
D.从接收到的高频载波中“检”出所携带的信号,叫作调谐
AC
【解析】 接收电路与电磁波发生电谐振时,即接收电路的固有频率等于电磁波的频率时,电路中激起的感应电流最强,故A正确;使接收电路中产生电谐振的过程叫作调谐,故B、D错误;收音机的接收电路是LC振荡电路,故C正确。
调谐与电谐振的理解
(1)电谐振相当于机械振动中的“共振”。
(2)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。
·学习笔记·
[针对训练2] 在如图所示的电路中,C1=200 pF,L1=40 μH,L2=160 μH,当可变电容器C2为　　　　 pF时,可以使回路2与回路1发生电谐振,发生电谐振时的频率是　　　　 MHz,此操作过程叫作　　　　。
50
1.78
调谐
提升·核心素养
「模型·方法·结论·拓展」
调谐电路的分析方法
1.调节方向:由题目给出的情境准确判定出电路的固有频率该调大还是调小。
3.判定电容和电感大小的决定因素。决定电容的因素:极板正对面积S、极板间距d、相对介电常数εr;决定电感的因素:线圈匝数、线圈粗细、有无铁芯。这样就可以在2的基础上作出最准确的细微调节。
[示例] (双选)如图所示,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。要接收到电信号,应(　 　)
A.增加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
CD
「科学·技术·社会·环境」
5G通信
第五代移动通信技术是一项蜂窝移动通信技术,是2G、3G和4G系统的延伸。5G时代的网速让人瞠目结舌,它背后的衍生行业以及拉动的行业成果更让人惊喜。它的衍生让很多行业有了解放双手的迹象,并且工业的进步也将带给制造业和其他行业非常大的便利。
[示例] 5G是“第五代移动通信技术”的简称。相信很多人都经历过手机信号不好或不稳定的情况,5G能有效解决信号问题。由于先前的3G、4G等已经将大部分通讯频段占用,留给5G的频段已经很小了。5G采用了比4G更高的频段,5G网络运用的是毫米波,将网络通信速度提高百倍以上,但毫米波也有明显缺陷,穿透能力弱,目前解决的办法是缩减基站体积,在城市各个角落建立类似于路灯的微型基站。综合上述材料,下列说法不正确的是(　　)
A.5G信号不适合长距离传输
B.手机信号不好或不稳定有可能是因为多普勒效应或地面楼房钢筋结构对信号有一定的屏蔽作用
C.5G信号比4G信号更容易发生衍射现象
D.随着基站数量增多并且越来越密集,可以把基站的功率设计得小一些
C
【解析】 因为5G信号穿透能力弱,信号衰减严重,故不适合长距离传输,故A正确;因5G信号穿透能力弱,手机信号不好或不稳定的情况有可能是接收端正在远离,或是电磁屏蔽现象,即多普勒效应或地面楼房钢筋结构对信号有一定的屏蔽作用,故B正确;5G采用了比4G更高的频段,即5G比4G频率更高,波长更短,更不容易发生衍射现象,故C错误;随着基站数量增多并且越来越密集,可以把基站功率设计得小一些,建立微型基站,故D正确。
检测·学习效果
1.(双选)要提高LC振荡电路辐射电磁波的本领,应该采取的措施是(　 　)
A.增大电容器极板间距
B.使振荡电容器的正对面积足够大
C.尽可能使电场和磁场向外部空间分散开
D.增加回路中的电容和电感
AC
2.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固有频率相同
D
【解析】 接收到的电台电磁波与收音机调谐电路的固有频率相同,在接收电路中激起的振荡电流最强,故D正确,A、B、C错误。
3.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
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。
4.“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”只能接收到来自麦克风的信号
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,通过调谐来使接收电路中出现电谐振现象
D.麦克风回路可通过增大发射电磁波的波长来提高LC振荡电路发射电磁波的本领
C
【解析】 因为蓝牙属于电磁波,周围空间存在其他电磁波信号,所以“小蜜蜂”不只接收到了来自麦克风的信号,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,B错误;“小蜜蜂”接收电磁波时,需要使接收电磁波的LC振荡电路的固有频率与电磁波的频率相同,从而发生电谐振,这个过程叫作调谐,C正确;减小发射电磁波的波长,则会提高频率,可以提高LC振荡电路发射电磁波的本领,D错误。
5.移动电话是现代人们最常用的通信工具之一,每个移动电话都是一个发射器,它通过　　　 　把你讲话的信号发射到空中;同时它又是一个
　　　　接收器,在空中捕获　　　　,使你得到对方讲话的信息。
电磁波
电磁波
电磁波
【解析】 移动电话间通话的发射和接收信息都是利用电磁波。
感谢观看第2节　电磁波的发射、传播和接收
[定位·学习目标]　1.能说出电磁波的发射、传播和接收的过程。知道无线通信的基本原理。2.能正确区分调制、调幅、调频、调谐等概念。3.知道电磁波的三种传播方式。
知识梳理
知识点一　电磁波的发射
1.为有效地发射电磁波,振荡电路必须满足两个条件
(1)振荡频率足够高。
(2)电场、磁场尽可能分布到较大的空间。
2.实际应用:为满足以上要求,可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导线,一条深入高空成为天线,另一条接入地下成为地线,形成开放电路。
3.电磁波的调制
调制 把低频电信号加载到高频等幅振荡电流上
分 类 调幅 (AM) 使电磁波的振幅随信号改变,频率始终保持不变
调频 (FM) 使电磁波的频率随信号而改变
知识点二　电磁波的传播
无线电波通常有三种传播途径:地波、天波和空间波。
地波:沿地球表面空间传播的无线电波。
天波:靠大气中电离层的反射传播的无线电波。
空间波:像光束那样沿直线传播的无线电波。
知识点三　电磁波的接收
1.原理
电磁波在传播时如果遇到导体,会使导体中产生感应电流。因此,空中的导体可以用来接收电磁波。
2.电谐振与调谐
(1)电谐振:两个电路的振荡频率相同时,电磁波会使接收电路中产生最强的电流。
(2)调谐:选择某一特定频率,使接收电路产生电谐振的过程。
3.检波:把声音或图像信号从高频载波中“检”出来的过程称为检波,是调制的逆过程,也叫解调。
新知检测
1.思考判断
(1)频率越高,振荡电路发射电磁波的本领越大。(　√　)
(2)电视台发射的电磁波都经过了调制。(　√　)
(3)当接收电路的固有频率和电磁波频率相同时,出现电谐振现象。(　√　)
(4)收音机能够直接接收声波。(　×　)
(5)要使电视机的屏幕上出现图像,必须将电视机接收到的无线电信号解调。(　√　)
(6)调制的两种方法是调谐和调频。(　×　)
2.思维探究
(1)说话的声音一般只能传几十米,最多只有几百米,而当我们的声音通过无线电广播却可以传到几千米以外,甚至传遍全球,为什么
(2)在电磁波的接收中,为什么要进行“选台” “选台”的原理是什么
【答案】 (1)我们说话的声音是在空气中传播的声波,能量很低,而且在空气中的损耗很大,传播不太远的距离就损耗殆尽了,而无线电广播中的声音信号是搭载在高频电磁波上的,高频电磁波的能量很高,而且在空气中损耗很小,因而能传播很远的距离。
(2)天空中有各种频率的电磁波,携带着各种信号,这些电磁波在天线中均会产生感应电流,如果把它们都接收下来,那必然是混乱的信号,因此要进行“选台”。“选台”的原理是利用电谐振,当接收电路的固有频率与某电磁波的频率相同时,接收电路中产生的振荡电流最强。
要点一　电磁波的发射
情境探究
将两根铝管固定在感应线圈的两极上,另两根铝管接微安表头并固定在绝缘手柄上,如图所示。
(1)接通感应线圈电源,把手柄上两铝管平行靠近感应线圈上的两铝管,你看到了什么现象 为什么
(2)当把感应线圈两极上的铝管拆掉后,把手柄靠近感应线圈有什么现象 为什么
【答案】 (1)微安表头指针偏转;因为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。
要点归纳
1.发射电磁波的条件
(1)要有足够高的振荡频率。理论研究表明,振荡电路向外界辐射能量的本领,即单位时间内辐射出去的能量,与振荡频率密切相关,频率越高,发射电磁波的本领越大。
(2)开放电路要使振荡电路的电场和磁场尽可能分布到较大的空间。
2.电磁波的发射示意图
[例1] 实际发射无线电波的过程如图所示。高频振荡器产生高频等幅振荡电流如图甲所示,人对着话筒说话时产生低频信号如图乙所示。根据图像,发射出去的电磁波图像应是(　　)
A B C D
【答案】 B
【解析】 高频振荡器产生高频等幅振荡,话筒结构里边有碳膜电阻,它的阻值随压力变化而变化。当我们对着它说话时,空气对它的压力随着声音而变化,那么它的电阻也就随声音信号而变化,振荡电流的振幅也就随着声音信号而变化,这就是调制。它不但影响了正半周,也影响了负半周,故选B。
(1)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。
(3)低频信号类比成货物,高频波类比成运载工具,调制的过程类比成将货物装载到运载工具上。
[针对训练1] 无线电广播需要对电磁波进行调制的原因是(　　)
A.未经调制的高频电磁波无法向外界辐射
B.调制后的电磁波在空间传播的波长保持不变
C.调制后的电磁波在空间传播得更快
D.调制后的高频电磁波才能把要发射的信号传递出去
【答案】 D
【解析】 未经调制的高频电磁波也能向外界辐射,但是传递目的地不确定,所以A错误;调制后不同频率的电磁波在空间传播的波长不同,所以B错误;电磁波在空间传播速度一般不变,所以C错误;经过调制后的高频电磁波才能把要发射的信号传递出去,所以D正确。
要点二　电磁波的接收
情境探究
(1)我们在城市里可以看见矗立在高楼顶上的天线,它的作用是什么
(2)我们应该如何从众多信号中选出我们所需要的信号呢
【答案】 (1)天线用以接收空中的电磁波。
(2)通过调谐电路选出我们所需要的信号。
要点归纳
1.原理
利用电谐振,当接收电路的固有频率跟接收到的电磁波的频率相同时,接收电路产生的振荡电流最强。
2.方法
(1)利用调谐产生电谐振,使接收电路的感应电流最强。
(2)利用解调把接收电路中的有用信号分离出来。
(3)调谐和解调的区别:调谐就是一个选台的过程,即选携带有用信号的高频电磁波,在接收电路中产生最强的感应电流的过程;解调是将高频电磁波中携带的有用信号分离出来的过程。
3.接收电路示意图
[例2] (双选)关于无线电波的接收,下列说法正确的是(　　)
A.当接收电路的固有频率跟接收到的电磁波频率相同时,该电磁波在接收电路中激起的感应电流最强
B.使接收电路中产生电谐振的过程叫作调频
C.收音机的接收电路是LC振荡电路
D.从接收到的高频载波中“检”出所携带的信号,叫作调谐
【答案】 AC
【解析】 接收电路与电磁波发生电谐振时,即接收电路的固有频率等于电磁波的频率时,电路中激起的感应电流最强,故A正确;使接收电路中产生电谐振的过程叫作调谐,故B、D错误;收音机的接收电路是LC振荡电路,故C正确。
调谐与电谐振的理解
(1)电谐振相当于机械振动中的“共振”。
(2)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。
[针对训练2] 在如图所示的电路中,C1=200 pF,L1=40 μH,L2=160 μH,当可变电容器C2为　　　　 pF时,可以使回路2与回路1发生电谐振,发生电谐振时的频率是　　　　 MHz,此操作过程叫作　　　　。
【答案】 50　1.78　调谐
【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=50 pF,发生电谐振时的频率f1=≈1.78×106 Hz=1.78 MHz,此操作过程叫作调谐。
模型·方法·结论·拓展
调谐电路的分析方法
1.调节方向:由题目给出的情境准确判定出电路的固有频率该调大还是调小。
2.由频率公式f=,根据1中的调节方向,可进一步准确判定电容C和电感L是该调大还是调小。
3.判定电容和电感大小的决定因素。决定电容的因素:极板正对面积S、极板间距d、相对介电常数εr;决定电感的因素:线圈匝数、线圈粗细、有无铁芯。这样就可以在2的基础上作出最准确的细微调节。
[示例] (双选)如图所示,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。要接收到电信号,应(　　)
A.增加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接收到电台信号。题图调谐电路接收不到信号的原因是调谐电路的固有频率低,由f=知,在电容器C无法再调节的情况下,可减小电感L以提高f,故选项C、D正确。
科学·技术·社会·环境
5G通信
　　第五代移动通信技术是一项蜂窝移动通信技术,是2G、3G和4G系统的延伸。5G时代的网速
让人瞠目结舌,它背后的衍生行业以及拉动的行业成果更让人惊喜。它的衍生让很多行业有了解放双手的迹象,并且工业的进步也将带给制造业和其他行业非常大的便利。
[示例] 5G是“第五代移动通信技术”的简称。相信很多人都经历过手机信号不好或不稳定的情况,5G能有效解决信号问题。由于先前的3G、4G等已经将大部分通讯频段占用,留给5G的频段已经很小了。5G采用了比4G更高的频段,5G网络运用的是毫米波,将网络通信速度提高百倍以上,但毫米波也有明显缺陷,穿透能力弱,目前解决的办法是缩减基站体积,在城市各个角落建立类似于路灯的微型基站。综合上述材料,下列说法不正确的是(　　)
A.5G信号不适合长距离传输
B.手机信号不好或不稳定有可能是因为多普勒效应或地面楼房钢筋结构对信号有一定的屏蔽作用
C.5G信号比4G信号更容易发生衍射现象
D.随着基站数量增多并且越来越密集,可以把基站的功率设计得小一些
【答案】 C
【解析】 因为5G信号穿透能力弱,信号衰减严重,故不适合长距离传输,故A正确;因5G信号穿透能力弱,手机信号不好或不稳定的情况有可能是接收端正在远离,或是电磁屏蔽现象,即多普勒效应或地面楼房钢筋结构对信号有一定的屏蔽作用,故B正确;5G采用了比4G更高的频段,即5G比4G频率更高,波长更短,更不容易发生衍射现象,故C错误;随着基站数量增多并且越来越密集,可以把基站功率设计得小一些,建立微型基站,故D正确。
1.(双选)要提高LC振荡电路辐射电磁波的本领,应该采取的措施是(　　)
A.增大电容器极板间距
B.使振荡电容器的正对面积足够大
C.尽可能使电场和磁场向外部空间分散开
D.增加回路中的电容和电感
【答案】 AC
【解析】 要提高LC振荡电路辐射电磁波的本领,应从两个方面考虑,一是提高振荡频率,二是使电磁场尽可能地分散开,C正确;由f=可知,当增大电容器极板间的距离时,C变小,f增大,A正确;使电容器正对面积变大,C变大,f变小,B错误;增大回路中的L、C,f变小,D错误。
2.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固有频率相同
【答案】 D
【解析】 接收到的电台电磁波与收音机调谐电路的固有频率相同,在接收电路中激起的振荡电流最强,故D正确,A、B、C错误。
3.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。
4.“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”只能接收到来自麦克风的信号
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,通过调谐来使接收电路中出现电谐振现象
D.麦克风回路可通过增大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】 C
【解析】 因为蓝牙属于电磁波,周围空间存在其他电磁波信号,所以“小蜜蜂”不只接收到了来自麦克风的信号,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,B错误;“小蜜蜂”接收电磁波时,需要使接收电磁波的LC振荡电路的固有频率与电磁波的频率相同,从而发生电谐振,这个过程叫作调谐,C正确;减小发射电磁波的波长,则会提高频率,可以提高LC振荡电路发射电磁波的本领,D错误。
5.移动电话是现代人们最常用的通信工具之一,每个移动电话都是一个发射器,它通过　　　　把你讲话的信号发射到空中;同时它又是一个　　　　接收器,在空中捕获　　　　,使你得到对方讲话的信息。
【答案】 电磁波　电磁波　电磁波
【解析】 移动电话间通话的发射和接收信息都是利用电磁波。
课时作业
基础巩固
1.关于电磁波的发射和接收,下列说法不正确的是(　　)
A.音频电流的频率比较低,不能直接用来发射电磁波
B.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
C.当接收电路的固有频率与接收到的电磁波的频率相同时,接收电路产生的感应电流最强
D.要使电视机的屏幕上有图像,必须要有解调过程
【答案】 B
【解析】 音频电流的频率比较低,需放大后搭载到高频电磁波上,故A正确,不符合题意;为了使振荡电路有效地向空间辐射能量,必须是开放电路,故B错误,符合题意;当接收电路的固有频率与接收到的电磁波的频率相同时,接收电路产生的感应电流最强,故C正确,不符合题意;解调就是从调频或调幅的高频信号中把音频、视频等调制信号分离出来的过程,要使电视机的屏幕上有图像,必须要有解调过程,故D正确,不符合题意。
2.电台将播音员的声音转换成如图甲所示的电信号,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(　　)
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作调制,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。
3.一首乐曲从电台“出发”开始到从收音机的调频台播放出来为止,下列选项所描述的该过程,顺序正确的是(　　)
A.调制—发射—调谐—解调—播放
B.调频—发射—解调—调谐—播放
C.调幅—调谐—发射—解调—播放
D.调频—调谐—发射—解调—播放
【答案】 A
【解析】 一首乐曲从电台“出发”开始到从收音机的调频台播放出来为止,首先要进行调制,即把声音信号加到高频电磁波信号上去,然后进行发射;载波信号被收音机接收后首先要进行调谐选出该信号,然后进行解调,从高频信号中把声音信号取出来,最后通过喇叭播放,故选A。
4.关于无线电波的发射和接收,下列说法正确的是(　　)
A.天波是无线电波传播的唯一方式
B.音频信号应经调制以后发射,调频是调制的唯一方式
C.手机接收的信号属于微波段的无线电波
D.无线电波的发射过程必须使信号产生电谐振
【答案】 C
【解析】 无线电波的传播方式有天波、地波和空间波三种方式,选项A错误;音频信号应经调制以后发射,而调制有调频和调幅两种,选项B错误;手机接收的信号属于微波段的无线电波,选项C正确;电磁波的发射过程中,一定要对低频输入信号进行调制,用开放电路发射,无线电波在接收过程中要产生电谐振,选项D错误。
5.(双选)某同学用手机收听“FM 97.5××交通音乐广播”,下列说法正确的是(　　)
A.FM 97.5电磁波的波长约为3 m
B.真空中107.5 MHz的电磁波比97.5 MHz的电磁波传播速度更快
C.FM 97.5在信号调制的过程中载波的振幅不变
D.为了能接收到FM 107.5的信号,在其他条件不变的情况下需要增大接收模块的电容
【答案】 AC
【解析】 根据波速公式得λ== m≈3 m,A正确;真空中107.5 MHz的电磁波与97.5 MHz 的电磁波传播速度一样,均是光速,B错误;FM 97.5在信号调制的过程中,载波的频率变化,振幅不变,C正确;信号频率增大,根据振荡电路频率公式f=可知,需要减小接收模块的电容,D错误。
6.(双选)如图甲所示为收音机的调谐电路,改变可变电容器C的电容,进而改变调谐电路的频率。若“调频”后,电路中的最强的高频电流i随时间t的变化规律为如图乙所示的正弦曲线。下列说法或做法正确的是(　　)
A.改变电容器C的电容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
B.将可变电容器的电容减小,电路将接收到波长更大的电信号
C.在t1～t2时间内,电容器C正在放电
D.电路中电场能随时间变化的周期等于t4
【答案】 AD
【解析】 改变电容器C的电容目的是达到共振,即使调谐电路的固有频率跟接收的电磁波频率相同,故A正确;根据f=,将可变电容器的电容减小,固有频率会增加,根据公式λ=,可知波长减小,所以将可变电容器的电容减小后,将接收到波长更小的电信号,故B错误;在t1～t2时间内,电路中电流在减小,电容器在充电,故C错误;一个周期电容器充放电两次,所以电路中的电场能随时间变化的周期等于t4,故D正确。
7.(双选)下列有关电磁波的发射、传播和接收,说法正确的是(　　)
A.如图所示传播方式的电磁波是短波
B.由调谐电路接收到的感应电流,是经过调制的高频电流,是我们需要的声音或图像信号
C.不同波段的无线电波的传播特点不一样,有不同的用途,发射、接收所用的设备可以相同
D.某同学自己绕制天线线圈,制作一个最简单的收音机,用来收听中波的无线电广播,他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,为了收到这个电台,他可以通过减少线圈的匝数来实现
【答案】 AD
【解析】 通过电离层反射以天波方式传播的是短波,故A正确;由调谐电路接收到的电磁波,是经过调制的高频电磁波,还不是我们需要的声音或图像信号,因此还要使声音或图像信号从高频电磁波中还原出来,这个过程是调制的逆过程,称为解调,也叫检波,故B错误;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相同,因此有不同的用途,故C错误;根据f=可知,要增大调谐电路的固有频率f,可以通过减小L,即减少线圈的匝数来实现,故D正确。
能力提升
8.关于电磁波的发射和接收,下列说法正确的是(　　)
A.在电磁波发射技术中,使载波随各种信号而改变的技术叫作调谐
B.发射电磁波的LC振荡电路,由闭合电路变成开放电路才能有效地把电磁波发射出去
C.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.接收电磁波时,通过解调使接收电路中产生的振荡电流最强
【答案】 B
【解析】 在电磁波发射技术中,使载波随各种信号而改变的技术叫作调制,A错误;发射电磁波的LC振荡电路,由闭合电路变成开放电路才能有效地把电磁波发射出去,B正确;接收电磁波时,通过调谐来使接收电路中出现电谐振现象,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,将低频信号从高频信号中分离出来的过程称为解调,又称为检波,C、D错误。
9.(双选)如图所示,万米深潜器“奋斗者号”深潜至地球的最深处——马里亚纳海沟进行科研工作时借助无线电波、激光等传输信号,实现深潜器舱内和海底作业的电视直播。下列说法正确的是(　　)
A.在海水中,无线电波传播时能量损耗大,所以要借助激光传输信号
B.无线电波、激光都是横波
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
【答案】 AB
【解析】 “奋斗者号”上的舱内摄像头拍摄的画面编码后经激光脉冲信号传送信息,沧海号上接收到激光脉冲信号后,经调制转换成数字画面,再由微细光缆传送给海面的探索二号,再经卫星天线传送到通信卫星,再到电视台转播,不用无线电波是因为在海水中,无线电波传播时能量损耗大,A正确;无线电波和激光都是电磁波,电磁波是横波,B正确;信号传输是经由通信卫星传到电视台实现直播的,信号都有一定的传输速度,所以传输中有时间延迟,C错误;麦克斯韦预言了电磁波的存在,而赫兹通过实验证实了电磁波的存在,D错误。
10.(双选)下面甲、乙两图是发射和接收无线电波的过程示意图,关于无线电波的发射和接收,下列说法正确的是(　　)
A.图甲是无线电波的发射过程,图乙是无线电波的接收过程
B.图甲是无线电波的接收过程,图乙是无线电波的发射过程
C.图甲中波形①到②的过程叫解调,图乙中③到④的过程叫调制
D.接收到的无线电波的波形是④,发射的无线电波波形是⑤
【答案】 BC
【解析】 观察发现,题图甲是接收电波后经过处理后转化为声音的过程,题图乙是将声音经过处理后转化为电磁波发射的过程,故A错误,B正确;题图甲是无线电波的接收过程,①到②的过程叫解调,题图乙是无线电波的发射过程,③到④的过程叫调制,故C正确;波形③和波形⑤经过调制后,形成波形④,发射的无线电波波形是④,故D错误。
11.(双选)在电磁波发射技术中,使电磁波随各种信号而改变的技术叫调制,调制分调幅和调频两种。如图甲所示有A、B两幅图,在收音机电路中天线接收下来的电信号既有高频成分又有低频成分,经放大后送到下一级,需要把高频成分和低频成分分开,只让低频成分输入下一级,如果采用如图乙所示的电路,图中虚线框a和b内只有一个电容器或电感器。以下关于电磁波的发射和接收的说法正确的是(　　)
A.在电磁波的发射技术中,图甲中A是调幅波
B.在电磁波的发射技术中,图甲中B是调幅波
C.图乙中a是电容器,用来通高频、阻低频,b是电感器,用来阻高频、通低频
D.图乙中a是电感器,用来阻交流、通直流,b是电容器,用来通高频、阻低频
【答案】 AC
【解析】 调幅,即通过改变电磁波的振幅来实现信号加载,故题图A、B中A为调幅波,B为调频波,故A正确,B错误;根据交流电路中电容器的通高频、阻低频和电感线圈的通低频、阻高频作用可知,元件a要让高频信号通过,阻止低频信号通过,故元件a是电容较小的电容器,元件b要让低频信号通过,阻止高频信号通过,故元件b是电感器,故C正确,D错误。
12.(双选)如图所示为调幅振荡电流图像,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,需要将信号加载到高频等幅振荡电流上,这就是调制。调制的方法之一是使高频等幅振荡电流的振幅随信号而变化,成为调幅振荡电流,这就是调幅。在接收电路中,经过调谐,使电路与所需接收的电磁波产生电谐振,电路中将会出现调幅振荡电流。经解调后,调幅振荡电流将被“切”去一半,得到单向脉动电流,再经过滤波电路,把高频交流成分滤除掉,在耳机中就只有随信号而变化的音频(属于低频)电流,故选A、B。
13.某品牌双波段(中、短波段)收音机的接收电路原理简化结构如图所示,通过切换开关S和旋转可变电容器动片来改变LC电路中的电感L和电容C,从而实现接收不同波段的信号,则(　　)
A.调制是指通过调节L、C,使接收电路的固有频率与接收到的电磁波的频率相等
B.接收电路的固有频率与需要接收的电磁波频率不相等时,接收电路将无法接收该电磁波
C.使S接b且动片完全旋入,可接收到波长最短的电磁波
D.使S从b打到a,同时动片旋出,接收到的电磁波频率可能不变
【答案】 D
【解析】 调谐是通过调节L、C,使接收电路的固有频率与接收到的电磁波的频率相等,A错误。接收电路的固有频率与需要接收的电磁波频率不相等时,该电磁波在接收电路中引起的振荡电流不强,但仍可接收到该电磁波,B错误。频率越大接收到的波长越短,S接b时L小,动片完全旋入时C大,由公式f=知,接收电路的固有频率可能不变,接收到的电磁波波长可能保持不变且不是最短的;同理,S接a时L大,动片完全旋出时C小,接收电路的固有频率可能不变,接收到的电磁波频率可能不变,C错误,D正确。
14.收音机调谐回路中可变电容器旋到电容为100 pF 时能收到波长为300 m的电磁波,如果要收到波长为 240 m 的电磁波,可变电容器的电容要调为多少 这个回路的自感系数为多少
【答案】 64 pF　 2.5×10-4 H
【解析】 根据c=λf和f=,
有λ=c·2π,其中c=3×108 m/s,
则300 m=3×108 m/s×2π,
240 m=3×108 m/s×2π,
解得L≈2.5×10-4 H,C′=64 pF。
15.某收音机接收电磁波的波长在182 m和577 m之间,该收音机LC电路的可变电容器的动片全部旋出时,电路总电容为39 pF,试分析:(结果均保留三位有效数字)
(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电路的线圈的电感为多少
(2)该收音机LC电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)182 m　0.239 mH　(2)392 pF
【解析】 (1)由λ=c·T和T=2π,
可得λ=2πc,
动片完全旋出时,电容器极板正对面积最小,
由C=可知,此时电容器的电容最小,电容为C=39 pF,所以此时对应的接收电磁波的波长最小,为182 m,
由上面关系式可导出L=,
代入数据可求出L=0.239 mH。
(2)由λ=2πc得,=,
所以Cmax=Cmin=×39 pF≈392 pF。(共30张PPT)
章末总结
专题研析·拓展提升
专题一　电磁振荡过程分析
[例1] (双选)如图甲为LC振荡电路,其中图乙描绘的是流过电路中M点的电流随时间变化规律的图像,假设回路中电流顺时针方向为正,则下列说法正确的是(　 　)
A.在第1 s末到第2 s末的过程中电容器正在放电
B.在第1 s末到第2 s末的过程中电容器的下极板带负电
C.在第2 s末到第3 s末的过程中M点的电势比N点的电势低
D.在第2 s末到第3 s末的过程中电路中电场能正在逐渐减小
CD
【解析】 在第1 s末到第2 s末的过程中,振荡电流是充电电流,充电电流是由上极板流向下极板,则下极板带正电,A、B错误;在第2 s末到第3 s末的过程中,振荡电流是放电电流,电场能正在减小,磁场能正在增大,由于电流为负值,所以由N流向M,则N点的电势高,C、D正确。
(1)分析两类物理量:电荷量Q决定了电场能的大小,电容器极板间电压U、电场强度E、电场能EE的变化规律与Q的变化规律相同;振荡电流i决定了磁场能的大小,线圈中的磁感应强度B、磁通量Φ、磁场能EB的变化规律与i的变化规律相同。
(2)两个过程:放电过程电荷量Q减小,振荡电流i增大;充电过程电荷量Q增大,振荡电流i减小。
(3)两个瞬间:放电完毕瞬间Q=0,i最大;充电完毕瞬间i=0,Q最大。
·规律方法·
[针对训练1] 如图所示,单刀双掷开关S先打到a端让电容器充满电。t=0时开关S打到b端,t=0.02 s 时LC回路中电容器下极板带正电荷且电荷量第一次达到最大值,则(　　)
A.LC回路的周期为0.02 s
B.LC回路的电流最大时电容器中电场能最大
C.t=1.01 s时线圈中磁场能最大
D.t=1.01 s时回路中电流沿顺时针方向
C
【解析】 当电容C充满电后,电容器上极板带正电,电容器中电场能最大,开关S打到b端后,电容器开始放电,当电荷释放完瞬间,LC回路电流最大,电场能转化为磁场能;接着自感线圈对电容器充电,回路中电流逐渐减弱,磁场能转化为电场能,此时电容器下极板带正电;随后电容器开始放电,然后自感线圈再对电容器充电,最后电容器上极板带正电,一个完整的振荡周期结束。根据以上分析 T=0.04 s,选项A错误。电流最大时磁场能最大,电场能最小,选项B错误。t=1.01 s,即相当于 25.25T,即从题目初始状态开始,经过0.25T,电荷释放完,回路中电流最大,自感线圈中磁场能最大,选项C正确。根据以上分析,在0.25T时,线路中的电流是逆时针方向,选项D错误。
专题二　电磁波和电磁波谱
[例2] (双选)关于电磁波的特性,下列说法正确的是( 　　)
A.红外线遥感是利用了红外线波长较长的特点
B.一切物体都在不停地发射红外线,温度越高,红外辐射越强
C.验钞机检验钞票真伪体现了紫外线的杀菌作用
D.X射线可深入骨骼,杀死病变细胞
AB
【解析】 红外线波长较长,能够发生明显衍射现象,故A正确;一切物体都在发射红外线,红外辐射本领和物体温度正相关,故B正确;钞票上有荧光物质,验钞机发出的紫外线具有荧光作用,可以使荧光物质发光,故C错误;在人体内杀死病变细胞是利用了γ射线的放射作用,X射线可用来检查人体器官,故D错误。
(1)按波长由长到短(频率由低到高)的顺序。
无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线等合起来,构成了范围非常广阔的电磁波谱。
(2)各种不同的电磁波既有共性,又有特性。
①共性:它们在本质上都是电磁波,它们的行为服从相同的规律,都遵守公式c=fλ,它们在真空中的传播速度都是c=3.0×108 m/s,它们的传播都不需要介质,各波段之间并没有绝对的界限。
·规律方法·
·规律方法·
②特性:不同电磁波的频率或波长不同,表现出不同的特性。波长越长越容易产生干涉、衍射现象,波长越短,干涉、衍射现象越不明显。正是这些不同的特性决定了它们不同的用途。
(3)电磁波和机械波在波动性上有相同点,都遵守v=fλ,但本质不同,机械波不能在真空中传播,而电磁波的传播不需要介质。
[针对训练2] (双选)(2021·福建卷)以声波作为信息载体的水声通信是水下长距离通信的主要手段。2020年 11月 10日,中国载人潜水器“奋斗者”号创造了10 909米深潜纪录。此次深潜作业利用了水声通信和电磁通信等多种通信方式进行指令传输或数据交换,如图所示。下列说法正确的是(　 　)
A.“奋斗者”号与“探索一号”通信的信息载体属于横波
B.“奋斗者”号与“沧海”号通信的信息载体属于横波
C.“探索一号”与通信卫星的实时通信可以通过机械波实现
D.“探索一号”与“探索二号”的通信过程也是能量传播的过程
BD
【解析】 “奋斗者”号与“探索一号”通信是通过水声通信,声音在水中的传播是纵波,故信息载体属于纵波,故A错误;“奋斗者”号与“沧海”号通信是通过无线蓝绿光通信,光以横波的形式传播,故信息载体属于横波,故B正确;因为太空中没有介质,故机械波无法传播,所以“探索一号”与通信卫星的实时通信只能通过电磁通信来实现,故C错误;传递信息的过程也是传递能量的过程,故“探索一号”与“探索二号”的通信过程也是能量传播的过程,故D正确。
达标训练·检测效果
1.随着通信技术的更新换代,无线通信使用的电磁波频率更高,频率资源更丰富,在相同时间内能够传输的信息量更大。第5代移动通信技术(简称5G)意味着更快的网速和更大的网络容载能力,“4G改变生活,5G改变社会”。与4G相比,5G使用的电磁波(　　)
A.光子能量更大 B.衍射更明显
C.传播速度更大 D.波长更长
A
【解析】 5G使用的电磁波频率比4G更大,根据 E=hν,可知5G使用的电磁波比4G光子能量更大,A正确;光在真空中传播速度相同,根据v=λf可知,5G使用的电磁波波长更短,不易发生明显衍射,B、C、D错误。
2.用非接触式体温测量仪,通过人体辐射的红外线测量体温,用紫外线灯在无人的环境下消杀病毒。关于红外线和紫外线的说法正确的是(　　)
A.在同一介质中,红外线的波长比红光的波长大
B.只有热的物体才能辐射红外线
C.在同一介质中,紫外线的波长比紫光的波长大
D.红外线和紫外线都是可见光
A
【解析】 根据电磁波谱可知,在同一介质中,红外线的波长比红光的波长大,故A正确;一切物体都在不停地辐射红外线,故B错误;根据电磁波谱可知,在同一介质中,紫外线的波长比紫光的波长小,故C错误;红外线和紫外线都不是可见光,故D错误。
3.(双选)如图所示为理想LC振荡电路,此时刻电容器极板间的电场强度方向和线圈中的磁场方向如图所示。下列说法正确的是(　 　)
A.如图所示的时刻电容器正在放电
B.电路中的磁场能在增加
C.电容器两端的电压在增加
D.电容器的两极板间距离变大,振荡电流的频率增大
CD
4.(双选)蓝牙是一种使用2.4 GHz频段的无线电波支持设备短距离通信的技术,能在手机、无线耳机、智能手环、打印机等众多设备之间进行信息交换,则(　 　)
A.这个频段的电磁波比γ射线能量更高
B.这个频段的电磁波比紫外线更难观察到明显衍射现象
C.蓝牙信号“穿墙”时,在墙壁中的传播速率小于 3×108 m/s
D.智能手机中集成的蓝牙模块有发射和接收电磁波的功能
CD
【解析】 γ射线是电磁波谱中能量最高的,故A错误;蓝牙的频段为2.4 GHz,低于紫外线的频段,其波长较紫外线长些,比紫外线更容易观察到明显衍射现象,故B错误;3×108 m/s是电磁波在真空中的传播速度,也是最大的速度,电磁波在介质中的传播速度会变小,故C正确;智能手机利用蓝牙技术进行信息交换,可以断定智能手机中集成的蓝牙模块有发射和接收电磁波的功能,故D正确。
5.(双选)如图所示LC振荡电路中,电容C为0.4 μF,电感L为1 mH。已充电的平行板电容器两极板水平放置。开关S断开时,极板间有一带电的灰尘恰好静止。当开关S闭合时,灰尘在电容器内运动。不计带电灰尘对电路的影响,则(　 　)
A.灰尘的加速度为g时,电感线圈中磁场能最大
B.灰尘将在两极板间做单向直线运动,直至碰到极板
C.从S闭合开始计时,经2π×10-5 s,电感线圈中电流最大
D.从S闭合开始计时,经4π×10-5 s,电感线圈中电流最大
AB
6.许多先进的军事作战单位安装了有源相控阵雷达,有源相控阵雷达是相控阵雷达的一种。有源相控阵雷达的每个辐射器都配装有一个发射/接收组件,每一个组件都能自己产生、接收电磁波,因此在频宽、信号处理和冗度设计上都比无源相控阵雷达具有较大的优势。下列说法正确的是(　　)
A.雷达使用的电磁波是长波,它利用了长波容易发生衍射可以绕开障碍物远距离传播的特点
B.雷达使用的电磁波是微波,它利用了微波直线性好、反射性强的特点
C.雷达发射的电磁波会经过调制、调幅或调频、调谐、解调几个过程
D.雷达使用的电磁波比红外遥感使用的电磁波频率大
B
【解析】 雷达是根据反射回来的电磁波来测距和测速的,所以应采用直线性好、反射性强的微波,A错误,B正确;雷达发射的电磁波不需要携带信号,所以不需要经过调制和解调等过程,C错误;雷达使用的电磁波是微波,红外遥感使用的电磁波是红外线,微波的频率比红外线的小,D错误。
7.如图所示的振荡电路中,线圈自感系数L=0.5 H,电容器电容 C=2 μF,现使电容器上极板带正电,则振荡电路的振荡周期为　　　 　s,从接通开关S时刻算起,在t=3.0×10-2 s时,电路中电流方向是　　　　　　　,在时间t=
　　　　　　 s时,线圈中的磁场能第一次达到最大。
6.28×10-3
顺时针方向
1.57×10-3
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