沪科物理选修3-4《无线电通信 电磁波家族》

欢迎进入物理课堂 3 3无线电通信3 4电磁波家族 核心要点突破 课堂互动讲练 知能优化训练 3 4 课前自主学案 课标定位 课标定位 学习目标 1 了解无线电波的发射过程和振荡器 调制器的作用 2 了解不同波长的电磁波的传播方式 3 了解调谐 检波及无线电波的接收的基本原理 4 了解我们生活中的无线电通信 5 知道电磁波谱以及各组成部分 并且掌握不同电磁波的产生机理 6 知道红外线 可见光 紫外线 X射线 射线的主要作用 重点难点 无线电波的发射和接收 课前自主学案 一 无线电波的发射发射电磁波是为了传递信号 将需要传递的信号加载在电磁波上 使电磁波随信号而改变叫做 通常有两种方式 一种是使高频振荡的振幅随信号而改变叫做 另一种是使高频振荡的频率随信号而改变叫做 1 振荡器的作用 产生 信号 2 调制器的作用 把低频信号加载到高频信号上去 调制 调幅 调频 等幅高频 二 电磁波的传播无线电波通常有三种传播途径 地波 和 1 地波 是沿 的表面空间传播的无线电波 在无线电技术中 通过采用地波的形式传播长波 中波和中短波 2 天波 是靠大气层中 的反射传播的无线电波 短波最适合采用天波的形式传播 天波 空间波 地球 电离层之间 3 空间波 是像光束那样沿 传播的无线电波 这种传播方式适用于超短波和微波通信 此外卫星中继通信 卫星电视转播等也主要是利用空间波作为传输途径 三 电磁波的接收1 电谐振现像 当接收电路的固有频率跟收到的电磁波的频率相同时 电磁波会使电路中产生最强的电流 与机械振动中的 现像类似 直线 共振 2 调谐 在无线电技术中 对空间存在的各种频率电磁波 需要 某一种特定的频率接收的过程 3 调谐电路 能够进行调谐的接收电路 4 检波 从高频载波中把音频信号 检 出来的过程 是调制的逆过程 也叫解调 挑选出 四 无线电波在我们生活中微波通信 通信和 通信为人类交流信息发挥着巨大的作用 随着 和 的发明 又实现了光纤通信 其特点是 因特网就是利用 来交互信息 卫星 光纤 激光器 光纤 能量损耗小 抗干扰能力强 光纤 五 电磁波谱将各种电磁波按 或频率的大小顺序排列起来 就构成了电磁波谱 通常人们按 将电磁波谱划分为无线电波 红外线 可见光 紫外线 X射线 射线六个波段 六 电磁波家族成员的特性1 可见光 进入人眼能引起 的电磁波叫做可见光 若没有可见光 地球上的生物就难以生存 世界就不会丰富多彩 波长 用途 视觉 2 红外线 波长比可见光中的红光的波长长 不能引起人的视觉 是不可见光 所有物体都在不停地辐射红外线 且温度越高 辐射的红外线越 波长越 红外线的主要作用是 3 紫外线 波长比可见光中的紫光波长还短 不能引起人的视觉 主要作用 强 短 热效应 杀菌消毒 4 X射线 伦琴射线 波长比紫外线的波长还 高速电子流射到任何固体上都能产生X射线 作用是用于检查人体内部器官 金属探伤 5 射线 是比X射线波长更短的电磁波 它的穿透能力强 能穿过几厘米厚的铝板或3m厚的混凝土 短 核心要点突破 一 有效向外发射电磁波振荡电路必须具有的特点1 要有足够高的频率 发射电磁波的功率与振荡频率的四次方成正比 如果是低频信号 要用高频信号运载才能更有效地发射出去 2 采用开放电路 使振荡电路的电磁场必须尽可能地分散到大的空间 天线和地线也可组成开放电路如图3 3 1所示 由闭合电路变成开放电路图3 3 1 二 电磁波的发射与调制在电磁波发射技术中 使电磁波随各种信号而改变的技术叫做调制 调制的装置见图3 3 2所示 图3 3 2 1 调幅 使高频振荡的振幅随信号而改变叫调幅 调幅的作用见图3 3 3 甲 声音信号的波形 乙 高频等幅振荡电流的波形 丙 经过调幅的高频振荡电流的波形 图3 3 3 2 调频 使高频振荡的频率随信号而改变叫调频 调频的作用见图3 3 4所示 甲 声音信号的波形 乙 高频等幅振荡信号的波形 丙 经过调频的高频振荡电流的波形 图3 3 4 3 电磁波的发射方框图 如图3 3 5所示 图3 3 5 即时应用 即时突破 小试牛刀 1 下列对无线电广播要对电磁波进行调制的原因的说法正确的是 A 经过调制后的高频电磁波向外辐射能量的本领更强B 经过调制后的电磁波在空间传播得更快C 经过调制后的电磁波在空间传播波长才能不变D 经过调制后的高频电磁波才能把我们要告知对方的讯号传递过去 解析 选A 调制是把要发射的信号 加 到高频等幅振荡上去 频率越高 传播信息能力越强 A对 电磁波在空气中以接近光速传播 B错 由v f 知波长与波速和传播频率有关 C错 三 无线电波的接收1 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 接收电路中产生的振荡电流最强 这种现象叫电谐振 2 调谐 使接收电路产生电谐振的过程叫调谐 能够调谐的接收电路叫调谐电路 调谐的方法一般是改变电路的L或C 3 检波 从接收到的高频振荡中 检 出所携带的波 叫检波 检波是调谐的逆过程 也叫解调 检波电路及作用见图3 3 6 甲 检波前的高频调幅电流 乙 检波后的单向脉动电流 丙 流过耳机的音频电流 检波电路检波作用图3 3 6 即时应用 即时突破 小试牛刀 2 图3 3 7甲为一个调谐接收电路 a b c 为电路中的电流随时间变化的图像 则 A i1是L1中的电流图像B i1是L2中的电流图像C i2是L2中的电流图像D i3是流过耳机的电流图像 图3 3 7 解析 选ACD L2中由于电磁感应 产生的感应电动势的图像是同 a 图相似的 但是由于L2和D串联 所以当L2的电压与D反向时 电路不通 因此这时L2没有电流 所以L2中的电流应选 b 图 故应选A C D 四 电磁波的传播特性无线电技术中使用的电磁波叫做无线电波 它们的波长在几毫米到几十千米之间 无线电波在沿地球表面 大气层中传播时 由于不同波长的电磁波衍射和波被吸收的情况各不相同 不同波长的电磁波在传播方式上也各不相同 无线电波主要的传播方式有 地波传播 天波传播和直线传播三种 1 地波传播 沿地球表面空间传播的无线电波 图3 3 8 如图3 3 8所示 由于地面上有高低不平的山坡和房屋等障碍物 只有能绕过这些障碍物的无线电波 才能被各处的接收机所接收到 根据波的衍射特性 当波长大于或相当于障碍物的尺寸时 就可以绕到障碍物的后面 地面上的障碍物一般都不是很大 长波能很好地绕过它们 中波和中短波也能较好地绕过 短波和微波由于波长短 绕过障碍物的本领很差 这种传播方式对长波 中波和中短波比较适宜 对短波和微波而言 被吸收损耗的能量较多 并且它们的衍射本领较差 故不适宜 2 天波传播 依靠大气层中的电离层的反射来传播的无线电波叫做天波 我们知道 地球被厚厚的大气包围着 地表50千米到几百千米范围内的大气 由于太阳光的照射使大气中的一部分气体分子发生电离 这层大气就叫做电离层 电离层对于不同波长的电磁波表示出不同的特性 对于波长短于10m的微波 电离层能让它穿过 飞向宇宙 对于长波 电离层基本把它吸收 对于中波 中短波 短波 波长越短 电离层对它吸收得越少而反射得越多 因此短波最适宜以天波的形式传播 3 直线传播 微波又叫超短波 它既不能以地波的形式传播 易被吸收 又不能依靠电离层的反射以天波的形式传播 能穿透 微波只能像光那样 沿直线传播 这种沿直线传播的电磁波叫空间波或视波 即时应用 即时突破 小试牛刀 3 关于电磁波的传播 下列叙述正确的是 A 电磁波频率越高 越易沿地面传播B 电磁波频率越高 越易沿直线传播C 电磁波在各种介质中传播波长恒定D 只要有三颗同步卫星在赤道上空传递微波 就可把信号传播到全世界 解析 选BD 电磁波频率越高 波长就越短 绕过地面障碍物的本领就越差 且地波在传播过程中的能量损失随频率的增高而增大 A错 随着电磁波频率的增大 粒子性越来越明显 其传播形式跟光相似 沿直线传播 B正确 电磁波在各种介质中传播时 频率不变 但传播速度不等 波长不同 C错 由于同步通讯卫星相对于地面静止在赤道上空36000km高的地方用它来作微波中继站 只要有三颗这样的卫星 就可以把微波信号传播到全世界 D正确 五 电磁波谱无线电波 红外线 可见光 紫外线 伦琴射线 射线合起来 构成了范围非常广阔的电磁波谱 可见光只是其中很窄的一个波段 由于它们都是本质上相同的电磁波 所以它们的行为都服从共同的规律 但另一方面 由于它们的频率不同而又表现出不同的特性 例如 波长较长的无线电波 很容易表现出干涉 衍射现像 但对波长越来越短的可见光 紫外线 伦琴射线 射线 要观察到它们的干涉 衍射现像就越来越困难了 六 电磁波家族成员的特性1 无线电波波长大于1mm频率小于300GHz的电磁波是无线电波 无线电波可用于通信和广播 许多自然过程也辐射无线电波 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 2 红外线可见光谱的红光外侧是红外线 红外线的波长比红光的波长还长 不是可见光 不能引起人的视觉 对红外线强调以下几点 1 英国物理学家赫谢尔于1800年首先发现了红外线 2 产生 一切物体 不管大小 也无论是否有生命 凡是由分子 原子等微粒构成的物体都在不停地辐射红外线 物体温度越高 辐射红外线的本领越强 红外辐射是热传递的方式之一 3 作用 红外线遥感 勘测地热 寻找水源 人体检查等 红外线遥控 家用电器配套的遥控器发出红外线脉冲信号 受控机器就会按指令改变工作状态 加热物体 红外线很容易使物体的温度升高 如市场上的 远红外烤箱 这是因为 红外线的显著作用就是热作用 其原因是红外线的频率比可见光更接近固体物质分子的固有频率 因此更容易引起分子的共振 所以红外线的电磁场的能量更容易转变为物体的内能 3 可见光 1 波长在700nm到400nm之间 进入人眼能引起视觉的电磁波叫可见光 2 不同颜色的可见光波长见下表 3 波长较短的光比波长较长的光更容易被散射 因此天空看起来是蓝色的 大气对波长较短的光吸收也比较强 所以傍晚的阳光比较红 4 可见光是由原子或分子内电子的跃迁产生的 4 紫外线可见光光谱中的紫光外侧是紫外线 紫外线也是不可见光 其波长比紫光还短 波长范围为5 400nm之间 1 发现 德国物理学家里特于1801年首先发现了紫外线 2 产生 一切高温物体发出的光中都含有紫外线 有的仪器是专门发射紫外线的 可以进行防伪检测 3 作用 促使人体合成维生素D 但不能过多照射 能杀死多种细菌 具有消毒功能 紫外线的显著特征是化学作用 使荧光粉发光 即荧光效应 5 X射线 1 发现 1895年德国物理学家伦琴在研究阴极射线时发现的 其波长比紫外线还短 2 产生 高速的电子流射到任何固体上都能产生这种射线 人们从这种射线的衍射现象得知它是一种波长很短的电磁波 3 显著作用 有较强的穿透能力 但X射线穿透物质的本领跟被穿透的物质的密度有关 4 应用 用于透视人体 检查金属部件的质量等 5 伦琴射线管 如图3 3 9所示 图3 3 9 6 射线 1 产生 是从放射性元素的原子核中放射出来 2 特点 射线是波长最短的电磁辐射 具有很高的能量 3 应用 射线能破坏生命物质 可应用于医学上 射线的穿透能力很强 能穿过几厘米厚的铅板 可用于探测金属部件的缺陷 即时应用 即时突破 小试牛刀 4 下列关于电磁波谱各成员说法正确的是 A 最容易发生衍射现象的是无线电波B 紫外线有明显的热效应C X射线穿透能力较强 所以可用来做检查工作D 晴朗的天空看起来是蓝色是光散射的结果 解析 选ACD 波长越长越易衍射 故A正确 有明显热效应的是红外线 故B错误 X射线因其穿透能力常用于人体拍片和检查金属零件缺陷 故C正确 天空的蓝色是由于波长较短的光易被散射 故D正确 课堂互动讲练 为了增大无线电台向空间辐射无线电波的能力 对LC振荡电路结构 可采用下列哪些措施 A 增大电容器极板的正对面积B 增大电容器极板间的距离C 增大自感线圈的匝数D 提高供电电压 答案 B 变式训练1下列对电磁波的发射技术中调制的理解正确的是 A 使发射的信号振幅随高频振荡信号而改变叫调幅B 使高频振荡信号振幅随发射的信号的改变叫调幅C 使发射的信号频率随高频振荡信号而改变叫调频D 使高频振荡信号的频率随发射的信号而改变叫调频解析 选BD 由调频和调幅定义可知应选BD 答案 B 变式训练2一台收音机 把它的调谐电路中的可变电容器的动片从完全旋入到完全旋出 仍然收不到某一较高频率的电台信号 要想收到该电台信号 应该 填 增大 或者 减小 电感线圈的匝数 答案 减小 关于电磁波谱 下列说法中正确的是 A 电磁波中最容易表现出干涉 衍射现象的是无线电波B 红外线 紫外线 可见光是原子的外层电子受激发后产生的C 伦琴射线和 射线是原子的内层电子受激发后产生的D 红外线的显著作用是热作用 温度较低的物体不能辐射红外线 自主解答 波长越长的无线电波波动性越显著 干涉 衍射现象易发生 从电磁波产生的机理可知 射线是原子核受激发后产生的 不论物体温度高低如何都能辐射红外线 物体的温度越高 它辐射的红外线越强 答案 AB 方法总结 知道各种电磁波的产生机理 特性 应用 是解决此题的关键 本章本节的很多知识点同学们务必强化识记 同时也应注重理解 变式训练3关于电磁波谱的下列说法中正确的是 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 射线是波长最短的电磁波 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 在电磁波谱中 最容易发生衍射现象的是 射线 解析 选AB 由课本内容知 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 射线是波长最短的电磁波 它比X射线的频率还要高 A B正确 在电磁波谱中从无线电波到 射线 波长逐渐减小 频率逐渐增大 而波长越大 波动性越强 越容易发生干涉 衍射现象 因此紫光应比紫外线更容易发生干涉和衍射现象 无线电波最容易发生衍射现象 故C D不对 同学们 来学校和回家的路上要注意安全 同学们 来学校和回家的路上要注意安全