(共44张PPT)
1 电磁振荡
课前·基础认知
课堂·重难突破
素养·目标定位
随 堂 训 练
素养·目标定位
目 标 素 养
1.知道什么是LC振荡电路和振荡电流。
2.知道LC振荡电路中电磁振荡的产生过程,知道电磁振荡过程中能量转化情况。
3.知道电磁振荡的周期和频率,知道LC振荡电路的周期和频率与哪些因素有关,并会进行相关的计算。
知 识 概 览
课前·基础认知
一、电磁振荡的产生
1.振荡电流:大小和方向都做周期性迅速变化的电流。
2.振荡电路:产生振荡电流的电路。最简单的振荡电路为LC振荡电路。
3.电容器放电:由于线圈的自感作用,放电电流不能立刻达到最大值,而是由0逐渐增大,同时电容器极板上的电荷逐渐减少。放电完毕时,放电电流达到最大值,电容器极板上没有电荷。
4.电容器充电:电容器放电完毕时,由于线圈的自感作用,电流并不会立刻减小为0,而要保持原来的方向继续流动,并逐渐减小。由于电流继续流动,电容器充电,电容器两极板带上与原来相反的电荷,并且电荷逐渐增多。充电完毕的瞬间,电流减小为0,电容器极板上的电荷最多。
5.电磁振荡:在整个过程中,电路中的电流i、电容器极板上的电荷量q、电容器里的电场强度E、线圈里的磁感应强度B ,都在周期性地变化着。这种现象就是电磁振荡。
微判断1(1)LC回路电容器放电开始时,电流最大。( )
(2)LC回路电容器放电完毕时,线圈的磁场最强。( )
(3)LC回路电容器放电过程中,电容器中的电场强度逐渐减小。
( )
(4)LC振荡电路的电流为零时,线圈中的自感电动势最大。
( )
×
√
√
√
二、电磁振荡中的能量变化
1.电容器刚要放电时,电路里的能量全部储存在电容器的电场中;电容器开始放电后,电场能逐渐转化为磁场能;在放电完毕的瞬间,电场能全部转化为磁场能。
2.电容器充电时,磁场能逐渐转化为电场能;反向充电完毕的瞬间,磁场能全部转化为电场能。
微思考右图为LC振荡电路某时刻的情况,回答以下问题:
(1)电容器正在充电还是放电 (2)电感线圈中磁场能正在增大还是减小 (3)此时刻自感电动势与电流方向相同还是相反
提示:(1)放电 (2)增大 (3)相反
电容器下极板带正电荷,上极板带负电荷,根据线圈中磁感应线的方向可确定此时回路中电流为逆时针方向,从而说明电容器正在放电,电流增大,电感线圈中的磁场能正在增大。根据楞次定律判断,此时刻自感电动势与电流方向相反。
三、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需要的时间。
2.频率:电磁振荡完成周期性变化的次数与所用时间之比,数值等于单位时间内完成的周期性变化的次数。
4.如果振荡电路没有能量损失,也不受其他外界条件影响,这时的周期和频率叫作振荡电路的固有周期和固有频率,简称振荡电路的周期和频率。
微判断2(1)LC振荡电路的电容器放电完毕时,回路中磁场能最小。( )
(2)LC振荡电路放电电流最大时,线圈中的自感电动势最大。
( )
(3)LC振荡电路线圈的自感系数增大为原来的4倍,振荡周期增大为原来的2倍。( )
(4)提高充电电压,极板上带更多的电荷时,能使振荡周期变大。
( )
×
×
√
×
课堂·重难突破
一 电磁振荡的过程
重难归纳
1.电磁振荡过程中各物理量的变化。
2.LC电磁振荡的特点。
LC电路工作过程具有对称性和周期性,可归结为:
(1)两个物理过程:
放电过程:电场能转化为磁场能,q↓→i↑。
充电过程:磁场能转化为电场能,i↓→q↑。
(2)两个特殊状态:
充电完毕状态:磁场能向电场能转化完毕,电场能最大,磁场能最小。
放电完毕状态:电场能向磁场能转化完毕,磁场能最大,电场能最小。
3.LC电磁振荡能量变化规律。
(1)总能量=电场能+磁场能=恒量。
(2)电场能与磁场能交替转化。
4.LC电磁振荡过程中各物理量的变化图像(以本栏目1中图甲为例,从电容器放电开始计时)。
甲 以顺时针方向
电流为正
乙 图中q为上面
极板的电荷量
丙 图中E以垂直于极板
向下为正方向
丁 以竖直向上
为B正方向
戊 电场能随时间
变化的图像
己 磁场能随时间
变化的图像
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
提示:(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。
典例剖析
【例1】(多选)LC振荡电路中,某时刻的磁场方向如图所示,则
( )
A.若磁场正在减弱,则电容器正在充电,电流方向由b向a
B.若磁场正在减弱,则电场能正在增大,电容器上极板带负电
C.若磁场正在增强,则电场能正在减少,电容器上极板带正电
D.若磁场正在增强,则电容器正在充电,电流方向由a向b
答案:ABC
解析:若磁场正在减弱,则电流在减小,是充电过程,根据安培定则可确定电流由b向a,电场能增大,上极板带负电,选项A、B正确。若磁场正在增强,则电流在增大,是放电过程,电场能正在减少,根据安培定则,可判断电流由b向a,上极板带正电,选项C正确,D错误。
规律方法
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,处于充电过程;反之,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(U、E)增大时,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。
学以致用
1.(多选)如图所示,L为一电阻可忽略的线圈,D为一灯泡,C为电容器,开关S处于闭合状态,灯泡D正常发光。现突然断开S,并开始计时,能正确反映电容器a极板上电荷量q及LC回路中电流i(规定顺时针方向为正)随时间变化的图像是(图中q为正值表示a极板带正电)( )
答案:BC
解析:S断开前,电容器C短路,线圈中电流从上向下,电容器不带电;S断开时,线圈L中产生自感电动势,阻碍电流减小,电容器C充电,此时LC电路中电流i沿顺时针方向(正向)最大;电容器充电过程,电容器带电荷量最大时(a极板带负电),线圈L中电流减为零。此后,LC电路发生电磁振荡形成交变电流。综上所述,选项B、C正确。
二 电磁振荡的周期和频率
重难归纳
3.对LC电路周期和频率的理解。
(1)LC电路的周期、频率都由电路本身的特性(L和C的值)决定,与电容器极板上电荷量的多少、板间电压的高低、是否接入电路中等因素无关,所以称为LC电路的固有周期和固有频率。
(2)使用周期公式时,一定要注意单位,T、L、C、f的单位分别是秒(s)、亨(H)、法(F)、赫(Hz)。
(3)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,能量转换时间也越长,故周期也越长。
右图为一LC振荡电路。先将S掷向1给电容器充电,再将S掷向2,电容器放电。
(1)如果仅更换自感系数L更大的线圈,线圈产生的自感电动势是否更大 “阻碍”作用是否也更大 由于延缓了振荡电流的变化,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,电容器的充电电荷量是否增大 电容器通过线圈放电,放电时间是否相应地变长 振荡周期T是否变长
提示:(1)自感电动势更大,“阻碍”作用更大,周期变长。(2)电荷量增大,放电时间变长,周期变长。
典例剖析
【例2】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:振荡电流的频率由LC电路本身的特性决定, 。增大电容器两极板间距,电容减小,振荡频率升高,选项A正确。升高电容器的充电电压只能改变振荡电流的强弱,对振荡电流的周期和频率没有影响,选项B错误。增加线圈的匝数和在线圈中插入铁芯,都会使自感系数增大,致使频率降低,选项C、D错误。
特别提醒
学以致用
2.(多选)电子钟是利用LC振荡电路来工作计时的,现发现电子钟每天要慢30 s,造成这一现象的原因可能是( )
A.电池用久了
B.振荡电路中电容器的电容大了
C.振荡电路中线圈的电感大了
D.振荡电路中电容器的电容小了
答案:BC
解析:电子钟变慢,说明LC电路的振荡周期变大,根据公式
可知,振荡电路的电容变大或线圈中的电感变大都会导致振荡电路的周期变大,选项B、C正确。
随 堂 训 练
1.(多选)图甲为LC振荡电路,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线,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向外电路放电
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
甲
乙
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,选项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,放电电流是由下极板流向上极板,由于电流为负值,所以由N流向M,则N点的电势高,选项C、D正确。
2.下图为一个LC振荡电路中的电流变化图线,根据图线可判断( )
A.t1时刻电感线圈两端的电压最大
B.t2时刻电容器两极板间电压为零
C.t1时刻电路中只有电场能
D.t1时刻电容器所带电荷量为零
答案:D
解析:由题图知,t1时刻电流最大,磁场最强,磁场能最大,根据电磁振荡的规律,此时电场能应最小,电场最弱,电容器极板上所带的电荷量最小,此时刻电场能为零,线圈两端的电压为零,选项A、C错误,D正确。t2时刻电流最小,电场能最大,电容器两极板间的电压最大,选项B错误。
3.(多选)在LC振荡电路中,若某个时刻电容器极板上的电荷量正在增加,则( )
A.电路中的电流正在增大
B.电路中的电场能正在增加
C.电路中的电流正在减小
D.电路中的电场能正在向磁场能转化
答案:BC
解析:电荷量增加,电容器充电,电场能增加,磁场能减少,电流减小。
4.(多选)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器C置于储罐中,电容器可通过开关S与线圈L或电源相连,如图所示。当开关从a拨到b时,由L与C构成的电路中产生周期 的振荡电流。当罐中的液面上升时( )
A.电容器的电容减小
B.电容器的电容增大
C.LC电路的振荡频率减小
D.LC电路的振荡频率增大
答案:BC(共40张PPT)
2 电磁场与电磁波
课前·基础认知
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素养·目标定位
随 堂 训 练
素养·目标定位
目 标 素 养
1.知道变化的磁场产生电场,变化的电场产生磁场。
2.知道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.了解电磁波的基本特点、发现过程及传播规律。
知 识 概 览
课前·基础认知
一、电磁场
1.麦克斯韦电磁理论的两个基本假设。
(1)变化的磁场产生电场(如图甲所示)。
(2)变化的电场产生磁场(如图乙所示)。
甲 变化的磁场产生电场
乙 变化的电场产生磁场
2.电磁场: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.电磁波的产生:如果在空间某区域有周期性变化的电场,就会在周围引起变化的磁场,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。
微判断1(1)变化的电场一定产生变化的磁场。( )
(2)变化的磁场周围一定存在着电场,与是否有闭合电路无关。
( )
(3)周期性变化的磁场产生同频率变化的电场。( )
(4)变化的电场和变化的磁场相互关联,形成一个统一的场,即电磁场。( )
(5)电场周围一定存在磁场。( )
(6)磁场周围一定存在电场。( )
×
√
√
√
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二、电磁波
1.电磁波的特点。
(1)电磁波是横波,电磁波在空间传播不需要介质。
(2)电磁波的波长、频率、波速的关系为v=λf;在真空中,电磁波的速度c=3.0×108 m/s。
2.电磁波能产生反射、折射、干涉和衍射等现象。
3.赫兹的电火花。
(1)赫兹实验的分析。
当与感应圈相连的两个金属球间产生电火花时,周围空间出现了迅速变化的电磁场。这种变化的电磁场以电磁波的形式在空间传播。当电磁波到达导线环时,它在导线环中激发出感应电动势,使得导线环的空隙中也产生了火花,说明这个导线环接收到了电磁波。
结论:赫兹实验证实了电磁波的存在,检验了麦克斯韦电磁场理论的正确性。
(2)赫兹的其他成果。
赫兹观察到了电磁波的反射、折射、干涉、偏振和衍射等现象。他还测得电磁波在真空中具有的速度等于光速c,证明了电磁波与光的统一性。
微判断2(1)电磁波和光在真空中的传播速度都是3.0×108 m/s。
( )
(2)电磁波在真空和介质中传播速度相同。( )
(3)只要有电场和磁场,就能产生电磁波。( )
(4)电磁波在同种介质中只能沿直线传播。( )
√
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×
×
课堂·重难突破
一 正确理解麦克斯韦的电磁场理论
重难归纳
1.电磁场与静电场、静磁场的比较。
(1)三者可以在某空间混合存在,但由静电场和静磁场混合的空间不属于电磁场。电磁场是电场、磁场相互激发形成的统一体。
(2)变化的磁场周围产生电场,是一种普遍存在的现象,跟闭合电路是否存在无关。
(3)有单独存在的静电场,也有单独存在的静磁场,但没有静止的电磁场。
2.电场和磁场的变化关系。
特别提醒
变化的电场一定能产生磁场,但不一定能产生变化的磁场,如均匀变化的电场产生稳定的磁场;同理,变化的磁场也不一定产生变化的电场。
如图所示,磁体相对于闭合线圈上下运动时,闭合线圈中的自由电荷做定向移动,自由电荷受到什么力的作用 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
提示:磁体上、下运动时,导体中自由电荷定向移动,说明电荷受到电场力作用,即导体处在电场中。磁体的上、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。
典例剖析
【例1】 (多选)关于电磁场理论的叙述正确的是( )
A.变化的磁场周围一定存在着电场,与是否有闭合电路无关
B.周期性变化的磁场产生同频率的周期性变化的电场
C.变化的电场和变化的磁场相互关联,一定能形成一个统一的场,即电磁场
D.电场周围不一定存在磁场,磁场周围不一定存在电场
答案:ABD
解析:变化的磁场周围产生电场,当电场中有闭合回路时,回路中有电流,若无闭合回路电场仍然存在,选项A正确。若形成电磁场必须要有周期性变化的电场或磁场,选项B正确,C错误。电场(或磁场)周围不一定存在磁场(或电场),选项D正确。
特别提醒
对麦克斯韦电磁场理论中“变化”的理解
如何变化 电场 磁场
恒定 恒定的电场不产生磁场 恒定的磁场不产生电场
均匀
变化 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
非均匀
变化 非均匀变化的电场在周围空间产生变化的磁场 非均匀变化的磁场在周围空间产生变化的电场
周期性
变化 周期性变化的电场产生同频率周期性变化的磁场 周期性变化的磁场产生同频率周期性变化的电场
学以致用
1.下列关于电场与磁场的产生的理解正确的是( )
答案:C
解析:题中选项A、B所描述的磁场是稳定的,由麦克斯韦电磁场理论可知其周围空间不会产生电场,选项A、B错误。题中选项C描述的是周期性变化的磁场,它能产生同频率周期性变化的电场,且磁通量的变化率最大时电场强度最强,其相位差为 ,选项C正确。题中选项D所描述的是周期性变化的电场,在其周围空间产生周期性变化的磁场,其相位差应为 ,而不是π,选项D错误。
二 对电磁波的理解
重难归纳
1.电磁波的物质性。
(1)电磁波占有时间、空间。
(2)电磁波具有运动质量(静止质量为零)。
(3)电磁波具有能量。
2.电磁波的传播。
电磁场是物质,电磁波是物质传播的形式,是靠电和磁的相互“感应”而传播的,可以脱离电荷而独立存在。故其传播不需要介质,在真空中也能传播。
3.电磁波具有波的共性,能产生干涉、衍射等现象。电磁波与物质相互作用时,能发生反射、吸收、折射等现象。
4.电磁波的波速、波长与频率的关系:c=λf。
5.电磁波与机械波的比较。
比较项目 机械波 电磁波
不同点 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 由电磁振荡等激发
横波与纵波 可能是横波,也可能是纵波 横波
相同点 (1)可以发生反射、折射、干涉和衍射
(2)传递能量的一种方式
(3)满足v=λf
5G是指第五代通信技术,采用3 300~5 000 MHz频段的无线电波。第四代移动通信技术4G,其频段范围是1 880~2 635 MHz。5G网络的传输速率(指单位时间传送的数据量大小)可达10 Gbps(bps为bits per second的英文缩写,即比特率、比特/秒),是4G网络的50~100倍。思考下面问题:(1)4G信号和5G信号哪种更容易发生衍射现象 (2)4G信号和5G信号相遇能发生稳定干涉现象吗 (3)5G信号与4G信号在水中的传播速度哪种更大
提示:(1)4G信号频率低,波长长,更容易发生衍射现象。(2)两种不同频率的波不能发生稳定干涉。(3)同种介质中电磁波的传播速度与频率有关,频率越高,传播速度越小,在水中4G信号比5G信号传播速度大。
典例剖析
【例2】(多选)下列关于电磁波与声波的说法正确的是( )
A.电磁波是由电磁场发生的区域向远处传播,声波是声源的振动向远处传播
B.电磁波的传播不需要介质,声波的传播有时也不需要介质
C.由空气进入水中传播时,电磁波的传播速度变小,声波的传播速度变大
D.由空气进入水中传播时,电磁波的波长不变,声波的波长变小
答案:AC
解析:由电磁波和声波的概念可知选项A正确。电磁波可以在真空中传播,而声波属于机械波,它的传播需要介质,在真空中不能传播,故选项B错误。电磁波在空气中的传播速度近似等于真空中的速度,大于在水中的传播速度;声波在水中的传播速度大于在空气中的传播速度,故选项C正确。无论是电磁波还是声波,从一种介质进入另一种介质时频率都不变,所以由波长 及它们在不同介质中的传播速度可知,由空气进入水中时,电磁波的波长变短,声波的波长变长,故选项D错误。
特别提醒
电磁波与机械波的注意点: (1)电磁波与机械波的产生方式、传播途径、波的形成及波速等有显著不同。 (2)电磁波与机械波都是波,都具有波的特性。 (3)电磁波的特性与光相似,可类比光的特性进行理解。
学以致用
2.(多选)以下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,而且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:机械波由机械振动产生,电磁波由周期性变化的电场(或磁场)产生,选项A错误。机械波是质点振动的传播,传播需要介质,速度由介质决定;电磁波是物质波,传播不需要介质,电磁波的波速由介质和本身频率共同决定,选项B正确。机械波有横波,也有纵波,而电磁波一定是横波,选项C正确。机械波与电磁波都具有波的共性,选项D正确。
随 堂 训 练
1.(多选)根据麦克斯韦的电磁场理论,以下叙述正确的是( )
A.教室中开亮的日光灯周围空间必有磁场和电场
B.工作时打点计时器周围必有磁场和电场
C.稳定的电场产生稳定的磁场,稳定的磁场激发稳定的电场
D.电磁波在传播过程中,电场方向、磁场方向和传播方向三者互相垂直
答案:ABD
解析:教室中开亮的日光灯、工作时的打点计时器用的都是振荡电流,在其周围产生振荡磁场和电场,故选项A、B正确。稳定的电场不会产生磁场,故选项C错误。电磁波是横波,电场方向、磁场方向和传播方向相互垂直,故选项D正确。
2.(多选)关于电磁波与机械波,下列说法正确的是( )
A.电磁波传播不需要介质,机械波传播需要介质
B.电磁波在任何介质中传播速率都相同,机械波在同一种介质中传播速率都相同
C.电磁波和机械波都不能发生干涉
D.电磁波和机械波都能发生衍射
答案:AD
解析:电磁波传播不需要介质,电磁波的波速与介质和频率都有关,而机械波传播需要介质,机械波的传播速度只与介质有关,故选项A正确,B错误。电磁波和机械波都具有波的一些特征,包括干涉和衍射,故选项D正确,C错误。
3.(多选)关于电磁场、电磁波的认识,下列说法正确的是( )
A.电磁波的传播需要介质
B.电磁波从一种介质进入另一种介质,频率不变
C.电磁波传播的过程中也传递了能量
D.在电场周围一定产生磁场,磁场周围一定产生电场
答案:BC
解析:周期性变化的电场与磁场相互感应产生,并向外传播,从而形成电磁波,电磁波的传播不需要介质,选项A错误。只有变化的电场(磁场)才能产生磁场(电场),选项D错误。
4.一雷达站探测敌机时荧光屏上出现的记录图像如下图,A是雷达发射的电磁波的脉冲波形,B是敌机反射回来的脉冲波形,求敌机距雷达站的距离。
答案:4.5×105 m
解析:由题图知两波形相差3×10-3 s,即敌机与雷达站距离为s=vt=3×108× ×3×10-3 m=4.5×105 m。(共36张PPT)
3 无线电波的发射和接收
课前·基础认知
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素养·目标定位
目 标 素 养
1.能说出电磁波的发射、传播和接收的过程。知道无线电通信的基本原理。
2.能正确区分调制、调幅、调频、调谐、解调等概念。
3.能结合生活实际,说出无线电通信在生活中的应用。
知 识 概 览
课前·基础认知
一、无线电波的发射
1.要有效地发射电磁波,振荡电路必须具有两个特点:第一,要有足够高的振荡频率,频率越高,发射电磁波的本领越大。第二,振荡电路的电场和磁场必须分散到尽可能大的空间。
2.开放电路:实际应用中的开放电路,线圈的一端用导线与大地相连,这条导线叫作地线;线圈的另一端与高高地架在空中的天线相连。
3.无线电技术:用来携带信号的高频电磁波叫作载波,使载波随各种信号而改变的技术叫作调制。调制的方法有两种:一是调幅,使高频电磁波的振幅随信号的强弱而变;另一种叫调频,使高频电磁波的频率随信号的强弱而变。
微思考1 1895年,一位年轻的意大利人马可尼(公元1874—1937年)发明了无线电通信技术。从此,人们不必依赖电线,就可以在遥远的地方互通信息。电视台发射电视信号为什么要建高耸入云的发射塔呢
提示:电视信号要有效地发射出去,必须采用高频开放电路,电磁波的波长比较短,以直线传播为主,遇到障碍物会被阻挡,所以发射天线要架得高一些。
二、无线电波的接收
1.接收原理:电磁波在传播时如果遇到导体,会使导体中产生感应电流。
2.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,这种现象叫作电谐振。
3.调谐:使接收电路中产生电谐振的过程叫作调谐。
4.解调:把声音或图像信号从接收到的高频电流中还原出来,这个过程是调制的逆过程,叫作解调。调幅波的解调也叫
检波。
微判断(1)制作天线必须用导体。( )
(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)解调是调制的逆过程。( )
(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。( )
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×
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三、电视广播的发射和接收
1.电视:在现代电视发射系统中,首先通过摄像机的感光器件将景物的光信号转变为电信号。在电视接收端,接收到高频电磁波信号以后,经过解调处理,就可以将得到的电信号通过显示设备转变为图像信息。接收天线收到的电磁波除了载有图像信号外,还有伴音信号。伴音信号经解调后送到扬声器。
2.目前,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。
微思考2(1)电磁波的发射应该采用怎样的电路
(2)电视机是怎样接收电视信号的
(3)障碍物与雷达间距该如何确定
提示:(1)应该用开放电路。
(2)由电视天线接收电磁波,经调谐、解调后得出所需信号。
(3)障碍物与雷达间距为 ,其中t为发射无线电波到接收反射波的时间,c为光速。
课堂·重难突破
对无线电波的发射和接收过程的理解
重难归纳
1.无线电波的发射和接收过程。
(1)发射过程。
(2)接收过程。
2.“调幅”和“调频”的比较。
(1)两种调制的图示。
①调幅。
②调频。
(2)两种调制方式的应用。
①一般电台的中波、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。
(1)声音、图像等信号频率相对较低,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、图像信号加载到高频电磁波上的过程就是调制。
(2)将声音、图像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、电视台及各种无线电信号,如果不加选择全部接收下来,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出来,通常叫选台。在无线电技术中是利用电谐振达到该目的的。
(1)电谐振就是电磁振荡中的“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。
将两根铝管固定在感应圈的两极上,另两根铝管接微安表头并固定在绝缘手柄上,如图所示。
(1)接通感应圈电源,把手柄上两铝管平行靠近感应圈上的两铝管,你看到了什么现象 为什么
(2)当把感应圈两极上的铝管拆掉后,把手柄靠近感应圈有什么现象 为什么
提示:(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。
典例剖析
【例题】 (多选)为了有效地把能量以电磁波形式发射到尽可能大的空间,除了开放电路,还可以( )
A.增大电容器极板间的距离
B.减小电容器极板的面积
C.减小线圈的匝数
D.采用低频振荡电流
答案:ABC
特别提醒
LC振荡电路与开放电路耦合后,振荡电路中产生的高频振荡电流通过两个电路线圈间的互感作用,使开放电路中也产生同频率的振荡电流,振荡电流在开放电路中激发出无线电波,向四周发射。所以发射出电磁波的频率就等于LC振荡电路中电磁振荡的频率。
学以致用
(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,电路必须是闭合的
B.音频电流的频率比较低,不能直接用来发射电磁波
C.当接收电路的固有频率与收到的电磁波的频率相同时,接收电路产生的振荡电流最强
D.要使电视机的屏幕上有图像,必须要有解调过程
答案:BCD
解析:有效发射电磁波,必须采用开放电路和高频发射,选项A错误。一般的音频电流的频率较低,不能直接用来发射电磁波,选项B正确。电磁波接收原理是一种叫电谐振的现象,与机械振动中的共振有些相似,选项C正确。电视机显示图像时,必须通过解调过程,把有效的信号从高频调制信号中取出来,否则就不能显示,选项D正确。
特别提醒
无线电波的发射和接收过程
随 堂 训 练
1.在电磁信号传输过程中,把传输的电信号加载在高频等幅电磁波上的过程叫作( )
A.调制 B.调频
C.调幅 D.调谐
答案:A
解析:把电信号加载在高频等幅电磁波上的过程叫作调制,调制分为调幅和调频两种方式,选项A正确。
2.(多选)关于电磁波的接收,下列说法正确的是( )
A.当处于电谐振时,所有的电磁波仍能在接收电路中产生感应电流
B.当处于电谐振时,只有被接收的电磁波才能在接收电路中产生感应电流
C.由调谐电路接收的感应电流,再经过耳机就可以听到声音了
D.由调谐电路接收的感应电流,再经过解调、放大,通过耳机才可以听到声音
答案:AD
解析:当处于电谐振时,所有的电磁波仍能在接收电路中产生感应电流,只不过频率跟调谐电路固有频率相等的电磁波,在接收电路中激发的感应电流最强,选项A正确,B错误。由调谐电路接收的感应电流,要再经过解调(也就是调制的逆过程)、放大,通过耳机才可以听到声音,选项C错误,D正确。
3.关于电视接收的原理,下列说法正确的是( )
A.电视接收天线接收到的电磁波中包括图像信号和伴音信号
B.电视接收天线接收到电磁波,天线上并不产生感应电流
C.电视机接收到电磁波,通过显示器显示电视节目的伴音信号
D.电视机接收到电磁波,直接经扬声器得到电视节目的伴音信号
答案:A
解析:电视信号中有图像信号和伴音信号,即电视接收天线接收到的电磁波中包括图像信号和伴音信号,选项A正确。电视接收天线收到电磁波,引起电磁感应,天线上产生感应电流,选项B错误。电视机接收到电磁波,然后经过解调还原出图像信号,通过显示器显示电视节目的图像信号,选项C错误。电视机接收到电磁波,通过电谐振得到需要的信号,然后经过解调还原出伴音信号,再经过功率放大器,最后通过扬声器得到电视节目的伴音信号,选项D错误。
4.雷达向远处发射无线电波,每次发射的时间是1 μs,两次发射的时间间隔为100 μs,在指示器的荧光屏上呈现出的尖形波如图所示,已知图中lab=lbc,障碍物与雷达之间的距离是多大
答案:7.5×103 m
解析:题图中a和c处的尖形波是雷达向目标发射无线电波时出现的,b处的尖形波是雷达收到障碍物反射回来的无线电波时出现的。
由lab=lbc可知,无线电波由发射到返回所用时间为50 μs。
设障碍物与雷达之间的距离为x,由题意可知无线电波来回时间为t=50 μs,(共49张PPT)
4 电磁波谱
课前·基础认知
课堂·重难突破
素养·目标定位
随 堂 训 练
素养·目标定位
目 标 素 养
1.知道什么是电磁波谱,知道电磁波谱中不同波长范围的电磁波。
2.了解不同波长范围的电磁波的特性以及应用。
3.了解科技对人类生活和社会发展的影响,增强学习兴趣和责任意识。
知 识 概 览
课前·基础认知
一、无线电波
1.电磁波谱: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。按照波长从长到短依次排列为无线电波、
红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线。不同的电磁波具有不同的波长(频率),具有不同的特性。
2.无线电波。
(1)概念:技术上把波长大于1 mm(频率低于300 GHz)的电磁波称作无线电波。
(2)无线电波的分类与应用。
①长波和中波主要应用于广播、导航。
②中短波和短波主要应用于调幅广播、导航。
③微波中的米波主要应用于调频广播、电视、导航。微波中的分米波、厘米波和毫米波主要应用于电视、雷达、移动通信、导航、射电天文。
微思考1人们的现代生活越来越离不开电磁波,我国自主建立的北斗卫星导航系统所使用的电磁波频率约为1 561 MHz;家用微波炉所使用的电磁波频率约为2 450 MHz;家用Wi-Fi所使用的电磁波频率约为5 725 MHz。请思考:(1)电磁波能发生偏振现象吗 (2)Wi-Fi信号与北斗导航信号叠加时,能产生明显的干涉现象吗 (3)Wi-Fi信号与微波哪种更容易发生衍射
提示:(1)电磁波是横波,可以发生偏振现象。(2)只有频率相同的两列波叠加时,才会发生稳定的干涉现象,Wi-Fi信号与北斗导航信号频率不同,所以叠加时,不能产生明显的干涉现象。(3)根据 可知,频率越大,波长越短,衍射现象越不明显,家用微波炉所使用的电磁波比Wi-Fi信号频率小、波长长,更容易发生明显的衍射。
二、红外线、可见光和紫外线
1.红外线: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。主要应用于加热、红外摄影等。
2.可见光:可见光的波长为400~760 nm。分为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种颜色。
3.紫外线:波长范围为5~370 nm。紫外线具有较高的能量,可以利用紫外线灭菌消毒;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。
微思考2红外体温计不用与人体接触便可以迅速测量体温,如图所示,你知道它的工作原理吗
提示:根据体温越高辐射红外线越强的原理。
三、X射线和γ射线
1.X射线:X射线具有很强的穿透本领,可以用来检查人体的内部器官;在工业上,利用X射线检查金属构件内部的缺陷。
2.γ射线:具有很高的能量,应用在医学上可以用来治疗某些
癌症。γ射线的穿透能力很强,也可用于探测金属构件内部的缺陷。
3.电磁波传递能量:电磁波传递能量,电磁波是一种物质。
微思考3 在电磁波中由红外线到γ射线,频率最大的是什么射线 波长最长的是什么射线
提示:γ射线的频率最大,红外线的波长最长。
课堂·重难突破
一 电磁波的共性和无线电波的传播、应用
重难归纳
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v=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.电磁波谱及介绍。
无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线合起来便构成了范围非常广阔的电磁波谱。如图所示电磁波谱是按波长由大到小(频率由小到大)顺序排列的。
电磁波谱
3.无线电波的分类。
(1)无线电波可分为若干波段,不同波段用途不同。无线电波的波段划分如下表所示。
波段 波长/m 传播方式 主要用途
长波 30 000~3 000 地波 广播、导航
中波 3 000~200 地波和天波
中短波 200~50 天波 调幅(AM)广播、导航
短波 50~10
微
波 米波(VHF) 10~1 近似直线传播 调频(FM)广播、电视、导航
分米波(UHF) 1~0.1 直线传播 电视、雷达、移动通信、
导航、射电天文
厘米波 0.1~0.01
毫米波 0.01~0.001
(2)无线电波的传播方式。
不同波长的电磁波在地球表面、大气层中传播时,衍射和被吸收的情况不同,在传播方式上也各不相同。
①地波传播:地面上的障碍物一般不是太大,长波能很好地绕过,容易发生衍射现象,中波也能较好地绕过,短波和微波波长较短,绕过障碍物本领很差。
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天波,对于微波,电离层能让它穿过;对于长波,电离层基本把它吸收;对于中波、中短波和短波,波长越短,电离层对它吸收越少,反射越多,因此短波主要以天波形式传播。
③直线传播:微波既不能以地波形式传播(易被吸收),也不能以天波形式传播(穿透电离层),只能像光一样沿直线传播。
为什么超远程无线电利用无线电波中的长波波段,而雷达利用微波波段
提示:根据波的衍射特性,波长越长,越容易绕过障碍物,所以远程无线电利用长波波段。微波波长短,传播时直线性好,雷达正是利用了微波直线传播性好的特点。
典例剖析
【例1】 5G是“第五代移动通信网络”的简称,5G网络使用的无线电波通信频率是在3.0 GHz以上的超高频段和极高频段(如图所示),比4G及以下网络(通信频率在0.3~3.0 GHz间的特高频段)拥有更大的带宽和更快的传输速率(指单位时间传送的数据量大小)。5G网络的传输速率可达10 Gbps(bps为bits per second的英文缩写,即比特率、比特/秒),是4G网络的50~100倍。关于5G网络使用的无线电波,下列说法正确的是
( )
A.在真空中的传播速度更快
B.在真空中的波长更长
C.衍射的本领更强
D.频率更高,相同时间传递的信息量更大
答案:D
解析:无线电波(电磁波)在真空中的传播速度与光速相同,保持不变,其速度与频率没有关系,选项A错误。由公式c=λf可知,
,频率变大,波长变短,衍射本领变弱,选项B、C错误。无线电波(电磁波)频率越高,周期越小,相同时间内可承载的信息量越大,选项D正确。
特别提醒
对于电磁波谱的问题: (1)记住电磁波谱中不同的电磁波(如红外线、紫外线、X射线、γ射线)的特点和应用。 (2)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。
学以致用
1.关于雷达的特点,下列说法正确的是( )
A.雷达所用无线电波的波长比短波更长
B.雷达只有连续发射无线电波,才能发现目标
C.雷达的显示屏上可以直接读出障碍物的距离
D.雷达在能见度低的黑夜将无法使用
答案:C
解析:雷达一般采用直线性好、反射性强的微波,选项A、D错误。雷达工作时不是连续地发射无线电波,每次发射的时间及两次发射的时间间隔都有一定要求,选项B错误。障碍物的距离等情况都由显示屏显示出来,选项C正确。
二 红外线、可见光、紫外线
重难归纳
1.红外线。
(1)红外线是一种光波,它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。肉眼看不见红外线,但能够感受它。寒冷的冬天,当你在炉旁烤火时,你的皮肤正在享受红外线带来的温暖。
(2)红外线主要有以下应用。
①人体在发射红外线,体温越高,发射的红外线越强。根据这个原理,红外体温计不与身体接触也可以测体温。
②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。
③用灵敏的红外探测器吸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。红外遥感在军事上的应用也十分重要。
④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”。
2.可见光。
(1)可见光的波长在400 nm到760 nm之间,不同颜色的光是波长(频率)范围不同的电磁波。
分类 红 橙 黄 绿 青 蓝 紫
真空中的波长λ/nm 760~
630 630~
600 600~
570 570~
500 500~
450 450~
430 430~
400
(2)天空看起来是蓝色的,是由于波长较短的光比波长较长的光更容易被散射。傍晚的阳光比较红,是由于大气对波长较短的蓝光、紫光比波长较长的红光、橙光吸收较强的缘故。
3.紫外线。
(1)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。太阳光里有许多紫外线,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。但过强的紫外线会伤害眼睛和皮肤。
(2)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。
有一种全自动感应水龙头,手一伸水自来,手一收水自停。这种水龙头的工作原理是什么
提示:水龙头的感应器由红外线发射管和接收管组成,当受到物体遮挡时,发射管发射的红外线被反射到接收管,触发水龙头电磁阀控制电路,水龙头打开,手挪开,接收管接收不到红外线,水龙头关闭。
典例剖析
【例2】 (多选)下列对红外线的叙述正确的是( )
A.红外线具有很强的热效应和荧光效应
B.红外烤箱中的红光就是红外线
C.红外线容易穿透云雾
D.红外线比可见光更容易引起固体物质分子共振
答案:CD
解析:红外线具有很强的热效应,而荧光效应是紫外线的重要特性,选项A错误。红外线是看不见的,选项B错误。红外线波长比可见光长,绕过障碍物能力强,易穿透云雾,选项C正确。红外线的频率比可见光的频率更接近固体物质分子的频率,也就更容易使分子发生共振,选项D正确。
特别提醒
本题根据红外线产生的条件和特性进行答题。红外线最显著的作用是热作用;红外线的波长比红光长,容易产生衍射现象。
学以致用
2.验钞机发出的光能使钞票上的荧光物质发光,电视机、空调的遥控器发出的光能控制电视机、空调的工作状态。对于它们发出的光,以下判断正确的是( )
A.它们发出的都是红外线
B.它们发出的都是紫外线
C.验钞机发出的是红外线,遥控器发出的是紫外线
D.验钞机发出的是紫外线,遥控器发出的是红外线
答案:D
解析:紫外线有较强的荧光作用,能使荧光物质发出荧光,故验钞机发出的是紫外线;红外线波长较长,容易发生衍射,故能很方便地遥控家用电器。故选项D正确。
三 X射线、γ射线
重难归纳
1.X射线。
(1)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X射线辐射会引起生物体的病变。X射线能够穿透物质,可以用来检查人体内部器官。在工业上,利用X射线检查金属构件内部的缺陷。机场、车站等地进行安全检查时,X射线能轻而易举地探测箱内的物品。
(2)“CT”是“计算机辅助X射线断层摄影”的简称。X射线以不同角度照射人体,计算机对其投影进行分析,给出类似于生理切片一样的人体组织照片。医生可以从中看出人体是否发生了病变。
2.γ射线。
波长最短的电磁辐射是γ射线,它具有很高的能量。γ射线能破坏生命物质。把这个特点应用在医学上,可以摧毁病变的细胞,用来治疗某些癌症。γ射线的穿透能力很强,可用于探测金属构件内部的缺陷。
电磁波在我们日常生活中的应用相当广泛,请你列举出下列电磁波的应用实例:无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线和γ射线。
提示:无线电波:收音机;红外线:电烤箱;可见光:人们看到的五彩缤纷的世界;紫外线:紫外线消毒灯;X射线:X光透视机;γ射线:γ射线探伤。
典例剖析
【例3】关于电磁波的特性和应用,下列说法正确的是( )
A.红外线和X射线都有很高的穿透本领,常用于医学上透视人体
B.过强的紫外线照射有利于人的皮肤健康
C.电磁波谱中频率最大的为γ射线,最容易发生衍射现象
D.紫外线和X射线都可以使感光底片感光
答案:D
解析:X射线有很高的穿透本领,常用于医学上透视人体,红外线没有,选项A错误。过强的紫外线照射对人的皮肤有害,选项B错误。电磁波谱中频率最大的为γ射线,其波长最短,最不容易发生衍射现象,选项C错误。
特别提醒
电磁波谱相关问题解题方法: (1)熟记各种电磁波的特性及应用。 (2)按电磁波谱的排列顺序,波长越长,频率越低,衍射能力越强,穿透能力越弱;波长越短,频率越高,衍射能力越弱,穿透能力越强。
学以致用
3.在电磁波谱中,红外线、可见光和伦琴射线(X射线)三个波段的频率大小关系是( )
A.红外线的频率最大,可见光的频率最小
B.伦琴射线的频率最大,红外线的频率最小
C.可见光的频率最大,红外线的频率最小
D.伦琴射线的频率最大,可见光的频率最小
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)按照频率从大到小的排列顺序是伦琴射线(X射线)、可见光、红外线。
随 堂 训 练
1.关于生活中遇到的各种波,下列说法正确的是( )
A.电磁波可以传递信息,声波不能传递信息
B.手机在通话时涉及的波既有电磁波又有声波
C.太阳光中的可见光和医院“B超”中的超声波传播速度相同
D.遥控器发出的红外线波长和医院“CT”中的X射线波长相同
答案:B
解析:声波、电磁波都能传递能量和信息,选项A错误。在手机通话过程中,既涉及电磁波又涉及声波,选项B正确。可见光属于电磁波,“B超”中的超声波是声波,波速不同,选项C错误。红外线波长较X射线波长长,选项D错误。
2.太阳风暴袭击地球时,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.紫外线 D.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,从而有效地对地球上的动植物起保护作用。作为人类,保护臭氧层就是保护我们自己。选项C正确。
3.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,即使混在车队中离开,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.红外波段
C.紫外波段 D.X射线波段
答案:B
解析:所有的物体都能发出红外线,热的物体的红外线辐射比冷的物体的强,间谍卫星上装的遥感照相机,实际上是红外线探测器,它能在较冷的背景上探测出较热物体的红外线辐射,这是红外线摄影的基础。再者,红外线波长比其他波(如可见光、紫外线、X射线)的波长长,有较好的穿透云雾的能力,选项B正确。而其他选项的光不具备以上特点,选项A、C、D错误。
4.红外遥感卫星通过接收地面物体发出的红外辐射来探测地面物体的状况。地球大气中的水汽(H2O)、二氧化碳(CO2)能强烈吸收某些波长范围的红外辐射,即地面物体发出的某些波长的电磁波,只有一部分能够通过大气层被遥感卫星接收。下图为水和二氧化碳对某一波段不同波长电磁波的吸收情况,由图可知,在该波段红外遥感卫星大致能够接收到的波长范围为多少
答案:8~13 μm
解析:由题图可知,8~13 μm波段的红外线,水和二氧化碳几乎均不吸收。(共2张PPT)
章末知识体系构建
周期性
变化的磁场
变化的电场
麦克斯韦
电磁场
光速
调制
解调
红外线
可见光
紫外线
X射线
γ射线
LC振荡电路产生①
变化的振荡电流
电磁振荡
LC振荡电路的周期和频率：T=2元√LC,f=
T
2πLC
②
产生电场
麦克斯韦电磁场理论
③
产生磁场
电磁场与
④
预言了电磁波，提出了光的电磁说
电磁波
电磁场：变化的电场和变化的磁场不可分割
电磁波
电磁波：⑤
由近及远向外传播
电磁波的传播速度等于⑥
,证明了
电磁振荡
赫兹实验
电磁波的存在
电磁波
电磁波的干涉、偏振、衍射等
特点：横波
无线电波
采用高频率和开放电路
的发射和
发射
接收
⑦
：调幅和调频
调谐：电谐振
接收
⑧
(检波
)
定义：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
电磁波谱
包括：无线电波、⑨
⑩
①
、
12
和①③
各种电磁波的特性及应用
