3.2、3.3 电磁波的发射、传播和接收 电磁波的应用及防护 教案

第2节电磁波的发射、传播和接收
第3节电磁波的应用及防护
(教师用书独具)
●课标要求
知识与技能
1.知道具有什么特点的电磁振荡电路有利于向外发射电磁波．知道开放电路.
2.了解什么是调制和为什么要调制.
3.知道无线电波传送的3种主要方式：天波，地波和空间波知道它们各自的主要特点和适应的波段4.知道无线电波的原理．知道什么是电谐振，什么是调谐和检波.
5.了解电磁波谱，知道可见光是一定频率范围的电磁波.
6.知道红外线、紫外线、x射线等不同频率的电磁波的特点，了解一些无线电波以及红外线，紫外线的应用.
7.了解电磁污染及防护常识
过程与方法
1.尝试运用物理原理和研究方法解决一些与生产和生活相关的实际问题.
2.具有一定的质疑能力，信息收集和处理能力、分析、解决问题能力和交流、合作能力.
情感态度与价值观
1.通过了解移动通信的原理以及当地移动通信的发展情况，体会物理学对经济、社会发展的贡献.
2.关心国内、外科技发展现状与趋势，有振兴中华的使命感与责任感，有将科学服务于人类的意识.
●课标解读
1．知道什么样的振荡电路有利于向外发射电磁波，知道开放电路．
2．了解无线电波的发射过程及其三种主要传播方式：天波、地波和空间波，知道其主要特点及适用于什么波段．
3．了解调制及其目的．
4．了解无线电波的接收原理，知道什么是电谐振．
5．知道什么是调谐和检波．
6．知道电磁波谱及其各组成部分．
7．知道无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线的主要作用．
8．知道电磁波的应用、电磁污染及防护．
●教学地位
本节内容是前节内容的延伸，与人类生活有着密切的联系，通过介绍电磁波的发射、传播和接收，使学生对电磁波有一个整体的认识．通过介绍电磁波谱以及不同频率电磁波的特点，使学生明白光是电磁波．通过电磁波的应用以及电磁污染的防护的介绍，可以开阔学生视野，提高学习物理的兴趣，培养学生关心科技发展的意识．
(教师用书独具)
●新课导入建设
向同学们展示已准备好的收音机、手机、对讲机．其中，通过对讲机和手机，我们可以把自己的声音传到对方，也可以听到对方的声音．这两个设备是以什么样的形式来传递和接收声音呢？今天，我们就一块来学习电磁波的发射、传播和接收．
课　标　解　读
重　点　难　点
1.了解电磁波的发射、传播和接收的基本原理．知道调制、调谐、电谐振、解调(检波)等概念的意义及区别.
2.了解无线电波的三种主要传播途径及其特点.
3.知道电磁波谱及其组成部分的特点和应用，知道光是电磁波.
4.了解电磁波的应用及对其危害的防护措施．
1.电磁波的发射、传播和接收．(重点)
2.电磁波谱和红外线、紫外线、X射线等不同频率电磁波的特点及应用．(重点)
3.理解电磁波的发射、传播和接收．(难点)
4.正确理解调制、调谐、解调、电谐振等概念．(难点)
电磁波的发射、传播、接收
1.基本知识
(1)电磁波的发射
①有效发射条件
a．振荡频率足够高．
b．电场、磁场尽可能分布到较大的空间．
②开放电路
为了满足发射条件，可以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直导线，一条伸入高空成为天线，另一条接入地下成为地线．
(2)电磁波的传播
①无线电波通常有三种传播途径：地波、天波和空间波．
②地波：沿地球表面空间传播的无线电波．在无线电技术中，通常采用地波的形式传播长波、中波和中短波．
③天波：靠大气层中电离层的反射传播的无线电波．短波最适合采用天波的形式传播．
④空间波：像光束那样沿直线传播的无线电波．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．
(3)电磁波的接收
①电谐振现象
当接收电路的固有频率跟收到的电磁波的频率相同时，接收电路中产生电流最强的现象．与机械振动中的共振现象类似．
②调谐
在无线电技术中，对空间存在的各种频率电磁波，需要选择某一特定的频率接收的过程．
③调谐电路
能够调谐的接收电路．
调节调谐电路可调电容或电感，改变电路的固有频率，使它与要接收的电台的电磁波的频率相同，这个电磁波在调谐电路里激起的电流最强．
2．思考判断
(1)电磁波波长较长的波绕过障碍物的能力强．(√)
(2)电磁波波长较长的波贯穿障碍物的能力强．(×)
(3)电磁波波长较短的波能量大，穿透能力强．(√)
3．探究交流
收音机中的调谐电路是一种LC电路，你知道它是通过哪个量来选台的吗？
【提示】　收音机中的LC调谐电路是由电感线圈和可变电容器组成的，通过调节可变电容器的电容，改变LC电路的固有频率，使得当它的固有频率与某一电磁波的频率相同时，产生电谐振，从而把该频率的电磁波接收下来．
电磁波的应用及防护
1.基本知识
(1)电磁波谱
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，把这些电磁波按波长或频率顺序排列起来，就构成了电磁波谱．电磁波谱中的各种波有一定的波长范围，它们都具有反射、折射、衍射和干涉的特性；它们在真空中的传播速度均等于光速．
(2)电磁波的应用
①红外线和紫外线的应用
a．红外线：具有明显的热效应．利用红外线的这种效应，制成了红外线烤箱、红外线炉等；利用红外线还可制成夜视仪、遥感器等．
b．紫外线：紫外线能使很多物质发出荧光，很容易让底片感光．当紫外线照射人体时，能使人体合成维生素D，可以预防佝偻病，但过量的紫外线会伤害人体，应注意防护．紫外线还具有杀菌作用，医院里的病房利用紫外线消毒；银行利用紫外线灯鉴别钞票的真伪．
②无线电波的应用
a．雷达
①雷达的概念：是一种用来检测飞行器、船只等远距离物体位置的系统．
②雷达的工作原理
电磁波遇到障碍物会被反射，根据信号的返回时间和方向，判断物体的方位．
③雷达的用途
探测目标、导航、预报天气、绘制地图等．
b．移动电话
①功能：使用户接收到通话对方送来的信息，并能发送自己的信息．
②特点：需通过无线基站转接实现自由通话．
(3)电磁污染及防护
①电磁污染又称电磁波污染或射频辐射污染．研究发现，电磁辐射会危害人体健康，波长越短，危害越突出，过量的电磁波辐射对心脏、血液和眼睛等都有很大的危害．
②电磁波污染的防治从物理学角度看，可以从电磁波源、电磁波的传播途径以及受辐射的人这三个方面进行防护．
2．思考判断
(1)可见光是整个电磁波谱中极狭窄的一段，其中红光波长最长．(√)
(2)红外线属于可见光．(×)
(3)紫外线有明显的热效应．(×)
3．探究交流
雷达为什么利用微波而不利用长波、中波？
【提示】　雷达是利用电磁波的反射来判断物体方位的，微波的波长很短，反射能力强，而长波、中波的波长长，衍射能力强，而反射能力差．
电磁波是如何发射的
【问题导思】　
1．什么是开放电路？
2．什么是调制？
3．无线电波是如何发射的？
1．无线电波发射的开放电路
(1)有效发射电磁波的条件．
①高频电路：理论研究证明了发射电磁波的功率与振荡频率的4次方成正比．频率越高，发射电磁波的本领越大．
②开放电路：振荡电路的电场和磁场必须分散到尽可能大的空间，这样才能有效地把能量辐射出去．
(2)实际应用中的开放电路是由天线与地线和匝数很少的线圈组成的，对应的L、C都很小，以满足电磁波频率高的条件．
如图3－2－1所示，甲→乙→丙电路的开放程度依次增大．
由闭合电路变成开放电路示意图
图3－2－1
如图3－2－2为实验常采用的开放电路．
开放电路
图3－2－2
2．无线电波的调制
(1)调制：在电磁波的发射过程中，使电磁波随各种信号而改变的技术．
(2)调制的分类．
①调幅：使电磁波的振幅随信号改变，频率始终保持不变，如图3－2－3所示．
调幅的作用
图3－2－3
甲：声音信号的波形；乙：高频等幅振荡电流的波形；丙：经过调幅的变频振荡电流的波形．
②调频：使电磁波的频率随信号而改变．如图3－2－4所示．
调频的作用
图3－2－4
甲：声音信号的波形；乙：高频等幅振荡电流的波形；丙：经过调频的高频振荡电流的波形．
3．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．
　下列关于无线电广播要对电磁波进行调制的原因说法正确的是(　　)
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时波长才能不变
D．经过调制后的高频电磁波才能把我们要告知对方的信号传递过去
【审题指导】　解答本题应注意以下两点：
(1)调制就是把要传递的电信号“加载”到高频电磁波上再发射出去．
(2)电磁波的传播速度与调制无关．
【解析】　声音信号的频率很低，衰减快，不能直接发射，高频电磁波衰减慢、辐射能力强，适合发射，A、C错，D对．经过调制后的电磁波在空间传播的速度不变，故B错．
【答案】　D
1．(多选)要提高LC振荡电路辐射电磁波的本领，应采取的措施是(　　)
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分布开
D．增加回路中的电容和电感
【解析】　根据f＝可知，当极板间距增大时，C变小，f增大，A正确；电场和磁场尽可能分布在较大空间，才能更多的辐射能量，从而提高辐射电磁波的本领．
【答案】　AC
各种电磁波的特点及应用对比
【问题导思】　
1．电磁波按频率(波长)如何排序？
2．各种电磁波的特点如何？
电磁波谱
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
真空中波长
由左向右，波长变化为：由大到小
特性
波动性强
热效应
感光性强
消毒，荧光效应
穿透力大
穿透力最强
用途
通讯、广播、移动电话
加热、遥测、遥感、红外摄像、红外制导
照明、照相等
日光灯、杀菌消毒、治疗皮肤病等　
检查、探测、透视、治疗
探测治疗
1．不同频率的电磁波在真空或空气中的传播速度相同，而在同一介质中的传播速度并不相同．
2．X射线与γ射线都具有穿透能力，但γ射线的穿透能力最强．X射线能穿过人体，通常做人体透视；而γ射线可以穿过几厘米厚的铅板，可以做探测金属砂眼的射线．
　(多选)(2013·清镇检测)在电磁波谱大家族中，可见光谱的红光外侧是红外线，它不能引起人的视觉，是不可见光，下面关于红外线的说法正确的是(　　)
A．红外烤箱中的红光就是红外线
B．红外线比可见光更容易发生衍射
C．高温物体辐射红外线，低温物体不辐射红外线
D．红外线比可见光更容易引起固体物质分子共振
【解析】　红外线是看不见的，所以烤箱中的红光不是红外线；红外线比可见光的波长长，更容易发生衍射；一切物体(包括高温物体和低温物体)都在辐射红外线，只是物体温度越高，它辐射的红外线就越强；红外线的频率比可见光更接近固体物质分子的频率，也就更容易使分子发生共振，因而红外线热作用显著．
【答案】　BD
1．对电磁波谱要熟记其排列顺序，对不同的电磁波波段范围要有大致了解，要“心中有谱”．
2．对不同的电磁波的用途如无线电波、红外线、紫外线、X射线，γ射线要了解．
2．(多选)关于紫外线的作用和性质，下列说法正确的是(　　)
A．一切物体都在不停地辐射紫外线
B．紫外线能杀菌消毒是因为紫外线具有较高的能量，可以穿透细胞膜
C．紫外线具有较强的穿透能力，可以穿透人的皮肤，破坏内脏器官
D．紫外线具有荧光作用
【解析】　并不是一切物体都不停地辐射紫外线，所以A错误；紫外线穿透能力较强，可以穿透细胞膜，具有杀菌消毒作用，但并不能穿透人的皮肤破坏内脏器官，所以B正确，C错误；紫外线具有荧光作用，所以D正确．
【答案】　BD
综合解题方略——雷达应用
甲　　　乙
图3－2－5
　某一战斗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3－2－5甲所示，t＝173
s后雷达向正上方发射和接收的波形如图乙所示，雷达监视相邻刻线间表示的时间间隔为10－4
s，电磁波的传播速度为c＝3×108
m/s，则该战斗机的飞行速度大约为多少？
【审题指导】　解答本题按以下思路进行：
→→→→
【规范解答】　由题意知荧光屏相邻刻线间的时间间隔t0＝10－4
s，甲图发射波和接收波的时间间隔t1＝4×10－4
s，乙图时间间隔t2＝1×10－4
s，所以第一次飞机位置距雷达的距离为s1＝c·＝6.0×104
m，第二次飞机在雷达正上方，所以飞机高度h＝c·＝1.5×104
m，所以173
s内飞机飞行的水平距离为s＝eq
\r(s－h2)＝5.8×104
m，所以v＝＝335
m/s.
【答案】　335
m/s
雷达的原理
雷达是利用无线电波来判定物体位置的无线电设备，利用的电磁波在微波波段，因为微波的波长短，传播的直线性好，方向性好，反射性强．它每隔万分之一秒向某一方向发射一次时间约为百万分之一秒的不连续的微波，微波遇到障碍物反射回来，这样可在显示器的荧光屏上呈现发射和接收到的两个尖形波，通过计算可得到障碍物到雷达站的距离，再根据发射微波的方向和仰角，便可判定障碍物的位置了．
【备课资源】(教师用书独具)
1．什么叫做AM和FM
无线电波和一切波动一样，可以传送能量．但在无线电广播及通信中，无线电波不仅要有传送能量的作用，而且其能量要随着信号而变化．把信号交给电波传送，就要把原来呆板不变的电波加以改变，这种过程叫做调制．传送能量而未经调制的电波，叫做载波．
常见的调制方式有两种：一种是使载波随着信号而改变其振幅，这种调制方式叫做调幅，简称AM；另一种是使载波随着信号而改变其频率，叫做调频，简称FM.
AM是用中波广播(波长范围100～1
000
m)．而FM则用超短波广播(波长范围1～10
m)．用FM广播可以提高声音的品质，避免杂音的影响(因许多杂音在形式上与AM相似)，且频率范围较广阔，故立体声广播采用FM.
2．当汽车过隧道时，收音机还能收音吗
无线电波是某一段波长范围内的电磁波，电磁波就是变化的电场和磁场以波动的形式而传播的能量．
电磁波不能进入导体，这是因为导体会感应出一个相反的电磁场，和原有的电磁波相抵消．
隧道穿山而过，山是庞大的导体，而建筑隧道的钢筋结构，像个导体网，故无线电波不能进入普通的隧道中，故汽车过一般隧道时，收音机就不能收音．
但是，有些隧道设有内部发射天线，汽车驶过这些隧道时就可以收音．
3．为什么收音机接收不到电视的伴音
电视是采用FM方式广播．若收音机以AM接收，就不会有反应．若收音机以FM接收，是不是就一定能接收到电视的伴音呢？
这要由收音机所能接收的频率范围而定．请你看看收音机调制板上的频率范围就可知道．通常所用的FM收音机所接收的频率范围约为87～108
MHz(兆赫)，但电视广播的频率范围则为470～790
MHz.除非特意改变线路，否则，收音机收不到电视的伴音．
1．(多选)(2013·济南高二检测)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．使高频振荡信号的振幅随发射的信号而改变叫调幅
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
【答案】　BD
2．(多选)一台最简单的收音机，除了接收天线和扬声器外，至少还必须具备下列哪几个单元电路(　　)
A．调谐电路　　　　　　
B．调制电路
C．振荡电路
D．检波电路
【解析】　最简单的收音机应有调谐和检波．
【答案】　AD
3．(多选)下列关于无线电波的叙述中，正确的是(　　)
A．无线电波是波长从几十千米到几毫米的电磁波
B．无线电波在任何介质中传播速度均为3.00×108
m/s
C．无线电波不能产生干涉和衍射现象
D．无线电波由真空进入介质传播时，波长变短
【解析】　f不变，v变小，λ变短．
【答案】　AD
4．下列各组电磁波，按波长由长到短的正确排列是(　　)
A．γ射线、红外线、紫外线、可见光
B．红外线、可见光、紫外线、γ射线
C．可见光、红外线、紫外线、γ射线
D．紫外线、可见光、红外线、γ射线
【解析】　在电磁波谱中，电磁波的波长从长到短排列顺序依次是：无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线，由此可判定B正确．
【答案】　B
5．(多选)下列能说明电磁波具有能量的依据是(　　)
A．可见光射入人的眼睛，人看到物体
B．放在红外线区域的温度计升温很快
C．收音机调到某个台时，调谐电路发生电谐振
D．γ射线具有很强的贯穿能力
【解析】　A项，人眼看到物体，说明人眼感受到可见光的能量；B项，红外线具有热作用，说明红外线具有能量；C项，电谐振在调谐电路中的感应电流的能量来源于空中的无线电波；D项，γ射线的贯穿能力说明γ射线具有很高的能量．
【答案】　ABCD
1．(多选)在电磁波谱中，下列说法正确的是(　　)
A．各种电磁波有明显的频率和波长区域界限
B．γ射线的频率一定大于X射线的频率
C．X射线的波长有可能等于紫外线的波长
D．可见光波长一定比无线电波的短
【解析】　X射线和γ射线，X射线与紫外线的界限并不明显．
【答案】　CD
2．下列说法错误的是(　　)
A．发射出去的电磁波，可以传到无限远处
B．无线电波遇到导体，就可以在导体中激起同频率的振荡电流
C．波长越短的电磁波，越接近直线传播
D．移动电话是利用无线电波进行通讯的
【解析】　无线电波在传播过程中，遇到障碍物就被吸收一部分，遇到导体，会在导体内产生涡流(同频率的振荡电流)，故B对A错；波长越短，传播方式越接近光的直线传播，移动电话发射或接收的电磁波属于无线电波的高频段，C、D正确．
【答案】　A
3．电视机的室外天线能把电信号接收下来，是因为(　　)
A．天线处于变化的电磁场中，天线中产生感应电流，相当于电源，通过馈线输送给LC电路
B．天线只处于变化的电场中，天线中产生感应电流，相当于电源，通过馈线输送给LC电路
C．天线只是有选择地接收某电台信号，而其他电视台信号则不接收
D．天线将电磁波传输到电视机内
【解析】　室外天线处于空间变化的电磁场中，天线中产生了感应电流，此电流通过馈线输送给LC电路，此电流中空间各电台信号激起的电流均存在，但只有频率与调谐电路频率相等的电信号对应电流最强，然后再通过解调处理输入后面电路，故A正确，B、C、D均错误．
【答案】　A
4．(2013·漳州高二检测)下列说法中正确的是(　　)
①夏天太阳光把地面晒得发热是因为可见光的热效应在各种电磁波中是最弱的　②医院里用X射线进行人体透视，是因为它是各种电磁波中穿透本领最大的　③科学家关注南极臭氧层空洞是因为它将使气候恶化
④在热学中所说的热辐射就是指红外线辐射
A．①②　　　　　
B．①③
C．②④
D．③④
【解析】　热效应最强的是红外线，热辐射即红外线辐射，①不正确，④正确；穿透本领最强的是γ射线，②错误；臭氧层可吸收、阻挡过强的紫外线，使地球上的动植物免受过强紫外线的伤害，另外臭氧层空洞可引起气候恶化，③正确，故选D.
【答案】　D
5．(多选)雷达采用微波而不用其他无线电波的原因是(　　)
A．微波具有很高的频率
B．微波具有直线传播的特性
C．微波的反射性强
D．微波比其他无线电波(长波、中波、短波等)传播的距离更远
【解析】　雷达采用微波的主要原因是微波具有很高的频率，具有直线传播的特性，反射性强．
【答案】　ABC
6．高原上人的皮肤黝黑的原因是(　　)
A．与高原上人的生活习惯有关
B．与高原上的风力过大有关
C．与高原上紫外线辐射过强有关
D．由人体本身决定的
【解析】　高原上的紫外线辐射比平原高很多，而紫外线对皮肤有生理作用，可使皮肤变黑而粗糙．
【答案】　C
7．(2013·仁怀高二检测)收音机调谐电路可变电容器从全部旋入到完全旋出的过程中始终收不到某一低频电信号，为了能使这台收音机收到该低频电信号，应(　　)
A．加长天线
B．增加谐振线圈匝数
C．减少谐振线圈匝数
D．增加电容器初始所带电荷量
【解析】　为使调谐电路的固有频率能调到更低，由f＝可知，只有使自感系数L增大，增大L的办法从题中所给的方法中选，只有增加线圈匝数，故正确答案为B.
【答案】　B
8．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．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
9．一种电磁波入射到半径为1
m的孔上，可发生明显的衍射现象，这种波属于电磁波谱的哪个区域(　　)
A．可见光
B．γ射线
C．无线电波
D．紫外线
【解析】　一种波发生明显衍射现象的条件是：障碍物或孔的尺寸大小与其波长差不多或比其波长还要小．电磁波中的无线电波波长大约是10－2～104
m，红外线波长大约是10－3～10－2
m，可见光、紫外线、γ射线的波长更短，所以只有无线电波才符合条件．
【答案】　C
10．(多选)(2013·贵阳高二检测)图3－2－6(a)为一个调谐接收电路，图(b)、(c)、(d)为电路中的电流随时间变化的图象，则(　　)
图3－2－6
A．i1是L1中的电流图象
B．i1是L2中的电流图象
C．i2是L2中的电流图象
D．i3是流过耳机的电流图象
【解析】　i1是L1中的电流图象，由于晶体二极管具有单向导通性，所以i2是L2中的电流图象，而电容器具有通高频、阻低频的特性，所以i3是流过耳机的电流图象．
【答案】　ACD
11．科学技术是一把双刃剑．电磁波的应用也是这样．它在使人类的生活发生日新月异变化的同时也存在副作用——电磁污染．频率超过0.1
MHz的电磁波的强度足够大时就会对人体构成威胁．按照有关规定，工作场所受到的电磁辐射强度(单位时间内垂直通过单位面积的电磁辐射能量)不得超过0.50
W/m2.若某小型无线通讯装置的电磁辐射功率是1
W，那么在距离该通讯装置________m以外是符合规定的安全区域(已知球面面积S＝4πR2)．
【解析】　以发射中心为圆心、R为半径作一球面，则该球面外为安全区，在球面上，单位面积上受到的电磁辐射强度≤0.50
W/m2.由题意知：≤0.50
W/m2，即R≥0.40
m.
【答案】　0.40
12．LC振荡电路电容器的电容为3×10－5μF，线圈的自感系数为3
mH，它与开放电路耦合后，求：
(1)发射出去的电磁波的频率是多大？
(2)发射出去的电磁波的波长是多大？
【解析】　(1)根据T＝2π得
f＝
代入数值得，f＝530
kHz.
(2)根据λ＝c/f
得λ＝566
m.
【答案】　(1)530
kHz　(2)566
m