高中物理人教版选修3-4 学案 第十四章 第3节、第4节 电磁波的发射和接收 电磁波与信息化社会 Word版含解析
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| 名称 | 高中物理人教版选修3-4 学案 第十四章 第3节、第4节 电磁波的发射和接收 电磁波与信息化社会 Word版含解析 |  | |
| 格式 | zip | ||
| 文件大小 | 369.5KB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（新课程标准） | ||
| 科目 | 物理 | ||
| 更新时间 | 2019-12-27 14:17:28 | ||
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文档简介
第3节 电磁波的发射和接收
第4节 电磁波与信息化社会
1．知道有效地发射电磁波的两个条件。
2．了解调制、调幅、调频、调谐、解调、电谐振在电磁波发射、接收过程中的作用。
3．了解电磁波在信息传递中的应用，初步了解电视、雷达、移动电话的应用和原理，初步了解因特网的应用和作用。
一、电磁波的发射
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，应采用开放电路，振荡电路的电场和磁场必须分散到足够大的空间。
2．开放电路：实际的开放电路，线圈的一端用导线与大地相连，这条导线叫做地线，线圈的另一端高高地架在空中，叫做天线。
3．无线电技术：使电磁波随各种信号而改变的技术叫做调制。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改变；另一种叫调频，使高频电磁波的频率随信号的强弱而改变。
二、电磁波的接收
1．接收原理：电磁波能使导体中产生感应电流，所以导体可用来接收电磁波，这个导体就是接收天线。
2．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等时，接收电路里产生的振荡电流最强，这种现象叫做电谐振。
3．调谐：使电路中产生电谐振的过程叫做调谐。
4．解调：使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，叫做解调。
5．无线电波：波长大于1 mm(频率低于300 GHz)的电磁波称做无线电波。并按波长分成若干个波段，像长波、中波、短波、微波等。每个段所用的设备和技术不同，因此有不同的用途。
三、电磁波与信息化社会
1．电视：能传递活动的图像。在电视的发射端，把景物的光信号转换成电信号的过程叫摄像。在电视接收端，将电信号还原成图像的过程由电视机的显像管完成，电视的应用很广泛，发展也很快。
2．雷达：雷达是用无线电波来测定物体位置的设备，利用的是电磁波遇到障碍物发生反射的性质，波长越短，传播的直线性越好。
3．移动电话
(1)功能
每一部移动电话都是一个无线电台，它将用户的声音转变为高频电信号发射到空中；同时它又相当于一台收音机，捕捉空中的电磁波使用户接收到通话对方送来的信息。
(2)特点
①体积很小，发射功率不大；
②它的天线很简单，灵敏度不高。因此，它与其他用户的通话要靠较大的无线电台的转接。
4．因特网
因特网是世界上最大的计算机互联网。
人们可以通过互联网听音乐、看电影、聊天、购物、从事金融活动，也可以通过互联网查阅各种资料，进行远程教学、远程医疗，甚至可以为身处世界各地的人召开电视会议等。
判一判
(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)不同波段无线电波的传播特点不同，但用途是相同的。( )
提示：(1)√ (2)× (3)√ (4)×
想一想
(1)开放电路是如何形成的？
提示：在LC振荡电路中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线，一条竖立在高空成为天线，另一条接入地下成为地线，使电场完全暴露在空中，形成开放电路。
(2)电磁波可以通过什么方式进行传播？用光缆通信有何特点？
提示：可以通过电缆、光缆进行有线传输，也可以进行无线传输。
光缆通信，因为光的频率高，所以承载的信息量大，同时光缆传输还有抗干扰能力强、损耗小、通讯质量高的特点。
课堂任务 电磁波的发射和接收
一、电磁波的发射
1．有效发射电磁波的条件
要有效地向外发射电磁波，振荡电路必须具有的两个特点：
(1)要有足够高的振荡频率。频率越高，振荡电路发射电磁波的本领越大，如果是低频信号，要用高频信号运载才能将其更有效地发射出去。
(2)采用开放电路。采用开放电路可以使振荡电路的电磁场分散到尽可能大的空间，如下图。
实际的开放电路：线圈的一端用导线与大地相连，这条导线叫做地线；线圈的另一端与高高地架在空中的天线相连。无线电波就是由这样巨大的开放电路发射出去。
2．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：使高频电磁波的振幅随信号的强弱而改变的调制技术，如图所示。
②调频：使高频电磁波的频率随信号而改变的调制技术，如图所示。
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。
二、电磁波的接收
1．电磁波的接收原理
(1)电磁波在空间传播时，如果遇到导体，就会使导体产生感应电流，感应电流的频率跟激起它的电磁波的频率相同。因此利用放在电磁波传播空间中的导体，就可以接收到电磁波。
(2)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。
2．接收电路
(1)调谐：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的现象叫做电谐振。使接收电路产生电谐振的过程叫做调谐。
(2)解调：又称“反调制”，是从已调波中重现调制信号的过程。
3．无线电波波段的划分
通常使用的无线电波的波长范围从几毫米到几千米，根据波长或频率把无线电波分成几个波段，如下表所示：
例1 (多选)关于电磁波的发射和接收，下列说法中正确的是( )
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
(1)电磁波的发射应该采用怎样的电路？
提示：应该用开放电路。
(2)电视机是怎样接收电视信号的？
提示：由电视天线接收电磁波，经调谐、解调后得出所需信号。
[规范解答] 有效发射电磁波，必须采用开放电路和高频发射；一般的音频电流的频率较低，不能直接用来发射电磁波；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；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。故A错误，B、C、D正确。
[完美答案] BCD
无线电波的发射和接收过程
(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，除了使用敞露空间的电路，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
解析 实行开放电路和提高发射频率是提高电磁波发射能力的两种有效方法；由f＝、C＝可知，选项A、B、C正确。
课堂任务 电磁波与信息化社会
1．电磁波的传输：可以通过电缆、光缆进行有线传输，也可实现无线传输。电磁波的频率越高，相同时间内传递的信息量越大。
2．电磁波的应用实例
(1)电视广播的发射和接收过程
(2)雷达的工作原理
雷达利用微波遇到障碍物的反射现象来测定物体位置。根据发射无线电波到接收反射波的时间t，确定障碍物的距离x＝，再根据发射无线电波的方向和仰角，可以确定障碍物的位置。
(3)移动电话、因特网也是利用电磁波来传输信息的。
例2 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ab＝bc，障碍物与雷达之间的距离是多大？
(1)b处的尖形波较a、c处的小，说明了什么？
提示：b处的尖形波是障碍物反射回来的无线电波被雷达接收时出现的，a、c处的尖形波是雷达向目标发射无线电波时出现的。
(2)障碍物与雷达间距该如何确定？
提示：障碍物与雷达间距为x＝，其中t为发射无线电波到接收反射波的时间t，c为光速。
[规范解答] 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ab＝bc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，由2x＝ct，得x＝＝3.0×108×50× m＝7.5×103 m。
[完美答案] 7.5×103 m
雷达侦察问题的解决方法
(1)电磁波在空中的传播速度可认为等于真空中的光速c，由波速、波长和频率三者间的关系可求得频率。
(2)根据雷达荧光屏上发射波形和反射波形间的时间间隔，即可求得侦察距离，为此反射波必须在下一个发射波发出前到达雷达接收器。
(3)雷达的最大侦察距离应等于电磁波在雷达发射相邻两个脉冲的间隔时间内传播距离的一半。
某雷达工作时，发射电磁波的波长λ＝20 cm，每秒脉冲数n＝5000，每个脉冲持续时间t＝0.02 μs。求：
(1)该电磁波的频率；
(2)此雷达的最大侦察距离。
答案 (1)1.5×109 Hz (2)3×104 m
解析 (1)电磁波在空气中传播的速度一般认为等于真空中光速c＝3×108 m/s，因此f＝＝ Hz＝1.5×109 Hz。
(2)雷达工作时发射电磁脉冲，每个电磁脉冲持续时间t＝0.02 μs，在两个脉冲时间间隔内，雷达必须接收到反射回来的电磁脉冲，否则会与后面的电磁脉冲重叠而影响测量。设最大侦察距离为x，两个脉冲时间间隔为Δt＝ s＝2×10－4 s?0.02 μs，故脉冲持续时间可以略去不计，则2x＝vΔt，v＝c＝3×108 m/s，所以x＝＝3×104 m。
第4节 电磁波与信息化社会
1．知道有效地发射电磁波的两个条件。
2．了解调制、调幅、调频、调谐、解调、电谐振在电磁波发射、接收过程中的作用。
3．了解电磁波在信息传递中的应用，初步了解电视、雷达、移动电话的应用和原理，初步了解因特网的应用和作用。
一、电磁波的发射
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，应采用开放电路，振荡电路的电场和磁场必须分散到足够大的空间。
2．开放电路：实际的开放电路，线圈的一端用导线与大地相连，这条导线叫做地线，线圈的另一端高高地架在空中，叫做天线。
3．无线电技术：使电磁波随各种信号而改变的技术叫做调制。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改变；另一种叫调频，使高频电磁波的频率随信号的强弱而改变。
二、电磁波的接收
1．接收原理：电磁波能使导体中产生感应电流，所以导体可用来接收电磁波，这个导体就是接收天线。
2．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等时，接收电路里产生的振荡电流最强，这种现象叫做电谐振。
3．调谐：使电路中产生电谐振的过程叫做调谐。
4．解调：使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，叫做解调。
5．无线电波：波长大于1 mm(频率低于300 GHz)的电磁波称做无线电波。并按波长分成若干个波段，像长波、中波、短波、微波等。每个段所用的设备和技术不同，因此有不同的用途。
三、电磁波与信息化社会
1．电视：能传递活动的图像。在电视的发射端，把景物的光信号转换成电信号的过程叫摄像。在电视接收端，将电信号还原成图像的过程由电视机的显像管完成，电视的应用很广泛，发展也很快。
2．雷达：雷达是用无线电波来测定物体位置的设备，利用的是电磁波遇到障碍物发生反射的性质，波长越短，传播的直线性越好。
3．移动电话
(1)功能
每一部移动电话都是一个无线电台，它将用户的声音转变为高频电信号发射到空中；同时它又相当于一台收音机，捕捉空中的电磁波使用户接收到通话对方送来的信息。
(2)特点
①体积很小，发射功率不大；
②它的天线很简单，灵敏度不高。因此，它与其他用户的通话要靠较大的无线电台的转接。
4．因特网
因特网是世界上最大的计算机互联网。
人们可以通过互联网听音乐、看电影、聊天、购物、从事金融活动，也可以通过互联网查阅各种资料，进行远程教学、远程医疗，甚至可以为身处世界各地的人召开电视会议等。
判一判
(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)不同波段无线电波的传播特点不同，但用途是相同的。( )
提示：(1)√ (2)× (3)√ (4)×
想一想
(1)开放电路是如何形成的？
提示：在LC振荡电路中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线，一条竖立在高空成为天线，另一条接入地下成为地线，使电场完全暴露在空中，形成开放电路。
(2)电磁波可以通过什么方式进行传播？用光缆通信有何特点？
提示：可以通过电缆、光缆进行有线传输，也可以进行无线传输。
光缆通信，因为光的频率高，所以承载的信息量大，同时光缆传输还有抗干扰能力强、损耗小、通讯质量高的特点。
课堂任务 电磁波的发射和接收
一、电磁波的发射
1．有效发射电磁波的条件
要有效地向外发射电磁波，振荡电路必须具有的两个特点：
(1)要有足够高的振荡频率。频率越高，振荡电路发射电磁波的本领越大，如果是低频信号，要用高频信号运载才能将其更有效地发射出去。
(2)采用开放电路。采用开放电路可以使振荡电路的电磁场分散到尽可能大的空间，如下图。
实际的开放电路：线圈的一端用导线与大地相连，这条导线叫做地线；线圈的另一端与高高地架在空中的天线相连。无线电波就是由这样巨大的开放电路发射出去。
2．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：使高频电磁波的振幅随信号的强弱而改变的调制技术，如图所示。
②调频：使高频电磁波的频率随信号而改变的调制技术，如图所示。
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。
二、电磁波的接收
1．电磁波的接收原理
(1)电磁波在空间传播时，如果遇到导体，就会使导体产生感应电流，感应电流的频率跟激起它的电磁波的频率相同。因此利用放在电磁波传播空间中的导体，就可以接收到电磁波。
(2)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。
2．接收电路
(1)调谐：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的现象叫做电谐振。使接收电路产生电谐振的过程叫做调谐。
(2)解调：又称“反调制”，是从已调波中重现调制信号的过程。
3．无线电波波段的划分
通常使用的无线电波的波长范围从几毫米到几千米，根据波长或频率把无线电波分成几个波段，如下表所示：
例1 (多选)关于电磁波的发射和接收，下列说法中正确的是( )
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
(1)电磁波的发射应该采用怎样的电路？
提示：应该用开放电路。
(2)电视机是怎样接收电视信号的？
提示：由电视天线接收电磁波，经调谐、解调后得出所需信号。
[规范解答] 有效发射电磁波，必须采用开放电路和高频发射；一般的音频电流的频率较低，不能直接用来发射电磁波；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；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。故A错误，B、C、D正确。
[完美答案] BCD
无线电波的发射和接收过程
(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，除了使用敞露空间的电路，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
解析 实行开放电路和提高发射频率是提高电磁波发射能力的两种有效方法；由f＝、C＝可知，选项A、B、C正确。
课堂任务 电磁波与信息化社会
1．电磁波的传输：可以通过电缆、光缆进行有线传输，也可实现无线传输。电磁波的频率越高，相同时间内传递的信息量越大。
2．电磁波的应用实例
(1)电视广播的发射和接收过程
(2)雷达的工作原理
雷达利用微波遇到障碍物的反射现象来测定物体位置。根据发射无线电波到接收反射波的时间t，确定障碍物的距离x＝，再根据发射无线电波的方向和仰角，可以确定障碍物的位置。
(3)移动电话、因特网也是利用电磁波来传输信息的。
例2 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ab＝bc，障碍物与雷达之间的距离是多大？
(1)b处的尖形波较a、c处的小，说明了什么？
提示：b处的尖形波是障碍物反射回来的无线电波被雷达接收时出现的，a、c处的尖形波是雷达向目标发射无线电波时出现的。
(2)障碍物与雷达间距该如何确定？
提示：障碍物与雷达间距为x＝，其中t为发射无线电波到接收反射波的时间t，c为光速。
[规范解答] 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ab＝bc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，由2x＝ct，得x＝＝3.0×108×50× m＝7.5×103 m。
[完美答案] 7.5×103 m
雷达侦察问题的解决方法
(1)电磁波在空中的传播速度可认为等于真空中的光速c，由波速、波长和频率三者间的关系可求得频率。
(2)根据雷达荧光屏上发射波形和反射波形间的时间间隔，即可求得侦察距离，为此反射波必须在下一个发射波发出前到达雷达接收器。
(3)雷达的最大侦察距离应等于电磁波在雷达发射相邻两个脉冲的间隔时间内传播距离的一半。
某雷达工作时，发射电磁波的波长λ＝20 cm，每秒脉冲数n＝5000，每个脉冲持续时间t＝0.02 μs。求：
(1)该电磁波的频率；
(2)此雷达的最大侦察距离。
答案 (1)1.5×109 Hz (2)3×104 m
解析 (1)电磁波在空气中传播的速度一般认为等于真空中光速c＝3×108 m/s，因此f＝＝ Hz＝1.5×109 Hz。
(2)雷达工作时发射电磁脉冲，每个电磁脉冲持续时间t＝0.02 μs，在两个脉冲时间间隔内，雷达必须接收到反射回来的电磁脉冲，否则会与后面的电磁脉冲重叠而影响测量。设最大侦察距离为x，两个脉冲时间间隔为Δt＝ s＝2×10－4 s?0.02 μs，故脉冲持续时间可以略去不计，则2x＝vΔt，v＝c＝3×108 m/s，所以x＝＝3×104 m。