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第4章 电磁波与现代通信
第4章 电磁波与现代通信
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以例说法·触类旁通(共29张PPT)电磁波的发现 无线电波与现代通信
1．了解电磁波的发现历程，知道电磁波有哪些特点． 2．知道电磁波谱及其在生产、生活中的应用． 3．了解人类通信的历程，了解并体会通信技术的迅速发展对经济、社会发展的推动作用，及对生产、生活的影响． 4．知道常见的通信方式的基本特征，了解它们各自的用途． 5．知道无线电波的发射与接收环节．
一、发现电磁波的历程
1．麦克斯韦的天才预见
1865年，麦克斯韦建立的电磁场理论，预言了电磁波的存在，并推算出电磁波的传播速度等于光速．他认为光是一种按照电磁规律在空间传播的电磁扰动．
2．赫兹实验
在麦克斯韦建立电磁场理论后20多年，年轻的德国物理学家赫兹第一次用实验证实了电磁波的存在．他还测定了电磁波的波长、频率，得到电磁波的传播速度，证实了这个速度等于光速．还进一步证明，电磁波和其他的波一样，能产生反射、折射、干涉、衍射、偏振等．
二、认识电磁波
1．什么是电磁波：由麦克斯韦的电磁理论可知，任何带电体振荡时，都会产生一个变化的电场，这个变化的电场会激发一个磁场，变化的磁场又会激发一个电场．电场→磁场→电场→磁场…如此反复，在带电体周围就会形成一个交替变化的电磁场，也叫电磁振荡．电磁场向四周空间由近及远地传播，形成了电磁波．
2．电磁波的特点
(1)电磁波是横波．电磁波的电场E的方向和磁场B的方向相互垂直，电磁波则在与两者均垂直的方向上传播．
(2)电磁波的传播不需要水或空气等介质，它可在真空中传播．
(3)电磁波在真空中传播的速度等于光在真空中的传播速度c，约为3．0×108 m/s．
(4)电磁波具有波的一般特征，其波长λ，频率ν、波速c之间的关系是 c＝λν．
(5)电磁波和其他波一样，具有能量．
3．电磁波王国
(1)把各种电磁波按波长或频率的大小顺序排列起来，组成了电磁波谱．
(2)电磁波按用途划分为：无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线这六个波段．电磁波的频率越高，它的波长就越短．
三、无线通信百年回眸
1．1837年，莫尔斯发明了电报，1876年，贝尔发明了电话，1901年，马可尼成功实现了横跨大西洋的无线通信．
2．晶体管的诞生使电子学发生了根本性的变化．
3．集成电路是把各种电子元器件和电子线路都集中固定在同一块硅芯片上，使它们形成一个完整的微型电路．具有整个电路的功能．
四、无线电波的发射与接收
1．电磁波谱的无线电波段主要用于无线通信．无线电波的波长从几毫米到几十千米，通常分为长波、中波、短波、微波等几个波段．
2．用无线电波传播声音及其他信号，需要解决两个问题：一是将声音信号转换成电信号；二是要提高电信号的传播距离．
3．人们将声音转换成音频电信号，再利用调制电路将它加载到高频电磁波上，并经过放大后发射出去．由天线发射出的无线电波向四面八方传播，在传播途中，遇到接收天线(导体)，就会在接收回路中产生频率相同的感应电流．接收机通过调谐电路，选择所需要频率的电波．经过检波电路将载波与音频信号分开，把音频信号放大并通过扬声器播放出来，这就是我们听到的电台广播．
五、有线无线交相辉映
1．微波通信：一般指地面微波中继通信，它是靠中继站来实现微波信号远距离传输的．微波的传播只能采用空间波传播的方式．微波通信具有通信容量大、传输稳定、抗灾能力强等优点．
2．卫星通信：卫星通信是用通信卫星作为中继站来转发微波信号，从而实现远距离通信的，通信卫星系统由卫星和卫星通信地球站组成．3颗等距离通信卫星就能实现全球覆盖．
3．光纤通信：激光具有频率高、颜色纯、方向性好等特点．它是进行光纤通信的理想光源．而传播光的媒质是光导纤维(简称光纤)．有了光纤，光的传输不再在大气层中进行，从而实现了光纤通信．它具有频带宽、容量大、中继距离长、抗干扰性好、保密性强、成本低、传输质量高等许多优点．
4．全反射现象：当光从水中射入空气时，入射角增大到某一角度，折射光线完全消失，只剩下反射光的现象．
一、描述电磁波的物理量
1．波长λ：电磁波在一个周期传播的距离等于一个波长．
2．频率ν：单位时间内完成全振动的次数叫做频率．
3．波速：电磁波的传播速度等于光速，c＝3．0×108 m/s．
4．波长、波速和频率间的关系公式：c＝λν．
二、电磁波谱的认识
如图所示是按波长由长到短(频率由小到大)顺序排列的电磁波谱．
在电磁波谱中，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出现不同的特性．例如，波长较长的无线电波，很容易表现出干涉、衍射现象，但对波长较短的可见光、紫外线、伦琴射线、γ射线，要观察到它们的干涉、衍射现象就越来越困难了．
三、电磁波的特点
1．电磁波是物质波，传播时不需要介质，能在真空中传播．
2．电磁波是横波，电场方向与磁场方向都跟传播方向垂直(如图所示)．
3．电磁波与物质相互作用时，能发生反射、吸收、折射等现象．
4．电磁波具有波的特性，能产生干涉、衍射等现象．
5．电磁波可以脱离“波源”独立存在．
四、无线电波的发射与接收
1．发射
2．接收
题型1 对电磁波谱的理解
观察下图，回答下列问题．
(1)波长最长的、最短的电磁波各是什么？
(2)按照波长由大到小的顺序排列，电磁波可以划分为哪几种？按照频率由大到小的顺序又是怎样呢？
(3)无线电波按照波长由小到大的顺序又可以划分为哪几种？
(4)试举例说明各种电磁波应用的代表性仪器或者符号标志．
[解析] (1)由电磁波谱可知波长最长的是无线电波，波长最短的是γ射线．
(2)按照波长由大到小可以划分为无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线．按照频率由大到小的顺序是γ射线、X射线、紫外线、可见光、红外线、无线电波．
(3)可分为微波、短波、中短波、中波和长波．
(4)长波、中波、短波应用的代表性仪器有收音机、广播电台等；微波的有电视、微波炉等；红外线的有红外线遥感、红外线烤箱等；可见光只占电磁波谱中很小的一部分；紫外线的有紫外线消毒柜、黑光灯等；X射线的有“CT”机、X射线透视器等；γ射线的有放射性标志和γ射线探伤等．
[答案] 见解析
1．以下关于电磁波谱的理解正确的是( )
A．红外线的波长比紫外线的波长短
B．可见光不属于电磁波
C．无线电波的波长比γ射线波长要长
D．无线电波的波长大于1 mm
解析：选CD．按照波长由小到大的顺序排列，电磁波可划分为γ射线、X射线、紫外线、可见光、红外线和无线电波，而波长大于1 mm的电磁波属于无线电波．所以C、D正确．
题型2 关于电磁波的计算
家用微波炉是利用电磁波进行工作的．已知它使用频率为2 000 MHz的电磁波，它在真空中的波长是多少？
[解析] λ＝＝ m＝0．15 m．
[答案] 0．15 m
2．某广播电台发射的电磁波的波长是50 m，则它的频率是多少？
解析：ν＝＝ Hz＝6×106 Hz．
答案：6×106 Hz
题型3 对无线电波的综合考查
下列说法中正确的是( )
A．无线电技术中使用的电磁波叫做无线电波
B．无线电波在真空中的波长范围从几毫米到几十千米
C．无线电波的频率越低越容易发射
D．发射无线电波的目的是向远处传递电能
[思路点拨] 要有效发射电磁波，必须使电磁波有足够高的频率，并有开放电路．
[解析] 无线电波在电磁波谱中波长最长，其波长范围是几毫米到几十千米，所以A、B正确．发射无线电波的条件是：一、频率足够高；二、有开放电路，所以C错．发射无线电波的目 的是向远处传递信号，D错．
[答案] AB
因为形成了“电磁波具有能量”的认识，就认为发射电磁波是为了传递电能，造成错选D．
[随堂检测]
1．关于电磁波的下列说法，正确的是( )
A．电磁波不能在空气中传播
B．电磁波可以在真空中传播
C．麦克斯韦第一次通过实验验证了电磁波的存在
D．赫兹第一次通过实验验证了电磁波的存在
解析：选BD．电磁波的传播不需要介质，但不是说电磁波不能在介质中传播，所以A错，B正确．麦克斯韦预言了电磁波的存在，并没有证明，赫兹第一次通过实验证明了电磁波的存在，C错，D对．
2．关于无线电波的发射和接收，下述说法中正确的是( )
A．为了将信号发送出去，先要进行调谐
B．为了从各个电台发出的电磁波中将需要的选出来，就要进行调制
C．为了从高频电流中取出声音信号，就要进行调频
D．由开放电路可以有效地把电磁波发射出去
解析：选D．要将信号发送出去，先要进行的是调制．要从各个电台发出的电磁波中将需要的选出来，要进行的是调谐．要从高频电流中把声音信号取出来，要进行的是解调．只有采用开放电路(天线和地线)才能有效地把电磁场的能量辐射出去，闭合的电路只能使电磁场的能量在电路内相互转换．
3．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：选B．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，由此可判定选项B正确．
4．关于电磁波传播过程中的速度公式v＝λν，下列说法正确的是( )
A．公式表明波长越大，电磁波的传播速度越大
B．公式表明频率越高，电磁波的传播速度越大
C．电磁波的能量越大，传播速度越大
D．电磁波的传播速度与波长和频率及能量无关，仅决定于介质
解析：选D．此公式是这三个量的关系式，波速是由介质决定的，与波长和频率及能量无关，所以A、B、C错．
5．20世纪80年代初，科学家发明了硅太阳能电池，如果在太空中设立太阳能电站卫星，可24小时发电，且不受昼夜、气候的影响，利用微波—电能转换装置，将电能转换为微波向地面发送，电站卫星最佳位置在离地1 100 km的赤道上空，微波定向性很好，飞机通过微波区不会发生意外，但微波对飞鸟是致命的，预计在21世纪初地球上空将升起电站卫星．(地球半径R＝6 400 km)
(1)太阳能电池将实现哪种转换( )
A．光能—微波 B．光能—内能
C．光能—电能 D．电能—微波
(2)微波是指( )
A．超声波 B．次声波
C．电磁波 D．机械波
(3)飞机外壳对微波的哪种作用使飞机安全无恙( )
A．反射 B．吸收
C．干涉 D．衍射
(4)微波对飞鸟是致命的，这是因为微波的( )
A．电离作用 B．穿透作用
C．生物电作用 D．产生强涡流
解析：(1)硅光电池可作为人造地球卫星的电源，它是实现光能—电能转化的装置，答案为C．
(2)微波属于电磁波，金属能反射电磁波，因而不受影响，答案选C．
(3)微波波长短，它的衍射、干涉很难形成，反射特别显著，也称直线波，答案选A．
(4)微波是频率很高的电磁波，在生物体内可引起涡流，由于电流的功率很大，相应的涡流产生的热量足以将鸟热死，答案选D．
答案：(1)C (2)C (3)A (4)D
[课时作业][学生用书P86(单独成册)]
一、选择题
1．我国的卫星通信技术拥有自主知识产权，在世界上处于领先地位．在北京发射的信号通过通信卫星可以转到上海被接收．实现这种信号传递的是( )
A．超声波 B．次声波
C．声波 D．电磁波
答案：D
2．关于电磁波的说法，正确的是( )
A．电磁波是由发生区域向远处传播的电磁场
B．电磁波在真空中的传播速度为光速
C．电磁波传播的是一种能量
D．电磁波只能传递声音信号
解析：选ABC．电磁波是传播的电磁场，是一种能量，故A、C正确，它既可传递声音信号，也可传递图像，故D错误，电磁波在真空中以光速传播，B正确．
3．下列各种通信方式不属于现代通信的是( )
A．卫星通信
B．互联网(有线网络和无线网络)
C．战场上的八百里加急
D．光纤通信
解析：选C．C项是古代信息传递的一种方式．
4．北京广播电台发射“中波”段某套节目的信号、家用微波炉中的微波、VCD机中的激光(可见光)、人体透视用的X射线，都是电磁波，它们的频率分别为f1、f2、f3、f4，则以下排序正确的是( )
A．f1＞f2＞f3＞f4 B．f1＜f2＜f3＞f4
C．f1＜f2＜f3＜f4 D．f1＞f2＜f3＜f4
解析：选C．VCD机中的激光属于可见光波段．由电磁波谱知选项C正确．
5．在光纤通信中，用来传递信息的光应该是( )
A．普通光源发出的光 B．太阳光
C．激光 D．以上三种光
解析：选C．激光具有很好的单色性和方向性，是理想的通信光源．
6．一台最简单的收音机，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：选AD．一台最简单的收音机，除了接收天线和扬声器外，至少还必须具备调谐电路来接收高频的电磁波，还有检波电路来滤出声音信号．所以A、D正确．
7．手机是现代人们最常用的通信工具之一，手机间通话和收发信息是利用( )
A．微波传送 B．超声波传送
C．光纤传送 D．空气传送
解析：选A．手机是利用微波传送的．
8．为了实现全球的电视转播，可采取的措施是( )
A．只需发射一颗同步卫星，在赤道平面上空运行
B．至少需要发射三颗同步卫星，在赤道平面上空运行
C．只需发射一颗同步卫星，绕着通过南、北极的上空运行
D．至少需发射三颗同步卫星，绕着通过南、北极的上空运行
解析：选B．同步卫星只能在赤道平面上空，通过南、北极上空运行的卫星不可能是同步卫星，C、D错．
由于电视信号属微波波段，传播的直线性好，为了覆盖全球，至少需要发射三颗同步卫星，使它们位于正三角形的顶点，地球内切于这个正三角形，如图所示．
二、非选择题
9．雷达是现代战争中重要的军事装备，若雷达向飞机发出的微波从发射到反射回来的时间为52 μs(1 μs＝10－6 s)，微波的传播速度等于光速，则微波的传播速度大小为________m/s，此时飞机与雷达的距离为________m．
解析：微波的传播速度为3×108 m/s，从发射到接收，微波走过的路程为s＝vt＝3×108×52×10－6 m＝15 600 m．
所以飞机与雷达距离为＝7 800 m．
答案：3×108 7 800
10．下面列出一些医疗器械的名称和这些器械运用的物理现象．请将相应的字母填写在横线上．
(1)X光机，________；
(2)紫外线灯，________；
(3)理疗医用“神灯”照射伤口，可使伤口愈合得较好．这里的“神灯”是利用________．
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射线有很强的贯穿力
E．红外线具有显著的热作用
F．红外线波长较长，易发生衍射
解析：(1)X光机是用来透视人的体内器官的，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，因此采用了穿透能力比较强又不会给人体造成太大伤害的X射线，选择选项D．
(2)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作用而非荧光作用，因此选择选项C．
(3)“神灯”又称红外线灯，主要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，因此选择选项E．
答案：(1)D (2)C (3)E
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