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第6章 电磁波与信息时代
第6章 电磁波与信息时代
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突破疑难·讲练提升第1节 电磁波载息传万里
1．按频率由大到小的顺序，下列排列正确的是( )
A．γ射线→X射线→紫外线→红外线→可见光→无线电波
B．无线电波→紫外线→可见光→红外线→γ射线→X射线
C．红外线→可见光→紫外线→X射线→γ射线→无线电波
D．γ射线→X射线→紫外线→可见光→红外线→无线电波
解析：选D.对同一电磁波，其波长和频率成反比，按波长由小到大或按频率由大到小的顺序均为：γ射线→X射线→紫外线→可见光→红外线→无线电波，故选项D正确．
2．关于无线电波传播方式——地波，下列说法不正确的是( )
A．所有的无线电波都能很好地绕过几乎所有的障碍物
B．地波传播方式比较适合于长波段和中波段
C．无线电波的波长越长，地面的吸收就越小
D．地面的电性质在短时间内不会有大的改变，因此地波的传播比较稳定
解析：选A.当电磁波的波长大于或相当于障碍物的尺度时，可绕过障碍物．短波和微波的绕过能力很差，故A错．由地波的特点可判定B、C、D均正确．
3. 关于电磁波，下列说法中正确的是( )
A．在真空中，频率高的电磁波速度较大
B．在真空中，电磁波的能量越大，传播速度越大
C．电磁波由真空进入介质，速度变小，频率不变
D．只要发射电路的电磁振荡停止，产生的电磁波立即消失
解析：选C.在真空中，各种频率的电磁波传播的速度都相等，与电磁波的能量无关，所以选项A和B错误．电磁波的频率由产生电磁场的振荡电路决定，与介质无关；电磁波传播的速度与介质有关，选项C正确．电磁波从发射电路向空间传播时，电磁场的能量也随着一起传播，所以电磁振荡停止，产生的电磁波不会立即消失．综上所述，应选C.
4．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运用这种现象的医疗器械后面的横线上．
(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
5．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
[课时作业]
一、选择题
1．关于电磁波的说法中，正确的是( )
A．不同频率的电磁波在真空中的传播速度不同
B．不同频率的电磁波波长不同
C．频率高的电磁波其波长较长
D．电磁波的频率由接收电路的接收装置决定
解析：选B.所有电磁波在真空中传播速度都等于光速；由c＝λf，知波长与频率成反比，电磁波频率由发射装置决定．
2．下列关于电磁波的说法中正确的是( )
A．麦克斯韦电磁场理论预言了电磁波的存在
B．电磁波可以由均匀变化的磁场产生
C．雷达可以利用自身发射的电磁波的衍射波来对目标进行定位
D．随身携带的移动电话(手机)内，只有无线电接收装置，没有无线电发射装置
解析：选A.选项A符合物理史实．电磁波由周期性变化的磁场产生，B错误；雷达利用电磁波的反射确定目标位置，C错误；手机内应有发射电磁波的装置，D错误．
3．下列说法不正确的是( )
A．发射出去的无线电波，可以传播到无限远处
B．雷达是利用无线电波测定物体位置的无线电设备
C．波长越短的无线电波，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：选A.无线电波在传播过程中，遇到障碍物就被吸收一部分，能量不断减少．雷达和移动电话的传输都利用了无线电波，波长越短，传播方式越接近直线传播．故B、C、D均正确，A错误．
4．电视各频道所用的传输图象信号的电磁波波段属于( )
A．长波 B.中波
C．短波 D.微波
解析：选D.因为微波段是利用空间波传播的，空间波在传输过程中受外界干扰最小，在视频传输、移动电话等方面很适合应用．故电视信号应用微波．
5．关于无线电波传播方式——天波，下列说法正确的是( )
A．波长越长，电离层的反射作用越难
B．波长越长，电离层的吸收作用越强
C．“频率逃逸”指的是电台发射的电磁波频率丢失了
D．天波传播方式最稳定，最适合于短波的传播
解析：选B.电离层的反射特性与无线电波的波长有关，波长越长，越容易反射，电离层的吸收作用随自由电子密度、无线电波波长的增大而增大，故A错，B正确；天波的最大缺点是传播不稳定，故D错；如果收听远地电台广播会发现已调准的电台突然声音变小，听不清楚，在短时间内不能自行恢复，必须重新调节，这种现象称为“频率逃逸”，故C错．
6．波长为300 m的电磁波，以下分析正确的是( )
A．它的传播速度总是3×108 m/s
B．它的频率是106 Hz
C．它在水中传播的波长仍为300 m
D．它在水中传播时的频率大于106 Hz
解析：选B.真空中波速为3×108 m/s，则频率f＝＝ Hz＝106 Hz.
在水中波速和波长变小，而频率不会改变．
7．北京广播台发射“中波”段某套节目的讯号、家用微波炉中的微波、VCD机中的激光、人体透视用的X光，都是电磁波，它们的频率分别为f1、f2、f3、f4( )
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．
8．宇航员在太空离开航天飞机的密封舱从事修复卫星等工作时，必须通过无线电对讲机交谈传递信息，这是因为( )
A．宇航员穿着全封闭式增压宇航服，他们之间无法直接对话
B．舱外宇航员和航天飞机内的宇航员之间相隔距离较远
C．在远离地面的太空没有空气
D．利用无线电波传递信息较快
解析：选C.电磁波能在真空中传播，而声波则需要介质才能传播．所以宇航员在没有空气的太空中交流必须利用电磁波来完成．
二、非选择题
9．上海电视台演播厅正在现场直播文艺晚会，某观众在离演员30 m处观看，而北京的一位同学在电视机前观看同一节目．已知北京到上海的距离为1 460 km，问声音先传到哪个人的耳朵里？为什么？
解析：根据声速和电磁波波速来比较：
该声音从演员传到观众所需时间为t1，则
t1＝ s≈0.088 s，
无线电波传播用时间t2＝ s≈0.004 9 s，
所以，先传到北京那位同学耳中．
答案：见解析
10．某雷达工作时，发射电磁波的波长为λ＝20 cm，每秒脉冲数n＝5 000，每个脉冲持续时间t＝0.02 μs，问电磁波的振荡频率为多少？最大的侦察距离是多少？
解析：一般在空气中传播时，电磁波的传播速度就认为等于光速c＝3.0×108 m/s.
由公式c＝λf得：f＝＝1.5×109 Hz.
雷达工作时发射电磁脉冲，每个脉冲持续时间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s，则2s＝c·Δt，而Δt＝ s＝200 μs?0.02 μs(脉冲持续时间可以略去不计)，所以s＝＝3×104 m.
答案：1.5×109 Hz 3×104 m
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4第1节 电磁波载息传万里
1.知道电磁波可分为γ射线、X射线、紫外线、可见光、红外线和无线电波．知道无线电波的波长范围．(重点)
2．知道无线电波的三种传播方式，了解三种传播方式的不同特点．(难点) 3.了解并能列举无线电波的常见应用．
4．知道电磁辐射的危害性．(重点)
一、电磁波谱
1．波长和频率是描述电磁波的两个基本物理量．对于某一电磁波，波长和频率成反比．物理学中把电磁波按波长(或频率)依照一定的顺序排列成的谱线就是电磁波谱．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．
2．无线电波：在电磁波谱中，波长大于1 mm范围属于无线电波．无线电波按其波长由小到大又可分为微波(波长10－3～10 m)、短波(波长10～50 m)、中短波(波长50～200 m)、中波(波长200～3 000 m)和长波(波长3 000～30 000 m)．
二、无线电波的传播
1．地波：沿地球表面传播的无线电波称为地波．地波传播的方式较适合于长波段和中波段无线电波．
2．天波：靠大气中电离层的反射传播的无线电波称为天波．天波最适合于短波的传播．
3．空间波：像光束那样沿直线传播的无线电波称为空间波．远距离传播要借助中继站．微波及超短波的波长较小，穿透能力强，能穿透电离层，直线性好，靠空间波传播．
三、无线电波的应用
1．无线电广播、电视：应用于无线电广播的电磁波的波段有长波、中波和短波；应用于电视的无线电波段是微波．
2．雷达：雷达是利用无线电波测定物体位置的无线电设备，传统雷达的工作波长为1 m，属于微波波段．微波的应用与发展促进了诸多领域的科技进步，如微波遥感遥测、海上救援等．
四、电磁辐射的危害
电磁波虽然给人们的生产生活带来了方便，但电磁辐射也已被联合国人类环境大会列入必须控制的、造成公害的主要污染物之一．飞机上禁止乘客使用手机等无线电设备．人体在长期受到过量的电磁波辐射后，会出现头痛、头晕、疲倦无力等症状．一般地讲，辐射强度越大，频率越高，与电器的距离越近，接触时间越长，对人体的危害也就越大．
正确理解电磁波谱和电磁波
1．电磁波谱按波长由小到大顺序排列(如图)
2．电磁波的特征
(1)波速c：波传播的快慢叫波速，电磁波在真空中传播的速度等于光速，即c＝3×108 m/s.
(2)波长：相邻两个波峰或波谷间的距离(如图所示)．
(3)频率f：单位时间振动次数；单位：Hz，kHz，MHz.
(4)波长、波速与频率的关系：
数学表达式：c＝λ·f.
说明：电磁波的波速一定，频率与波长成反比．
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射线波长要短
D．无线电波的波长大于1 mm
[解析] 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D正确．
[答案] D
从无线电波到γ射线都是本质相同的电磁波，其行为服从共同的规律，但因波长(或频率)不同又表现出不同的特点，要熟记各部分的波长、频率范围及其关系．知道同一电磁波的波长与频率成反比．
1.一种电磁波的波长是200 m，它表示( )
A．这种电磁波能传递的距离是200 m
B．这种电磁波1 s能传播200 m
C．这种电磁波1 s内出现200个波峰和波谷
D．这种电磁波相邻两个波峰间距离是200 m
解析：选D.电磁波1 s能传播3×108 m，由波长定义知选项D对．
电磁波的传播及应用
1．电磁波的三种传播方式
传播方式 概念 优点 缺点 适用波段
地波 沿地球表面传播的无线电波 比较稳定 传播过程中消耗部分能量 长波段和中波段
天波 靠大气中电离层的反射传播的无线电波 受地面障碍物的影响较小 传播不稳定 短波
空间波 像光束那样沿直线传播的无线电波 受外界干扰小 进行远距离传播要借助于中继站 微波和超短波
2.无线电波的应用
(1)长波：主要用于导航、报时等．
(2)中波：主要用于收听广播．
(3)短波：主要用于电话、电报、广播、标准频率报时、防汛、救灾、军事通信等．
(4)微波：卫星通信、常规的中继通信、电话、电报、传输数据、图像、长途干线通信等．
无线电技术中通常根据波长把无线电波分成下表中的几个波段：
波段 长波 中波 短波 微波
波长/m 30 000～3 000 3 000～200 200～10 10～0.001
大家知道，地球被厚厚的大气层包围着，在距地面50千米到几百千米的范围内的大气层叫电离层，电离层对于不同波长的电磁波表现出不同的特性．实验表明，对于波长小于10 m的微波，电离层能让它通过；对于波长超过3 000 m的长波，电离层基本上把它吸收掉；对于中波和短波，电离层对它有反射作用．地球同步通信卫星静止在赤道上空36 000 km高的地方，所以利用同步卫星进行无线电信号通信只能通过( )
A．长波 B.中波
C．短波 D.微波
[解析] 地球同步通信卫星传输的电磁波信号必须能够穿透电离层，而只有波长小于10 m的微波才能通过，所以选项D正确．
[答案] D
长波主要用于导航、报时，采用地波传播．短波可应用于电话、电报、广播、标准频率报时，防汛、救灾、军事通讯等应用天波方式传播．微波在视频传输、移动电话等方面应用广泛，用空间波来传播．
2.下列说法正确的是( )
A．微波和超短波一般采用天波传播
B．视频传输、移动电话一般采用地波传播方式
C．空间波的传播不需要中继站
D．电视和雷达的传播方式主要是空间波，这种传播方式在传输过程中受外界的干扰最小
解析：选D.微波和超短波一般采用空间波传播，由于空间波沿直线传播，不能进行远距离传播，要进行远距离传播要借助中继站，故A、C错，空间波在传播过程中受外界干扰小，视频传播、移动电话、雷达等都主要采用空间波．故B错，D对．
[随堂检测]
1．按频率由大到小的顺序，下列排列正确的是( )
A．γ射线→X射线→紫外线→红外线→可见光→无线电波
B．无线电波→紫外线→可见光→红外线→γ射线→X射线
C．红外线→可见光→紫外线→X射线→γ射线→无线电波
D．γ射线→X射线→紫外线→可见光→红外线→无线电波
解析：选D.对同一电磁波，其波长和频率成反比，按波长由小到大或按频率由大到小的顺序均为：γ射线→X射线→紫外线→可见光→红外线→无线电波，故选项D正确．
2．关于无线电波传播方式——地波，下列说法不正确的是( )
A．所有的无线电波都能很好地绕过几乎所有的障碍物
B．地波传播方式比较适合于长波段和中波段
C．无线电波的波长越长，地面的吸收就越小
D．地面的电性质在短时间内不会有大的改变，因此地波的传播比较稳定
解析：选A.当电磁波的波长大于或相当于障碍物的尺度时，可绕过障碍物．短波和微波的绕过能力很差，故A错．由地波的特点可判定B、C、D均正确．
3. 关于电磁波，下列说法中正确的是( )
A．在真空中，频率高的电磁波速度较大
B．在真空中，电磁波的能量越大，传播速度越大
C．电磁波由真空进入介质，速度变小，频率不变
D．只要发射电路的电磁振荡停止，产生的电磁波立即消失
解析：选C.在真空中，各种频率的电磁波传播的速度都相等，与电磁波的能量无关，所以选项A和B错误．电磁波的频率由产生电磁场的振荡电路决定，与介质无关；电磁波传播的速度与介质有关，选项C正确．电磁波从发射电路向空间传播时，电磁场的能量也随着一起传播，所以电磁振荡停止，产生的电磁波不会立即消失．综上所述，应选C.
4．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运用这种现象的医疗器械后面的横线上．
(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
5．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
[课时作业]
一、选择题
1．关于电磁波的说法中，正确的是( )
A．不同频率的电磁波在真空中的传播速度不同
B．不同频率的电磁波波长不同
C．频率高的电磁波其波长较长
D．电磁波的频率由接收电路的接收装置决定
解析：选B.所有电磁波在真空中传播速度都等于光速；由c＝λf，知波长与频率成反比，电磁波频率由发射装置决定．
2．下列关于电磁波的说法中正确的是( )
A．麦克斯韦电磁场理论预言了电磁波的存在
B．电磁波可以由均匀变化的磁场产生
C．雷达可以利用自身发射的电磁波的衍射波来对目标进行定位
D．随身携带的移动电话(手机)内，只有无线电接收装置，没有无线电发射装置
解析：选A.选项A符合物理史实．电磁波由周期性变化的磁场产生，B错误；雷达利用电磁波的反射确定目标位置，C错误；手机内应有发射电磁波的装置，D错误．
3．下列说法不正确的是( )
A．发射出去的无线电波，可以传播到无限远处
B．雷达是利用无线电波测定物体位置的无线电设备
C．波长越短的无线电波，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：选A.无线电波在传播过程中，遇到障碍物就被吸收一部分，能量不断减少．雷达和移动电话的传输都利用了无线电波，波长越短，传播方式越接近直线传播．故B、C、D均正确，A错误．
4．电视各频道所用的传输图象信号的电磁波波段属于( )
A．长波 B.中波
C．短波 D.微波
解析：选D.因为微波段是利用空间波传播的，空间波在传输过程中受外界干扰最小，在视频传输、移动电话等方面很适合应用．故电视信号应用微波．
5．关于无线电波传播方式——天波，下列说法正确的是( )
A．波长越长，电离层的反射作用越难
B．波长越长，电离层的吸收作用越强
C．“频率逃逸”指的是电台发射的电磁波频率丢失了
D．天波传播方式最稳定，最适合于短波的传播
解析：选B.电离层的反射特性与无线电波的波长有关，波长越长，越容易反射，电离层的吸收作用随自由电子密度、无线电波波长的增大而增大，故A错，B正确；天波的最大缺点是传播不稳定，故D错；如果收听远地电台广播会发现已调准的电台突然声音变小，听不清楚，在短时间内不能自行恢复，必须重新调节，这种现象称为“频率逃逸”，故C错．
6．波长为300 m的电磁波，以下分析正确的是( )
A．它的传播速度总是3×108 m/s
B．它的频率是106 Hz
C．它在水中传播的波长仍为300 m
D．它在水中传播时的频率大于106 Hz
解析：选B.真空中波速为3×108 m/s，则频率f＝＝ Hz＝106 Hz.
在水中波速和波长变小，而频率不会改变．
7．北京广播台发射“中波”段某套节目的讯号、家用微波炉中的微波、VCD机中的激光、人体透视用的X光，都是电磁波，它们的频率分别为f1、f2、f3、f4( )
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．
8．宇航员在太空离开航天飞机的密封舱从事修复卫星等工作时，必须通过无线电对讲机交谈传递信息，这是因为( )
A．宇航员穿着全封闭式增压宇航服，他们之间无法直接对话
B．舱外宇航员和航天飞机内的宇航员之间相隔距离较远
C．在远离地面的太空没有空气
D．利用无线电波传递信息较快
解析：选C.电磁波能在真空中传播，而声波则需要介质才能传播．所以宇航员在没有空气的太空中交流必须利用电磁波来完成．
二、非选择题
9．上海电视台演播厅正在现场直播文艺晚会，某观众在离演员30 m处观看，而北京的一位同学在电视机前观看同一节目．已知北京到上海的距离为1 460 km，问声音先传到哪个人的耳朵里？为什么？
解析：根据声速和电磁波波速来比较：
该声音从演员传到观众所需时间为t1，则
t1＝ s≈0.088 s，
无线电波传播用时间t2＝ s≈0.004 9 s，
所以，先传到北京那位同学耳中．
答案：见解析
10．某雷达工作时，发射电磁波的波长为λ＝20 cm，每秒脉冲数n＝5 000，每个脉冲持续时间t＝0.02 μs，问电磁波的振荡频率为多少？最大的侦察距离是多少？
解析：一般在空气中传播时，电磁波的传播速度就认为等于光速c＝3.0×108 m/s.
由公式c＝λf得：f＝＝1.5×109 Hz.
雷达工作时发射电磁脉冲，每个脉冲持续时间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s，则2s＝c·Δt，而Δt＝ s＝200 μs?0.02 μs(脉冲持续时间可以略去不计)，所以s＝＝3×104 m.
答案：1.5×109 Hz 3×104 m
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