第四章电磁波及其应用

第四章电磁波及其应用Ⅰ学习目标知识与技能1．了解麦克斯韦电磁场理论的基本思想。2．了解电磁波谱，知道波谱中各种波段的特点，知道电磁波频率、波长与波速的关系。3．了解电磁波的发射和接收。4．了解常见传感器及其应用，体会传感器的应用给人们带来的方便。5．结合日常生活中的应用实例了解电磁波的技术应用对人类生活方式的影响。过程与方法1．通过从观察、认识形式多样的电磁现象到构建统一的电磁理论的过程，体会科学家不畏艰辛、勇于探索和创新的研究过程。2．通过了解电磁波应用的实际例子，体会技术应用在推动人类社会发展的同时，也引起了资源、环境等问题。3．通过学习物理学的内容及其应用的同时，体会物理学的发展对人类文化、社会的影响。情感、态度和价值观通过物理理论的学习，培养不畏艰辛、勇于探索和创新的精神。通过了解电磁波的应用，培养学生理论联系实际，激发学生深入地认识科学、技术与社会的关系。Ⅱ学习指导一、本章知识结构信息时代信息的处理和数学通信信息的拾取和传感器信息化社会电视和移动通信无线电波的接收无线电波的发射电磁波的发射和接收太阳辐射电磁波的能量电磁波谱频率和波速波长电磁波谱赫兹实验电磁波麦克斯韦电磁场理论电磁波的发现、二、本章重难点分析1．电磁波的发现麦克斯韦系统地总结了人类在19世纪中叶对电磁规律研究成果，其中既有库仑、安培、奥斯特、法拉第和亨利的开创之功，也有他自己创造性的努力。最终以一组今天称为麦克斯韦方程组的电磁场方程，宣告了完整电磁场理论的建立。麦克斯韦方程组深刻地揭示了电场与磁场的密切联系。例1：关于电磁理论，以下说法正确的是()A．在电场周围一定会产生磁场电磁波及其应用B．任何变化的电场周围空间一定会产生变化的磁场C．均匀变化的电场会产生变化的磁场D．周期性变化的电场会产生周期性变化的磁场解析：变化的电场周围一定产生磁场，但若电场不发生变化，则不能在周围空间产生磁场，所以A错。均匀变化的电场在周围空间产生磁场是不变的，只有不均匀变化的电场才能在周围空间产生变化的磁场，B错。均匀变化的电场只能在周围空间产生稳定的磁场，C错。周期性变化的电场(或磁场)在周围空间产生周期性变化的磁场(或电场)，因此答案D正确。稳定的磁场(电场)不产生电场(磁场)。均匀变化的电场(磁场)在周围空间产生稳定的磁场(电场)，不产生电磁波，只有周期性变化的磁场(电场)才能产生周期性变化的电场(磁场)，这样才能产生电磁波。例2：物理学可分为实验物理学和理论物理学，实验物理学是指用实验方法研究物理规律，它是经典物理学的基础，也是现代物理学的基础。理论物理学是从各类物理现象的普遍规律出发，运用数学理论和方法，系统深入的阐述有关概念，现象及其应用。在电磁波的发现过程中，麦克斯韦和赫兹分别做了什么工作？他们是实验物理学家还是理论物理学家？解析：麦克斯韦在前人成就的基础上，对整个电磁现象作了系统、全面的研究，凭借他高深的数学造诣和丰富的想象力，将电磁场理论用简洁、对称、完美的数学形式表示出来，经后人整理和改写，成为经典电动力学主要基础的麦克斯韦方程组。据此，1865年他预言了电磁波的存在，电磁波只可能是横波，并计算了电磁波的传播速度等于光速，同时得出结论：光是电磁波的一种形式，揭示了光现象和电磁现象之间的联系。可以说他是一位理论物理学家。赫兹在物理学上的主要贡献是通过实验，证实了电磁波的存在，并做了一系列关于电磁波和光波类比的实验，表明电磁波也具有折射、衍射、干涉、偏振等一系列物理现象，证明了电磁波具有光波的一切性质，为无线电、电视和雷达的发展找到了途径，可以说他是一位实验物理学家。2．电磁波谱(1)频率、波速、波长波的频率就是波源振动的频率。波源作一次全振动，正好形成一个完整的波形，所以波的频率反映了每秒内形成全波的个数。它仅由波源决定，与介质无关。波传播时，各点的振动频率都等于波源的频率。波的频率与周期的关系是Tf1或fT1。频率的单位是赫兹(Hz)，也常用千赫(kHz)或兆赫(MHz)做单位。1kHz＝1000Hz，1MHz＝1000000Hz。波速：波在单位时间内传播的距离，波速的大小与介质有关，任何频率的电磁波在真空中的波速都为c＝3.00×108m／s，电磁波由真空进入任何介质后波速都将减小。波长：沿着波的传播方向，两个相邻的、在振动过程中振动情况总是相同的点间的距离。在横波中，两个相邻波谷间的距离或两个波峰间的距离都等于波长。波长也是波在一个振动周期中传播出去的距离。由波速、波长的定义可知：在振动的一个周期内，振动状态传播的距离恰是一个波长，所以λ＝vT，或fv由上式可以看出，同一频率的波，在不同媒质中的波速是不同的，因而波长也就不同。式中λ表示波长。波长、波速和波源振动频率，称为波的三要素。例3：电磁波在空气中的传播速度为3×108m／s，某广播电台能够发射波长为50m的无线电波，那么收音机接收这个电台时，接受频率应工作在()A．150MHzB．500MHzC．6.00MHzD．3.00MHz解析：因为电磁波的波速、波长、频率的关系是c＝λf，所以501000.38cf6.00×106Hz＝6.00MHz(2)电磁波谱自从1888年赫兹通过一系列实验证实了电磁波的存在之后，时至今日，不仅证明了光波是电磁波，而且证明了红外线、紫外线、X射线、γ射线等均是不同频率范围内的电磁波。科学研究证明电磁波是一个大家族。把它们按波长(或频率)顺序排列就构成了电磁波谱。依照波长的长短以及波源的不同，电磁波谱可大致分为：①无线电波——波长从几千米到0.3m左右，一般的电视和无线电广播的波段就是用这种波；②微波——波长从0.3～10－3m，这些波多用在雷达或其他通讯系统；③红外线——波长从10－3～7.8×10－7m；④可见光——这是人们所能感光的极狭窄的一个波段，波长从(7.8～3.8)×10－9m。光是原子或分子内的电子运动状态改变时所发出的电磁波，由于它是我们能够直接感受而察觉的电磁波极少的那一部分；⑤紫外线——波长从3×10－7～6×10－10m。这些波产生的原因和光波类似，常常在放电时发出。由于它的能量和一般化学反应所牵涉的能量大小相当，因此紫外线的化学效应最强；⑥X射线(伦琴射线)——这部分电磁波谱，波长从2×10－9～6×10－12m。X射线是电原子的内层电子由一个能态跃迁至另一个能态时所发出的；⑦γ射线——是波长从10－10～10－14m的电磁波。这种不可见的电磁波是原子核受激发而形成的，放射性物质或原子核反应中常有这种辐射伴随着发出。γ射线的穿透力很强，对生物的破坏力很大。例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空格上。(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”是利用了________________________________。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射线的很强的贯穿力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：X射线能够穿透肌肉物质，可以用来检查人体内部器官；紫外线具有较高的能量，足以破坏细菌中的物质，因此可以用杀菌消毒；红外线有加热物体的能力，可以使伤口升温，加快血液循环，使伤口愈合。答：(1)D；(2)C；(3)E3．电磁波的利用(1)电磁波的发射：调制、调幅、调频调制就是对信号源的信息进行处理，使其变为适合于信道传输的形式的过程。一般来说，信号源的信息(也称为信源)含有直流分量和频率较低的频率分量，称为基带信号。基带信号往往不能作为传输信号，因此必须把基带信号转变为一个相对基带频率而言频率非常高的信号以适合于信道传输。这个信号叫做已调信号，而基带信号叫做调制信号。调制是通过改变高频载波的幅度、相位或者频率，使其随着基带信号幅度的变化而变化来实现的。在通信中，我们常常采用的调制方式有以下几种：A．对于模拟调制而言，主要有调幅(幅度调制)和调频(角度调制)两种。B．对于数字调制而言，主要有脉冲调制(脉幅调制，脉宽调制等)以及增量调制等。使载波振幅按照调制信号改变的调制方式叫调幅。经过调幅的电波叫调幅波。它保持着高频载波的频率特性，但振幅连线的形状则和信号波形相似。调幅波的振幅大小，由调制信号的强度决定。调幅波用英文字母AM表示。使载波频率按照调制信号改变的调制方式叫调频。已调波频率变化的大小由调制信号的大小决定，变化的周期由调制信号的频率决定。已调波的振幅保持不变。调频波的波形，就像是个被压缩得不均匀的弹簧，调频波用英文字母FM表示。(2)电磁波的接收：调谐、解调在信号接收时，使接收电路的固有频率跟接收的无线电波的频率相同，从而在接收电路中激起较大的振荡电流的过程叫做调谐。例如：旋转收音机的调台旋钮。解调则是将基带信号从载波中提取出来以便接收者(也称为信宿)处理和理解的过程。(3)电视电视的工作原理：电视信号从点到面的顺序取样、传送和复现是靠扫描来完成的。各国的电视扫描制式不尽相同，在中国是每秒25帧，每帧625行。每行从左到右扫描，每帧按隔行从上到下分奇数行、偶数行两场扫完，用以减少闪烁感觉。扫描过程中传送图像信息。当扫描电子束从上一行正程结束返回到下一行起始点前的行逆程回扫线，以及每场从上到下扫完，回到上面的场逆程回扫线均应予以消隐。在行场消隐期间传送行场同步信号，使收、发的扫描同步，以准确地重现原始图像。电视摄像是将景物的光像聚焦于摄像管的光敏(或光导)靶面上，靶面各点的光电子的激发或光电导的变化情况随光像各点的亮度而异。当用电子束对靶面扫描时，即产生一个幅度正比于各点景物光像亮度的电信号。传送到电视接收机中使显像管屏幕的扫描电子束随输入信号的强弱而变。当与发送端同步扫描时，显像管的屏幕上即显现发送的原始图像。电视信号传输分配的过程，以转播其他城市中的实况为例，一般从摄像机、电视中心或转播车，再经微波中继线路、发射台，最后到用户电视接收机。此外，电视广播卫星和电缆电视也分别是全国性和城市区域性电视传输分配的有效手段。(4)移动通信移动通信是移动体之间的通信，或移动体与固定体之间的通信。移动体可以是人，也可以是汽车、火车、轮船、收音机等在移动状态中的物体。移动通信系统由两部分组成：①空间系统；②地面系统(卫星移动无线电台、天线、关口站、基站)。移动通信系统自20世纪80年代诞生以来，到2020年将大体经过5代的发展历程。到2010年，将从第3代过渡到第4代(4G)。到4G，除蜂窝电话系统外，宽带无线接入系统、毫米波LAN、智能传输系统(ITS)和同温层平台(HAPS)系统将投入使用。未来几代移动通信系统最明显的趋势是要求高数据速率、高机动性和无缝隙漫游。实现这些要求在技术上将面临更大的挑战。此外，系统性能(如蜂窝规模和传输速率)在很大程度上将取决于频率的高低。考虑到这些技术问题，有的系统将侧重提供高数据速率，有的系统将侧重增强机动性或扩大覆盖范围。从用户角度看，可以使用的接入技术包括：蜂窝移动无线系统，如3G；无绳系统，如DECT；近距离通信系统，如蓝牙和DECT数据系统；无线局域网(WLAN)系统；固定无线接入或无线本地环系统；卫星系统；广播系统，如DAB和DVB－T；ADSL和CableModem。例5：我们说话的声音一般只能传几十米，最多只有几百米；而当我们的声音通过无线电广播却可以传几千千米以外，甚至传遍全球。为什么？解析：我们说话的声音是在空气中传播的声波，能量很低而且在空气中的损耗很大，传播不太远的距离就损耗殆尽了。而无线电广播中的声音信号是搭载在高频电磁波上的，高频电磁波的能量很高而且在空气中损耗很小，因而能传播很远的距离。4．电磁波与信息处理(1)传感器传感器是把非电学物理量(如位移、速度、压力、温度、湿度、流量、声强、光照度等)转换成易于测量、传输、处理的电学量(如电压、电流、电容等)的一种