粤教版 (2019)选择性必修 第二册第三节 电磁波的发射、传播和接收导学案

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[学习目标] 1.知道麦克斯韦电磁场理论，知道麦克斯韦的预言和赫兹实验.2.知道有效发射电磁波的两个条件.3.了解调制、调谐、解调(检波)的概念，了解电磁波的几种传播方式．
一、麦克斯韦电磁场理论
1．两个基本假设
(1)变化的磁场周围会产生电场
①实验基础：如图1所示，在变化的磁场中放置一个闭合电路，电路中就会产生感应电流．
图1
②麦克斯韦的观点：变化的磁场产生电场，导体中的自由电荷受到电场力的驱使做定向移动，使电路中产生感应电流．
③实质：变化的磁场周围产生电场．即使没有闭合电路，空间仍然存在电场．
(2)变化的电场周围会产生磁场
麦克斯韦假设，既然变化的磁场能产生电场，那么变化的电场周围也会产生磁场．
2．电磁场
变化的磁场产生电场，变化的电场产生磁场．变化的电场和磁场总是相互联系，形成一个不可分离的统一体，即电磁场．
3．伟大的预言
(1)麦克斯韦预言：变化的电场和磁场由近及远地向周围空间传播，形成电磁波．
(2)电磁波的特点：
①电磁波是横波，电场强度E、磁感应强度B相互垂直，并且都和电磁波的传播方向垂直．
②电磁波的频率即为电磁振荡的频率，由波源决定，与介质无关．
③电磁波在真空中的传播速度等于光在真空中的传播速度，光波的本质是电磁波．
4．赫兹实验
德国物理学家赫兹用实验证实了电磁波的存在，观察到电磁波的反射、折射、干涉、衍射和偏振等现象．
二、电磁波的发射
1．要有效地发射电磁波，LC振荡电路必须具有的两个条件：
(1)要有足够高的振荡频率，频率越高，发射电磁波的本领越大．
(2)LC振荡电路的电场和磁场必须分散到尽可能大的空间，因此采用开放电路．
2．电磁波的调制：把低频的电信号“加载”在高频振荡电流上的过程，调制分为调幅和调频．
(1)调幅(AM)：使高频电磁波的振幅随信号的强弱而变的调制方法．
(2)调频(FM)：使高频电磁波的频率随信号的强弱而变的调制方法．
三、电磁波的传播
无线电波的传播方式主要有三种：地波、天波和直线传播．
四、电磁波的接收
1．接收原理：电磁波在传播时如果遇到导体，会在导体中产生微弱的感应电流，感应电流的频率与激起它的电磁波的频率相同．
2．调谐：调节接收电路的固有频率与需要接收的无线电波的频率相同，该频率的无线电波在接收电路里激起的振荡电流最强．
3．检波：从高频振荡电流中“检”出它所携带的低频信号电流的过程．检波是调制的逆过程．
判断下列说法的正误．
(1)在变化的磁场周围一定会产生变化的电场．( × )
(2)电磁波是横波．( √ )
(3)各种频率的电磁振荡都能辐射电磁波，振荡周期越大，越容易辐射电磁波．( × )
(4)为了有效地向外辐射电磁波，振荡电路必须采用开放电路，同时提高振荡频率．( √ )
(5)只有被接收的电磁波才能在接收电路中产生感应电流．( × )
(6)调幅就是使高频电磁波的振幅随信号的强弱而变．( √ )
(7)检波就是把声音或图像信号从高频电流中还原出来．( √ )
一、麦克斯韦两个基本假设
对麦克斯韦电磁场理论的理解
(1)变化的磁场产生电场
①均匀变化的磁场产生恒定的电场．
②非均匀变化的磁场产生变化的电场．
③周期性变化的磁场产生同频率的周期性变化的电场．
(2)变化的电场产生磁场
①均匀变化的电场产生恒定的磁场．
②非均匀变化的电场产生变化的磁场．
③周期性变化的电场产生同频率的周期性变化的磁场．
关于麦克斯韦电磁场理论，下列说法正确的是( )
A．在电场周围一定产生磁场，磁场周围一定产生电场
B．在变化的电场周围一定产生变化的磁场，在变化的磁场周围一定产生变化的电场
C．均匀变化的电场周围一定产生均匀变化的磁场
D．周期性变化的电场周围一定产生周期性变化的磁场
答案 D
解析 根据麦克斯韦电磁场理论，只有变化的电场能产生磁场，均匀变化的电场产生恒定的磁场，周期性变化的电场周围产生周期性变化的磁场．故选项D正确．
针对训练1 用麦克斯韦电磁场理论判断如图所示的四组电场产生的磁场(或磁场产生的电场)随时间t的变化规律，其中错误的是( )
答案 C
解析 恒定的电场不产生磁场，选项A正确；均匀变化的电场产生恒定的磁场，选项B正确；周期性变化的磁场产生同频率周期性变化的电场，产生的电场的电场强度与磁场的磁感应强度的变化率成正比，对于正弦曲线，t＝0时，磁场的磁感应强度的变化率最大，故产生的电场的电场强度最大，选项C错误，D正确．
二、伟大的预言 赫兹实验
导学探究 如图2所示的实验装置，当接在高压感应圈上的两金属球间有电火花时，导线环上两小球间也会产生电火花，这是为什么？这个实验证实了什么问题？
图2
答案 当A、B两金属球间产生电火花时就会产生变化的电磁场，这种变化的电磁场传播到导线环时，在导线环中激发出感应电动势，使导线环上两小球间也产生电火花．这个实验证实了电磁波的存在．
知识深化
电磁波的特点
(1)电磁波是横波，在传播方向上的任一点，E和B彼此垂直且均与传播方向垂直．如图3所示．
图3
(2)电磁波的频率即为电磁振荡的频率，由波源决定，与介质无关．
(3)电磁波的传播不需要介质，在真空中电磁波的传播速度跟光速相同，即v真空＝c＝3.0×
108 m/s.
(4)电磁波具有波的共性，能产生干涉、衍射、反射、折射和偏振等现象，电磁波也是传播能量的一种形式．
(5)电磁波波速c，波长λ及频率f之间的关系为c＝λf.
(多选)下列关于电磁波的叙述中，正确的是( )
A．电磁波是电磁场由发生区域向远处的传播
B．电磁波在任何介质中的传播速度均为3×108 m/s
C．电磁波由真空进入介质传播时，波长变短
D．电磁波具有波的一切特征
答案 ACD
解析 由电磁波的定义可知A项正确；电磁波只有在真空中传播时，其速度为3×108 m/s，故B项错误；电磁波在传播过程中其频率f不变，由波速公式v＝λf知，由于电磁波在介质中的传播速度比在真空中的传播速度小，所以可得此时波长变短，故C正确；电磁波是一种波，具有波的一切特性，能产生干涉、衍射等现象，故D项正确．
针对训练2 下列关于电磁波的说法正确的是( )
A．均匀变化的磁场能够在空间产生电场
B．电磁波在真空和介质中传播速度相同
C．只要有电场和磁场，就能产生电磁波
D．电磁波在同种介质中只能沿直线传播
答案 A
解析 均匀变化的磁场产生恒定的电场，故A正确；电磁波在真空中以光速c传播，而在介质的传播速度小于光速，故B错误；恒定的电场不能产生磁场，恒定的磁场不能产生电场，所以有电场和磁场不一定能产生电磁波，故C错误；电磁波在同一均匀介质中沿直线匀速传播，当介质不均匀时可以发生折射和反射，故传播方向可以改变，故D错误．
三、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，如图4.
图4
2．调制
(1)概念：把要传递的信号“加载”到高频等幅振荡电流上，使载波随各种信号而改变．
(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5所示．
图5
②调频：使高频电磁波的频率随信号的强弱而改变的调制技术，如图6所示．
图6
为了增大无线电台向空间发射无线电波的能力，对LC振荡电路的结构可采用下列哪些措施( )
A．增大电容器极板的正对面积
B．增大电容器极板的间距
C．增大自感线圈的匝数
D．提高供电电压
答案 B
解析 要增大无线电台向空间发射电磁波的能力，必须提高其振荡频率，即减小L或减小C.要减小L，可通过减小线圈匝数、向外抽铁芯的方法；要减小C，可采用增大板间距、减小极板正对面积、减小介电常数的办法，故B正确．
实际发射无线电波的过程如图7甲所示，高频振荡器产生高频等幅振荡如图乙所示，人对着话筒说话时产生低频信号如图丙所示．则发射出去的电磁波图像应是( )
图7
答案 B
解析 使电磁波随各种信号而改变的技术，称为调制．调制共有两种方式：一种是调幅，即通过改变电磁波的振幅来实现信号加载；另一种是调频，即通过改变频率来实现信号加载，由各选项的图形可知，该调制波为调幅波，即发射信号的振幅随声音信号振幅的变化而变化．故选B.
四、电磁波的传播与接收
1．电谐振和调谐
当接收电路的固有频率与需要接收的无线电波的频率相同时，在接收电路中发生电谐振，此时这个接收的频率在电路中激起的振荡电流最强，这个过程称为调谐．
2．调谐和解调的区别：调谐就是一个选台的过程，即选携带有用信号的高频振荡电流，在接收电路中产生最强的感应电流的过程；解调是将高频电流中携带的有用信号分离出来的过程．
调节收音机的调谐回路时，可变电容器的动片从全部旋入到完全旋出仍接收不到某较高频率的电台信号，为接收到该电台信号，则应( )
A．加大电源电压
B．减小电源电压
C．增加谐振线圈的匝数
D．减少谐振线圈的匝数
答案 D
解析 由于f＝eq \f(1,2π\r(LC))，C越小、L越小，f越大．动片旋出，正对面积S减小，C减小，S调到最小，即C最小时，f还未达到高频率f0，则必须调节L减小，即减少谐振线圈的匝数，选项C错误，D正确；频率f与电源电压无关，选项A、B错误．
调谐电路的调节，要特别注意以下问题
1．调节方向：由题中情景准确判断出电路的固有频率应该调大还是调小．
2．频率公式f＝eq \f(1,2π\r(LC))，根据(1)中的调节方向，可进一步准确判定电容C和电感L是该调大还是调小．
针对训练3 在如图8所示的电路中，C1＝200 pF，L1＝40 μH，L2＝160 μH，怎样才能使回路2与回路1发生电谐振？发生电谐振的频率是多少？
图8
答案 改变可变电容器C2的电容，使得C2为50 pF
1．78 MHz
解析 发生电谐振时两电路的固有频率相同．为使回路发生电谐振，可以改变可变电容器C2，使f2＝f1，
即eq \f(1,2π\r(L2C2))＝eq \f(1,2π\r(L1C1))
C2＝eq \f(L1C1,L2)＝eq \f(40×200,160) pF＝50 pF.
发生电谐振时的频率
f1＝eq \f(1,2π\r(L1C1))≈1.78×106 Hz＝1.78 MHz.
1．(电磁场)下列说法中正确的是( )
A．任何变化的磁场都要在周围空间产生变化的电场，振荡磁场在周围空间产生同频率的振荡电场
B．任何电场都要在周围空间产生磁场，振荡电场在周围空间产生同频率的振荡磁场
C．任何变化的电场都要在周围空间产生磁场，振荡电场在周围空间产生同频率的振荡磁场
D．电场和磁场总是相互联系着，形成一个不可分割的统一体，即电磁场
答案 C
解析 根据麦克斯韦电磁场理论，如果电场(磁场)的变化是均匀的，产生的磁场(电场)是恒定的；如果电场(磁场)的变化是不均匀的，产生的磁场(电场)是变化的；振荡电场(磁场)在周围空间产生同频率的振荡磁场(电场)；周期性变化的电场和周期性变化的磁场总是相互联系着，形成一个不可分割的统一体，即电磁场，故选C.
2．(电磁波)(多选)下列关于机械波与电磁波的说法中，正确的是( )
A．机械波和电磁波本质上是一致的
B．机械波的波速只与介质有关，而电磁波在介质中的波速不仅与介质有关，还与电磁波的频率有关
C．机械波可能是纵波，而电磁波必定是横波
D．它们都能发生反射、折射、干涉和衍射现象
答案 BCD
解析 机械波由振动产生，电磁波由周期性变化的电场(或磁场)产生；机械波是能量波，传播需要介质，速度由介质决定；电磁波是物质波，波速由介质和自身的频率共同决定；机械波有横波，也有纵波，而电磁波一定是横波，它们都能发生反射、折射、干涉和衍射等现象，故选项A错误，B、C、D正确．
3．(电磁波的发射)(多选)关于调制的作用，下列说法正确的是( )
A．调制的作用是把低频信号的信息加载到高频电磁波上去
B．调幅的作用是把低频信号的信息加载到高频电磁波的振幅上去
C．调频的作用是把低频信号的信息加载到高频电磁波的频率上去
D．调频的作用是将低频信号变成高频信号，再放大后直接发射出去
答案 ABC
4.(电磁波的接收)在如图9所示的LC振荡电路中，已知线圈的自感系数不变，电容器为可调电容器，开始时电容器的电容为C0，要发生电谐振应使振荡电路的固有频率加倍．则电容器的电容应变为( )
图9
A．4C0 B．2C0
C.eq \f(1,2)C0 D.eq \f(1,4)C0
答案 D
解析 由题意，固有频率变为原来的2倍，即周期变为原来的eq \f(1,2)，由T＝2πeq \r(LC)知，L不变，只有C＝eq \f(1,4)C0时符合要求，D正确．
考点一 电磁场
1．在下图所示的四种磁场情况中能产生恒定的电场的是( )
答案 C
解析 A中磁场不变，则不会产生电场，故A错误；B中磁场方向变化，而大小不变，则不会产生恒定的电场，故B错误；C中磁场随时间均匀变化，则会产生恒定的电场，故C正确；D中磁场随时间做非均匀变化，则会产生非均匀变化的电场，故D错误．
2.如图1所示是空间磁感应强度B随时间t的变化图像，在它周围空间产生的电场中的某一点场强E应( )
图1
A．逐渐增强
B．逐渐减弱
C．不变
D．无法确定
答案 C
解析 由题图可知，磁场均匀增强，根据麦克斯韦电磁场理论，均匀变化的磁场产生恒定的电场，故场强E不变，选项C正确．
考点二 电磁波
3．下列关于电磁波的说法，正确的是( )
A．只要有电场和磁场，就能产生电磁波
B．电场随时间变化时，一定产生电磁波
C．做非匀变速运动的电荷可以产生电磁波
D．麦克斯韦第一次用实验证实了电磁波的存在
答案 C
解析 只有周期性变化的电场和磁场，才能激发电磁波，而稳定的电场和磁场不能产生电磁波，A错误；均匀变化的电场，产生恒定的磁场，但是恒定的磁场不能产生电场，故不能产生电磁波，B错误；做非匀变速运动的电荷可以在空间产生变化的电磁场，形成电磁波，C正确；赫兹第一次用实验证实了电磁波的存在，D错误．
4．(多选)下列关于电磁波的说法中正确的是( )
A．只要电场或磁场发生变化，就能产生电磁波
B．电磁波传播需要介质
C．赫兹用实验证实了电磁波的存在
D．电磁波具有能量，电磁波的传播是伴随有能量向外传递的
答案 CD
解析 如果电场(或磁场)是均匀变化的，产生的磁场(或电场)是稳定的，就不能再产生新的电场(或磁场)，也就不能产生电磁波；电磁波不同于机械波，它的传播不需要介质；赫兹用实验证实了电磁波的存在；电磁波具有能量，它的传播是伴随有能量传递的．故选C、D.
考点三 无线电波的发射
5．(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，除了使用开放电路，还可以( )
A．增大电容器极板间的距离
B．减小电容器极板的正对面积
C．减少线圈的匝数
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＝eq \f(1,2π\r(LC))、C＝eq \f(εrS,4πkd)可知，选项A、B、C正确，D错误．
6．电台将播音员的声音转换成如图2甲所示的电信号，再加载到如图乙所示的高频载波上，使高频载波的振幅随电信号改变(如图丙所示)．这种调制方式称为( )
图2
A．调频 B．调谐 C．调幅 D．解调
答案 C
解析 使电磁波随各种信号而改变的技术称为调制，而调制共有两种方式：一种是调幅，即通过改变电磁波的振幅来实现信号加载；另一种是调频，即通过改变电磁波的频率来实现信号加载．由题意可知高频载波的振幅随电信号改变，故为调幅，故选C.
考点四 无线电波的接收
7．在无线电广播的接收中，调谐和检波是两个必须经历的过程，下列关于接收过程的顺序，正确的是( )
A．调谐→高频放大→检波→音频放大
B．检波→高频放大→调谐→音频放大
C．调谐→音频放大→检波→高频放大
D．检波→音频放大→调谐→高频放大
答案 A
解析 调谐是从众多的电磁波中选出所需频率的高频信号，然后进行高频放大，再从放大后的高频信号中“检”出高频信号所承载的低频声音信号，最后将这些低频声音信号放大后通过扬声器播放出来，综上所述，A对．
8．世界各地有许多无线电台同时广播，用收音机一次只能收听到某一电台的播音，而不是同时收听到许多电台的播音，其原因是( )
A．收听到的电台离收音机最近
B．收听到的电台频率最高
C．接收到的电台电磁波能量最强
D．接收到的电台电磁波与收音机调谐电路的频率相同，产生了电谐振
答案 D
解析 选台就是调谐过程，使f固＝f电磁波，在接收电路中产生电谐振激起的感应电流最强，故选D.
9．收音机中的调谐电路线圈的自感系数为L，要想接收波长为λ的电台信号，应把调谐电路中电容器的电容调至(c为光速)( )
A.eq \f(λ,2πLc) B.eq \f(1,2π\r(Lcλ))
C.eq \f(λ2,2πLc2) D.eq \f(λ2,4π2Lc2)
答案 D
解析 由T＝2πeq \r(LC)及在真空中c＝eq \f(λ,T)得，C＝eq \f(λ2,4π2Lc2)，故选D.
10．(多选)如图3甲所示是一个调谐接收电路，乙、丙、丁为电路中的电流随时间变化的图像，则( )

图3
A．i1是L1中的电流图像
B．i1是L2中的电流图像
C．i2是L2中的电流图像
D．i3是流过耳机的电流图像
答案 ACD
解析 L1中由于电磁感应，产生的感应电流的图像同题图乙相似，但是由于L2和二极管D串联，所以当L2的电压与D反向时，电路不通，因此这时L2没有电流，所以L2中的电流图像应是题图丙中的i2.高频成分通过C2，通过耳机的电流如题图丁中的i3，只有低频的音频电流，故选项A、C、D正确，B错误．
11．有一LC振荡电路，自感系数为30 μH，电容可调范围为1.2～270 pF.求：
(1)电路产生电磁波的频率范围；
(2)最大波长与最小波长的比值．
答案 (1)eq \f(1,18π)×108～eq \f(1,12π)×109 Hz (2)15
解析 (1)因为f＝eq \f(1,2π\r(LC))，
所以fmax＝eq \f(1,2π\r(LCmin))＝eq \f(1,\r(30×10－6×1.2×10－12))×eq \f(1,2π) Hz＝eq \f(1,12π)×109 Hz.
fmin＝eq \f(1,2π\r(LCmax))＝eq \f(1,\r(30×10－6×270×10－12))×eq \f(1,2π) Hz＝eq \f(1,18π)×108 Hz.
因此该电路产生的电磁波的频率范围是：eq \f(1,18π)×108～eq \f(1,12π)×109 Hz.
(2)由电磁波传播速度的表达式可得λ＝eq \f(c,f)＝c·2πeq \r(LC)，
所以eq \f(λmax,λmin)＝eq \r(\f(Cmax,Cmin))＝15.
12．某收音机接收电磁波的波长范围在577 m和182 m之间，该收音机LC电路的可变电容器的动片全部旋出时，电路总电容为39 pF，试分析：(计算结果均保留三位有效数字)
(1)动片全部旋出时，对应收音机接收电磁波的波长为多大？此LC电路的线圈的自感系数为多少？
(2)该收音机LC电路的可变电容器的动片完全旋入时，电容器的电容为多大？
答案 (1)182 m 0.239 mH (2)392 pF
解析 (1)由λ＝c·T，T＝2πeq \r(LC)可得λ＝2πceq \r(LC)
动片完全旋出时，电容器极板正对面积最小，由C＝eq \f(εrS,4πkd)可知，此时电容器的电容最小，电容为C＝39 pF，所以此时对应的接收电磁波的波长最小，为182 m，
由上面关系式可得L＝eq \f(λ2,4π2c2C)
代入数据可得L≈0.239 mH.
(2)由λ＝2πceq \r(LC)得eq \f(Cmax,Cmin)＝eq \f(λmax2,λmin2)
所以Cmax＝eq \f(λmax2,λmin2)Cmin＝eq \f(5772,1822)×39 pF≈392 pF.