4.3 无线电波的发射和接收-2023-2024学年高二物理下学期同步学案+典例+练习（人教版选择性必修第二册）

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4.3 无线电波的发射和接收
基础知识梳理

一、无线电波的发射
1．要有效地发射电磁波，振荡电路必须具有的两个特点：
(1)要有足够高的 ，频率越高，发射 的本领越大．
(2)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 ．
2．实际应用中的开放电路，线圈的一端用导线与大地相连，这条导线叫作 ；线圈的另一端与高高地架在空中的天线相连．
3．电磁波的调制：在电磁波发射技术中，使载波随各种信号而改变的技术．
调制分为 和 ．
(1)调幅(AM)：使高频电磁波的 随信号的强弱而改变的调制方法．
(2)调频(FM)：使高频电磁波的 随信号的强弱而改变的调制方法．
二、无线电波的接收
1．接收原理：电磁波在传播时如果遇到导体，会使导体中产生 ，空中的导体可以用来接收 ，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收到的电磁波的频率相同时，接收电路中产生的振荡电
流 ，这种现象叫作 ，相当于机械振动中的 ．
(1)调谐：使接收电路产生电谐振的过程．
(2)解调：把声音或图像信号从 电流中还原出来的过程．调幅波的解调也叫 ．
三、电视广播的发射和接收
1．电视广播信号是一种 信号，实际传播中需要通过载波将信号调制成高频信号再进行传播．
2．高频电视信号的三种传播方式：地面无线电传输、有线网络传输以及卫星传输．
3．电视信号的接收：电视机接收到的高频电磁波信号经过解调将得到的信号转变为
和 ．
【参考答案】振荡频率 电磁波 开放电路 地线 调幅 调频 振幅 频率 感应电流 电磁波 最强 电谐振 共振 高频 检波 无线电 图像信号 伴音信号
典型例题分析

考点一：电磁波的发射和接收
【例1】2022年7月1日，庆祝香港回归祖国25周年大会隆重举行，世界各地观众都能收看到大会实况，是因为电视信号可通过卫星覆盖全球。关于电磁波，下列说法正确的是（　　）

A．电磁波在真空中的传播速度与频率、能量有关，频率越高、能量越大，传播速度越大
B．当电磁波源消失后就不能产生新的电磁波，但已发出的电磁波不会立即消失
C．电磁波不能在真空中传播，且只能传递声音信号，不能传递图像信号
D．香港电视台与沈阳电视台发射的电磁波的频率不同，故传播速度不同
【答案】B
【详解】A．电磁波在真空中的传播速度是光速，与频率、能量无关，A错误；B．一旦电磁波形成了，电磁场就会向外传播，当波源消失后只是不能产生新的电磁波，但已发出的电磁波不会立即消失，B正确；C．电磁波传播不需要介质，可在真空中传播，电磁波既能传递声音信号，又能传递图像信号，C错误；D．香港电视台与沈阳电视台发射的电磁波的频率不同，但传播速度相同，D错误。故选B。
【变式练习】
1．“神舟五号”飞船飞行过程中，由多个地面测控站和四艘“远望号”远洋航天测量船组成了测控网，通过发射和接收某种波，对飞船进行跟踪、测量与控制。这种波是（　　）
A．红外线 B．X射线 C．电磁波 D．超声波
【答案】C
【详解】在用于通信的电磁波中，不同用途的设备使用的电磁波的频率范围不同，用于电视、雷达、无线电导航及测控等的是微波（电磁波的一种）。故选C。
2．无线电波可以用于广播及其他信号的传输。无线电波的波长从几毫米到几十千米。通常根据波长把无线电波分成长波、中波、短波和微波。以下关于无线电波的说法正确的是（　　）
A．长波的波长长，频率低
B．微波的波长短，频率也低
C．无论长波、中波、短波和微波，它们在真空中的传播速度均相同
D．在真空中长波的传播速度最大
【答案】C
【详解】AB．长波的波长长、频率低，微波的波长短、频率高，故AB错误；CD．无论长波、中波、短波和微波，它们在真空中的传播速度均相同，等于光速c，故C正确，D错误。故选C。
考点二：电磁波与信息化社会
【例2】关于生活中遇到的各种波，下列说法正确的是（　　）
A．手机和信号都是纵波
B．电磁波可以传递信息，声波也能传递信息
C．太阳光中的可见光和医院“B超”中的超声波传播速度相同
D．遥控器发出的红外线波长和医院“CT”中的X射线波长相同
【答案】B
【详解】AB．电磁波是横波，电磁波可以传递信息，如电视信号，手机和信号都是横波；声波也可以传递信息，如人说话。太阳光中的可见光是电磁波，故A错误B正确；C．在真空中的传播速度约为；“B超”中的超声波是声波，常温下，在空气中的速度大约为，故C错误；D．遥控器发出的红外线和医院“CT”中的射线频率不同，波速相同，根据可知波长不同，故D错误。故选B。
【变式练习】
1．下列关于电磁波的说法正确的是（　　）
A．使电磁波随各种信号而改变的技术叫做解调
B．只要有电场和磁场，就能产生电磁波
C．用红外线照射时，大额钞票上用荧光物质印刷的文字会发出可见光
D．在物理学史上，最先建立完整的电磁场理论并预言电磁波存在的科学家是麦克斯韦
【答案】D
【详解】A．使电磁波随各种信号而改变的技术，叫做调制；将声音信号从电磁波上分离开来叫做解调，故A错误；B．若只有电场和磁场，而电场和磁场都稳定或电场、磁场仅均匀变化都不能产生电磁波，只有当振荡电流周围会产生周期性变化的电场，周期性变化的电场可以产生同频率的磁场，周期性变化的磁场再产生同频率的电场，从而向远处传播形成电磁波，所以只要有电场和磁场，就能产生电磁波得说法是错误的，故B错误；C．利用紫外线的荧光效应，用紫外线照射时大额钞票上用荧光物质印刷的文字会发出可见光，而红外线不具有该效应，用红外线照射时，大额钞票上用荧光物质印刷的文字不会发出可见光，故C错误；D．麦克斯韦创立了完整的电磁理论并预言了电磁波的存在，在物理学史上，最先建立完整的电磁场理论并预言电磁波存在的科学家是麦克斯韦，故D正确。故选D。
2．随着通信技术的更新换代，第5代移动通信技术（简称5G）比4G具有更高的频率和更大的网络容载能力。与4G相比，5G使用的电磁波（　　）
A．光子能量更小 B．衍射现象更明显
C．传播速度更大 D．波长更短
【答案】D
【详解】A．根据光子能量表达式

由于5G比4G具有更高的频率，可知5G使用的电磁波光子能量更大，故A错误；C．所有电磁波在真空中的传播速度都相等，均为光速，故C错误；BD．根据

由于5G比4G具有更高的频率，可知5G使用的电磁波波长更短，衍射现象比4G不明显，故B错误，D正确。故选D。
方法探究

一、无线电波的发射
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2.

2．调制
(1)概念：把要传递的信号“加”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．

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．

二、无线电波的接收
1．无线电波的接收原理
利用电磁感应在接收电路产生和电磁波同频率的电流．
2．方法
(1)利用调谐产生电谐振，使接收电路的感应电流最强．
(2)利用解调把接收电路中的有用信号分离出来．
(3)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．
三、调谐电路的调节，要特别注意三个方面的问题
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＝，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．
3.决定电容和电感大小的因素：决定电容大小的因素是极板正对面积S、极板间距d、介电常数εr；决定电感大小的因素是线圈匝数、线圈粗细、长短、有无铁芯．这样就可以在(2)的基础上做出最准确的细微调节．
课后小练

一、单选题
1．近年来，人们大量使用第五代移动通信技术（简称5G）智能手机，它既能实现好的通话信号，还能随时且快速无线上网，下列说法正确的是（　　）
A．电磁波在空气中的传播速度是 B．手机无线上网是利用电磁波传输信息的
C．手机无线上网是利用声波传输信息的 D．电磁波不能在真空中传播
【答案】B
【详解】A．电磁波在空气中的传播速度接近光速c，即接近，故A错误；BC．手机无线上网是利用电磁波传输信息的，不是声波，故B正确，C错误；D．电磁波的传播不需要介质，可以在真空中传播，故D错误。故选B。
2．以下关于电磁波的说法不正确的是（　　）
A．医院B超发出的超声波是电磁波 B．无线通信是用电磁波进行传播的
C．遥控器发出的红外线是电磁波 D．透视使用的X射线是电磁波
【答案】A
【详解】A．医院B超发出的超声波是声波，不是电磁波，故A错误；B．无线通信用的是频率为数百千赫至数百兆赫的无线电波，它是电磁波的一部分，故B正确；C．遥控器发出的红外线是电磁波的一部分，故C正确；D．透视使用的X射线是电磁波的一部分，故D正确。本题选说法不正确项，故选A。
3．从调谐电路接收到的高频振荡电流中，还原出声音信号的过程是（　　）
A．调谐 B．解调 C．调频 D．调幅
【答案】B
【详解】解调是从携带消息的已调信号中恢复消息的过程。所以从调谐电路接受到的高频振荡电流中，还原出声音信号的过程叫解调，故选B。
4．天宫二号实现了太空课堂，让我们实时观察到了失重环境下许多奇妙的物理现象，实现了天地互动环节，是因为电磁波在空中传播，下列关于电磁波的理解正确的是（　　）
A．电磁波在任何介质中传播速度都是相同的
B．电磁波和机械波一样，都依靠介质传播振动形式和能量
C．太空中传送至地面的无线电波是横波，其传播方向与电场强度方向和磁感应强度方向都垂直
D．电磁波与机械波一样可以发生反射、折射等现象，但不会产生偏振现象
【答案】C
【详解】A．电磁波在同种介质中传播速度都是相同的，不同介质中传播速度不同，选项A错误；B．电磁波可以在真空中传播，选项B错误；C．太空中传送至地面的无线电波是横波，其传播方向与电场强度方向和磁感应强度方向都垂直，选项C正确；D．电磁波与机械波一样可以发生反射、折射等现象，但电磁波会产生偏振现象，选项D错误。故选C。
5．我们知道电磁波包括无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线等，下列说法中正确的是（　　）
A．雷达就是利用电磁波遇到障碍物要发生反射而工作的
B．所有物体都发射红外线，热的物体的红外辐射比冷物体的红外辐射弱
C．X射线和γ射线的波长都比可见光长
D．机械波和电磁波的传播都需要借助于介质
【答案】A
【详解】A．雷达发射电磁波对目标进行照射并接收其回波，由此获得目标至电磁波发射点的距离、距离变化率（径向速度）、方位、高度等信息，A正确；B. 所有物体都发射红外线，热的物体的红外辐射比冷物体的红外辐射强，B错误；C．X射线和γ射线的波长比可见光小，C错误；D．电磁波的传播不需要介质，D错误．故选A。
6．2022年3月23日，神舟十三号乘组航天员翟志刚、王亚平、叶光富在中国空间站进行了第三次太空授课。“天宫课堂”主要依靠中继卫星系统通过电磁波进行天地互动。下列关于电磁波的说法正确的是（　　）
A．电磁波传播需要介质
B．交替变化的电磁场传播出去形成电磁波
C．麦克斯韦预言并证实了电磁波的存在
D．不同频率的电磁波在真空中传播的速度是不同的
【答案】B
【详解】A．电磁波传播不需要介质，可以在真空中传播，故A错误；B．周期性变化的电场产生周期性变化的磁场，周期性变化的磁场产生周期性变化的电场，从而形成电磁波，所以电磁波是交替变化的电磁场传播形成的，故B正确；C．麦克斯韦预言了电磁波的存在，赫兹证实了电磁波的存在，故C错误；D．不同频率的电磁波在真空中均以光速传播，故D错误。故选B。
7．关于电磁波，下列说法正确的是（    ）
A．麦克斯韦用实验成功地证明了电磁波的存在
B．电磁波的传播需要介质
C．电磁波的传播过程是电磁场能的传播过程
D．均匀变化的电场一定能形成电磁波
【答案】C
【详解】A．麦克斯韦提出电磁场理论，赫兹用实验证明了电磁波的存在，故A错误；B．电磁波可以在真空中传播，故B错误；C．电磁波的传播过程就是将信息和电磁场能传播出去的过程，故C正确；D．均匀变化的电场形成的磁场是稳定的，无法形成电磁波，故D错误。故选C。
8．关于电磁波的发射和接收，下列说法中不正确的是（　　）
A．音频电流的频率比较低，不能直接用来发射电磁波
B．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
C．当接收电路的固有频率与接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
【答案】B
【详解】A．音频电流的频率比较低，需放大后搭载到高频电磁波上，故A正确，不符合题意；B．为了使振荡电路有效地向空间辐射能量，必须是开放电路，故B错误，符合题意；C．当接收电路的固有频率与接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，故C正确，不符合题意；D．解调就是从调频或调幅的高频信号中把音频、视频等调制信号分离出来的过程，要使电视机的屏幕上有图像，必须要有解调过程，故D正确，不符合题意。本题选错误的，故选B。
二、多选题
9．下列关于电磁场和电磁波的说法中，正确的是（　　）
A．变化的电场和磁场互相激发，由近及远传播形成电磁波
B．变化的电场周围一定会产生电磁波
C．电磁波由真空中进入某种介质传播时，波长会变短
D．电磁波是一种波，声波也是一种波，理论上它们是同种性质的波
【答案】AC
【详解】A．变化的电场和磁场互相激发，由近及远传播形成电磁波，选项A正确；B．均匀变化的电场产生恒定的磁场，只有周期性变化的电场才能产生周期性变化的磁场，选项B错误；C．电磁波由真空进入介质传播时，频率不变，波速变小，结合c=λf，可知波长将变短，选项C正确；D．电磁波是一种波，声波也是一种波，它们具有波的共性，但前者是电磁场在空间的传播，后者是机械振动在介质中的传播，它们是不同性质的波，选项D错误。故选AC。
10．2022年7月1日，庆祝香港回归祖国25周年大会隆重举行，世界各地观众都能收看到大会实况，是因为电视信号可通过卫星覆盖全球。关于电磁波，下列说法正确的是（　　）

A．电磁波在真空中的传播速度与频率、能量有关，频率越高、能量越大，传播速度越大
B．当电磁波源消失后就不能产生新的电磁波，但已发出的电磁波不会立即消失
C．电磁波不能在真空中传播，且只能传递声音信号，不能传递图像信号
D．香港电视台与南京电视台发射的电磁波的频率不同，但传播速度相同
【答案】BD
【详解】A．电磁波在真空中的传播速度是光速，与频率，能量无关，故A错误；B．一旦电磁波形成了，电磁场就会向外传播，当波源消失后只是不能产生新的电磁波，但已发出的电磁波不会立即消失，故B正确；C．电磁波传播不需要介质，可在真空中传播，电磁波既能传递声音信号，又能传递图像信号，故C错误；D．香港电视台与南京电视台发射的电磁波的频率不同，但传播速度相同，故D正确。故选BD。
11．5G是“第五代移动通信技术”的简称，其最显著的特征之一为具有超高速的数据传输速率。信号一般采用3.3×109～6×109Hz频段的无线电波，而第四代移动通信技术的频段范围是1.88×109～2.64×109Hz，则下列说法正确的是（　　）
A．5G信号的波长比4G信号的波长更短
B．5G信号与4G信号相遇能发生干涉现象
C．在真空中5G信号比4G信号传播的更快
D．麦克斯韦预言了电磁波的存在，赫兹通过实验证实了电磁波的存在
【答案】AD
【详解】A．5G信号的频率比4G信号的频率更高，则5G信号的波长比4G信号的波长更短，选项A正确；B．5G信号与4G信号频率不同，则相遇时不能发生干涉现象，选项B错误；C．在真空中5G信号与4G信号传播的速度相同，均为3×108m/s，选项C错误；D．麦克斯韦预言了电磁波的存在，赫兹通过实验证实了电磁波的存在，选项D正确。故选AD。
三、解答题
12．回答以下关于微波炉的问题。
（1）微波是频率为的无线电波，微波炉的工作频率多选用915MHz或2450MHz，从同样使用微波的其他设备角度考虑，为什么微波炉要选用这样的频率？
（2）微波炉门上一般都安装有安全联锁开关，它能确保炉门打开时，微波炉不能工作，炉门关上时，微波炉才能工作，并且微波炉的玻璃门也要安装网状金属片，请分析这样设计的原因。
（3）为什么不能将金属器皿或镶有金银花边的碗碟放进微波炉中使用？
（4）为什么不能将盒装的牛奶放进微波炉加热？
【答案】（1）使用微波是因为微波能周围的物体发热，雷达和其它通信系统使用的是微波这种无线电波，微波炉使用915MHz或2450MHz这两种频率的微波主要是为了不干扰雷达和其它通信系统。
（2）电磁波具有能量，对人体有伤害，微波炉门上要安装“安全联锁开关”，它能确保炉门打开时，微波炉不能工作，炉门关上时，微波炉才能工作，并且微波炉的玻璃门也要安装网状金属片，目的防止电磁波从炉门处泄漏，对人体或其它物体造成伤害。
（3）微波炉是利用电磁波来加热食物的。微波炉中不能使用金属容器，因为微波能在金属中产生大量的热量，会损坏微波炉和器皿。
（4）对于盒装牛奶，盒子的内壁有铝箔，由于金属能屏蔽电磁波，所以电磁波无法达到盒内的牛奶中。
【详解】（1）使用微波是因为微波能周围的物体发热，雷达和其它通信系统使用的是微波这种无线电波，微波炉使用915MHz或2450MHz这两种频率的微波主要是为了不干扰雷达和其它通信系统。
（2）电磁波具有能量，对人体有伤害，微波炉门上要安装“安全联锁开关”，它能确保炉门打开时，微波炉不能工作，炉门关上时，微波炉才能工作，并且微波炉的玻璃门也要安装网状金属片，目的防止电磁波从炉门处泄漏，对人体或其它物体造成伤害。
（3）微波炉是利用电磁波来加热食物的。微波炉中不能使用金属容器，因为微波能在金属中产生大量的热量，会损坏微波炉和器皿。
（4）对于盒装牛奶，盒子的内壁有铝箔，由于金属能屏蔽电磁波，所以电磁波无法达到盒内的牛奶中。
13．雷达是利用电磁波探测目标的电子设备。雷达发射电磁波对目标进行照射并接收其回波，由此获得目标至电磁波发射点的距离、距离变化率（径向速度）、方位、高度等信息。试回答下列问题∶
（1）雷达是如何接收电磁波的？
（2）利用雷达可以测出飞机的运动方向和速度。某固定雷达正在跟踪一架匀速飞行的飞机，其每隔固定时间T0发射一短脉冲的电磁波（如图中幅度大的波形），收到的由飞机反射回的电磁波经雷达处理后显示如图中幅度较小的波形，反射滞后的时间已在图中标出。其中T0、T和ΔT为已知量，光在真空中的传播速度为c。则飞机的运动方向和飞机的速度大小分别为多少？

【答案】（1）见解析；（2）远离雷达方向，
【详解】（1）电磁波在传播时遇到导体会使导体中产生感应电流，所以导体可用来接收电磁波，这就是雷达接收电磁波的原理。
（2）由屏幕上显示的波形可以看出，反射波滞后于发射波的时间越来越长，说明飞机离信号源的距离越来越远，飞机向远离雷达方向运动；从雷达发出第一个电磁波起开始计时，经被飞机接收，故飞机第一次接收电磁波时与雷达距离

第二个电磁波从发出至返回，经T+ΔT时间，飞机第二次接收电磁波时与雷达距离

飞机从接收第一个电磁波到接收第二个电磁波内前进了，接收第一个电磁波时刻为，接收第二个电磁波时刻为

所以接收第一个和第二个电磁波的时间间隔为

故飞机速度为

解得