粤教版高中物理选择性必修第二册第4章第3节电磁波的发射、传播和接收第4节电磁波谱学案

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第三节　电磁波的发射、传播和接收第四节　电磁波谱1．知道电磁波发射的条件及电磁波传播和接收的原理。2．了解调制、调幅、调频、调谐、解调、电谐振在电磁波发射、接收过程的作用。3．认识电磁波谱，了解电磁波各波段的特性以及应用。知识点一　电磁波的发射1．有效发射条件(1)振荡频率足够高。(2)LC振荡电路的电场、磁场分散到尽可能大的空间。2．开放电路：为了满足发射条件，可以减小电容器两极板的正对面积，增大极板间距，使电容器变成两条长直导线，一条深入高空成为天线，另一条接入地下成为地线。3．电磁波的调制(1)定义：把低频电信号“加载”到高频振荡电流上的过程称为调制。(2)分类①调幅：使高频电磁波的振幅随信号的强弱而改变。②调频：使高频电磁波的频率随信号的强弱而改变。知识点二　电磁波的传播1．无线电波的三种传播方式地波、天波和直线传播。2．传播特点(1)地波：沿地球表面空间传播的无线电波。在无线电通信和导航中，通常采用地波的形式传播长波、中波和中短波。(2)天波：利用大气层中电离层的反射来传播的无线电波。短波最适合采用天波的形式传播。(3)空间波：像光束那样沿直线传播的无线电波。这种传播方式适用于超短波和微波，此外卫星中继通信，卫星电视转播等也主要是利用空间波作为传输途径。知识点三　电磁波的接收1．电谐振现象：当接收电路的固有频率跟收到的电磁波的频率相同时，接收电路中产生电流最强的现象。与机械振动中的共振现象类似。2．调谐：在无线电技术中，对空间存在的各种频率电磁波，需要选择某一特定的频率接收的过程。3．调谐电路(1)定义：能够调谐的接收电路。(2)应用：调节调谐电路可调电容或电感，改变电路的固有频率，使它与要接收的电台的电磁波的频率相同。4．解调：从高频振荡电流中筛选出所携带的低频信号电流的过程。知识点四　电磁波谱1．认识电磁波谱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，把这些电磁波按波长或频率大小的顺序排列起来，就构成了电磁波谱。2．电磁波的特性及应用(1)无线电波。①特点：波长大于1 mm(频率小于300 GHz)。②应用：长波主要用于超远程无线电通信和导航；中波主要用于调幅广播、电报及通信；短波主要用于远距离短波通信及调幅广播；微波主要用于调频广播、电视、卫星导航和雷达，微波炉可利用高功率的微波对食物进行加热。(2)红外线和紫外线的应用。①红外线：具有明显的热效应。利用红外线的这种热效应，制成了红外线烤箱、红外线炉等；利用红外线使特制底片感光的性质还可制成红外摄影仪、红外遥感器等。②紫外线：紫外线能使很多物质发出荧光，很容易让底片感光。当适量紫外线照射人体时，能使人体合成维生素D，可以预防佝偻病，但过量的紫外线会伤害人体，应注意防护。紫外线还具有杀菌作用，医院里的病房利用紫外线消毒；银行利用紫外线灯鉴别钞票的真伪。(3)X射线和γ射线的应用。①X射线：穿透力较强，在医学上常用X光照片辅助进行疾病诊断。长期暴露在X射线下，会对人体造成很大伤害。②γ射线：从原子核内发出的电磁波，能量较高，穿透力很强，对生物的破坏力很大。医学上常用来摧毁病变的癌细胞。1．思考判断(正确的画“√”，错误的画“×”)(1)振荡频率足够高的开放电路才能发射电磁波。 (√)(2)电磁波波长较长的波贯穿障碍物的能力强。 (×)(3)电磁波波长较短的波能量大，穿透能力强。 (√)(4)可见光是整个电磁波谱中极狭窄的一段，其中红光波长最长。 (√)(5)红外线属于可见光。 (×)(6)紫外线有明显的热效应。 (×)2．要提高LC振荡电路辐射电磁波的本领，应该采取的措施是(　　)A．减小电容器极板间距B．使振荡电容器的正对面积足够大C．尽可能使电场和磁场分散开D．增大回路中的电容和电感C　[要提高LC振荡电路辐射电磁波的本领，应从两个方面考虑，一是提高振荡频率，二是使电场和磁场尽可能地分散开，C正确；由f＝12πLC可知，当减小电容器极板间的距离时，C变大，f减小，A错误；使电容器正对面积变大，C变大，f变小，B错误；增大回路中的L、C，f变小，D错误。]3．(多选)下列说法正确的是(　　)A．夏天太阳光把地面晒得发热是因为可见光的热效应在各种电磁波中是最强的B．医院里用X射线进行人体透视，是因为它是各种电磁波中穿透本领最大的C．在热学中所说的热辐射就是指红外线辐射D．医院里的病房利用紫外线消毒，是因其有杀菌作用CD　[热效应最强的是红外线，热辐射即红外线辐射，A错误，C正确；穿透本领最强的是γ射线，B错误；紫外线具有杀菌作用，D正确。](1)1895年，一位年轻的意大利人马可尼(公元1874～1937年)发明了无线电通信技术。从此，携带了人类信息的电磁波开始在空间自由旅行，人们不必依赖电线就可以在遥远的地方互通信息。电视台发射电视信号为什么要建高耸入云的发射塔呢？提示：电视信号要有效地发射出去，必须采用高频开放电路，电视信号所用电磁波的波长比较短，以直线传播为主，遇到障碍物会被阻挡，所以发射天线要架得高一些。(2)红外体温计不用与人体接触便可以迅速测量体温，你知道它的工作原理吗？提示：根据体温越高，辐射红外线越强的原理。　电磁波的发射、传播和接收1．电磁波的发射：由振荡器(常用LC振荡电路)产生高频振荡电流，用调制器将需传送的电信号调制到振荡电流上，再耦合到一个开放电路中激发出无线电波，向四周发射出去，如图所示。2．调制(1)使电磁波随各种信号而改变的技术叫作调制。(2)调制方法。调幅：使高频电磁波的振幅随信号的强弱而改变。调频：使高频电磁波的频率随信号的强弱而改变。3．电磁波的接收：天线接收到的所有的电磁波，经调谐选择出所需要的电磁波，再经解调取出携带的信号，放大后再还原成声音或图像的过程。4．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。【典例1】　(多选)关于电磁波的发射和接收，下列说法正确的是(　　)A．为了使振荡电路有效地向空间辐射能量，必须是闭合电路B．音频电流的频率比较低，不能直接用来发射电磁波C．当接收电路的固有频率与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，必须要有检波过程[思路点拨]　解此题关键有两点：(1)明确有效发射电磁波的条件。(2)明确电谐振、检波的概念。BCD　[有效发射电磁波，必须采用开放电路和高频发射；一般的音频电流的频率较低，不能直接用来发射电磁波；电磁波接收原理是一种叫电谐振的现象，与机械振动中的共振有些相似；电视机显示图像时，必须通过检波过程，把有效的信号从高频信号中取出来，否则就不能显示。故A错误，B、C、D正确。][跟进训练]1．关于电磁波的发射和接收，下列说法正确的是(　　)A．为了将信号发射出去，先要进行解调B．为了从各个电台发出的电磁波中将需要的选出来，就要进行解调C．为了从高频电流中取出声音信号，就要进行调频D．利用开放电路可以有效地把电磁波发射出去D　[为了将信号发射出去，首先要进行调制，A错误；从各个电台发出的电磁波中将需要的选出来，要进行调谐，B错误；从高频电流中取出声音信号，需要进行解调，C错误；利用开放电路可以有效地发射电磁波，D错误。]　电磁波的应用1．各种电磁波的特点及应用2．不同电磁波的特性总结(1)不同电磁波的频率或波长不同，表现出不同的特性，波长越长，越容易产生干涉、衍射现象；波长越短，穿透能力越强。(2)同频率的电磁波在不同介质中传播速度不同。不同频率的电磁波在同一种介质中传播时，频率越大，折射率越大，速度越小。3．对X射线和γ射线的两点说明(1)X射线和γ射线在真空或空气中的传播速度相同，但它们的频率不同，所以在同一介质中的传播速度也不相同。(2)X射线与γ射线都具有穿透能力，但γ射线的穿透能力更强。X射线能穿过人体，通常做人体透视；而γ射线可以穿过几厘米厚的铅板，可以探测金属砂眼。【典例2】　(多选)关于电磁波谱，下列说法正确的是(　　)A．X射线对生命物质有较强的作用，过量的X射线辐射会引起生物体的病变B．γ射线是波长最短的电磁波，它比X射线的频率还要高C．紫外线比紫光更容易发生干涉和衍射D．在电磁波谱中，更容易发生衍射现象的是γ射线AB　[X射线对生命物质有较强的作用，过量的X射线辐射会引起生物体的病变，故A正确；γ射线是波长最短的电磁波，它比X射线的频率还要高，故B正确；在电磁波谱中从无线电波到γ射线，波长逐渐减小，频率逐渐增大，而波长越大，波动性越强，越容易发生干涉、衍射现象，因此紫光比紫外线更容易发生干涉和衍射现象，无线电波最容易发生衍射现象，故C、D错误。][跟进训练]2．关于电磁波的特性和应用，下列说法正确的是(　　)A．红外线和X射线都有很高的穿透本领，常用于医学上透视人体B．过强的紫外线照射有利于人的皮肤健康C．电磁波中频率最大的为γ射线，最容易发生衍射现象D．紫外线和X射线都可以使感光底片感光D　[X射线有很高的穿透本领，常用于医学透视人体，但红外线没有很高的穿透本领，选项A错误；过强的紫外线照射对人的皮肤有害，选项B错误；电磁波中频率最大的为γ射线，其波长最短，最不容易发生衍射现象，选项C错误。]1．(2022·江苏阜宁实验高中高二阶段练习)赫兹在人类历史上首先捕捉到了电磁波，为无线电技术的发展开拓了道路。下列器件中，既使用了电磁波接收技术，又使用了电磁波发射技术的是(　　)A．电吹风　　　 B．洗衣机C．电熨斗　 D．手机D　[电吹风是消耗电能产生热能与风能的器件，与电磁波发射和接收无关，故A错误；洗衣机是消耗电能产生动能的器件，与电磁波发射和接收无关，故B错误；电熨斗是消耗电能产生热能的器件，与电磁波发射和接收无关，故C错误；手机同时使用了电磁波接收和发射技术，故D正确。]2．根据电磁波谱选出下列各组电磁波，其中频率互相交错重叠，且波长顺序由短到长排列的是(　　)A．微波、红外线、紫外线B．γ射线、X射线、紫外线C．紫外线、可见光、红外线D．紫外线、X射线、γ射线B　[红外线与紫外线在电磁波谱中不相邻，更不会频率重叠，A错误；紫外线、可见光、红外线虽相邻，但它们三者间有明确的界线，频率也不相重叠，C错误；在电磁波谱中紫外线、X射线、γ射线有重叠，γ射线波长最短，紫外线波长最长，B正确，D错误。]3．有一个LC接收电路，原来接收较低频率的电磁波，现在要想接收较高频率的电磁波，下列调节方式正确的是(　　)A．增加电源电压B．使用调频的调制方式C．把可动电容器的动片适当旋出一些D．在线圈中插入铁芯C　[增大LC接收电路的频率，由公式f＝12πLC可知应减小电容或电感，A、B项错误；把可动电容器的动片适当旋出一些，减小了电容，符合题目要求，C项正确；在线圈中插入铁芯，增大了电感，不合题意，D项错误。]4．(多选)下列说法符合实际的是(　　)A．在医院里常用X射线对病房和手术室消毒B．在医院里常用紫外线对病房和手术室消毒C．在人造地球卫星上对地球进行拍摄是利用紫外线有较好的分辨能力D．在人造地球卫星上对地球进行拍摄是利用红外线有较好的穿透云雾烟尘的能力BD　[紫外线具有杀菌、消毒的作用，X射线穿透能力较强，因此医院里常用紫外线对病房和手术室进行消毒，用X射线透视人体；在人造地球卫星上对地球进行拍摄是利用射线的衍射能力较强，容易透过云雾烟尘，因而用波长较长的红外线，所以答案为BD。]回归本节内容，自我完成以下问题：1．发射电磁波的振荡电路的特点是什么？提示：(1)要有足够高的振荡频率。(2)振荡电路的电场和磁场必须分散到尽可能大的空间，这样才能有效地把能量辐射出去。2．调制的两种方法是什么？提示：调幅和调频。3．各种电磁波的共性是什么？提示：(1)它们在本质上都是电磁波，遵从相同的波动规律。(2)它们在真空中的传播速度相同，都等于光速。(3)他们的传播都不需要介质。(4)他们都具有反射、折射、衍射和干涉的特性。4．各种电磁波的个性是什么？提示：(1)不同电磁波的频率或波长不同，表现出不同的特性，波长越长越容易产生干涉、明显衍射现象，波长越短穿透能力越强。(2)相同频率的电磁波，在不同介质中传播速度不同；不同频率的电磁波在同一种介质中传播时，频率越大，速度越小。课时分层作业(十四)　电磁波的发射、传播和接收　电磁波谱题组一　电磁波的发射、传播与接收1．(2022·山东枣庄高二期末)太赫兹波是一种电磁波，波长在3 mm～0.03 mm之间，不少专家确信太赫兹波将颠覆未来绝大多数行业，甚至还有人认为太赫兹波将是6 G或者7 G通信的基础，因为太赫兹波比雷达波(波长在1 m～1 mm之间)波长更短，穿透力更强。下列说法正确的是(　　)A．太赫兹波是纵波B．使接收太赫兹波的电路产生电谐振的过程叫解调，是调制的逆过程C．雷达是利用雷达波波长短、衍射不明显的特点来测定物体位置的。太赫兹波不能用于测定物体的位置D．与雷达波相比，要产生太赫兹波，需要频率更大的电磁振荡电路D　[太赫兹波是电磁波，是横波，A错误；使接收电路产生电谐振的过程叫调谐，俗称选台，解调是调制的逆过程，B错误；雷达是利用微波来测定物体位置的无线电设备，是利用微波波长短，衍射不明显的特点，太赫兹波也具有波长较短，衍射不明显的特点，故也能用于测定物体的位置，C错误；与雷达波相比，太赫兹波的波长更短，要产生太赫兹波，则需要频率更大的电磁振荡电路，D正确。]2．(多选)关于电磁波的接收，下列说法正确的是(　　)A．当处于电谐振时，所有的电磁波仍能在接收电路中产生感应电流B．当处于电谐振时，只有被接收的电磁波才能在接收电路中产生感应电流C．由调谐电路接收的感应电流，再通过耳机就可以听到声音了D．由调谐电路接收的感应电流，经过检波、放大后，再通过耳机才可以听到声音AD　[当处于电谐振时，所有的电磁波仍能在接收电路中产生感应电流，只不过频率跟接收电路固有频率相等的电磁波在接收电路中激发的感应电流最强。由调谐电路接收的感应电流，要经过检波(也就是调制的逆过程)、放大后，再通过耳机才可以听到声音，故正确答案为AD。]3．一台无线电接收机，当接收频率为535 kHz的信号时，调谐回路里电容器的电容是360 pF。如果调谐回路里的电感线圈保持不变，要使接收频率为1 605 kHz的信号时，调谐回路里电容器的电容应改变为(　　)A．40 pF　　　 B．120 pFC．1 080 pF　 D．3 240 pFA　[由f＝12πLC得f1＝535×103 Hz＝12πL×360×10-12 ①f2＝1 605×103 Hz＝12πL×C ②联立①②得C＝40×10-12 F＝40 pF。]4．(2022·安徽肥东综合高中高二阶段练习)“小蜜蜂”是老师上课常用的扩音设备，随着无线电技术的应用，很多老师用上了蓝牙“小蜜蜂”(蓝牙属于电磁波)，麦克风与扩音器不用导线连接，老师拿着麦克风在教室中间说话，放在讲台上的扩音器也能工作。下列说法正确的是(　　)A．“小蜜蜂”只能接收到来自麦克风的信号B．麦克风中只要有变化的电场，就一定能发出蓝牙信号C．“小蜜蜂”接收电磁波时，通过调谐来使接收电路中出现电谐振现象D．麦克风回路可通过增大发射电磁波的波长来提高LC振荡电路发射电磁波的本领C　[因为蓝牙属于电磁波，周围空间存在其他电磁波信号，所以“小蜜蜂”不只接收到来自麦克风的信号，A错误；均匀变化的电场产生恒定的磁场，不能产生电磁波信号，B错误；使接收电路产生电谐振现象的过程叫作调谐，C正确；减小发射电磁波的波长，则会提高频率，可以提高LC振荡电路发射电磁波的本领，D错误。]5．电视机的室外天线能把电信号接收下来，是因为(　　)A．天线处在变化的电磁场中，天线中产生感应电流，相当于电源，通过导线输送给调谐电路B．天线只处于变化的电场中，天线中产生感应电流，相当于电源，通过导线输送给调谐电路C．天线只是有选择地接收某电视台的信号，而其他电视台信号则不接收D．天线将电磁波传输到电视机内A　[室外天线处于变化的电磁场中，天线中产生感应电流，此电流通过导线输送给调谐电路，此电流中各电视台信号激发的电流均存在，但只有频率与调谐电路频率相等的信号对应的电流最强，然后再通过解调处理进入后面的电路，A正确，B、C、D错误。]6．一收音机调谐回路中线圈电感是30 μH，电容器可变，最大电容是270 pF，最小电容是30 pF，求接收到的无线电波的波长范围多大？(π取3.14)[解析]　v＝fλ ①f＝12πLC ②联立①②得v＝λ2πLC，所以λ＝2πvLC。λ最小＝2πvLC最小＝2×3.14×3×108×30×10-6×30×10-12m＝56.52 mλ最大＝2πvLC最大＝2×3.14×3×108×30×10-6×270×10-12 m＝169.56 m所以，该收音机接收到无线电波的波长范围在56.52～169.56 m。[答案]　56.52～169.56 m题组二　电磁波谱7．(多选)关于无线电波的传播，下列说法正确的是(　　)A．发射出去的电磁波，可以传到无限远处B．无线电波遇到导体，就可以在导体中激起同频率的振荡电流C．波长越短的电磁波，越接近直线传播D．移动电话是利用无线电波进行通信的BCD　[无线电波在传播过程中，遇到障碍物就被吸收一部分，遇到导体，会在导体内产生涡流(同频率的振荡电流)，故A错误，B正确；波长越短，传播方式越接近光的直线传播，移动电话发射或接收的电磁波属于无线电波的高频段，故C、D正确。]8．(2022·河北张家口高二期末)下列关于红外测温枪的说法正确的是(　　)A．红外测温枪接收到的是学生身体的热量信号B．体温越高，测温枪接收到的最强辐射频率越高C．红外线是光，不属于电磁波D．红外线属于电磁波，其波长小于紫外线的波长B　[红外测温枪接收到的是人体辐射出来的红外线，并非身体热量，故A错误；体温越高，测温枪接收到的最强辐射频率越高，故B正确；红外线属于电磁波，故C错误；红外线波长大于紫外线的波长，故D错误。]9．(多选)许多光学现象在科学技术上得到了应用，以下对一些应用的解释，正确的是(　　)A．紫外验钞机是利用紫外线的化学作用B．X光透视利用的是光的衍射现象C．工业上的金属探伤利用的是γ射线具有极强穿透能力D．红外遥感技术利用了一切物体都在不停地辐射红外线的现象CD　[紫外验钞机是利用紫外线照射印刷在钞票上的荧光文字，发出可见光，使这些文字能被肉眼看到，利用了紫外线的荧光效应，A项错误；X射线具有较强的穿透能力，在医学上用它来透视人体，检查病变和骨折情况，B项错误；γ射线具有极强的穿透能力，工业上的金属探伤就是利用这个原理，C项正确；一切物体都在不停地辐射红外线，红外遥感技术就是利用这个原理，D项正确。]10．(2022·北京朝阳高二期末)无线电波的发射和接收离不开天线。如图甲、乙、丙所示，LC振荡电路逐步成为开放电路，电场和磁场就可以分散到更大的空间，这样就形成了天线。手机作为常用的通讯工具同样也需要天线来接收和发射信号。早期的手机有长长的天线，现在逐渐内置到手机内部。实践中发现当天线的长度大约等于无线电波波长的14时，收发电磁波的能力最好。曾经有手机将外壳的金属边框设计成天线，既提升收发信号效果，又节省了手机的内部空间。随着5G时代的来临，信号频率进一步提升，对天线设计的要求更加复杂。下列关于手机发射与接收无线电波的说法正确的是(　　)A．只有特定频率的无线电波才能在手机天线上产生振荡电流B．与4G相比，5G使用的电磁波传播速度更大C．手机信号的频率估计在10 MHz左右D．手机天线在发射信号时，天线上会有电荷出现，且周期性变化D　[手机天线对特定频率的无线电波产生的振荡电流最大，其他频率的无线电波产生的振荡电流较小，A错误；电磁波的传播速度与光速相同，与电磁波的频率无关，B错误；手机金属边框长度几十厘米，根据c＝λ·f可知手机信号的频率估计在1 000 MHz 左右数量级，C错误；手机天线在发射信号时，天线上会形成LC振荡电路，因此会有电荷出现，且周期性变化，D正确。]11．(2022·北京顺义高三二模)红外测温枪与传统的热传导测温仪器相比，具有响应时间短、测温效率高、操作方便等特点。下列关于红外测温枪的说法正确的是(　　)A．红外测温枪的工作原理和水银体温计测量原理一样都是利用热胀冷缩原理B．红外测温枪能接收到的是身体的热量，通过热传导到达红外测温枪进而显示出体温C．红外测温枪利用了一切物体都在不停地发射红外线，而且发射红外线强度与温度有关，温度越高发射红外线强度就越大的原理D．红外线也属于电磁波，其波长小于紫外线的波长C　[红外就是红外线，自然界所有的物体，无时无刻不在向外辐射能量，这些能量以电磁波的形式存在，红外测温枪接收到人体辐射出的红外线，通过波长、强度与温度的关系，就可以得到人体的温度，而水银体温计是利用热胀冷缩原理工作的，A、B错误，C正确；红外线波长范围为0.8～1 000 μm，紫外线的波长范围为5～370 nm，故红外线的波长大于紫外线的波长，D错误。]12．如图所示，某收音机接收电路中，电感线圈L＝10-3 H，为了接收波长为500 m的电磁波，其电容器的电容C应调到多少？[解析]　该电磁波的频率f＝cλ＝3×108500 Hz＝6×105 Hz那么该电路的固有频率也应调到f，由f＝12πLC得C＝14π2f2L代入数据解得C≈7×10-11 F。[答案]　7×10-11 F13．某高速公路自动测速仪装置如图甲所示，雷达向汽车驶来的方向发射不连续的电磁波，每次发射时间为10-6 s，相邻两次发射时间间隔为t。当雷达向汽车发射无线电波时，在显示屏上呈现一个尖波形；在收到反射回来的无线电波时，在显示屏上呈现第二个尖波形。根据两个波形的距离，可以计算出汽车距雷达的距离，根据自动打下的纸带(如图乙所示)，可求出车速。请根据t1、t2、t、c求出汽车车速的表达式。[解析]　第一次测量时汽车距雷达的距离s1＝ct12，第二次测量时汽车距雷达的距离s2＝ct22，两次发射时间间隔为t，则汽车车速v＝st＝s1-s2t＝ct1-t22t。[答案]　v＝ct1-t22t电磁波谱无线电波红外线可见光紫外线X射线γ射线频率由左向右，频率由小到大真空中波长由左向右，波长由长到短特性波动性强热效应强感光性强化学作用，荧光效应穿透力强穿透力最强用途通讯、广播、导航加热、遥测、遥感、红外摄像、红外制导照明、照相等日光灯、杀菌消毒、治疗皮肤病等检查、探测、透视、治疗探测、治疗