高中物理教科版 (2019)选择性必修 第二册3 电磁波谱学案设计

这是一份高中物理教科版 (2019)选择性必修 第二册3 电磁波谱学案设计，共20页。
5．无线电波与移动互联网
知识点一 电磁波谱
1．概念：把电磁波按波长(或频率)排列起来。
2．电磁波谱的排列：按波长由长到短依次为：无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线。
3．不同电磁波的特点及应用
为什么超远程无线电波利用无线电波中的长波波段，而雷达利用微波段？
提示：超远程无线电波用长波是利用波长长，可以绕过障碍物。雷达是利用微波的传播方向性好的特点。
1：思考辨析(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)电磁波按照频率由高到低依次是无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线。(×)
(2)电磁波的波长越长，相同时间传递的信息量越大。(×)
知识点二 无线电波的发射
1．要有效地发射电磁波、振荡电路必须具有两个条件
(1)振荡电路的电场和磁场必须分布到广大的开放空间。
(2)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．发射前
(1)载波：用来运载信号的高频等幅电磁波。
(2)调制：把传递的信号加到载波上的过程。
①调幅：使高频振荡的振幅随信号而变。
②调频：使高频振荡的频率随信号而变。
为什么发射电磁波必须调制？
提示：因为传递的声音、图像等信号频率低，不易直接发射出去。
2：思考辨析(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)频率越高，振荡电路发射电磁波的本领越大。(√)
(2)电视台发射的电磁波都经过了调制。(√)
知识点三 无线电波的传播
1．地波：沿地球表面空间传播的无线电波叫作地波。长波、中波和中短波可用作地波。地波在传播过程中能量损失较大，传播距离近，一般在几百千米内。
2．天波：依靠电离层的反射来传播的无线电波叫作天波。短波最适合以天波的形式传播，可传播到几千千米外的地方。
3．直线传播：沿直线传播的电磁波叫作空间波或视波。微波适合沿直线传播，传播距离为几十千米，远距离通信时需要设立中继站。
知识点四 无线电波的接收
1．接收原理：电磁波在传播时遇到导体会使导体里感应出振荡电流，所以导体可用来接收电磁波，这个导体就是接收天线。
2．电磁谐振：当振荡电路的固有频率与传播来的电磁波的频率相等时，电路中激起的感应电流最强，这种现象叫作电磁谐振，也称为电谐振。
3．调谐：使接收电路中产生电谐振的过程叫作调谐。
知识点五 无线电波与移动互联网
1．信息技术的核心内容：获取、表达、存储和传递。
2．蜂窝系统：每一个固定的基站的工作范围经过合理的调配后呈正六边形，排列起来像蜂窝一样，这就是“蜂窝系统”名字的由来。
3．网络协议：无线路由器以及与它相连的各种设备间遵守的一个共同的约定。设备间的连接方式除Wi-Fi外还有蓝牙和近场通信(NFC)等。
4．用电磁波传递二进制数据：二进制数据也可以通过调幅波或调频波向外传播。
解调的目的是什么？
提示：是把声音或图像信号从高频电流中还原出来。
3：思考辨析(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)当接收电路的固有频率和电磁波频率相同时，出现电谐振现象。(√)
(2)收音机能够直接接收声波。(×)
在我们身边到处都有电磁波的影子，它的应用更是比比皆是。下面列出的设备中工作时所发出的波，哪些属于电磁波？(1)微波炉加热食物时发出的波。(2)电视发射塔发出的波。(3)互联网光缆中传播的波。(4)电视机遥控器发出的波。
提示：都属于电磁波
考点1 电磁波谱
1．电磁波的共性
(1)它们在本质上都是电磁波，它们的行为服从相同的规律，各波段之间的区别并没有绝对的意义。
(2)都遵守公式v＝λf，它们在真空中的传播速度都是c＝3.0×108m/s。
(3)它们的传播都不需要介质。
(4)它们都具有反射、折射、衍射和干涉的特性。
2．电磁波的个性
(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)产生机理不同和用途不同
3．电磁波的传播
无线电波的分类及传播方式如下表。
【典例1】 下列说法正确的是( )
A．各种电磁波中，最容易表现出干涉和衍射现象的是γ射线
B．红外线有显著的热效应，紫外线有显著的荧光效应
C．X射线的穿透本领比γ射线更强
D．在电磁波谱中，X射线与γ射线有很大一部分重叠区域，因此两者产生机理应该是一样的
B [在电磁波谱中最容易发生衍射的是无线电波，波长越长，波动性越明显，故A不符合题意；红外线有显著的热效应，紫外线有显著的荧光效应，故B符合题意；X射线波长比γ射线长，穿透力不及γ射线，故C不符合题意；在电磁波谱中，X射线与γ射线有很大部分重叠区域，但二者产生机理不同，故D不符合题意。]
X射线与γ射线都具有穿透能力，但γ射线的穿透能力最强，X射线能穿透人体，通常用作人体透视，而γ射线可以穿过几厘米厚的铅板，可以用于探测金属内部的缺陷。
[跟进训练]
1．(多选)电磁波在医院得到了广泛应用，关于电磁波的某些特性，下列说法正确的是( )
A．红外线测温仪，是利用了红外线波长较长的特性
B．胸透又称荧光透视，是利用X射线具有穿透性，荧光性和摄影效应的特性
C．伽玛手术刀治疗癌症是利用γ射线强穿透力，能量高的特性
D．医用紫外灭菌灯是利用了紫外线的消毒特性
BCD [红外线测温仪，是利用了红外线的热效应，故A错误；X射线具有穿透性、荧光性和摄影效应的特性，所以可以用来做胸透，故B正确；γ射线能量高、穿透力强，医院常用γ射线照射癌细胞，治疗癌症，故C正确；医院用紫外线灯照射的方法来消毒灭菌，故D正确。]
考点2 电磁波的发射
1．发射电路的两个特点
(1)发射频率足够高。
(2)应用开放电路。
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。
甲 调幅波 乙 调频波
3．无线电波的发射
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。
【典例2】 (多选)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．减小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．向外抽出铁芯
ABD [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，由f＝12πLC知，减小L和C可以提高f。要减小L可采取减少线圈匝数、向外抽出铁芯的办法，要减小C可采取增大极板间距、减小极板正对面积、减小介电常数的办法。故选A、B、D。]
(1)无线电波的发射：由振荡器(常用LC振荡电路)产生高频振荡电流，用调制器将需要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。
(2)一般电台的中波、中短波、短波广播以及电视中的图像信号，都采用调幅波；电台的调频广播和电视中的伴音信号，都采用调频波。
低频信号类比成货物，高频波类比成运载工具，调制的过程类比成将货物装载到运载工具上。
[跟进训练]
2．实际发射无线电波的过程如图所示，高频振荡器产生高频等幅振荡如图甲所示，人对着话筒说话时产生低频信号如图乙所示。则发射出去的电磁波图像应是( )
甲 乙
A B
C D
B [使电磁波随各种信号而改变的技术，叫作调制。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，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。]
考点3 电磁波的接收
1．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。
【典例3】 (多选)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，再经过耳机就可以听到声音了
D．由调谐电路接收的感应电流，再经过检波、放大，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，只不过频率跟调谐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，要再经过检波(也就是调制的逆过程)、放大，通过耳机才可以听到声音，故选A、D。]
相近概念的辨析技巧
(1)调频和调幅：这是调制的两种方式，使电磁波的频率随信号改变的调制方式叫调频；使电磁波的振幅随信号改变的调制方式叫调幅。
(2)调制和解调：把低频电信号加载到高频等幅振荡电流上叫调制；把低频电信号从高频载波中检出来叫解调，是调制的逆过程。
[跟进训练]
3．(多选)蓝牙设备使用无线电波连接手机和电脑。蓝牙产品包含一块小小的蓝牙模块以及支持连接的蓝牙无线电和软件。当两台蓝牙设备想要相互交流时，它们需要进行配对。并通过蓝牙耳机发出声音，在接收电路中必须经过下列过程中的( )
A．调幅 B．调频 C．调谐 D．解调
CD [接收电路中必须通过调谐接收到载有信号的电磁波，再通过解调得到声音信号，C和D正确。]
1．下列关于紫外线的说法正确的是( )
A．照射紫外线可增进人体对钙的吸收，因此人们应尽可能多地接受紫外线的照射
B．一切高温物体发出的光都含有紫外线
C．紫外线有很强的荧光效应，常被用来防伪
D．紫外线有杀菌消毒的作用，是因为其有热效应
C [紫外线有显著的生理作用，杀菌能力较强，在医疗上有其应用，但是过多地接受紫外线的照射，对人体来说也是有害的，A、D错误；并不是所有的高温物体发出的光都含有紫外线，B错误；紫外线有很强的荧光效应，可用来防伪，C正确。]
2．简单的、比较有效的电磁波的发射装置，至少应具备以下电路中的( )
①调谐电路 ②调制电路 ③高频振荡电路 ④开放振荡电路
A．①②③B．②③④
C．①④D．①②④
B [比较有效的发射电磁波的装置应该有调制电路、高频振荡电路和开放振荡电路，调制电路是把需要发射的信号装载在高频电磁波上，高频振荡电路能产生高频电磁波，开放振荡电路能把电磁波发送得更远，而调谐电路是在接收端需要的电路，故②③④正确。]
3．转换电视频道，选择自己喜欢的电视节目，称为( )
A．调幅B．调频
C．调制D．调谐
D [就是将调谐电路的频率调节到与需要接受的某个电磁波的频率相同，接收电路产生电谐振的过程为调谐，故选D。]
4．如图所示为电视接收过程示意图，其工作过程顺序正确的是( )
A．解调——放大——调谐——显示
B．调谐——放大——解调——显示
C．调谐——解调——放大——显示
D．放大——调谐——解调——显示
C [天线接收电磁波；调谐器选出某一频率的电磁波；经高频放大后，从高频电磁波中取出音频电信号，经检波器后送到扬声器；扬声器把音频电信号转换成声音，故接收过程的顺序为调谐→解调→放大→显示，故选C。]
回归本节知识，自我完成以下问题：
(1)电磁波按波长大小排列顺序是怎样的？
提示：无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线。
(2)怎样提高发射电磁波的能力？
提示：发射频率足够高，采用开放电路。
(3)调谐和解调的区别？
提示：调谐是选台的过程，也就是选出携带有用信号的高频振荡电流。解调是将高频电流中携带的有用信号分离出来。
课时分层作业(十四) 电磁波谱 无线电波的发射、传播与接收 无线电波与移动互联网
题组一 电磁波谱
1．下列各组电磁波，按波长由长到短的顺序排列正确的是( )
A．γ射线、红外线、紫外线、可见光
B．红外线、紫外线、可见光、γ射线
C．可见光、红外线、紫外线、γ射线
D．红外线、可见光、紫外线、γ射线
D [依照波长的长短不同，由长到短电磁波谱顺序为：无线电波，红外线，可见光，紫外线，X射线，γ射线(伽马射线)。故选D。]
2．关于各种电磁波的性质比较，下列说法中正确的有( )
A．由于红外线的波长比可见光长，所以比可见光更难发生干涉、衍射
B．由于γ射线的波长太短了，所以根本无法发生干涉、衍射
C．无论哪一种电磁波，在真空中的传播速度都相同
D．γ射线的穿透能力最强，所以用来透视人体，检查骨骼和其他病变情况
C [由于红外线的波长比可见光长，所以比可见光更容易衍射，故A错误；干涉、衍射是波的特有属性，γ射线是电磁波，尽管γ射线的波长太短了，但仍能发生干涉、衍射，故B错误；根据麦克斯韦电磁理论，无论哪一种电磁波，在真空中的传播速度都相同，故C正确；γ射线对人体有较大的伤害，所以一般不用来做透视，故D错误。]
3．关于生活中遇到的各种波，下列说法正确的是( )
A．电磁波可以传递信息，声波不能传递信息
B．手机在通话时涉及的波既有电磁波又有声波
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
B [电磁波可以传递信息，声波也能传递信息，A错误；手机在通话时，涉及的波既有电磁波又有声波，B正确；太阳光中的可见光的传播速度远大于医院“B超”中的超声波的传播速度，C错误；遥控器发出的红外线波长大于医院“CT”中的X射线波长，D错误。]
题组二 电磁波的发射
4．关于无线电广播发射过程中的振荡器的作用，下列说法正确的是( )
A．振荡器的作用是产生等幅高频信号
B．振荡器的作用是产生低频音频信号
C．振荡器的作用是产生高频音频信号
D．振荡器的作用是产生等幅低频信号
A [无线电广播发射过程中的振荡器的作用是产生等幅高频信号，然后将声音信号加载在振荡器发出的电磁波上发射出去，A正确。]
5．用一平行板电容器和一个线圈组成LC振荡电路，要增大发射电磁波的波长，可采用的做法是( )
A．增大电容器两极板间的距离
B．减小电容器两极板间的距离
C．减小电容器两极板的正对面积
D．增大电容器两极板的电压
B [根据f＝12πLC及v＝λf可知，λ＝2πvLC，增大电容器电容，可以增大发射电磁波的波长，由C＝εrS4πkd，可知，减小电容器两极板的距离、增大正对面积都可以增大电容器电容，故选项B正确。]
题组三 电磁波的接收
6．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．因为收听到的电台离收音机最近
B．因为收听到的电台频率最高
C．因为接收到的电台电磁波能量最强
D．因为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
D [选台就是调谐过程，因为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，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D正确，A、B、C错误。故选D。]
7．(多选)如图所示为调幅振荡电流图像，此电流存在于电磁波发射和接收中的哪些阶段( )
A．经调制后B．经调谐后
C．经检波后D．耳机中
AB [为了把信号传递出去，需要将信号“加”到高频振荡电流上，这就是调制。而图像是将信号加上后使高频振荡电流的振幅随信号变化，这叫调幅。在接收电路中，经过调谐，回路中将出现调幅振荡电流，经检波后，调幅振荡电流将被削去一半，而在耳机中只有低频信号电流。故选AB。]
8．(多选)调谐电路的可变电容器的动片从完全旋出到完全旋入仍接收不到较高频率的电台发出的电信号，要收到该电台的信号，可采用下列何种办法( )
A．增加调谐电路中线圈的匝数
B．加大电源电压
C．减少调谐电路中线圈的匝数
D．将线圈中的铁芯取走
CD [当调谐电路的固有频率等于电台发出信号的频率时发生电谐振才能收听到电台信号。由题意知收不到电信号的原因是调谐电路固有频率低，由f＝12πLC可知，在C无法再调节的前提下，可减小自感系数L，即可通过选项C、D的操作升高调谐电路的固有频率。]
9．某居住地A位于某山脉的一侧，山脉的另一侧P处建有无线电波发射站，如图所示。该发射站可发送频率为400kHz的中波和400MHz的微波，已知无线电波在空气中的传播速度都为3×108m/s，求：
(1)该中波和微波的波长各是多少？
(2)发射站发出的电磁波是经过干涉还是衍射后到达居住地A处的？
(3)若两种波的接收效果不同，请说明哪一种波的接收效果更好，为什么？
[解析] (1)由λ＝cf知，中波的波长为λ1＝750m，微波的波长为λ2＝0.75m。
(2)无线电波绕过山脉到达A处，发生了衍射现象。
(3)中波的接收效果更好，因为它的波长长，衍射现象更明显。
[答案] (1)750m 0.75m (2)衍射 (3)中波的接收效果好，因为它的波长长，衍射效果更好
10．(多选)物理学的发展推动了医学影像诊断技术的进步。一般来说，医生会根据病人的病情，通常可先做B超检查，如果发现某处有问题，再做CT；B超成像的基本原理是探头向人体发射超声波，CT在工作时发出X射线束对人体的某一部分进行扫描。关于超声波和X射线，下列说法中正确的是( )
A．超声波和X射线都能发生干涉和衍射现象
B．超声波和X射线都是电磁波
C．可见光和X射线在真空中传播速度相同
D．超声波和X射线都可以在真空中传播
AC [干涉和衍射是一切波特有的现象，则超声波和X射线都能发生干涉和衍射现象，选项A正确；X射线是电磁波，超声波是机械波，选项B错误；可见光和X射线在真空中传播速度相同，选项C正确；X射线可以在真空中传播，但是超声波传播需要介质，选项D错误。]
11．降噪耳机越来越受到年轻人的喜爱。某型号降噪耳机工作原理如图所示，降噪过程包括如下几个环节：首先，由安置于耳机内的微型麦克风采集耳朵能听到的环境中的中、低频噪声(比如100～1000Hz)；接下来，将噪声信号传至降噪电路，降噪电路对环境噪声进行实时分析、运算等处理工作；在降噪电路处理完成后，通过扬声器向外发出与噪声相位相反、振幅相同的声波来抵消噪声；最后，我们的耳朵就会感觉到噪声减弱甚至消失了。对于该降噪耳机的下述说法中，正确的有( )
A．该耳机正常使用时，降噪电路发出的声波与周围环境的噪声能够完全抵消
B．该耳机正常使用时，该降噪耳机能够消除来自周围环境中所有频率的噪声
C．如果降噪电路能处理的噪声频谱宽度变小，则该耳机降噪效果一定会更好
D．如果降噪电路处理信息的速度大幅度变慢，则耳机使用者可能会听到更强的噪声
D [因周围环境产生的噪声频率在100～1000Hz范围之内，而降噪电路只能发出某一种与噪声相位相反、振幅相同的声波来抵消噪声，所以降噪电路发出的声波与周围环境的噪声不能够完全抵消，即不能完全消除来自周围环境中所有频率的噪声，选项A、B错误；如果降噪电路能处理的噪声频谱宽度变大，则该耳机降噪效果一定会更好，选项C错误；如果降噪电路处理信息的速度大幅度变慢，则在降噪电路处理完成后，通过扬声器可能会向外发出与噪声相位相同、振幅相同的声波来加强噪声，则耳机使用者可能会听到更强的噪声，选项D正确。]
12．近场通信(NFC)是一种短距高频的无线电技术，其主要结构就是线圈和电容组成的类似LC振荡电路的并联谐振电路，其终端有主动、被动和双向三种模式，最常见的被动模式广泛应用于公交卡、门禁卡、校园一卡通等，刷卡时，电路发生电谐振，给电容器充电，达到一定电压后，在读卡设备发出的射频场中响应，被读或写入信息。下列说法正确的是( )
A．LC电路的电容器在充电时，电流增大
B．如果增大LC电路中电容器两极板间距离，振荡周期将增大
C．LC电路中，电容器充电时，线圈中自感电动势增大
D．电磁波发射时，使电磁波随各种信号而改变的技术叫电谐振
C [LC电路的电容器在充电时，电流减小，故A错误；增大LC电路中电容器两极板间距离，电容器的电容会变小，根据T＝2πLC可知，LC电路的振荡周期将减小，故B错误；LC电路中，电容器充电时，电流减小得越来越快，线圈中的自感电动势增大，故C正确；电磁波发射时，使电磁波随各种信号而改变的技术叫调制，故D错误。]
13．如图所示，线圈的自感系数为3μH，在线圈的中间有抽头2，电容器的电容可在150～300pF之间变化，S为转换开关。求此回路的最大周期和最大频率。
[解析] 根据T＝2πLC得
Tmax＝2πLmax+Cmax＝2π3×10-6×300×10-12s≈1.88×10-7s，
根据f＝1T＝12πLC得
fmax＝12πLmin+Cmin＝12π1.5×10-6×150×10-12Hz≈1.06×107Hz。
[答案] 1.88×10-7s 1.06×107Hz
学习任务
1．(1)认识电磁波谱。
(2)能说出电磁波的发射、传播和接收的过程。知道无线电通信的基本原理。
(3)能正确区分调制、调幅、调频、调谐、解调等概念。
2．(1)知道各个波段的电磁波的名称、特征和典型应用。
(2)能结合生活实际，说出无线电通信在生活中的应用。
波长范围
特点
用途
无线电波
几毫米到几十千米
波动性强
通信、广播、导航
红外线
760～106nm
热作用强
加热、远测、遥感、红外线制导
可见光
400～760nm
感光性强
照明、照相等
紫外线
60～400nm
化学作用、
荧光效应
杀菌消毒、预防佝偻病等
X射线
400～10-8nm
穿透力强
检查、探测、透视、治疗
γ射线
10-7～10-2nm
穿透力最强
探测、治疗
产生的机理
特点
用途
无线电波
振荡电路中电子周期性运动产生
波动性强
通信、广播、导航等
红外线
原子的外层电子受激发后产生
热作用强
加热、遥测、遥感、红外线制导等
可见光
感光性强
照明、照相等
紫外线
化学作用荧光效应
杀菌消毒、治疗皮肤病等
X射线
原子的内层电子受激发后产生
穿透力强
检查、探测、透视、治疗等
γ射线
原子核受激发后产生
穿透力最强
探测、治疗等
波段
波长/m
频率/MHz
传播方式
主要用途
长波
30000～3000
0.01～0.1
地波
广播、导航
中波
3000～200
0.1～1.5
地波和天波
中短波
200～50
1.5～6
天波
调幅(AM)广播、导航
短波
50～10
6～30
微波
米波
10～1
30～300
近似直线传播
调频(FM)广播、电视、导航
分米波
1～0.1
300～3000
直线传播
电视、雷达、移动通信、导航、射电天文
厘米波
0.1～0.01
3000～30000
毫米波
0.01～0.001
30000～300000