【同步讲义】（人教版2019）高中物理选修第二册--4.3 无线电波的发射和接收4.4 电磁波谱 讲义

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4.3无线电波的发射和接收4.4电磁波谱 基础导学要点一、无线电波的发射1、有效发射无线电波的条件①振荡电路产生的电场和磁场必须分布到广大的开放空间中，即采用开放电路．②要有足够高的振荡频率，研究表明频率越高，振荡电路向外发射电磁波的本领越大．2、调制①载波：用来“运载”信号的高频等幅波．②调制：把传递的信号“加”到载波上的过程．常用的调制方法有调幅和调频两种．a．调幅：使高频振荡的振幅随信号而变．b．调频：使高频振荡的频率随信号而变．要点二、无线电波的传播与接收1、地波：沿地球表面空间传播的无线电波．2、天波：依靠电离层的反射来传播的无线电波．3、直线传播：沿直线传播的电磁波叫空间波或视波．4、电磁波的接收①原理：电磁波在传播过程中如果遇到导体，会使导体中产生感应电流．因此，空中的导体可以用来接收电磁波．②电谐振与调谐a．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，接收电路中产生的感应电流最强的现象．它与机械振动中的共振类似．b．调谐：使接收电路中产生电谐振的过程．通常说的选台即为调谐过程．调谐的基本原理就是电谐振．要点三、对调制、调幅、调频和解调过程的对比1．无线电波的发射和接收过程2．“调幅”和“调频”是调制的两个不同的方式(1)高频电磁波的振幅随信号的强弱而变的调制方式叫调幅，一般电台的中波、中短波、短波广播以及电视中的图像信号采用调幅波．(2)高频电磁波的频率随信号的强弱而变的调制方式叫调频，电台的立体声广播和电视中的伴音信号采用调频波．3．解调是调制的逆过程声音、图像等信号频率相对较低，不能转化为电信号直接发射出去，而要将这些低频信号加载到高频电磁波信号上去．将声音、图像信号加载到高频电磁波上的过程就是调制．而将声音、图像信号从高频信号中还原出来的过程就是解调．4．正确理解调谐的作用世界上有许许多多的无线电台、电视台及各种无线电信号，如果不加选择全部接收下来，那必然是一片混乱，分辨不清．因此接收信号时，首先要从各种电磁波中把我们需要的选出来，通常叫选台．在无线电技术中是利用电谐振达到该目的的．[特别提醒] (1)电谐振就是电磁振荡中的“共振”．(2)调谐与电谐振不同，电谐振是一个物理现象，而调谐则是一个操作过程．要点四、电磁波的传播特性 传播形式适合的波段特点地波沿地球表面空间传播长波、中波、中短波衍射能力较强天波靠大气电离层的反射传播中短波、短波反射能力较强空间波沿直线传播短波、超短波、微波穿透能力较强 要点五、电磁波谱1．电磁波谱：按电磁波的波长或频率大小的顺序排列成谱，叫做电磁波谱．2．按照波长从长到短依次排列为无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线．不同的电磁波由于具有不同的波长(频率)，才具有不同的特性．要点六、电磁波的特性及应用1．无线电波：波长大于1 mm(频率小于300 GHz)的电磁波是无线电波，主要用于通信、广播及其他信号传输．2．红外线(1)红外线是一种光波，波长比无线电波短，比可见光长，不能引起人的视觉．(2)所有物体都发射红外线，热物体的红外辐射比冷物体的红外辐射强．(3)红外线主要用于红外遥感和红外高速摄影．3．可见光：可见光的波长在760 nm到400 nm之间．4．紫外线(1)波长范围在5_nm到370_nm之间，不能引起人的视觉．(2)具有较高的能量，应用于灭菌消毒，具有较强的荧光效应，用来激发荧光物质发光．5．X射线和γ射线(1)X射线频率比紫外线高，穿透力较强，用来检查工业部件有无裂纹或气孔，医学上用于人体透视．(2)γ射线频率比X射线还要高，具有很高的能量，穿透力更强，医学上用来治疗癌症，工业上用于探测金属部件内部是否有缺陷．要点七、电磁波传递能量电磁波是运动中的电磁场，各种各样的仪器能够探测到许许多多的电磁波，表明电磁波可以传递能量．要点八、太阳辐射太阳辐射的能量集中在可见光、红外线和紫外线三个区域，在眼睛最敏感的黄绿光附近，辐射的能量最强．要点九、电磁波谱各种电磁波的共性(1)在本质上都是电磁波，遵循相同的规律，各波段之间的区别并没有绝对的意义．(2)都遵循公式v＝λf，在真空中的传播速度都是c＝3×108 m/s.(3)传播都不需要介质．(4)都具有反射、折射、衍射和干涉的特性．  要点突破突破一：无线电波的发射1、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。突破二：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。突破三：不同电磁波的特点及应用 特点用途无线电波波动性强通讯、广播、导航红外线热作用强加热、遥测、遥感、红外线制导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射线穿透力强检查、探测、透视、治疗γ射线穿透力最强探测、治疗 
强化训练一、选择题1．电磁波给人类生活带来日新月异变化的同时，也带来了电磁污染。长期使用如图所示的通信装置，会对人体健康产生影响的是（　　）A．B．C．D．【答案】C【解析】ABD．选项A、B、D中的图片都是固定电话，只是样式不同，固定电话是利用电现象和声现象之间的联系来工作的，不会对人体健康产生影响；C．选项C中的图片是移动电话，移动电话是利用电磁波来工作的，过量的电磁波会造成电磁辐射，对人体造成伤害。2、预碰撞安全系统是智能技术在汽车安全性上的重要应用。如图所示，后车系统配备的微波雷达发射毫米级电磁波（毫米波），并利用传感器和电子控制单元对前车反射的毫米波进行收集与运算，当系统判断有可能发生碰撞时会发出蜂鸣并显示警示信号，则（　）A．毫米波的频率比可见光高B．毫米波遇到前车时会发生明显衍射现象C．后车发射的毫米波频率高于被前车反射后接收到的频率D．前车的金属尾板遇到毫米波时一定会产生极其微弱的感应电流【答案】D【解析】A．从电磁波谱的顺序可知毫米波的频率比可见光低，故A错误；B．毫米波的波长远小于车的大小，所以遇到前车时不会发生明显衍射现象，故B错误；C．被前车反射后的电磁波，相当于接收者在靠近波源导致频率变大，故C错误；D．系统判断有可能发生碰撞时会发出蜂鸣并显示警示信号，说明前车的金属尾板遇到毫米波时一定会产生极其微弱的感应电流，故D正确。3、下列情景中关于电磁波特性和应用的描述，正确的是（　　）A．手机通话时涉及的波既有电磁波又有声波B． “CT”利用紫外线检查多种疾病C． “B超” 中的超声波属于电磁波D．遥控器发出的红外线有很高的穿透本领【答案】A【解析】A．手机通话时涉及的波既有电磁波又有声波，A正确；B．“CT”利用X线束对身体部位进行扫描，检查多种疾病，B错误；C．“B超” 中的超声波属于声波，C错误；D．遥控器发出的红外线，频率比可见光低，波长长，穿透本领较弱，D错误；4、如图为公交车上车时刷卡的情景，当听到“嘀”的声音，表示刷卡成功。刷卡所用的IC卡内部有电感线圈L和电容C构成的LC振荡电路。刷卡时，读卡机向外发射某一特定频率的电磁波，IC卡内的LC振荡电路产生电谐振，线圈L中产生感应电流，给电容C充电，达到一定的电压后，驱动卡内芯片进行数据处理和传输。下列说法正确的是（　　）A．读卡机发射的电磁波不能在真空中传播B．IC卡是通过X射线工作的C．读卡机在发射电磁波时，需要进行调谐和解调D．IC卡既能接收读卡机发射的电磁波，也有向读卡机传输数据的功能【答案】D【解析】A．电磁波能在真空中传播，故A错误；B．IC卡工作肯定不是依靠X射线，X射线的辐射能量较大，长时间接触对人体有害，故B错误；C．读卡机发射的电磁波到IC卡的距离很近，所以不需要进行调谐和解调，故C错误；D．IC卡既能接收读卡机发射的电磁波，也有向读卡机传输数据的功能，故D正确。5、电磁波的频率范围很广，按电磁波的波长或频率大小的顺序把它们排列成谱，叫做电磁波谱，如图所示。下列说法正确的是（    ）A．移动电话使用可见光进行Wi—Fi联网B．冷物体的红外辐射比热物体的红外辐射强C．紫外线具有的能量足以破坏细胞核中的物质D．X射线的频率比γ射线的频率高【答案】C【解析】A．移动电话经常使用Wi-Fi联网，也会用蓝牙传输数据，两种方式均是利用电磁波来传输信息的，均利用了电磁波中的微波，故A错误；B．根据辐射的特点可知，所有物体都发射红外线，热物体的红外辐射比冷物体的红外辐射强，故B错误；C.紫外线频率较高，所以具有较高的能量，可破坏细胞中的物质，通常用于杀菌，故C正确；D．在电磁波谱中，常见电磁波有：无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线，它们的波长是依次变短，频率依次变长，故D错误；6、红外线热像仪可以监测人的体温，当被测者从仪器前走过时，便可知道被测者的体温是多少。关于红外线热像仪测体温的原理，下列说法正确的是（　　）A．人的体温会影响周围空气温度，仪器通过测量空气温度便可知道人的体温B．仪器发出的红外线遇人反射，反射情况与被测者的体温有关C．被测者会辐射红外线，所辐射红外线的强度以及按波长的分布情况与温度有关，温度高时辐射强，且较短波长的辐射强度大D．被测者会辐射红外线，所辐射红外线的强度以及按波长的分布情况与温度有关，温度高时辐射强，且较长波长的辐射强度大【答案】C【解析】AB．根据热辐射的实验规律可知，人的体温升高，人体辐射的红外线的频率和强度就会增加，通过监测被测者辐射的红外线的频率和强度，就可以知道该人的体温了，故A、B错误；CD．被测者会辐射红外线，辐射强度以及按波长的分布情况与温度有关，随着温度的升高，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动，因此热辐射中较短波长的成分越来越多，故C正确，D错误。7、我们的生活已经离不开电磁波，如：北斗导航系统使用频率为1200~1600MHz（1MHz=106Hz）的电磁波，手机工作时使用频率为800~1900MHz的电磁波，家用5GWi-Fi使用频率约为5725MHz的电磁波，地铁行李安检时使用频率为1018Hz的电磁波。下列关于这四种电磁波的说法正确的是（　　）A．家用5GWi-Fi电磁波的衍射现象最明显B．北斗导航系统使用的电磁波的能量最强C．地铁行李安检时使用的电磁波是利用其穿透本领D．手机工作时使用的电磁波是纵波且不能产生偏振现象【答案】C【解析】A．电磁波波长越长，则频率越低，衍射现象越明显，家用5GWi-Fi使用的电磁波在题中介绍的几种电磁波中频率较高，波长较短，所以其衍射现象较不明显，故A错误；B．根据可知，频率越高，则能量越强，所以地铁行李安检时使用的电磁波在题中介绍的几种电磁波中能量最强，故B错误；C．地铁行李安检时使用的电磁波是利用其穿透本领，故C正确；D．手机工作时使用的电磁波均为横波，能产生偏振现象，故D错误。8、红外线夜视仪是利用了（　　）A．红外线波长较长，容易绕过障碍物的特点B．红外线热效应强的特点C．一切物体都在不停地辐射红外线的特点D．红外线是不可见光的特点【答案】C【解析】A．红外线的频率小，波长长，容易绕过障碍物。这一特点常用于红外线遥控。故A错误；B．红外线具有热效应强的特点。这一特点常用于红外线加热器、热谱仪。故B错误；C．红外线夜视仪是利用一切物体都在不停地向外辐射红外线的特点。故C正确；D．红外线和紫外线都是不可见光。但红外线夜视仪不是利用这一特点制作的。故D错误。9、我国已初步建成了全球最大规模的5G移动网络。5G网络使用的通信频率在3.0GHz以上的超高频段和极高频段，4G网络使用的通信频率在0.3GHz～3.0GHz间的特高频段，5G网络比4G网络拥有更大的带宽和更快的传输速率。下列说法正确的是（　　）A．5G信号比4G信号的波长更长B．5G信号是纵波，4G信号是横波C．5G信号传播不需要介质，4G信号传播需要介质D．相同时间内5G信号比4G信号传递的信息量更大【答案】D【解析】A．5G信号比4G信号的频率更大，则波长更短，选项A错误；B．电磁波是横波，即5G信号和4G信号都是横波，选项B错误；C．电磁波传播不需要介质，即5G信号和4G信号传播都不需要介质，选项C错误；D．相同时间内5G信号比4G信号传递的信息量更大，选项D正确。故选D。10、电磁波在日常生活和生产中已经被大量应用，下列说法正确的是（　　）A．银行的验钞机和家用电器的遥控器发出的光都是紫外线B．高温物体和低温物体都能辐射红外线C．手机通话使用的微波，波长比可见光的波长短D．在新冠肺炎诊断中，要用射线扫描肺部，是因为在电磁波中射线的穿透能力最强【答案】B【解析】A．银行的验钞机发出的光是紫外线，家用电器的遥控器发出的光是红外线，故A错误；B．高温物体和低温物体都能辐射红外线，故B正确；C．手机通话使用的微波，波长比可见光的波长长，故C错误；D．在新冠肺炎诊断中，要用X射线扫描肺部，故D错误。故选B。11、红外线是一种光波，在生产、生活中有着广泛应用。关于红外线的应用，下列说法正确的是（　　）A．利用红外线遥感可以监视森林火情 B．利用红外线可以灭菌消毒C．利用红外线可进行人体透视检查 D．工业上可利用红外线进行金属探伤【答案】A【解析】A．红外线的波长较长，则利用红外线遥感可以监视森林火情，选项A正确；B．红外线主要是热作用，利用紫外线可以灭菌消毒，选项B错误；C．进行人体透视检查是利用X射线，不是红外线，选项C错误；D．工业上可利用进行金属探伤的是γ射线，选项D错误。故选A。12、2021年12月9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为广大青少年带来了一场精彩的太空科普课，如图所示。已知神舟十三号空间实验室轨道半径为6740km，地球半径为6400km，则航天员讲课的实时画面从神舟十三号空间实验室发至地面接收站需要的时间最少为（     ）A． B．C． D．【答案】A【解析】光的传播速度为，需要的时间最少为故选A。13、现代生活中人类与电磁波结下了不解之缘，你认为下列陈述中符合事实的是（　　）A．麦克斯韦从理论上预言了电磁波，并通过实验证实了电磁波的存在B．常用的遥控器通过发出紫外线脉冲信号来遥控电视机C．空间有变化的电场（或磁场）存在，一定能形成电磁波D．将手机放在真空玻璃盒中，拨打该手机号码，手机会响铃（或振动）【答案】D【详解】A．麦克斯韦从理论上预言了电磁波，赫兹通过实验证实了电磁波的存在，选项A错误；B．常用的遥控器通过发出红外线脉冲信号来遥控电视机，选项B错误；C．若是均匀变化的磁场产生恒定的电场，则不能形成电磁波；同样均匀变化的电场产生恒定的磁场，不能形成电磁波，选项C错误；D．电磁波可以在真空中传播，将手机放在真空玻璃盒中，拨打该手机号码，手机能接收到信号，选项D正确。故选D。14、“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．微波 B．X射线 C．紫外线 D．超声波【答案】A【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。故选A。15、如图所示，2021年12月9日下午，神舟十三号乘组航天员在中国空间站成功进行了“天宫课堂”第一课。航天员太空授课的画面通过电磁波传输到地面接收站，下列关于电磁波的说法正确的是（　　）A．麦克斯韦证实了电磁波的存在B．电磁波可以在真空中传播C．电磁波在各种介质中传播的速度都是D．电场周围一定产生磁场，磁场周围一定产生电场【答案】B【详解】A．麦克斯韦预言了电磁波的存在，赫兹证实了电磁波的存在，A错误；BC．电磁波可以在真空中传播，在真空中传播的速度是m/s，一般在不同的介质中传播的速度不同，C错误，B正确；D．恒定的电场周围不产生磁场，恒定的磁场周围不产生电场，D错误。故选B。