資源簡介

第十四章
電磁波
14.1
電磁波的發現
一、電磁場和電磁波
1．麥克斯韋電磁理論的兩個基本假設
(1)變化的磁場能夠在周圍空間產生電場。
(2)變化的電場能夠在周圍空間產生磁場
注意：變化的磁場產生的電場,叫感應電場或渦流電場,它的電場線是閉合的;
靜電荷周圍產生的電場叫靜電場,它的電場線由正電荷起到負電荷止,是不閉合的。
二、電磁波的產生機理
1．電磁場
變化的電場和變化的磁場交替產生，形成不可分割的統一體，稱為電磁場。
2．電磁波
(1)電磁波的產生：變化的電場和磁場交替產生而形成的電磁場是由近及遠地傳播的，這種變化的電磁場在空間的傳播稱為電磁波。
(2)電磁波的特點：
①電磁波在空間傳播不需要介質；在真空中，電磁波的傳播速度與光速相同：
即
v真空
=
c
＝
3.0×108
m/s
光是一種電磁波
②電磁波是橫波，在空間傳播時任一位置上（或任一時刻）E、B、v三矢量相互垂直且E和B隨時間做正弦規律變化。
③電磁波具有波的共性,能產生干涉、衍射等現象,電磁波與物質相互作用時,能發生反射、吸收、折射等現象,電磁波也是傳播能量的一種形式。
④相鄰兩個波峰(或波谷)之間的距離等于電磁波的波長,一個周期的時間,電磁波傳播一個波長的距離。
⑤電磁波的頻率為電磁振蕩的頻率,由波源決定,與介質無關。
(3)電磁波的波速、波長與頻率的關系:。
注意：①同一種電磁波在不同介質中傳播時,頻率不變(頻率由波源決定),波速、波長發生改變,在介質中的速度為n為介質對電磁波的折射率),在介質中的速度都比在真空中的速度小.②不同電磁波在同一種介質中傳播時,傳播速度不同,頻率越高波速越小,頻率越低波速越大.
三、赫茲的電火花一發現了電磁波
1.赫茲實驗
赫茲觀察到:當感應圈的兩個金屬球間有火花跳過時,導線環兩個小球間也跳過火花。據此實驗,赫茲在人類歷史上首先捕捉到了電磁波。
2.赫茲的其他成果
赫茲觀察到了電磁波的反射、折射、干涉、偏振和衍射等現象，測量證明了電磁波在真空中具有與光相同的速度c,證實了麥克斯韋關于光的電理論。
3.赫茲實驗的意義
(1)意義:
①證實了麥克斯韋關于光的電磁理論;
②人類歷史上首次捕捉到了電磁波。
(2)赫茲的實驗為無線電技術的發展開拓了道路,后人把頻率的單位定為赫茲
四、正確理解麥克斯韋的電磁場理論
1.電磁場與靜電場、靜磁場的比較
三者可以在某空間混合存在,但由靜電場和靜磁場混合的空間不屬于電磁場。電磁場是電場、磁場相互激發形成的統一體。
注意：
(1)變化的磁場周圍產生電場,是一種普遍存在的現象,跟閉合電路是否存在無關；
(2)有單獨存在的靜電場,也有單獨存在的靜磁場,但沒有靜止的電磁場。
2、電場和磁場的變化關系
(1)變化的磁場產生電場
①均勻變化的磁場產生恒定的電場．
②非均勻變化的磁場產生變化的電場．
③周期性變化的磁場產生同頻率的周期性變化的電場．
(2)變化的電場產生磁場
①均勻變化的電場產生恒定的磁場．
②非均勻變化的電場產生變化的磁場．
③周期性變化的電場產生同頻率的周期性變化的磁場．
五、電磁波和機械波的比較
第十四章
電磁波
14.2
電磁振蕩
一、電場振蕩的產生
1．振蕩電流和振蕩電路
（1）振蕩電流：大小和方向都做周期性變化的電流．
（2）振蕩電路：能產生振蕩電流的電路．
（3）LC振蕩電路：由線圈L和電容器C組成的電路是最簡單的振蕩電路，
稱為LC振蕩電路，如圖。
(4）LC振蕩電路的兩種起振方式：
①電容器充電起振
如圖，乙開關S先閉合到1位置,電容器充電,然后閉合到2位置,電路開始進行電磁振蕩。電容器的電荷量q隨t按余弦規律變化,電路中的電流i隨t按正弦規律變化,圖像分別如圖甲、乙所示。
2.電磁振蕩過程分析
LC回路中電磁振蕩規律可用下圖表示.(圖中
表示增加,
表示減少)。
3.
阻尼振蕩和無阻尼振蕩
(1)無阻尼振蕩:沒有能量損耗的振蕩。無阻尼振蕩必是等幅振蕩.
(2)阻尼振蕩:有能量損耗的振蕩,若能量得不到補充,振幅會逐漸減小。
二、電磁振蕩的周期和頻率
1．電磁振蕩的周期與頻率
(1)周期：電磁振蕩完成一次周期性變化需要的時間，用“T”表示。
(2)頻率：1
s內完成周期性變化的次數，用“f”表示。
(3)周期和頻率關系：T＝
。
振蕩電路里發生無阻尼振蕩時的周期和頻率分別叫做固有周期、固有頻率。
2．LC的周期與頻率
3.對“LC電路”固有周期和固有頻率的理解
(1)LC電路的周期、頻率都由電路本身的特性(L和C的值)決定,與電容器極板上電荷量的多少、極板間電壓的高低、是否接入電路中等因素無關。
所以稱為LC電路的固有周期和固有頻率.
(2)使用周期公式時,一定要注意單位：
T、L、C、f的單位分別是秒(s)、亨利(H)、法拉(F)、赫茲(Hz)。
(3)電感L和電容C在LC振蕩電路中既是能量的轉換器,又決定著這種轉換的快慢,L或C越大,能量轉換時間也越長,故周期也越長。
(4)電路中的電流、線圈中的磁感應強度B、電容器極板間的電場強度E的變化周期就是LC電路的振蕩周期,
,在一個周期內上述各量方向改變兩次;電容器極板上所帶的電荷量,其變化周期也是振蕩周期,
,極板上電荷的電性在一個周期內改變兩次;電場能、磁場能也在做周期性變化,但是它們的變化周期是振蕩周期的一半,即
。
三、LC振蕩電路各量變化的對應關系
LC振蕩電路充、放電過程的判斷方法
(1)根據電流流向判斷：當電流流向帶正電的極板時，電容器的電荷量增加，磁場能向電場能轉化，處于充電過程；反之，當電流流出帶正電的極板時，電荷量減少，電場能向磁場能轉化，處于放電過程。
(2)根據物理量的變化趨勢判斷：當電容器的帶電量q(電壓U、場強E)增大或電流
i
(磁場B)
減小時，處于充電過程；反之，處于放電過程。
(3)根據能量判斷：電場能增加時充電，磁場能增加時放電。　
2
.同步同變關系
（1）電容器上的物理量：電量q、板間電壓U、電場強度E、電場能E電
是同步同向變化的，即：q↓→U↓→E↓→E電↓
(或
q↑→U↑→E↑→
E電↑)
。
（2）振蕩線圈上的物理量：振蕩電流i、磁感應強度B、磁場能E磁
也是同步同向變化的，即：i↓→B↓→
E磁↓
(或
i↑→B↑→
E磁↑)。
3.同步異變關系
電容器上的三個物理量q、E、
E電與線圈中的三個物理量i、B、
E磁
是同步異向變化的，即q、E、
E電
同時減小時，i、B、
E磁同時增大，且它們的變化是同步的，
即（
q、E、
E電）↑→（
i、B、
E磁）↓。
3.物理量的等式和決定關系
(1)
線圈上的振蕩電流
i＝
;
i由極板上電荷量的變化率決定，與電荷量的多少無關。
(2)
自感電動勢
E自＝L·
;
E自由電路中電流的變化率決定，與電流的大小無關。
(3)兩極板間的電壓
U＝;
U由極板上的電荷量決定，與電荷量的變化率無關
(4)振蕩周期
T＝。
第十四章
電磁波
14.3
電磁波的發射和接收
一、電磁波的發射
1.有效發射電磁波的條件
若要有效地向外發射電磁波,振蕩電路必須具有如下特點:
(1)要有足夠高的頻率,頻率越高,越容易向外界輻射能量;
(2)要有開放電路.振蕩電路的電場和磁場必須分散到盡可能大的空間,才能有效地把電磁場的能量傳播出去,有效地發射電磁波必須用開放電路,如圖所示.
2.無線電波的調制
(1)載波:用來“運載”信號的高頻等幅波叫載波
(2)調制:在電磁波發射技術中,使電磁波隨各種信號而改變的技術叫做調制.
即把傳遞信號加到載波上的過程。
(3)調制的方式
①調幅:使高頻電磁波的振幅隨信號的強弱而改變。如圖所示為經過調幅的高頻振蕩電流的波形：
②調頻:高頻電磁波的頻率隨信號的強弱而改變。如圖所示為經過調頻的高頻振蕩電流的波形：
3.無線電波的發射過程
由振蕩器(常用LC振蕩電路)產生高頻振蕩電流,用調制器將需傳送的電信號調制到振蕩電流上,再耦合到一個開放電路中激發出無線電波,向四周發射出去。
二、電磁波的接收
1．接收原理：電磁波在傳播時遇到導體會使導體中產生感應電流，所以導體可用來接收電磁波，這個導體就是接收天線。
2．電諧振：當接收電路的固有頻率跟接收到的電磁波的頻率相等時，接收電路里產生的震蕩電流最強，這種現象叫做電諧振。
3．調諧：使電路中產生電諧振的過程叫做調諧。
4.通過電諧振來選臺
(1)選臺:接收電磁波時,從諸多的電磁波中把需要的選出來。
(2)電諧振:當接收電路的固有頻率跟接收到的電磁波頻率相同時,接收電路中產生的振蕩電流最強,這種現象叫電諧振。相當于機械振動中的共振。
(3)調諧:使接收電路發生電諧振的過程叫調諧,其基本原理就是電諧振。
(4)調諧電路:能夠調諧的接收電路叫做調諧電路，
如圖所示：
在調諧電路中,由于電感的調節不方便,因此一般采用調節電容器電容大小的方法來改變調諧頻率。使它跟要接收的電臺發出的電磁波的頻率相同,這個頻率的電磁波在調諧電路里激起較強的感應電流,于是就選出了這個電臺
。
5．解調
使聲音或圖像信號從接收到的感應（高頻振蕩）電流中還原出來，這個過程是調制的逆過程，叫做解調。調幅波的解調也叫檢波。
6．無線電波的接收
波長大于1mm(頻率低于300GHz)的電磁波叫作無線電波。天線接收到的所有的電磁波,經調諧選擇出所需要的電磁波,再經解調取出攜帶的信號,放大后再還原成聲音或圖像。
三、無線電波的發射、接收及傳播
1.無線電波的發射和接收過程
2.“調幅”和“調頻”都是調制過程
(1)高頻電磁波的振幅隨信號的強弱而變的調制方式叫調幅。一般電臺的中波、中短波、短波廣播以及電視中的圖像信號采用調幅波。
(2)高頻電磁波的頻率隨信號的強弱而變的調制方式叫調頻。電臺的立體聲廣播和電視中的伴音信號,采用調頻波。
3.解調是調制的逆過程
聲音、圖像等信號頻率相對較低,不能轉化為電信號直接發射出去。將這些低頻信號加載到高頻電磁波信號上去將聲音、圖像信號加載到高頻電磁波上的過程就是調制,而將聲音、圖像信號從高頻調制信號中還原出來的過程就是解調。
4.正確理解調諧的作用
世界上有許許多多的無線電臺、電視臺及各種無線電信號,如果不加選擇全部接收下來,那必然是一片混亂,分辨不清。因此接收信號時,首先要從各種電磁波中把我們需要的選出來,通常叫選臺.在無線電技術中利用電諧振達到該目的。
5.無線電波的傳播
無線電技術中使用的電磁波叫做無線電波,它們的波長在幾毫米到幾十千米之間。無線電波在沿地球表面、大氣層中傳播時,由于不同波長的電磁波衍射和被吸收的情況各不相同,不同波長的電磁波在傳播方式上也各不相同。地波、天波、空間波的傳播方式、適合的波段、特點如下表所示：
相近概念的辨析技巧
(1)調頻和調幅：
這是調制的兩種方式，使電磁波的頻率隨信號改變的調制方式叫調頻；使電磁波的振幅隨信號改變的調制方式叫調幅。
(2)調制和解調：
把低頻電信號加載到高頻等幅振蕩電流上叫作調制；
把低頻電信號從高頻載波中檢出來叫解調，是調制的逆過程。
第十四章
電磁波
14.4
電磁波與信息化社會
一、電磁波的傳輸途徑與特點
1.電磁波傳輸途徑及特點
(1)電磁波可以通過無線傳輸,也可以通過有線傳輸；
(2)電磁波的頻率越高,相同時間內傳遞的信息量越大.光的頻率比無線電波的頻率高得多,因此光纜可以傳遞大量信息。電磁波的頻率越高，相同時間傳遞的信息量越大
二、電磁波的應用
1.電視
①電視信號的發射,如圖所示：
用話筒把聲音信號轉換成音頻電信號,用攝像機把圖像信號轉換成視頻電信號,但音頻、視頻電信號不能直接發射出去.由載波發生器產生高頻電磁波,通過調制器把音頻、視頻電信號加載到高頻電磁波上.最后通過天線把載有音頻、視頻電信號的電磁波發射出去。
②電視信號的接收
接收機收到高頻電磁波以后,利用電視機的調諧器選出我們所需要的某一頻率的電磁波,再從高頻電信號中取出音頻、視頻電信號,音頻電信號經放大后送到揚聲器,轉換成聲音;視頻電信號送到顯像設備,轉換成圖像
1.在電視信號發送和接收過程中,各元件所起的作用：
2.視覺暫留,使人觀察到電視的活動圖像
人眼觀察物體時,若將物體移去,眼睛的視神經對物體的印象并不能立即消失,而要延續0.1s的時間,這種生理現象叫做視覺暫留。由于電視每秒傳送25張畫面,所以人看電視時,前一張畫面的印象尚未消失,后一張畫面已出現在熒光屏上,從而產生電視圖像連續活動的感覺。
三.雷達
1.構造：雷達一般由天線系統、發射裝置、接收裝置、輸出裝置(顯示器)、電源、用于控制雷達工作和處理信號的計算機以及防干擾設備等構成
2.工作原理:利用電磁波遇到障礙物會發生反射的特性來確定目標物體
的位置
3.特點
(1)雷達既是無線電波的發射端,又是無線電波的接收端；
(2)雷達使用的無線電波是直線性好、反射性能強的微波波段;
(3)雷達發射的是不連續的無線電波,即脈沖,每次發射時間小于1,兩次發射的時間間隔約為0.1ms;
(4)障礙物的距離等情況都由顯示器直接顯示出來。
4.應用
可以用于探測飛機、導彈等軍事目標,也可以用于導航,在天文學上可以用于研究星體,在氣象上可以用于探測臺風、雷雨、烏云等。
5.雷達偵察問題的解決方法
(1)當反射波形與發射波形之間的時間間隔等于發射脈沖的時間間隔時,雷達的偵察距離最大,x=C
；
(2)確定被測物體位置的方法:已知無線電波的傳播速度為c,測出從發射無線電波脈沖到接收到反射回來的無線電波的時間t,就可以由公式
2s=ct
確定與被測物體的距離,再根據無線電波的方向和仰角,便可以確定被測物體的位置了.
(3)要增大雷達的最大偵察距離,必須相應地延長發射脈沖的時間間隔,即減少每秒發射的脈沖數；
(4)因電磁波在傳播過程中不可避免地要損失能量,因此要提高雷達的偵察能力,增大最大偵察距離,最根本的還在于提高雷達的發射功率。
四.移動電話
特點：手持移動電話的體積很小，發射功率不大。它的天線也很簡單，靈敏度不高
因此，手機通話時要靠強大的固定無線電臺轉接。這種固定的無線電臺叫做基站。城市高大建筑物上、農村有的山頭上，常常可以看到移動通信基站的天線。
五.因特網
因特網是世界上最大的計算機互聯網,可以在網上看電影、聊天購物、答查閱各種資料,進行遠程教學、遠程醫療,也可進行網上會議。
第十四章
電磁波
14.5
電磁波譜
一、電磁波譜
按電磁波的波長或頻率大小的順序把它們排列成譜,叫做電磁波譜。電磁根波譜按波長由大到小(頻率由小到大)的順序,依次是無線電波、紅外線、可見光、紫外線、X射線、射線
特別提醒：
1.從無線電波到
射線都是本質相同的電磁波。遵循共同的規律,
但因波長(或頻率)不同又表現出不同的特點。
2.電磁波譜中的各部分沒有嚴格的分界線。無線電波的微波部分和紅外線的一部分重疊,紫外線和X射線的一部分重疊,射線和X射線的一部分重疊。
二、波長不同的電磁波的特點及應用
（1）無線電波
①波長大于1mm頻率小300000MHz
②分為：長波、中波、短波和微波
③主要用于無線電通訊和廣播。
（2）紅外線
①波長比無線電波短，比可見光長。
②所有的物體都在不停地發射紅外線。（溫度越高，輻射能力越強）
③主要用于遙感、加熱。
應用：
紅外體溫計、紅外夜視議、紅外攝影、紅外遙感技術等。
（3）可見光
①波長在700nm~400nm進入人眼能引起視覺的電磁波叫可見光。
②分為紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫七色光。
③波長較短的光比波長較長的光更容易被散射,大氣對波長較短的光吸收也較強。
（4）紫外線
①可見光光譜中的紫光外側是紫外線,紫外線也是不可見光.其波長比紫光還短,波長范圍在5nm到370nm之間。
②有較高的能量。
③可用于滅菌消毒，熒光效應，促進鈣吸收，主要是化學作用。
（5）X射線（倫琴射線）
①波長比紫外線更短。
②有比紫外線更高的能量。
③有較強的穿透作用，可用于透視、檢查金屬內部缺陷。
X射線對生命物質有較強的作用,過量照射會引起生命體的病變。
（6）γ射線
①
γ射線是波長最短的電磁波,
頻率非常高，有很高的能量。
②
γ射線能破壞生命物質，在醫學上可以用來治療癌癥;
③
γ射線有很強的穿透作用，可用于檢查金屬內部缺陷。
三、各種電磁波的共性與區別
1.共同點
(1)它們在本質上都是電磁波,它們的行為服從相同的規律,各波段之間的區別并沒有絕對的意義。
(2)都遵守公式
,它們在真空中的傳播速度都是
c=3×108m/s
(3)它們的傳播都不需要介質。
(4)它們都具有反射、折射、衍射和干涉的特性。
2.不同點
(1)不同電磁波的頻率或波長不同,表現出不同的特性,波長越長越容易產生衍射現象,波長越短穿透能力越強。
(2)同頻率的電磁波,在不同介質中傳播速度不同.不同頻率的電磁波,在同一種介質中傳播時,頻率越大，折射率越大,速度越小。
(3)它們的產生機理不同：
(4)它們的用途不同：
電磁場具有能量，電磁波是一種物質，是物質存在的一種形式。太陽輻射中的電磁波能量主要集中在可見光、紅外線和紫外線三個區域內。

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