第15讲 无线电波的发射和接收 电磁波谱（原卷版）-高二物理同步精品讲义（人教版选择性必修第二册）

第15讲 无线电波的发射和接收与电磁波谱

知识点01 无线电波的发射和接收

（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)要有足够高的振荡频率，频率越高，发射电磁波的本领越大．

(2)振荡电路的电场和磁场必须分散到尽可能大的空间，因此采用开放电路．

2．实际应用中的开放电路，线圈的一端用导线与大地相连，这条导线叫作地线；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．调制分为调幅和调频．

(1)调幅(AM)：使高频电磁波的振幅随信号的强弱而改变的调制方法．

(2)调频(FM)：使高频电磁波的频率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，会使导体中产生感应电流，空中的导体可以用来接收电磁波，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最强，这种现象叫作电谐振，相当于机械振动中的共振．

(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高频电流中还原出来的过程．调幅波的解调也叫检波．

（三）电视广播的发射和接收

1．电视广播信号是一种无线电信号，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图像信号和伴音信号．

【知识拓展1】

（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．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，如图所示．

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，如图所示．

（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．

【即学即练1】电磁辐射是一种复合的电磁波，以相互垂直的电场和磁场随时间的变化而传递能量。人体生命活动包含一系列的生物电活动，这些生物电对环境的电磁波非常敏感，因此，电磁辐射可以对人体造成影响和损害。《环境电磁波卫生标准》等法规规定：当电磁辐射强度（单位时间内垂直通过单位面积的电磁辐射能量）不超过0.15W/m2时，对人体没有任何影响。某办公区域内采用如图所示的无线路由器，若它的电磁辐射功率是7.5W，则人体与该装置的安全距离至少为（　　）

A．2.0m B．3.0m C．4.0m D．6.0m

知识点02 电磁波谱

（一）电磁波谱

1．电磁波谱：按电磁波的波长大小或频率高低的顺序排列成谱，叫作电磁波谱．

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)，具有不同的特性．

（二）电磁波的特性及应用

1．无线电波：波长大于1 mm(频率低于300 GHz)的电磁波称作无线电波，主要用于通信、广播及其他信号传输．

雷达是利用电磁波遇到障碍物要发生反射，以此来测定物体位置的无线电设备，其利用的是波长较短的微波．

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．

(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)红外线的应用主要有红外遥感和红外体温计．

3．可见光：可见光的波长在400～760 nm之间．

4．紫外线

(1)波长范围在5～370_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射线波长比紫外线短，有很强的穿透本领，用来检查金属构件内部有无裂纹或气孔，医学上用于检查人体的内部器官．

(2)γ射线波长比X射线更短，具有很高的能量，穿透力更强，医学上用来治疗某些癌症，工业上也可用于探测金属构件内部是否有缺陷．

【知识拓展2】

1．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．

2.不同电磁波的特性及应用

【即学即练2】在新冠肺炎疫情防控期间，红外线体温计被广泛使用。红外线体温计采用非接触的方式感应人体的体温，安全、方便、快捷。其原理是采用红外传感器吸收人体辐射的红外线，由人体最强辐射的波长与物体的绝对温度的关系得出人体表面的温度。已知热力学温度与摄氏温度之间的关系为。下列说法正确的是（　　）

A．人体在某一温度下只辐射某一固定波长的红外线

B．体温升高，人体辐射的红外线的波长和强度都增加

C．温度升高，人体辐射强度的最大值对应的频率减小

D．某人最强辐射的波长为，其体温约为

考法01  无线电波的发射和接收

【典例1】使用蓝牙耳机接听手机来电，信号传输示意图如图所示。蓝牙通信的电磁波（　　）

A．是蓝光

B．波长比手机通信的电磁波短

C．在真空中的传播速度大小为

D．在真空中的传播速度比手机通信的电磁波速度小

考法02  电磁波谱

【典例2】关于微波和无线电波，下列说法正确的是（　　）

A．无线电波波速在任何情况下都等于真空中的光速

B．微波在传播过程中遇到金属导体时，会在其中产生相应的感应电动势或感应电流

C．手机所用的微波在传播过程中比无线电广播所用的中波更容易绕过障碍物

D．在无线电通信中，声音信号通常要通过检波加载在高频信号上后，才向外发射

题组A  基础过关练

1．关于电报的发展史说法不正确的是（　　）

A．英国摩尔逊发明的电报机利用的是静电感应原理

B．英国戴维研制的电报机利用的是电流磁效应原理

C．静电电报机、五针式电报机都曾被广泛推广应用

D．莫尔斯发明的莫尔斯电码一直沿用至今

2．北斗智能放牧终端将卫星定位技术应用到牧业中，牧民通过手机掌握牧群动态，对放牧工作进行信息化管理。手机与北斗-定位系统间的信息传递靠的是（　　）

A．机械波 B．电磁波 C．次声波 D．超声波

3．关于无线电波的发射和接收，下列说法中正确的是（　　）

A．为了将信号发射出去，先要进行调谐

B．为了从各个电台发出的电磁波中将需要的选出来，就要进行调制

C．为了从高频电流中取出声音信号，就要进行调频

D．为了将信号发射出去，必须使用开放电路

4．在下列装置中，既能发射又能接收电磁波的是（　　）

A．收音机 B．移动电话 C．固定电话 D．电视机

5．下列设备中利用电磁波工作的是（　　）

A．电饭煲 B．电风扇 C．手机 D．电子钟表

6．关于电磁波的调制技术，下列说法不正确的是（　　）

A．使高频载波的振幅随信号改变的调制叫作调幅

B．使高频载波的频率随信号改变的调制叫作调频

C．中、短波段的无线电广播，使用的是调幅方式

D．调幅波的优点是抗干扰能力强，传递过程中失真比较小

7．下列各组电磁波中，按波长由小到大排列的是（　　）

A．射线、紫外线、红外线、可见光 B．射线、紫外线、可见光、红外线

C．红外线、可见光、紫外线、射线 D．紫外线、可见光、红外线、射线

8．下面说法正确的是（　　）

A．根据公式可知，导体电阻率与导体的电阻成正比

B．根据公式W=UIt可知，该公式只能求纯电阻电路的电流做功

C．电磁波频率最大的是γ射线，医学上常用它治疗某些癌症

D．红外线和X射线都有很强的穿透本领，常用于医学上透视人体

9．广播电台发射的中波无线电信号、家用微波炉中的微波、可见光、人体透视用的X光都是电磁波，设它们的频率分别是、、、，则（　　）

A． B． C． D．

10．高原上的人皮肤黝黑的原因是 （　　）

A．与高原上人的生活习惯有关 B．与高原上的风力过大有关

C．与高原上紫外线辐射过强有关 D．由遗传基因本身决定的

题组B  能力提升练

1．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

2．电磁学与我们的生活联系紧密。下列关于电磁学相关知识的说法正确的是（　　）

A．法拉第最早测得元电荷e的数值

B．电动势越大，表示电源把电能转化为其他形式的能的本领越强

C．地理南、北极与地磁场的南、北极重合

D．北斗导航系统是利用电磁波进行定位和导航的

3．一品牌双波段（中、短波段）收音机的接收电路原理简化结构如图所示，通过切换开关和旋转可变电容器动片来改变回路中的电感和电容，从而实现接收不同波段的信号。则（　　）

A．调制过程是指通过调节、，使接收电路的固有频率与接收到的电磁波的频率相等

B．接收电路的固有频率与需要接收的电磁波频率不相等时，接收电路将无法接收该电磁波

C．使S接且动片完全旋入，可接收到波长最短的电磁波

D．使S从打到，同时动片旋出，接收到的电磁波频率可能不变

4．2021年5月15日7时18分，我国的“天问一号”探测器在火星乌托邦平原着陆。着陆前“天问一号”探测器分成了两部分，一部分是环绕器，继续围绕火星转动，探测火星情报，另一部分是着陆器，它像一个“罩”一样，包着火星车，最终一起落在了火星上。而这个火星车就是“祝融号”，主要负责在火星实地考察。火星是离太阳第四近的行星，也是太阳系中仅次于水星的第二小的行星，火星的直径约为地球的一半，自转轴倾角、自转周期则与地球相近，但公转周期是地球的1.88倍。火星距离地球最近达5400万千米，最远达4亿千米（探测器需飞行约7个月抵达火星）。“天问一号”火星探测器是利用电磁波与地球保持联系的，光速约为30万千米/秒，下列说法合理的是（　　）

A．2021年5月15日7时18分是指时间

B．研究火星自转时可以将其看作质点

C．可估算，从火星到地球，“祝融号”完成一次信息传输时间大约需要17分钟

D．研究“祝融号”火星车在火星表面运行的路线和速度大小，应当以太阳为参考系

5．如图是一款磁悬浮蓝牙音箱，可实现与手机的无线信息传递，底座通电后，上面的磁体音箱就会在底座产生的磁场作用下悬浮起来，下列说法不正确的是（　　）

A．音箱悬浮时在竖直方向受到两个力，即重力和磁场的作用力

B．底座通电后能产生磁场，与电动机的工作原理相同

C．音箱悬浮利用了同名磁极相互排斥

D．无线信息传递利用的电磁波在空气中的传播速度约为3×108m/s

6．网络信号的稳定传输通常需要用到光纤和Wi-Fi无线路由器，下列表述正确的是（　　）

A．光纤通讯利用光纤来传输包含信息的电流信号

B．光纤通讯利用光的全反射原理传输包含信息的光信号

C．Wi-Fi无线路由器发射包含信息的超声波信号

D．Wi-Fi无线信号可以绕过障碍物传播是利用了波的干涉原理

7．下列有关电磁波的特性和应用，说法正确的是（　　）

A．红外线和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射线，最容易发生衍射现象

D．紫外线和射线都可以使感光底片感光

8．通讯设备的电磁辐射量越小，对人们健康的影响越小通讯基站辐射的测量标准是——测量位置距离基站辐射区域中心10m，手机辐射的测量标准是测量位置距离手机30cm。美国4G基站要求接收到的辐射量小于等于600μW/cm2。某款苹果手机距离人体30cm时，人体接收到的待机辐射约为17μW/cm2，通话辐射约为93μW/cm2。我国5G通讯基站正常工作时的辐射功率是40W，若此类电磁辐射可视为球面波，下列说法正确的是（　　）

A．在距离我国某5G通讯基站辐射区域中心10m位置处，辐射量大约是318μW/cm2

B．在距离我国某5G通讯基站辐射区域中心10m位置处，辐射量大约是3.18μW/cm2

C．我国5G通讯基站的辐射量大于美国4G通讯基站的安全标准

D．长时间使用苹果手机对人体的电磁辐射远低于我国5G通讯基站对人体的正常电磁辐射

9．二维运动传感器设计原理如图所示，计算机可以记录各个时刻运动物体A的位置坐标。计算机可以根据位置坐标，描绘出做平抛运动物体的轨迹，也可以分别绘出物体A的水平分速度大小和竖直分速度，随时间变化的图像。关于传感器设计原理下列叙述正确的是（　　）

A．B1、和B2一个负责发射超声波脉冲，一个负责接收超声波脉冲

B．B1和B2都是接收器，一个接收超声波脉冲，一个接收红外脉冲

C．物体A在做平抛运动过程能够在竖直面内向各个方向同时发射超声波脉冲和红外线脉冲，B1、和B2都是接收器，各自测出收到的超声波脉冲和红外脉冲的时间差，由此算出它们各自与物体A的距离

D．B1和B2都是发射器，二者同时发射超声波脉冲和红外脉冲，A是接收器，A根据接收到的超声波脉冲和红外脉冲的时间差来计算出物体A的位置

10．近年来，我国科技飞速发展，在国防科技方面，科学家们研发的反隐身米波雷达堪称隐身战斗机的克星，它标志着我国雷达研究又创新的里程碑，米波雷达发射无线电波的波长在范围内，则对该无线电波的判断正确的是（　　）

A．米波的频率比厘米波频率高 B．米波和机械波一样须靠介质传播

C．米波是原子核能级跃迁得到的 D．米波比红外线更容易发生衍射现象

题组C  培优拔尖练

1．2021年6月中国电子信息产业发展研究院科研人员接受采访时表示我国“”和“”芯片的发展攻克了许多技术难题，有望在2022年实现量产，届时中国将打破海外的芯片垄断．其中“”、“”表示芯片内单个晶体管的栅极宽度，如图甲所示为芯片内单个晶体管的示意图，下列说法正确的是（　　）

A．在形状相同的芯片内，“”工艺要比“”工艺集成的晶体管数量更少

B．一宽度大于的平行紫光照射宽度为的缝隙后，紫光的宽度变为

C．用相同材料制成的如图乙所示的方形导体，保持d不变，L减小，导体的电阻不变

D．波长为的电磁波，可以用于城市电视、广播等信号的无线远距离传输

2．下列说法正确的是（　　）

A．电磁波在真空中的传播速度与电磁波的频率无关

B．电磁波可以由电磁振荡产生，若波源的电磁振荡停止，空间的电磁波随即消失

C．在岸边观察前方水中的一条鱼，鱼的实际深度比看到的要深

D．分别用蓝光和红光在同一装置上做双缝干涉实验，用红光时得到的条纹间距更宽

3．有一种多功能LED限速牌，如图所示，没有车通过的时候，它显示出该路段的限速值。当有车通过时，它显示出该车的车速，并根据该车是否超速给出提示，这是雷达在生活中的一种应用。下列说法正确的是（　　）

A．该雷达只需发送一次电磁脉冲就能知道车的速度

B．该雷达至少要发送两次电磁脉冲才能知道车的速度

C．该雷达只需发送一次电磁脉冲就能知道车离雷达的距离

D．该雷达必须发送两次电磁脉冲才能知道车离雷达的距离

4．图为小罗同学用手机收听“FM97.5衢州交通音乐广播”的软件界面截图，下列说法正确的是（　　）

A．FM97.5电磁波的波长约为

B．真空中的电磁波比的电磁波传播速度更快

C．FM97.5在信号调制的过程中载波的振幅不变

D．为了能接收到FM107.5的信号，在其他条件不变的情况下需要增大接收模块的电容

5．下列说法正确的是（　　）

A．全息照相与立体电影都利用了光的干涉原理

B．科学家们可以利用光谱中的连续谱进行光谱分析

C．水中气泡特别亮是因为一部分光在水和气泡的界面上发生了全反射

D．所有物体都会发射红外线，一些汽车的夜视系统就是应用了红外线成像原理

6．关于波的现象，下列说法正确的有（　　）

A．根据麦克斯韦电磁场理论可知，变化的磁场一定会产生电磁波

B．声波和电磁波由空气进入水中，声波的波长变长而电磁波的波长变短

C．波源沿直线匀速靠近一静止接收者，则接收者接收到波信号的频率会比波源频率高

D．照相机等的镜头涂有一层增透膜，其厚度应为入射光在真空中波长的

E.拍摄玻璃橱窗内的物品时，往往在镜头前加一个偏振片以削弱反射光的干扰

7．根据图像，下列叙述正确的是（　　）

A．图甲所示的远距离输电通常通过提高电压来降低输电线路上的能量损耗

B．图乙所示的行李安检仪采用γ射线来透视安检物品

C．图丙所示的照相机镜头上呈现的淡绿色是由光的偏振引起的

D．图丁所示的泊松亮斑图案，这是光波的衍射现象

8．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？

9．可见光的频率和波长范围如表所示。

物理探究小组利用一套双缝干涉装置研究光的干涉现象，他们首先调节装置，使双缝与光屏的距离为1.00m，双缝之间的距离为0.3mm，然后小组同学选用波长为660nm的红色激光照射双缝，在光屏上形成明暗相间的干涉条纹。

（i）求相邻的两条明条纹间的距离

（ii）若小组同学将双缝间的距离调节为0.2mm，换用另一种颜色的激光照射双缝，测得光屏上第1条到第6条亮条纹中心间的距离为14.0mm，已知激光传播的速度c=3.00×108m/s，则这种激光的频率为多少？是什么颜色？