物理选修33 电磁波的发射和接收教案

课时14.2　电磁波的发射和接收

 电磁波与信息化社会

　　1.了解有效地发射电磁波的两个条件。

2.了解调制、调幅、调频、调谐、解调、电谐振在电磁波发射、接收过程中的作用。

3.了解电磁波在推动信息化社会发展中的巨大作用。

4.了解电视、雷达、移动电话等电磁设备的基本原理。

重点难点:对电磁波发射和接收全过程中各个环节的分析;电视、雷达、移动电话等电磁设备的基本原理。

教学建议:本节基本都是联系实际的知识,教学中只要求简单介绍原理,使学生有一个大致的了解即可,不宜分析太细。对无线电技术感兴趣的同学,可以引导他们阅读有关书籍,组织课外讲座与实验小组发展他们的兴趣与特长。电视、雷达是电磁波在科学技术上的应用,它们越来越普及,可以初步介绍其基本工作原理,教学中可以配合使用挂图和视频资料。

导入新课:从赫兹验证电磁波的存在到马克尼发现了无线电,开创了无线电波的实用价值;到1901年马克尼的无线电信号历史性地跨越了大西洋,实现了人类首次隔洋无线电通信;再到后来通信卫星的升空,移动通信才得以迅速发展。你知道无线电波是怎样发射和接收的吗?

1.电磁波的发射

(1)条件:一要有①开放电路,二要有足够高的②振荡频率。

(2)调制:在电磁波发射技术中,使电磁波随③各种信号而改变的技术。调制的方式有④调幅和⑤调频两种。

2.电磁波的接收

(1)接收天线:用来接收电磁波的空中的⑥导体就是接收天线。

(2)电谐振:当接收电路的固有频率跟接收到的电磁波的频率⑦相同时,接收电路中产生的振荡电流最强的现象。

(3)调谐:使接收电路发生⑧电谐振的过程。

(4)解调:使⑨声音或⑩图像信号从高频电流中还原出来的过程,即调制的逆过程。调幅波的解调也叫检波。

3.电视

(1)信号发射:在电视发射端,摄像管的作用是摄取景物的图像并将其转换为电信号,对高频振荡电路进行调制,然后通过天线把电磁波发射出去。

(2)信号接收:在电视接收端,通过调谐、解调将电信号送到显像管,由显像管将电信号还原成图像。

4.雷达

(1)定义:雷达是利用无线电波来测定物体位置的无线电设备。

(2)原理:电磁波遇到障碍物会发生反射,雷达就是利用电磁波的这个特性工作的。

(3)对电磁波的要求:电磁波的波长要短。原因是这样的电磁波衍射现象不明显,传播的直线性好,有利于用电磁波定位。

5.移动电话

每一部移动电话都是一个无线电台,它将用户的声音转变为高频电信号发射到空中,同时又相当于一台收音机,捕获空中的电磁波,使用户接收到通话对方送来的信息。

1.课本描述的天线用于哪种无线电的传播?

解答: 用于长波、中波、短波的无线电传播和通信。

2.载波是高频的还是低频的?

解答: 高频的。

3.手机采用的是哪种无线电波?

解答: 微波。

主题1:电磁波的发射

情景:图示为某一电视台的电视发射塔,电视信号就是通过这个电视发射塔将信号传送出去的。电视发射塔一般都建在地势比较高的地方,并且本身也很高,关于电视信号的发射,回答下面几个问题。

问题:(1)电视发射塔建在高处,建得比较高的原因主要是什么?(从信号可能被消减的角度进行分析)

(2)要想把信号发射出去,至少需要哪些基本条件?

(3)要使信号随无线电波一起传播,需要经过什么步骤?

解答:(1)建在高处的原因是避开建筑物,使信号直接接收,避免来回衍射、反射使信号变弱。

(2)要使信号能够发射出去,需要具有开放电路和足够高的振荡频率。

(3)需要对信号进行调制(即把信号“加”到高频电磁波中去)。

知识链接:无线电波主要的传播方式有地波传播、天波传播和直线传播三种。

　　主题2:电磁波的接收

情景:图甲为一老式收音机,白色旋钮为其调谐旋钮,其内部构造如图乙所示,通过金属片的旋转可以改变其电容。根据以上内容,并结合电磁波的接收环节,回答以下问题。

甲　　　　　　　　　乙

问题:(1)电磁波接收时,首先应该把我们需要的电磁波从诸多电磁波中选择出来,这个过程叫作选台,旋转调谐旋钮的目的是什么?

　　(2)为什么调节电容器的电容就可以使接收的信号增强?

(3)由调谐电路接收感应电流之后,还需要哪个环节我们才能听到声音?

解答:(1)旋转调谐旋钮的目的就是使我们需要的电磁波在接收天线中激起的感应电流最大,这个过程叫作调谐。

(2)调节电容器的电容可以使接收电路的固有频率等于电磁波的频率,产生电谐振。

(3)还需要解调环节。

知识链接:使接收电路中产生电谐振的过程叫调谐,能够调谐的接收电路叫调谐电路。

　　主题3:雷达

情景:如图所示,从左到右分别是蝙蝠、海豚和雷达,它们判断目标位置的方法有相同之处。根据图像和我们所学的电磁波知识,回答以下问题。

问题:(1)蝙蝠、海豚判断目标位置的方法是什么?

(2)雷达的工作原理是什么?

(3)为了避免敌军的雷达发现我们战机的行踪,人们研制了隐形飞机。我们用肉眼能不能看到隐形飞机?为什么?

解答:(1)利用超声波的反射。

(2)利用电磁波遇到障碍物要反射的特点来工作,通过电磁波的发射、反射和接收,可以测定障碍物的方位和距离。

(3)能看到。隐形飞机不反射敌方雷达的探测波,对雷达“隐形”。但可以反射可见光,肉眼能直接看到。

知识链接:雷达可以探测飞机、导弹等军事目标;可以用于导航;在天文学上可以研究星体;在气象上可以用于探测台风、雷雨、乌云。

1.(考查电磁波的发射与接收)关于电磁波的发射与接收,下列说法中正确的是(　　)。

A.发射的LC电路是开放的

B.电信号频率低,不能直接用来发射

C.调谐是调制的逆过程

D.接收电路也是一个LC振荡电路

【解析】如果LC电路是闭合的,它不能向外发射电磁波,因为发射电磁波需要把振荡电路的电场和磁场分散到尽可能大的空间中,才能有效地把能量传播出去,所以A对;电磁波是将电信号加到载波上进行传播的,所以B对;解调是调制的逆过程,所以C错;接收是利用LC电路进行的,所以D对。

【答案】ABD

【点评】发射无线电波需要开放电路,而且频率越高,发射能力越大。

2.(考查调制)调制的主要作用是(　　)。

A.使高频振荡的振幅或频率随要传播的电信号而改变

B.把需要的电信号从高频振荡中取出来

C.选择要接收的电台

D.发生电谐振

【解析】调制主要是将有用信号附加到高频振荡的电磁波上。

【答案】A

【点评】调制就是加入信号,它有调幅和调频两种形式。

3.(考查电磁波的接收)关于无线电广播的接收,下列说法中正确的是(　　)。

A.用调谐器取出的高频电流,通过喇叭即可听到声音

B.接收到的高频电流只有通过解调,才能产生音频电流

C.调谐器的作用就是将音频信号从高频信号中取出

D.通过解调电路的电流,再通过喇叭才能听到声音

【解析】本题主要在于区分解调和调谐的概念,解调又叫检波,是把音频信号从高频信号当中取出的过程;调谐是使接收电路产生电谐振的过程。

【答案】BD

【点评】解调也叫检波,是调制的逆过程。

4.(考查雷达)关于雷达的特点,下列说法正确的是(　　)。

A.雷达所用无线电波的波长比短波更长

B.雷达只有连续发射无线电波,才能发现目标

C.雷达的显示屏上可以直接读出障碍物的距离

D.雷达在能见度低的黑夜将无法使用

【解析】雷达一般采用直线性好,反射性强的微波,不是连续地发射无线电波,每次发射的时间及两次发射的时间间隔都有一定要求,障碍物的距离等情况都由显示屏显示出来,通过分析可知C项正确。

【答案】C

【点评】雷达是先发射电磁波,再接收反射回来的电磁波,用来确定探测对象的位置。

拓展一:无线电波的接收

1.如图所示,该图为早期的电视机的部分图,其中中间上面旋钮为调台旋钮,通过调节可以接收1~12频道,频率范围是48.5 MHz~223 MHz,此后发明的全频道电视机所接收的频道除了1~12频道外,还包括13~56频道,频率范围是470 MHz~862 MHz,试求:早期电视机和全频道电视机所接收的无线电波的波长范围。

【分析】考查公式c=λf的应用。各频率的电磁波在真空中的传播速度都相同,即c=3.0×108 m/s,再根据频率范围就可以计算出波长范围。

【解析】不同频率的电磁波在真空中的传播速度相同,根据电磁波的波长、频率和波速的关系式c=λf和电磁波在真空中的传播速度3×108 m/s可得,对应于频道中最低和最高频率的波长分别为:λ1== m=6.19 m, λ2==1.35 m,λ3==0.64 m,λ4==0.35 m,所以,早期电视机接收无线电波的波长范围为1.35 m≤λ≤6.19 m,全频道电视机所接收的无线电波的波长范围为0.35 m≤λ≤6.19 m。

【答案】1.35 m≤λ≤6.19 m　0.35 m≤λ≤6.19 m

【点拨】电磁波在真空中传播时,速度等于光速,其中速度、波长和频率之间的关系和机械波相同。

　　拓展二:超声波定位和雷达

2.雷达是用来对目标进行定位的现代化定位系统,海豚也具有完善的声呐系统,它能在黑暗中准确而快速地捕捉食物,避开敌害,远远优于现代化的无线电系统。

 (1)海豚的定位是利用了自身发射的(　　)。

 A.电磁波　　B.红外线　　C.次声波　　D.超声波

 (2)雷达的定位是利用自身发射的(　　)。

 A.电磁波  B.红外线 C.次声波  D.光线

【分析】考查对海豚的发声和雷达工作原理的了解。

【解析】(1)海豚发出的是超声波,波长很小,几乎是直线传播,在水中的传播距离比电磁波要远。海豚就是靠发出的超声波的回声进行导航和觅食的。

 (2)雷达是一个电磁波的发射与接收系统。

【答案】(1)D　(2)A

【点拨】海豚和雷达工作的过程都是发出和接收波,只不过波的频率不同。

一、物理百科

是谁引来了轰炸机?

1940年某夏秋之夜10点钟,伦敦电台播放人们喜爱的贝多芬的《命运》交响曲,强大的电波信号传送着《命运》那激动人心的乐曲,回荡在伦敦的夜空。市民放下手中的工作,如醉如痴地听着。突然,寂静的夜空响起了一片闷雷般的轰鸣声。这是希特勒的轰炸机群借茫茫夜雾掩护,悄悄地向英国首都扑来。当伦敦市民正陶醉在音乐声中时,大轰炸开始了。炸弹如暴雨般倾泻而下。伦敦市民为此付出了沉重的代价。当时世界上还没有出现无线电导航设备,这些飞机是怎样冲破夜雾飞临伦敦上空的呢?

电台播放音乐时,英国伦敦高耸入云的广播天线塔不停地向空中发射强大的电波。纳粹德国在轰炸机群的领航机上,装备了接收方向性很强的无线电收信机。当飞机航向对准伦敦的广播天线塔时,收信机所收到的广播信号就最强,领航机只要按照信号最强的方向飞行,轰炸机群就可以准确地到达伦敦的上空。可见,正是电台发射的无线电波引来了德军的轰炸机。

二、备用试题

1.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.增大电容器极板间距

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.增加回路中的电容和电感

【解析】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,二是使电磁场尽可能地分散开,所以C正确;由f=可知,当增大电容器极板间的距离时,C变小,f增大,A正确;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也错误。

【答案】AC

2.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

【解析】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,只不过频率跟谐振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,故正确答案为A、D。

【答案】AD

3.下列说法正确的是(　　)。

A.摄像机实际上是将光信号转变为电信号的装置

B.电视机实际上是一种将电信号转变为光信号的装置

C.由于画面更换迅速和视觉暂留现象使人们看到的是活动的图像

D.电视机接收到的画面是连续的

【解析】通过摄像机摄到景物的光信号,再通过特殊装置(扫描)转变为电信号;电视机通过显像管将接收到的电信号再转变为光信号,最后还原为图像和景物,每秒要接收到25张画面,由于画面更换迅速和视觉暂留,我们感觉看到的图像是活动的,所以A、B、C选项正确。

【答案】ABC

4.某雷达工作时,发射电磁波的波长λ=20 cm,每秒脉冲数n=5000,每个脉冲持续时间t=0.02 μs,问电磁波的振荡频率为多少?最大侦察距离是多少?

【解析】电磁波在空中的传播速度可认为等于真空中的光速c,由波速、波长和频率三者间的关系可求得频率。根据雷达显示屏上发射波形和反射波形间的时间间隔,即可求得侦察距离,为此反射波必须在后一个发射波发出前到达雷达接收器。可见,雷达的最大侦察距离应等于电磁波在雷达发射相邻两个脉冲间隔时间内传播距离的一半。

由c=λf,可得电磁波的振荡频率f==Hz=1.5×109 Hz

电磁波在雷达发射相邻两个脉冲间隔时间内传播的距离

x=cΔt=c(-t)=3×108×(-0.02×10-6) m=6×104 m

所以雷达的最大侦察距离x'==3×104 m=30 km。

【答案】1.5×109 Hz　30 km