高中物理：3.3电磁破的发射、传播和接收 素材粤教版选修3-4

用心 爱心 专心 无线电的有关知识无线电的有关知识 无线电通信的发明无线电通信的发明 1906 年 12 月 24 日圣诞节前夕 在美国新英格兰海岸附近穿梭往来的船只上 一些听惯了 嘀嘀嗒嗒 莫尔斯电码声的报务员们 忽然听到耳机中传来了人的 说话声和乐曲声 朗读 圣经 故事 演奏小提琴和 播放亨德尔的 舒缓曲 唱片 最后还听到了亲切的祝福声 报务员们听到的就是人类历史上第一次试验性的无线电广播 它是由加拿大出生的物理学家 费森登主持和组织 并从他的实验室里播出的 费森登是最早研究无线电广播的先驱者之一 1900 年 他为美国国家气象局进行无线电实验 时 初次萌生了用无线电传达人声的设想 两年以后 在两位金融家的赞助下 他在马萨诸 塞州布兰特岩城建立了一个实验室 在电线 真空管 电池和天线中寻找途径 试图把人的 声音加入在无线电波里放送出去 他想要播出的 不是莫尔斯电码的 嘀嗒 声 而是现实世 界中的各种声音 他整整花了 4 年时间 终于完成了一套广播装置 做成了特殊的高频交流 发射机 并设计出了一种系统 用来调制电波的振幅 使它能携带各种声音信号 这样 这 种 调幅波 就能载着声音开始展翅飞翔了 1906 年 人类历史上第一次无线电广播就这样实 现了 虽然前后不过几分钟 但却预示着人类传播信息的一次革命 正规的定时广播是从 1920 年开始的 马可尼公司取得英国政府的许可证 在英国的切姆斯福以 2800 米的波长 15 千瓦的功率定时播送新闻节目 无线电的诞生过程 无线电 是无线电技术的简称 是一门专门研究利用无线电波传送各种信息的技术学科 早 在两千多年前 人们就发现了电现象和磁现象 我国早在战国时期 公元前 475 一 211 年 就 发明了指南针 古称司南 而人类对于电和磁的真正认识和广泛应用 迄今还只有一百多年历史 在第一次产业革命浪潮的推动下 许多科学家对电和磁现象进行了深入细致的研究 从而取 得了重大进展 人们发现带电的物体同性相斥 异性相吸 与磁学现象有类似之处 1785 年 法国物理学家库仑在总结前人对于电磁现象认识的基础上 提出了后人所称的 库仑定律 使电学与磁学现象得到了统一 1800 年 意大利物理学家伏特研制出化学电池 用人工方法获得了连续电池 为后人对电和 磁关系的研究创造了重要条件 1822 年 英国的法拉第在前人所做大量工作的基础上 提出了电磁感应定律 证明了 磁 可以产生 电 这就为发电机和电动机的原理奠定了基础 科学家们在这段时间里所作的 对电磁学基本规律的研究 为后来无线电的诞生起到了重要的孕育作用 电磁学的发展 首先引起了通信方式的变革 1837 年美国画家莫尔斯在前人的基础上设计出比较实用的 用电码传送信息的电报机 之后 又在华盛顿与巴尔的摩城之间建立了世界上第一条电报线路 1876 年 美国的贝尔发明了电话 实现了人类最早的模拟通信 1880 年以后 用有线电报和有线电话来传送信息已开始得到应用 人类进入了有线电通信时 代 英国的麦克斯韦在总结前人工作基础上 提出了一套完整的 电磁理论 表现为四个 微分方程 这就是后人所称的 麦克斯韦方程组 麦克斯韦得出结论 运动着的电荷能产 生电磁辐射 形成逐渐向外传播的 看不见的电磁波 用心 爱心 专心 他虽然并未提出 无线电 这个名词 但他的电磁理论却已经告诉人们 电 是可以 无 线 传播的 1887 年 德国物理学家赫兹年第一次用人工方式产生出了电磁波 以实验证实了电磁波的存 在 意大利的马可尼和俄国的波波夫在不同的国度里 几乎在相同的时间 1895 和 1896 获得 了无线电通信的成功 他们创造性的劳动 揭开了电磁学发展的新篇章 无线电技术作为一 门新科学从此诞生了 今天 利用无线电波传送声音和图像节目的广播和电视 已经深入到社会生活的各个角落 成了亿万人民的伴侣 无线电并不是一 二个人发明出来的 它是人类文明逐步发展的结果 但是 有些人在其中起到了较为重要的作用 麦克斯韦之所以被称为无线电通信的报春人 是因为在当时 人们虽然已经知道 电 能生 磁 磁 能生 电 知道利用电磁原理 来制造电机和变压器 但是对于电与磁相互关系的本质还并不清楚 对于伴随某些电现象和 磁现象而存在的电磁波还没有认识 可以说 麦克斯韦是一名非常杰出的电磁理论学家 他 在总结前人经验的基础上 用非常精辟而微妙的数学方程式 阐明了电场与磁场的基本关系 建立了严谨的电磁场理论 麦克斯韦根据他所作的数学分析指出 只要存在着交变的电场 就能在其周围产生交变的磁场 反之 只要存在交变的磁场 就能在其周围产生交变的电场 这样一来 变化的电场在其周围产生变化的磁场 变化的磁场又在其附近产生变化的电场 如此循环下去 电 场和磁场不就会越传越远了吗 据此 麦克斯韦认为 运动着的电荷能 产生电磁辐射 形成逐渐向外传播的看不见的电磁波 简称电波 这一结论公布于一百多年 前是很了不起的 这个结论告诉人们 电 是可以 无线 传播的 后来的事实证明 麦 克斯韦的电磁波理论是完全 正确的 除此之外 他还推导出电磁波有和光波相同的传播速 度 从而揭示了光与电磁现象在本质上的统一性 短波的认识 百年前 三声短促而且微弱的讯号 向世界宣布了无线电的诞生 一九 一年 扎营守候在 讯号山 Signal Hill 位于加拿大东南角 的意大利科学家马可尼 终于接收到了从英格兰发出的 跨过大西洋的无线电讯号 这个实验向世人证明了无线电再也不是仅限于实验室的新奇东西 而是一种实用的通讯媒介 此后短波用作全球性的国际通讯媒介便开始发达起来了 虽然马可尼的试验结果令人相当振奋 可是当时一般人认为无线电传播方式类似光波 发射之后 绝对沿直线方向进行传播 从英国到加拿大 再怎么说也无法完成直线的无线电 通讯 因为地球表面是弧形的 当时的科学理论更证明 从英国发射后的无线电波一定直驱 太空 怎么可能到达加拿大 可是从马可尼用简陋的无线电设备征服长距离通讯的试验记录 来看 白天 讯号可以远达七 英哩 晚间更远达二 英哩以上 这些试验数据 使 得以往的理论所推断出来的必然结果 开始发生动摇了 与此同时 MR KENNELLY 及 MR HEAVISIDE 不约而同地分别提出了同样的看法 就是在地 球大气层中有电子层的存在 它可以像镜子般 把无线电折射回地球 而不致于沿着直线方 向直奔太空 由于这种折射回返的讯号 使得远方的电台可以互相通讯 这种对无线电波有 如镜子般作用的电子层称做 KENNELLY HEAVISIDE 层 但现在一般称之为电离层 lonosphre 而短波远距离广播和通讯之所以如此发达就是受了电离层之益 从一九二五年开始 许多科学家便开始进行电离层的研究工作 由向电离层发射无线电 脉冲讯号 然后从电离层反射的回波 Echo 中 可以了解到电离层的自然现象 所得到的 结果就是 地球上空的电离层就像是一把大伞覆盖着地球 而且随着白天或夜晚或季节的变 化而变动 同时发现某些频率可以直接穿过电离层 而有些频率则以不同角度折返回地球表 面 虽然对电离层已经有了某种程度的了解 而且短波的国际通讯也有了很大的发展 这六 十多年来 科学家从不放过任何继续研究电离层的机会 甚至火箭发射 人造卫星试验及最 近的太空穿梭机飞行 都要做有某些实验 以期能更进一步了解电离层的变化规律 最近借 用心 爱心 专心 助超高速计算机 建立了各种假设的电离层分析模型 科学家希望能够像天气预告那样 可 以预测未来几天的电离层状况 无线电频谱 通常无线电波所指的是从极低频 10KHz 到极超高频的顶点 30GHz Giga Hertz 因为超出这 个范围以外的无线电频谱 其特性便有很大不同了 例如光线 X 射线等 而在上述 10KHz 到 30GHz 通常划分成七个区域 参看下表 其中高频 3 30MHz 就是我们所讨论的短波 无线电频谱的划分 中文名称 简称 英文名称 频率范围 极低频VLFVery Low Frequency10KHz 30KHz 低频 俗称长波 LW LFLow Frequency30KHz 300KHz 中频 俗称中波 MW MFMedium Frequency30KHz 3000KHz 高频 俗称短波 SW HFHigh Frequency3MHz 30MHz 极高频 俗称超短波 频率在 88 108MHZ 范围的民 用广播则俗称为调频电台 FM VHFVery High Frequency30MHz 300MHz 超高频UHFUltra High Frequency300MHz 3000MHz 极超高频SHFSuper High Frequency3000MHz 30000MHz 国际短波广播波段 全世界的无线电频率 都是由国际电信联合会所分配的 国际电信联合会 ITU International Telecommunication Union 是一个隶属于联合国的国际电信管理组织 定期召集各会员国开 会决定无线电频率的分配及使用 而 ITU 所制定的国际短波广播波段共有 13 个 如下表 各米波段都有一定的频率范围 您也许会觉得奇怪 从 2 3 26 1MHZ 被分成 13 段 为什么不 连贯在一起呢 这是因为 在高频的频谱段 3 30MHz 国际电信管理组织 ITU 有规定 除了国际短波广播外 还有很多其它通讯的用途 短波收音机中的二次变频技术 SW DUAL CONVERSION 短波收音机最初是使用直接放大线路的 50 年代开始 应用了一次变频线路 也就是平时所 说的超外差式收音机 为了进一步提高无线电接收机的灵敏度 选择性和抗干扰能力 科学 家们又研制了多次变频技术 当然首先是应用在无线电通讯领域 后来被移植到高级收音机 中 从而大大地改善了短波收音机的性能指标 国际短波广播米波段表 波段频率范围波段频率范围 米 公尺 兆赫 MHz 米 公尺 兆赫 MHz 120M2 30 2 49525M11 65 12 05 90M3 20 3 4021M13 65 13 80 75M3 90 4 0019M15 10 15 60 60M4 75 5 0616M17 55 17 90 49M5 95 6 2013M21 45 21 85 41M7 10 7 3011M24 67 26 10 31M9 50 9 90 用心 爱心 专心 广播和收音机知识介绍 民用广播和收音机发明于本世纪初 近百年来 无线电广播与收音机技术发生了翻天覆地的 变化 广播方式从调幅 AM 广播时代开始 经历了调频 FM 广播 调频立体声 FM STEREO 广播 数字音频广播 DAB 等阶段 目前 科学家正研究短波段的数字广播 DRM 民用广播所使用的频率 经历了长波 LW 中波 MW 短波 SW 超短波调频 FM 卫星调频广播等阶段 广播的传播距离和覆盖范围 也从近距离到利用人造地球卫星进行全球转播等 收音机从矿石收音机 电子管收音机 晶 体管收音机 集成电路收音机 到使用微电脑处理器的数字调谐收音机 收音机的基本电路 形式 也从直接放大式 到超外差式 多次变频式电路 收音机的体积也从笨重变小到微型 而音质却越来越好 短波问题解答 什么是短波收音机 世界上许多国家利用短波频率来进行世界范围的广播传输 短波频率范 围通常在 1 6MHz 30MHz 之间 能接收到上述某一段频率的收音机叫短波收音机 何谓 短波米波段 一般我们还将短波频率划分为很多 米段波 每一个米波段包含一 段频率范围 例如 19M 米波段包含的频率范围为从 15 100 到 15 600MHz 国际无线电委员会规定民 用广播使用米波段范围内的 频率 米波段之外的频率大多用于军事和其他民用通讯 所以 只有在米波段频率范围内 才能接收到民用广播 电台节目 请参考下列短波米波段划分表 每日不同时间所收听短波节目的效果 短波信号传播受到许多因素影响 诸如太阳黑子 活动 大气层和地球电 离层变化的影响 不是所有波段上的短波传播效果都好 有些在白 天好 有些在夜间好 通常白天收听短波节目 的效果不是很好 尤其从上午 10 点到下午 3 点之间 主要是因为在这段时间里短波电波受电离层的变化影响大 传播距离短 如果你 想在白天收听短波节目 请参考表二 或许在某些米波段接收效果会好些 但是不能达到晚 上 收听的效果 短波信号清楚吗 收听短波广播的效果取决于电台发射功率的强弱 收音机性能的好坏以及接收地点等环境因 素 随着收音机技术的改善 收听效果会越来越好 需要室外外接天线来收听短波广播吗 这要看您所处的收听环境 钢筋结构的房屋会屏蔽广播信号 一些边远地区 山区和矿区的 短波信号会稍弱一点 需要安装室外天线 怎样测试外接天线的效果 在一般的收听环境下 将收音机调到一个比较弱的短波电台 一边收听一边走出室外 如果 这个短波电台的信号增强了的话 就应该安装室外天线来改善接收效果 但是 如果在接收 地点附近有强大的电视台 调频电台 BB 机等无线电通讯发射天线的话 强大的干扰信号可 能会使短波外接天线的接收效果变得更差 外接天线一定要很高很长吗 简单来说 短波外接天线高一点 长一点 效果会好一点 但并不是越高越长越好 有时 候 太灵敏的天线 会引入强烈的无线电干扰杂波 所以 还是根据自己的实际需要来调整 外接天线的高低和长短 特别警告 多雷电地区绝对不要安装室外外接天线 短波电台的声音为什么有时忽大忽小 短波电波主要是依靠电离层与地面间的来回反射和折射进行传播的 不管白天黑夜 短波 都可以传播很远 故收音机的短波段可以收听到远距离的电台声音 但是 电离层是不稳定 的 它的厚度 高度和电离层密度随时在发生变化 尤其白天更加明显 到达收音机的短波 用心 爱心 专心 信号也时强时弱 因而在收听短波广播时 声音就忽大忽小 自动增益控制 AGC 性能比较好 的收音机 可以减轻此现象 调频问题解答 如何实现调频广播的远距离收听 什么信号会影响调频接收 功率强大的 VHF 电视广播和 BB 机发射台的电波 会干扰到调频接收 另外 频率相邻 发 射功率强大的几个调频电台也会相互干扰 使接收效果变差 如何减低调频的干扰 缩短拉杆天线 改变天线方向 变换收听位置 能减轻干扰程度 调频广播收听距离有多远 调频广播频率很高 其电波是以直线方式传播 发射天线越高 功率越大 覆盖范围就越大 传输距离就越远 直线距离通常为 30 100 公里 如何实现调频广播的远距离收听 利用 VHF 室外电视天线和天线放大器 天线安得越高越 好 把天线对准调频电台的方向 用 75 欧姆同轴线连接到收音机的拉杆天线上 就能大大 地提高接收能力 有些城市已经利用有线电视网来传输卫星调频节目 可尝试从有线电视插 口引出天线 什么是电视伴音收音机 电视的伴音 TV SOUND 使用的是调频制式 传播方式与调频广播一样 也是近距离传播 电 视伴音分为 VHF 和 UHF 两段 其中 VHF 1 12 频道 又分为 VHF L 1 5 和 VHF H 6 12 UHF 13 56 频道 目前的电视伴音收音机主要为接收 VHF 的 1 5 和 6 12 频道 甚少有接 收 13 频道 UHF 以上的收音机 中波问题解答 为什么夜间收到的中波电台比白天多 中波传播的途径主要是靠地波 只有一小部分以天波形式传播 无线电波碰到导体时 就会 在导体中产生感应电流 从而损耗掉一部分能量 这种使电波能量变弱的现象 叫做对电波 的吸收 大地是导体 对中波的吸收较强 故以地波形式传播的中波传播不远 约二三百公里 白天 由于阳光照射 电离层密度增大 使电离层变成良导体 致使以天波形式传播的一小 部分中波进入电离层就被强烈吸收 难于返回地面 加之以地波形式传播的中波又被大地吸 收而传播不远 于是就造成白天难以收到远处的中波电台 到了夜间 大气不再受阳光照射 电离层中的电子和离子相互复合而显著增加 故电离层变薄 密度变小 导电性能变差 对 电波的吸收作用也大大地减弱 这时 中波就可以通过天波途径 传送到较远的地方 于是 夜间收到的中波电台就多了 市场上常见的收音机特点 按波段分 类 调幅 中波 收音机 调频 调幅两波段收音机 调频立体声 调幅两波段收音机 调频 中波 短波 3 5 波段收音机 调频 中波 短波 8 12 波段收音机 调频立体声 中波 短波 8 12 波段收 音机 电视伴音收音机 VHF L 或 VHF H 波 段 波段特点 调幅 中波 收听本省内广播 节目 调频 FM 收听本市广播节目 调频 立体声 FM STEREO 收听本市调频立体声 广播节目 短波 SW 收听国内 国际远距 离广播节目 电路技术传统超外差式收音机集成电路 晶体管电路 用心 爱心 专心 带数字电子钟及钟控功能收音机LCD 型 LED 型 荧光型显示 模拟调谐 数字显示频率和时间收音机新颖显示技术 无记忆 频率合成式 PLL 数字调谐收音机数字式 可记忆频率 采用二次变频技术收音机高灵敏度和优良选择性 特点 高灵敏度短波 单边带 SSB 接收机专业型 HAM RADIO 外型微型 袖珍式 便携式 台式 玩具型 电源一号至七号普通电池 可充电电池 交流电源 太阳能电源 什么是调频 FM 调幅 AM 短波 SW 长波 LW 在一般的收音机或收录音机上都有 AM 及 FM 波段 相信大家已经熟悉 这两个波段是用来 供您收听国内广播的 若收音机上还有 SW 波段时 那么除了国内短波电台之外 您还可以 收听到世界各国的广播电台节目 为了让您对收音机的使用有更进一步的认识 以下就什么 是 AM FM SW LW 作一简单的说明 事实上 AM 及 FM 指的是无线电学上的二种不同调制方式 AM Amplitude Modulation 称