蒸发波导中电磁波异常传播特征研究及其应用(完整版)实用资料

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第28卷第8期电子与信息学报Vol.28No.82006年8月JournalofElectronics&InformationTechnologyAug.2006蒸发波导中电磁波异常传播特征研究及其应用（完整版）实用资料(可以直接使用，可编辑完整版实用资料，欢迎下载）蒸发波导中电磁波异常传播特征研究及其应用黄小毛张永刚王华唐海川(海军大连舰艇学院海洋与测绘科学系大连116018摘要蒸发波导是海洋大气环境中一种典型的异常大气折射结构。它能够部分地陷获电磁波的传播，从而改变电磁波的传播特征。这种特性在雷达、通信、电子对抗等设备的使用方面具有广泛的应用。该文主要利用电磁波传播的抛物型数值方程和裂步傅里叶算法，通过仿真方法研究了蒸发波导环境下电磁波所具有的异常传播特征，并利用2003年8月大连海域的雷达异常探测试验作为应用实例，说明了蒸发波导对电磁波异常传播以及对雷达异常性能的影响。关键词电磁波,蒸发波导,异常传播特征，雷达，性能评估中图分类号：TN011文献标识码：A文章编号：1009-5896(200608-1508-05StudyonAnomalousPropagationCharacteristicsofElectromagneticWavesinEvaporationDuctEnvironmentsanditsApplicationHuangXiao-maoZhangYong-gangWangHuaTangHai-chuan(Dept.ofOceanandMappingScience,DalianNavalAcademy,Dalian116018,ChinaAbstractEvaporationductisakindoftypicalanomalousprofileofatmosphericrefractivity,itcanpartlytrapelectromagneticwaves,asaresult,thepropagationcharacteristicsarechanged,whichmaybeappliedinelectronicequipmentssuchasradar,communicationandECM,etc.Thepurposeofthisarticleistostudyonanomalouscharacteristicsofelectromagneticwavesinevaporationductenvironmentthroughsimulationmethodsbasedonelectromagneticwavespropagationparabolicnumericalequationandsplit-stepFourieralgorithmtechnology.TheexperimentaldataofradarabnormaldetectioninDalianSeaAreainOctoberof2003isanalyzedasanexampleofapplicationtovalidatetheabnormalcharacteristicsoftheelectromagneticwavesandtheanomalousdetectionofradarinfluencedbyevaporationducts.KeywordsElectromagneticwave,Evaporationduct,Anomalouspropagationcharacteristics,Radar,Performanceevaluation1引言蒸发波导是海洋环境中最经常出现的异常大气折射结构，蒸发波导的形成是由于海水蒸发形成的海面上一定高度内所具有的大气湿度随高度锐减分布结构。文献[1]的DCS(DuctingClimatologySummary利用世界范围无线电观测站资料对全球海域进行的大气波导发生规律的统计，世界几乎所有海域几乎所有时间内都可能存在蒸发波导，其发生的高度和强度随地理纬度、季节、一日内不同时间而变化,一般是在低纬度海域、夏季、白天蒸发波导高度较高。蒸发波导能够陷获电磁波，这种效应使得电磁波部分能量被限制在波导层内传播，从而形成与标准大气折射环境下截然不同的传播特征。国内的蒸发波导研究主要偏重于蒸发波导的机制、测量技术以及统计规律等研究，如文献[2]研究了蒸发波导的形成以及波导特征量的计算方法，文献[3]通过试验调查了我国部分海域大气波导发生规律。事实上，蒸发波导环境下电磁波的异常传播特征研究属于交叉学科，国内文献[4]从原理上研究了大气波导对电磁波传播影响，但没有2004-12-07收到，2005-07-09改回国家863计划(2002AA639300资助课题进行定量化研究和试验。本文针对蒸发波导环境对电磁波传播的影响，运用电磁波传播的抛物近似数值方程技术，通过仿真的方法，定量地研究蒸发波导环境下电磁波的异常传播特征(第2节；通过将电磁波传播的数值模型与雷达的基本理论相结合，应用于2003年8月大连海域的雷达异常探测试验的数据分析当中(第3节；模型的结果与试验的实际效果比较一致，验证了模型的同时也证明了蒸发波导环境下雷达所具有的超视距探测能力，最后给出了相关的结论。2蒸发波导中电磁波异常传播特征的数值分析2.1电磁波传播的抛物近似数值方程抛物近似方程代替电磁波的海姆霍兹波动方程的数值模型，早在80年代就开始应用于电磁波异常传播规律研究了，经过文献[5,6]等科学家的不断丰富和完善，目前得到了广泛的应用。2.1.1电磁波传播的抛物近似数值模型依据麦克斯韦方程组，电磁波的电场和磁场分量具有对称的特性，以垂直电极子VED为例，在无源介质中，磁场H的矢量波动方程的形式为20εωμεε∇∇×∇×−×∇×−=HHH(1第8期黄小毛等：蒸发波导中电磁波异常传播特征研究及其应用1509ε为介电常数；μ为磁导系数；ω为角频率。将式(1去矢量化，通过Fock置换方案：(,(sin(,HrrβγνφUrθεθθ=，其中,,βγν都是待定的常数，研究人员对参数的选择略有不同，但其本质一致，都能够得到海姆霍兹波动方程。这里选择1/2,1/2,1/2vβγ==−=−，同时将方程通过直角坐标投影公式,eezraxaθ≈−≈(为地球半径，z，x分别为球地面的高度和距离转化到直角坐标系中，并作假设(抛物近似处理：ea2xuku∂<<∂x，即忽略掉2xu∂项，这样得到具有简单形式的电磁波传播的抛物近似的微分方程：(222212/zxeuikuknzau∂+∂+−+=0(2对于水平电极子HED来说，同样利用这种抛物近似的方法可以得到式(2同样的形式。式(2中n为大气折射指数，u为磁场或电场场强。式(2说明了辐射源在距离-高度空间内的电磁波传播状况(电场和磁场分量的大小，对于水平极化和垂直极化的辐射源都适用，这里没有考虑方位上的变化，主要基于“大气折射是水平均匀的”这一假设(现实海洋大气环境常常能满足这一特征。上述抛物近似处理在偏离水平方向大于15°的传播方向上会带来相速误差，而大气介质中，大气折射廓线的梯度较小，能够陷获的角度极少超过1°。因此对于大于15°角以及所关心的区域(如高天线远区域，折射率效应不重要，则可以使用其它传播模拟方法。2.1.2裂步傅里叶数值算法技术式(2结合准确的边界条件和初始值，可以利用步进类型的数值方法求解，给定0x处的解，数值解法可以提供所有0xx>处的解。方程(2中，将看作常数，已知2212/emnza=−+0x的解，对其作傅里叶变换得到(F代表傅里叶变换，F0(,uxz-1代表傅里叶反变换：000(,F[(,](,dipzUxpuxzuxzez∞−−∞==∫(3对于距离增加xδ量的解，则对应在p空间增加一个相位因子，作傅里叶反变换得到：(20210(,exp12Fexp(,(42kuxxzimxpxiUxpkδδδ−⎡⎤+=−⎢⎥⎣⎦⎧⎫⎡⎤⎪⎪⋅−⎨⎢⎥⎪⎣⎦⎩⎭⎬⎪同理可以得到的解，数值解的误差与距离增量00(2,,(3,,uxxzuxxzδδ++Lxδ有关，将xδ限制在一定的范围内可以求解满足精度的数值解。上述解法通常依靠快速傅里叶变换算法FFT来实现，FFT是有限算法，要求知道傅里叶变换的上下边值。下边界与数值方程的边界条件一致，而上边界的人为指定将使电磁波在突然增加的截断面上形成非物理性边界条件强反射，解决这个问题的方法是在最大高度上加上“吸收”区域并使用窗口函数(如使用Hamming滤波器，z空间的通带是来实现。另外，文献[6]给出了数值方程的详细的边界条件以及初始场的计算方法，这里不再赘述。max0zz≤≤2.2仿真方法分析蒸发波导中电磁波的异常传播特征利用上述数值模型和方法，我们对不同蒸发波导环境下雷达电磁波传播进行仿真。蒸发波导高度分别为0,10,20,30m(0m高为标准大气，其大气修正折射率(M的廓线结构(高度分布，如图1所示(图中显示最大高度100m，超过部分通常使用标准大气折射梯度插值；辐射源频率5600MHz，卡塞格伦天线，水平极化，垂直波束宽度16°，抬升角0.0°，天线高度14.5m。网格点设置为：高度范围0~200m，间隔0.5m，400个高度点，距离范围0~200km，间隔0.5km，400个距离点；分别对4种蒸发波导环境进行雷达电磁波传播数值模拟，得到单程传播损失如图2所示。不同高度的蒸发波导条件下电磁波的传播特征具有明显不同。图14种蒸发波导的修正折射率廓线Fig.1Modifiedrefractivityprofileoffourevaporateducts图2不同波导环境下雷达电磁波传播损耗的分布图Fig.2One-waypropagationlossdistributionindifferentevaporateductenvironments图2中，横坐标为地面距离GR(km，纵坐标为高度H(m，颜色索引为单程传播损耗PL(dB，从图2的对比可看出蒸发波导对电磁波异常传播的影响：(1与标准大气环境下(图2(a，大气波导能否陷获电磁波与波导高度(波导高度与雷达天线高度的相对位置有关，波导高度10m(图2(b低于雷达天线高度，对电磁波不能产生陷获作用，波导高度分别为20、30m(图2(c、2(d，高于雷达天线高度，对电磁波产生陷获作用，波导层内的电磁波传播损失衰减很小。(210m的蒸发波导层内虽然不能陷获电磁波(图2(b，但与标准大气环境下相比，波导层对电磁波单程传播损失的空间分布还是存在一定的“向前扭曲”，其程度与蒸发波导的高度有关，这种“扭曲”到达一定程度时(临界状态就形成陷获传播。(3不同高度的蒸发波导对电磁波具有的不同的陷获能力，20m1510电子与信息学报第28卷式(6，式(7中，nB为接收机带宽(MHz，与脉宽τ满足关系：nB1/的波导层(图2(c与30m的波导层(图2(d内，电磁波的传播衰减都比较小，但是30m蒸发波导的陷获能力明显比20m蒸发波导的要强，波导层内平均衰减的速率要相对要慢。(4蒸发波导陷获雷达电磁波都发生在极低仰角上(蒸发波导的最大陷获仰角绝对值普遍小于0.1°，对于其它仰角上都不能发生陷获作用，主要是由于大气波导是介质波导，主要依靠大气的折射来实现电磁波的导行的。τ≈；为为−×为为0F接收机噪声系数(dB；0T接收机等效噪声温度(K；k=波兹曼常数(J/K；tP发射功率(kW；290=231.3810σ为目标反射截面积(m2；f为频率(MHz；为天线增益(dB；GF为传播因子；sL为系统综合损耗(dB；R为目标斜距(km。可以看出min0riPS−≥时，目标能被检测到。式(7中雷达接收到目标的回波功率与传播环境密切相关的量是传播因子F，由于大气中的传播损耗与传播因子满足关系：3异常传播特征的应用和试验single20lg(32.4420lg(20lg(20lg(fsLLFfR=−=++−蒸发波导环境下电磁波的这种异常传播特性对所有依靠电磁波传播来实现其功能的电子装备都具有影响，如雷达、通信、电子侦察以及电子对抗等。本文举例分析蒸发波导环境下电磁波异常传播特征对雷达异常性能影响来说明上述异常传播特征的应用。F(8single,fsLL(dB分别为电磁波单程传播损耗和电磁波在自由空间的单程传播损耗。将式(8代入式(7中得到用电磁波单程传播损耗表示的接收功率：3.1传播损失空间分布应用于雷达性能评估2single8.5510lg(22rtsPPfGLσ=−++−−L(9在满足一定探测概率和虚警率的前提下(详见参考文献[7,8]，雷达接收到目标回波大于等于雷达最小可检测信号时，认为雷达能够探测到目标。依据文献[7,8]中雷达探测的理论，雷达信号检测因子定义为雷达最小可检测信噪比，是，和脉冲积累数dPfaP0m(/DSN=由于目标回波功率反映了雷达对目标探测性能，通过式(9建立了传播损耗与雷达探测的联系，设定门限：((((2singlemin2001(dB8.5510lg221135.4310lg2210lg(10lg(10tsitsnTPfGLPfGLBFDσσ=−++−−⎡=++−⎣−−−⎤⎦SindPfaPpN的函数，文献[8]中给出了计算方法：D((00DD⎫⎪=⎪⎪⎬⎪=⎪⎪⎭非相参脉冲积累相参脉冲积累(5事实上，singlesingleLT≤与是等价的，其中等号表示临界探测，对应了满足探测概率和虚警率条件下雷达的最远探测距离min0riPS−≥maxR，空间网格点上由2.1节的方法计算得到，这样可以确定满足条件下雷达对目标的最大探测距离，从而评估雷达的性能。singleL式(5中，2(fadxgg=+(1.02fag=，1.23dgt=，。0.9(21dtP=−fL3.2试验分析对于无波动目标有：，对于波动目标(如斯威尔林模型1，chi平方律等有：1−。1fL=(ln((1/fddfaLPgg=−+pN为脉冲积累数，对于机械扫描的雷达，有0cospHphNfΘφθ=，其中HΘ是水平波束宽度(°；pf是脉冲重复频率(Hz；hφ是天线水平方向扫描速度(rpm；0θ是目标仰角(°(对于低空目标近似为0°；而对于电扫描的雷达，脉冲积累数则由程序设定。假设雷达接收机性能系统只受噪声的影响，则雷达(收发共置对目标的最小可检测信号以及接收到的回波功率分别为min00000143.9810lg10lg(innSkTBFDBFD==−+++(644273.4310lg2trPPFRfσ⎛⎞=−++−⎜⎟⎝⎠sGL(72003年8月31日在大连海域进行了蒸发波导监测和雷达观测的配合试验。其中蒸发波导的监测是通过测量参考高度的大气温度、湿度、风速和海表皮水温等要素参数，采用bulk方法获取蒸发波导高度及大气折射高度分布(说明：蒸发波导机理等方面的研究是海洋大气环境研究的一个方面，本文主要讨论蒸发波导对雷达影响方面的应用研究，详细地蒸发波导高度及廓线结构的计算方法和公式见参考文献[1-4]及其引用的文献；雷达使用船用RM1070导航雷达(机械扫描，无目标自动跟踪和记录功能，具体参数如表1所示，架装在大连760研究所南码头海边(位置121°39.8’E，38°51.8’N，天线高度8m，受周围地形影响，雷达可观测方位25-230°(真方位范围内的海面舰船目标。表1RM1070导航雷达参数Tab.1ParametersofradarRM1070频率峰值功率脉冲宽度脉冲重复频率最大量程天线类型0.3μs隙缝天线极化方式天线高度水平波束角垂直波束角抬升角天线转速水平第8期黄小毛等：蒸发波导中电磁波异常传播特征研究及其应用1511试验过程中，8月31日13:00-14:00间，通过测量大气温度(26.1°C、湿度(52.6%、海表水温(19.4°C和海面风速(4.2m/s等要素，监测到海面蒸发波导的平均高度为18.07m，蒸发波导高度大于雷达天线高度，容易出现陷获传播特征。利用本文2.1节的模型和方法计算得到雷达电磁波单程传播损失的空间分布如图3(a所示(横坐标GR(km，纵坐标H(m，颜色索引为单程传播损耗PL(dB，蒸发波导层内出现陷获传播特征，电磁能量衰减明显小于波导层外。从图3(a中分别取6，7.5，10，20和40m高度上的值，得到图3(b(横坐标GR(km，纵坐标为单程传播损耗PL(dB的曲线，从图3(b中可以看出：波导层内和外不同高度上传播损失随距离的变化存在不同，6，7.5和10m高度低于蒸发波导高度，传播损耗随距离的衰减要明显小于20，40m高度上衰减，其中6m高度的衰减率明显地小于其他高度。图3试验的蒸发波导环境下雷达电磁波单程传播损失的空间分布Fig.3One-waypropagationlossdistributioninexperimentalevaporationduct假定海面舰船目标反射截面积为2000m2，目标慢起伏(大气波导条件下的雷达超视距探测，照射到舰船的电磁波只有被陷获的小部分能量，因而目标反射截面将减小。利用式(10计算雷达在虚警率10-6的条件下，探测概率从0.01到0.99所对应的单程传播损耗的门限，并对图3(a的单程传播损耗空间分布作阈化处理，得到雷达在试验条件下对假定目标的探测概率的空间分布，如图4(a(横坐标GR(km，纵坐标H(m，颜色索引为雷达探测概率PsingleTd所示，从图4(a中分别提取相同高度上的数据得到探测概率随距离的变化，如图4(b(横坐标GR(km，纵坐标为探测概率Pd所示的曲线。从图(4b可以看出，在满足探测概率大于等于0.9，雷达对不同高度上的目标具有不同的最大探测距离，如表2左部分所示(表2中的理想视距为不考虑探测概率和虚警率条件下雷达射线受地球曲率限制所能达到的最大距离，其计算公式为41R.≈图4实验的蒸发波导环境下雷达对目标的探测概率空间分布Fig.4Radardetectionprobabilitydistributioninexperimentalevaporationduct7.5和10m，雷达最大的探测距离都大于理想视距，而波导层外则相反(与不考虑蒸发波导效应类似，其中，6m对应的最大探测距离最远，达到60km，这对应了图3(b中6m高度随距离的衰减率最小的特征。事实上，雷达最大探测距离发生的高度在3-4m之间最大，这里不考虑极低高度主要是基于以下原因：本文中3.1节应用与雷达性能评估时只考虑系统噪声而忽略了海杂波等环境噪声，极低高度的目标的检测受海杂波影响较大，因此本文认为太贴近海面的目标，模型计算误差明显。评估雷达对水面舰船目标的探测，通常考虑舰船高度以下所有高度上的最大探测距离。综合上述结果可以判断：试验的蒸发波导条件下雷达对舰船目标具有超视距探测能力，最大探测距离约为60km。实际的试验中，雷达对海面舰船进行了连续的跟踪观测(目标定位和跟踪是通过手动方式读数获取目标回波的距离(精度0.1nmile，以下换算成km和方位(精度1º，连续手动记录目标的位置直至目标消失，表2右部分为13:00-14:00间雷达观测中最远的几个目标的最后消失的位置，如目标1在13:00时的位置为距离40.2km，方位52°，回波较小、稳定；13:30时目标的位置为距离54.2km，方位55.3°，回波弱，若隐若现；13:36时最后出现的位置距离59.4km，方位56°。在此期间雷达在不同方向上跟踪观测到多批目标的远离至消失过程，最后距离都在57-60km之间。这与理论预测雷达对海面大型船只的最大超视距探测距离约为60km吻合。上述评估的结论与雷达实际探测的效果吻合得非常好，说明了蒸发波导中电磁波具有异常传播特征，并导致雷达产生超视距探测的异常探测性能。由于2.1节和3.1节的模型和方法中多处使用了近似处理，并且由于海面舰船目标RCS的复杂性，特别是蒸发波导环境的，电磁波照射面积减小带来的RCS损失的复杂性，必然引起评估的结果与实际存在差别，实际应用过程中要考虑的因素比文章中要复杂得多。(km，其中，分别为雷达天线高度(m和目标高度(m，标准大气条件下通常大于雷达实际的最大探测，详见文献[7]。可以发现：波导层内的高度上(6，1h2h表2雷达视距模型计算与雷达实际探测能力的对比Tab.2Differencebetweenmodelevaluationandradardetection目标高度(m理想视距(km模型计算得到的雷达最大探测距离(km实际过程中雷达对海面目标的最大探测距离序号时间距离(km真方位(°13：36'13：48'14：20'14：24'1512电子与信息学报第28卷4结束语本文通过仿真和试验分析研究了蒸发波导环境下电磁波的异常传播特征以及在雷达性能上的应用，得到如下基本结论：(1本文采用电磁波传播的数值方程以及傅里叶算法技术，通过仿真的方法研究了不同蒸发波导环境下电磁波的传播所具有的异常特征，并通过结合雷达的理论分析了其在雷达异常探测性能评估方面的应用。(2蒸发波导对电磁波传播具有的陷获作用，被陷获的电磁波在波导层内传播衰减很小，从本文2.2节仿真的结果中可以看出：这种陷获作用与电磁波参数、蒸发波导高度(强度以及相对位置等因素有关。(3文中的试验分析是对蒸发波导中电磁波异常传播特征的具体分析和应用举例，模型的计算结果与雷达的实际效果比较一致，充分说明了本文反映了蒸发波导环境下电磁波异常传播的客观规律，也证明了蒸发波导环境下雷达所具有的超视距等异常探测特征。(4本文的仿真和试验分析没有针对其他大气波导类型，如表面波导和抬升波导，对于复杂的海洋异常大气折射环境，本文的模型和方法同样适用，这里不再赘述。参考文献[1]PattersonWL,etal..Engineer’srefractiveeffectpredictionsystem(EREPS[R].SanDiego,CA:NavalCommand,ControlandOceanSurveillanceCenter(NCCOSC,NavalResearchandDevelopment(NRaDTechnologyReport2648,1994.[2]戴福山,等.海洋大气近地层折射指数模式及其在蒸发波导分析上的应用[J].电波科学学报,1998,13(3:280-286.[3]刘成国,等.我国对流层波导环境特性研究[J].西安电子科技大学学报(自然科学版,2002,29(1:119-122.[4]姚展予,等.大气波导特征分析及其对电磁波传播的影响[J].气象学报,2000,58(5:605-616.[5]BarriosAE.Aterrainparabolicequationmodelforpropagationinthetroposphere[J].IEEETrans.onAP,1994,42(1:90-98.[6]DockeryGD.Modelingelectromagneticwavepropagationinthetroposphereusingtheparabolicequation[J].IEEETrans.onAP,1988,36(10:1464-1470.[7]丁鹭飞,等.雷达原理[M].西安：西安电子科技大学出版社,1995,第3章,5章.[8]BlakeLV.Radarrange-performanceanalysis[M].Norwood,MA:Artech.House,1986,chap.1-3.黄小毛：男，1974年生，博士生，研究领域为大气波导特性及其对电磁波传播影响研究.张永刚：男，1962年生，教授，博士后，博士生导师，中国军事海洋专业分委会秘书长，主要研究领域为海洋水文气象和大气波导等军事海洋环境研究.在国内外核心期刊发表论文30篇，有2篇被美国科学文摘SCI收录，有3篇被美国工程文摘EI收录，获国际ISOPE96′会议奖.电磁波8、（2021吉林）2021年6月4日，中国选手李娜在“法国网球公开赛”上获得冠军。这一激动人心的场面是通过传递到世界各地的。电磁波5、（2021赤峰市）下列物体不需要从外界接收电磁波就能工作的是（A）A、录音机B、收音机C、无绳D、33、（2021达州）如图是一台收音机的屏板，当向右调指针（图中黑块）时，所接收的电磁波频率，波长。（两空均填“变大”、“变小”或“不变”）33、变大变小17.（2021烟台）打开收音机的开关,旋转至没有电台的位置,将音量开大.取一节干电池和一根导线,拿到收音机附近.先将导线的一端与电池的负极相连,再将导线的另一端与正极摩擦,使它们时断时续地接触(图13).这时,我们从收音机里能听到“咔咔”的声音,这说明_________________电流的迅速变化可以在空间激发电磁波31．（2021山西）“歼20”是我国自主研发的一种新型“隐形战机”，它的机身材料和涂层对雷达发射的(填“超声波”或“电磁波”惧有良好的(填“吸收”或“反射”)作用。31．电磁波吸收9．（2021桂林）我市目前已全面开通了3G通信业务。使用3G不仅可以通话，还可以随时通过无线网络上网。下列说法正确的是（D）A．电磁波不能在真空中传播

B．通话是直接传输声信号C．电磁波在空气中的传播速度是340m/s

D．无线上网是利用电磁波传输数字信号13．（2021沈阳）在2021年6月的法国网球公开赛中，李娜荣获冠军。比赛实况通过通讯卫星，第一时间传回国内，让热情的观众有亲临现场的感觉。卫星是通过________波来传递信息的。李娜在比赛中发球时，将球抛起，球在上升的过程中，球的动能转化为________能；接球时，将球反向击回，说明力可以改变物体的________。电磁重力势运动状态20．（2021黄石）下列关于电磁波和声波的叙述正确的是BA．电磁波看不见，摸不着，所以它实际上并不存在B．声波的传播速度与介质的温度有关C．电磁波和声波都是由物体的振动产生的D．电磁彼和声波的波长越短，频率越小24.（2021绵阳）以下与电磁波应用无关的是DA.通信B.微波炉加热食物C.雷达侦查D.听诊器了解病情（2021宿迁）下列电器中，工作时既需要接收电磁波，又需要发射电磁波的是AA． B．收音机 C．电视机 D．手电筒11.（2021淮安）间是利用________波传递信号的，其信号的传播速度与光速_______（选填“相同”或“不相同”）；光在真空中的传播速度是________m/s。11.电磁*电、无线电、微相同*相等3×1086．(2021鞍山)某电台的电磁波波长为3m，则它的频率是____________MHz。电磁波的家族成员很多，有无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线等，它们与人们的生活息息相关。电视机遥控器是利用_______________来工作的。100红外线7．（2021衡阳）下列有关物理知识的说法，错误的是（B）A．微波炉是利用电磁波工作的B．磁体周围的磁感线是真实存在的C．坐在行驶火车上的乘客以车厢为参照物看到窗外的人往后退D．在客厅能闻到厨房里的饭香，说明分子在不停地做无规则运动5（2021内江）.2021年10月1日，我国成功发射"嫦娥二号"探月卫星，这个卫星在距月球表面200km的高度经过多次变轨，最后绕月球运动把"月球车"送到月球表面上。如果你乘飞船在飞向月球的过程中，会发现地球的外层空间是(选填"黑暗"或"明亮")的；成功着陆后，你还可以在月球上通过(选填"超声"、"次声"或"电磁波")将探测到的月球信息传回地面。黑暗电磁波4.（2021荆门）我们生活在电磁波的海洋中，下列关于电磁波的说法中正确的是CA.电磁波不能在真空中传播B.电磁波不能发生反射C.电磁波在空气中传播时，频率越高，波长越小D.电磁波只能传递声音信号，不能传递图像信号5（2021内江）.2021年10月1日，我国成功发射"嫦娥二号"探月卫星，这个卫星在距月球表面200km的高度经过多次变轨，最后绕月球运动把"月球车"送到月球表面上。如果你乘飞船在飞向月球的过程中，会发现地球的外层空间是(选填"黑暗"或"明亮")的；成功着陆后，你还可以在月球上通过(选填"超声"、"次声"或"电磁波")将探测到的月球信息传回地面。黑暗电磁波8．（2021株洲）关于电磁波在生活中的应用，下列说法不正确的是DA．用微波炉加热食品B．电视信号的发射与接收C．使用打D．做"B超”检查11.（2021淮安）间是利用________波传递信号的，其信号的传播速度与光速_______（选填“相同”或“不相同”）；光在真空中的传播速度是________m/s。11.电磁*电、无线电、微相同*相等3×10816．(201l兰州)关于无线电传输中使用的长波、中波和短波，下列说法正确的是（C）A．短波的波速较大B．它们的频率相同C．它们的波速相同D．长波的频率较高1BA．超声波B．电磁波C．紫外线D．可见光18．（2021连云港）地面卫星控制中心向“嫦娥二号”发送指令时，是利用_______传递指令信号的（选填“电磁波”或“声波”）；家用电视遥控器是靠__________实现对电视机的控制的（选填“紫外线”、“红外线”或“可见光”）。电磁波红外线23．（2021年襄樊市）医生通过听诊器可以了解病人心脏的工作状况，这是利用了声能够传递的道理；心脏的跳动声是心脏而发出的。不宜挂在胸前，是因为发射出的会对人的心脏造成不良影响。信息振动电磁波20．（２０１１无锡）学了“电磁波”和“声波”这两部分内容后，小华列出了如下的知识归纳表，其中▲和▲(填表中序号)的说法是错误的。波的种类电磁波声波传播速度①真空中所有电磁波的传播速度都是3×lO8m／s②声波在固体、液体、气体中的传播速度相同传播介质③电磁波的传播一定要有介质④声波传播一定要有介质应用事例⑤电视机遥控器利用红外线进行遥控⑥超声波可用于清清物品②③4．（2021年福州市）空调遥控器能够控制空调的开机、关机、调温等，利用的是（Ａ）A．红外线B．紫外线C．X射线D．可见光13、（2021江西）下列电器利用电磁波工作的是（BCD）A、B超B、C、电视机遥控器D、微波炉6．（2021湛江）下列说法正确的是DA．电视广播和移动通信都是利用超声波来传递信息B．微观粒子按从大到小排列顺序为：原子核、原子、夸克C．超导体和电磁铁都属于高新技术材料D．中考实行网上阅卷，条形码扫描器中的光敏二极管使用的是半导体材料15．（2021大连）电磁波在真空中的传播速度是______m/s；真空中，电磁波的频率越高，波长越____。15．3×108；短4．(2021年广州市初中毕业)已知真空中电磁波的波长λ微波＞λ红外线＞λ紫外线，则它们的频率A．f微波=f红外线=f紫外线B．f微波＞f红外线＞f紫外线C．f微波＜f红外线＜f紫外线D．f紫外线＜f微波＜f红外线知识点二十交流电电磁振荡与电磁波一.本周教学内容：知识点20交流电电磁振荡与电磁波二.知识要点：（一）交流电的产生：1.交流电的产生：闭合矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于场强方向的轴匀速转动产生的电流随时间作周期性变化，称交变电流。如图1所示，线框边长，为过ad、bc中点的轴。从图示位置开始计时，经过时间t，线圈转过角度，此时ab和dc边产生感应电动势，，，线圈产生总电动势，记作，设线圈总电阻为R，线圈中感应电流，记作，e和i随t按正弦规律变化。图1若时，线圈平面在平行于磁场位置则同理可推证，，e和i随按余弦规律变化。瞬时电动势或，瞬时电流或，输出路端电压或，上述交变电流随时间按正（余）弦规律变化，称正（余）弦交变电流。2.交变电流的变化规律：（1）函数表达式：（2）图像：以e（i、u）为因变量，t或为自变量，如图2所示。图23.描述交变电流的周期性变化规律的物理量（1）周期（T）：完成一次周期性变化所需要的时间。单位：秒，符号s（2）频率（f）：交变电流在1s内完成周期性变化的次数。单位：赫兹Hz二者关系：（3）角频率（）：线圈在t时间内转过的角度。单位：弧度/秒（），4.交变电流的有效值分析：交变电流的e和i随时间作周期性变化，用最大值和瞬时值都不合适，用平均值太粗略，——根据电流的热效应，让交变电流和恒定电流分别通以同样阻值的电阻，如果在相同的时间内产生的热是相同的，则此恒定电流就叫做这个交变电流的有效值。引入交变电流有效值：（1）正弦交变电流有效值跟最大值的关系：（2）通常说的交变电流的值指的是有效值，交变电流设备上标有的额定电压、额定电流指的是有效值，交变电流表的读数也是有效值。（二）变压器1.作用：改变交变电流的电压。2.构造：闭合铁芯和绕在铁芯上的两个线圈。3.工作原理：电磁感应。过程分析：原线圈AB端输入交变电流在闭合铁芯中产生交变磁场引起CD回路中磁通量变化CD中感应电流（同频交变电流）。能量关系：对理想变压器：AB端输入电能（电功率）=CD端输出电能（电功率）。4.电压关系： 5.电流关系：由，得，所以（只对一个副线圈的情况成立）若有两个以上副线圈，将如何？由于……6.变压器的输入功率随输出功率增大而增大，在输入电压一定时，原线圈中电流随副线圈电流增大而增大。7.电能的输送（1）输送的原则：在输送功率一定的前提下，尽可能减少输送过程中损失。（2）电能损失主要有哪些方面：①输电线上热损失，②辐射电磁能（3）怎样减少输电线上热损：减小导线电阻不足取，有效途径是减小电流强度，在P一定条件下，即提高输送电压。（三）电磁振荡电磁波1.电磁振荡（1）电磁振荡的产生（2）给LC回路供给能量方式——起振方式①电容充电起振：如图3所示。图3S先合1，然后合2，分析电容和线圈中电量q和电流I及相关联量随时间的变化规律：理论证明，q和I随t按正弦规律变化，图像如图4甲所示。图（甲）图（乙）图4②电感线圈感应起振：如图5所示图5S由闭合到断开，如上分析q和I随时间变化规律，并作出图像如图4乙所示（3）分析：给LC回路提供能量后，利用电容器的充放电作用和线圈产生自感电动势的作用，使LC回路中产生振荡电流，同时电容器极板上电荷q及与q相关联的电场（E，U，），通电线圈的电流I及与I相关联的磁场（B，，）都发生周期性变化的现象，称电磁振荡。其中，产生的大小和方向周期性变化的电流称振荡电流，产生振荡电流的电路称振荡电路。最简单的振荡电路是LC振荡电路。2.振荡周期和频率：，其中L：线圈自感系数。单位：亨利，毫亨，1毫亨=亨C：电容单位：法拉，微法，皮法。1微法=法拉，1皮法=法拉（1）一周期内电容两次充放电，电容充电时电流减少，电容放电时电流增大。（2）振荡电流是正（余）弦交变电流，一周期内电流方向改变两次。（3）电量最大时，电流最小，电量最小时，电流最大。3.电磁波（1）麦克斯韦电磁场理论的要点（2）电磁场的产生（3）电磁波的传播：变化的磁场产生电场，变化的电场产生磁场。周期性的磁场在周围空间产生周期性变化的电场，在这周期性变化的电场周围空间又产生同频率的周期性变化的磁场——这样变化的磁场和变化的电场相互联系着，形成一个不可分离的统一体，就是电磁场。①不需要任何介质②在真空中任何电磁波传播速度都是，跟光速相同。③频率不同的电磁波波长不同。三者关系式（4）电磁波是横波三.重难点分析1.交流电的有效值和平均值（1）交流电的有效值和峰值间的关系只适用于正弦式交流电，其他规律的交流电的峰值和有效值间关系可按有效值的定义进行推导。试求图6所示交变电流的有效值。图6根据交变电流的定义：选择一个周期（0.02s）时间，根据焦耳定律有：，解得（2）有效值和平均值的区别：交流电的有效值是按热效应定义的，对于一个确定的交流电来说，其有效值是恒定的，而平均值是由公式确定的，其大小与所取时间间隔有关，如对正弦式交流电其正半周或负半周的平均电动势大小为：，而一周内的平均电动势却为零。在计算交流电通过电阻产生的热量、热功率时，只能用有效值，而不能用平均值；在计算通过导体的电量时，只能用平均值，而不能用有效值。2.理想变压器（1）理想变压器得电压变化公式和电流变化公式只适用于正弦交流电，对其它的电流都不适用。如在原线圈接入一个恒定电流，则副线圈输出的电流为零。（2）对原副线圈匝数比确定的变压器，其输出电压由输入电压决定，即；在原副线圈匝数比和输入电压确定的情况下，原线圈中的输入电流却是由副线圈中的输出电流决定的，即，而是由负载决定的，也就是说，随着负载的变化而变化，所以说变压器的工作原理是互感。【典型例题】[例1]在电能输送过程中，若输送电功率一定，则在输电线上损耗的电功率：（）A.随着输电线电阻增大而增大 B.和输送电压的平方成反比C.和输电线上的电压降的平方成正比 D.和输电线上的电流强度的平方成正比解析：由，可见r大，也大，A正确。大，也大，D正确。可见，所以B正确。又，为输电线上的电压降，由此可见C正确。正确答案：ABCD[例2]如图7所示，线圈abcd的面积是，共100匝，线圈电阻为，外接电阻，匀强磁场的磁感强度为，当线圈以的转速匀速旋转时，求：电路中电压表和电流表的示数各是多少？图7分析：线框在磁场中匀速转动产生的是正弦交流电，求出最大值后就可求有效值，即得到电表的读数。解答：电动势的最大值电动势的有效值为电流表的读数电压表的示数小结：电流表和电压表的读数反映的是有效值。[例3]如图8所示电路，电源提供正弦交流电压，有效值为