高中物理(新教材)选修二课件1：4-2-4-3电磁场与电磁波-无线电波的发射和接收 人教版

4.3无线电波的发射和接收

4.2电磁场与电磁波学习目标1.知道电磁场的概念及产生.2.知道有效发射电磁波的两个条件.3.了解无线电波的特点及传播规律.4.了解调制（调幅、调频）、电谐振、调谐、解调在电磁波发射、接收过程中的作用。5.了解电视广播的发射和接受过程。牛顿盖了一座房子，人类可以遮风避雨了，麦克斯韦看了看，觉得生活不太方便，顺手就把电线接进来了，于是“楼上楼下，电灯电话”，我们的小日子就过起来了。后来爱因斯坦、普朗克、玻尔等发现地基不牢固，就把地基给挖了，不过电线还留着呢啊。这个比方打完，是不是觉得麦克斯韦很伟大了啊。但是麦克斯韦伟大在何处呢？一、电磁场1.两个假设（1）变化的磁场产生电场麦克斯韦认为变化的磁场在线圈中产生电场，正是这种电场(涡旋电场)在线圈中驱使自由电子做定向的移动，引起了感应电流。（2）变化的电场产生磁场麦克斯韦大胆地假设：变化的电场就像运动的电荷，也会在空间产生磁场，即变化的电场产生磁场，如图所示。这一个假设没有直接的实验基础，它出于对自然规律的洞察力，是很大胆的，但却更有创造性。根据麦克斯韦上述两个观点可以得出，变化的电场和磁场总是相互联系的，形成一个不可分割的统一的电磁场。如果在空间某域中有周期性变化的电场，就会在周围引起周期性变化的磁场；变化的电场和磁场又会在较远的空间引起新的变化的电场和磁场。这样变化的电场和磁场由近及远地向周围传播，形成了电磁波。BBEEEE2.对麦克斯韦电磁场理论的理解(1)恒定的电场不产生磁场；(2)恒定的磁场不产生电场；(3)均匀变化的电场在周围空间产生恒定的磁场；(4)均匀变化的磁场在周围空间产生恒定的电场；如图所示，2020年1月18日，嫦娥四号着陆器于22时受光照成功自主唤醒，进入第十四月昼，并不断向控制中心发来图片。请问嫦娥四号发给地面控制中心的信息是通过机械波传播的还是通过电磁波传播的?为什么?提示：电磁波。因为机械波的传播离不开介质，而电磁波可以在真空中传播。如图所示，2020年1月18日，嫦娥四号着陆器于22时受光照成功自主唤醒，进入第十四月昼，并不断向控制中心发来图片。请问嫦娥四号发给地面控制中心的信息是通过机械波传播的还是通过电磁波传播的?为什么?提示：电磁波。因为机械波的传播离不开介质，而电磁波可以在真空中传播。二、电磁波1.电场波的传播机械波的传播需要依靠传播介质，电磁波则不需要任何介质，在真快中也能传播，这是有电磁波的性质决定的。因为电磁波的传播是考电和磁的相互“感应”，而不是靠介质的机械传递。麦克斯韦从理论上预见，电磁波在真空中的传播速度等于光速c，由此，麦克斯韦预言了光是电磁波！他说：“我们有充分的理由断定，光本身是……按电磁波规律传播的一种电磁振动。”。根据麦克斯韦的电磁理论，电磁波在真空中传播时，电场强度E、磁感应强度B、传播速度三个量相互垂直。做正弦变化的电场或磁场所引起的电磁波在某一时刻的图像2.赫兹实验实验装置：赫兹验证电磁波实验实验现象：当感应圈两个金属球间有火花跳过时，导线环两个小球间也跳过了火花。实验原理：当与感应圈相连的两个金属球间产生电火花时，周围空间出现了迅速变化的电磁场。这种变化的电磁场以电磁波的形式在空间传播。当电磁波到达导线环时，它在导线环中激发出感应电动势，使得导线环的空隙中也产生了火花，说明这个导线环接收到了电磁波。实验现象：当感应圈两个金属球间有火花跳过时，导线环两个小球间也跳过了火花。实验原理：当与感应圈相连的两个金属球间产生电火花时，周围空间出现了迅速变化的电磁场。这种变化的电磁场以电磁波的形式在空间传播。当电磁波到达导线环时，它在导线环中激发出感应电动势，使得导线环的空隙中也产生了火花，说明这个导线环接收到了电磁波。实验的重要意义证实了电磁波的存在；为以后的一系列实验打下基础，并且测量了电磁波的速度；为无线电技术发展开拓了基础。3.电磁波的特点(1)电磁波是横波；(2)电磁波的传播不需要介质，在真空中电磁波的传播速度跟光速相同，即v真空＝c＝3.0×108m/s；(3)电磁波具有波的共性，能产生干涉、衍射等现象，电磁波与物质相互作用时，能发生反射、吸收、折射等现象，电磁波也是传播能量的一种形式；(4)电磁波的频率为电磁振荡的频率，由波源决定，与介质无关。4.电磁场的物质性电磁场的转换就是电场能量和磁场能量的转换，因而电磁波的发射过程就是辐射能量的过程，传播过程就是能量传播的过程。在信息技术高速发展的今天，电磁波对我们来说越来越重要，例如，广播、电视要利用电磁波，无线电通信要利用电磁波，航空、航天中的自动控制和通信联系都要利用电磁波……那么，学习了前面几节的电磁学内容，我们知道了电磁波是怎样产生的、它的性质。但你知道无线电波是怎样发射和接收的吗？比如视频会议，声音和影像是怎样传送的呢？三、无线电波的发射1.有效地发射电磁波的振荡电路的特点（1）有足够高的振荡频率频率越高，发射电磁波的本领就越大（2）开放电路振荡电路的电场和磁场必须分散到尽可能大的空间，才有可能有效的将电磁场的能量传播出去。2.调制用来携带信号的高频电磁波叫作载波。在电磁波调制发射技术中，使载波随各种信号而改变的技术叫作调制。调幅调频调制（1）调幅使高频电磁波的振幅随信号的强弱而变叫做调幅。调幅广播（AM）一般使用中波和短波波段。载波信号调制器频使高频电磁波的频率随信号的强弱而变叫做调频。调频广播（FM）和电视广播都采用调频的方法来调制，通常使用微波中的甚高频（VHF）和超高频（UHF）波段。载波信号调制器（2）调频3．无线电波的发射由振荡器(常用LC振荡电路)产生高频振荡电流，用调制器将需要传送的电信号调制到振荡电流上，再耦合到一个开放电路中激发出无线电波，向四周发射出去。四、无线电波的接收1.接收原理：电磁波在传播时遇到导体会使导体中产生感应电流，所以导体可用来接收电磁波，这个导体就是接收天线。2.接收装置：用天线和地线组成的接收电器来接收电磁波，如图所示：3.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。4.调谐：使接收电路产生电谐振的过程叫作调谐。如图为收音机的一中调谐电路。调节可调电容器的电容改变电路的固有频率，使它跟要接收的电磁波的频率相同，这个电磁波在调谐电路中激起较强的感应电流，于是就选出了这个电台。5.解调：使声音或图像信号从接收到的感应（高频振荡）电流中还原出来，这个过程是调制的逆过程，叫做解调。调幅波的解调也叫检波。如图：电磁波发射和接收流程图信号调制振荡电流发射调谐电路解调输出电磁波的发射电磁波的接收传播

通常使用的无线电波的波长范围从几毫米到几千米，根据波长或频率把无线电波分成几个波段波段波长频率传播方式主要用途长波30000m～3000m10kHz～100kHz地波超远程无线电通信和导航中波3000m～200m100kHz～1500kHz地波和天波调幅（AM）无线电广播、电报、通信中短波200m～50m1500kHz～6000kHz短波50m～10m6MHz～30MHz天波超短波(米波)(VHF)10m～1m30MHz～300MHz近似直线传播调频（FM）无线电广播、电视、导航微波分米波(UHF）1m～0.1m300MHz～3000MHz直线传播电视、雷达、导航厘米波10cm～1cm3000MHz～30000MHz毫米波10mm～1mm30000MHz～300000MHz电视广播的发射和接收过程摄像管:摄取景物的图象并将其转换为电信号调制和发射显像管:还原出与摄像管屏上相同的图象天线接收高频信号，调谐，解调五、电视广播的发射和接收地面无线电传输有线网络传输卫星传输不同的传播方式使用不同频率范围的电磁波，采取不同的调制方式。高频电视信号的传播方式1.根据麦克斯韦电磁场理论，下列说法正确的是(

)A.有电场的空间一定存在磁场，有磁场的空间也一定能产生电场B.在变化的电场周围一定产生变化的磁场，在变化的磁场周围一定产生变化的电场C.均匀变化的电场周围一定产生均匀变化的磁场D.振荡的电场在周围空间一定产生同频率振荡的磁场D

随堂练习2.关于电磁波的特点，下列说法中不正确的是(

)A.电磁波中电场和磁场互相垂直，电磁波沿二者垂直的方向传播B.电磁波是横波C.电磁波传播不需要介质D.电磁波不具有干涉和衍射现象D3.(多选)关于电磁波与声波相比较，下列说法正确的是(

)A.电磁波的传播不需要介质，声波的传播需要介质B.由空气进入玻璃时，电磁波速度变小，声波速度变大C.由空气进入玻璃时，电磁波波长变小，声波波长变大D.电磁波和声波在介质中的传播速度都是由介质决定的，与频率无关ABC4.抗击新型冠状病毒肺炎疫情的战斗中，中国移动携手“学习强国”推出了武汉实景24小时直播，通过5G超高清技术向广大用户进行九路信号同时直播武汉城市实况，全方位展现镜头之下的武汉风光，共期武汉“复苏”.5G是“第五代移动通信技术”的简称，其最显著的特征之一是具有超高速的数据传输速率.5G信号一般采用3.3×109～6×109Hz频段的无线电波，而现行第四代移动通信技术4G的频段范围是1.88×109～2.64×109Hz，则(

)A．5G信号比4G信号所用的无线电波在真空中传播得更快B．5G信号是横波，4G信号是纵波C．空间中的5G信号和4G信号会产生干涉现象D．5G信号相比于4G信号更不容易绕过障碍物，所以5G通信需要搭建更密集的基站D5.关于电磁波的发射和接收，下列说法中正确的是(

)

A.为了使振荡电路有效地向空间辐射能量，电路必须是闭合的B.音频电流的频率比较低，不能直接用来发射电磁波C.当接收电路的固有频率与收到的电磁波的频率相同时，接收电路产生的振荡电流最强D.要使电视机的屏幕上有图像，必须要有解调过程BCD6.电视机的室外天线能把电信号接收下来，是因为(

)A．天线处于变化的电磁场中，天线中产生感应电流，相当于电源，通过馈线输送给LC电路B．天线只处于变化的电场中，天线中产生感应电流，相当于电源，通过馈线输送给LC电路C．天线只是有选择地接收某台电信号，而其他电视台信号不接收D．天线将电磁波传输到电视机内

A7

.世界各地有许多无线电台同时广播，用收音机一次只能收听到某一电台的播音，而不是同时收听到许多电台的播音，其原因是(

)A．因为收听到的电台离收音机最近B．因为收听到的电台频率最高C．因为接收到的电台电磁波能量最强D．因为接收到的电台电磁波与收音机调谐电路的固有频率相同，产生了电谐振D备用工具&资料6.电视机的室外天线能把电信号接收下来，是因为(

)A．天线处于变化的电磁场中，天线中产生感应电流，相当于电源，通过馈线输送给LC电路B．天线只处于变化的电场中，天线中产生感应电流，相当于电源，通过馈线输送给LC电路C．天线只是有选择地接收某台电信号，而其他电视台信号不接收D．天线将电磁波传输到电视机内

A4.抗击新型冠状病毒肺炎疫情的战斗中，中国移动携手“学习强国”推出了武汉实景24小时直播，通过5G超高清技术向广大用户进行九路信号同时直播武汉城市实况，全方位展现镜头之下的武汉风光，共期武汉“复苏”.5G是“第五代移动通信技术”的简称，其最显著的特征之一是具有超高速的数据传输速率.5G信号一般采用3.3×109～6×109Hz频段的无线电波，而现行第四代移动通信技术4G的频段范围是1.88×109～2.64×109Hz，则(

)A．5G信号比4G信号所用的无线电波在真空中传播得更快B．5G信号是横波，4G信号是纵波C．空间中的5G信号和4G信号会产生干涉现象D．