2024高中物理第十四章第45节电磁波与信息化社会电磁波谱讲义含解析新人教版选修3-4

PAGEPAGE6电磁波与信息化社会电磁波谱一、电磁波与信息化社会┄┄┄┄┄┄┄┄①1．电磁波的传输：可以通过电缆、光缆进行有线传输，也可实现无线传输。电磁波的频率越高，相同时间传递的信息量越大。2．电磁波的应用实例(1)电视：摄像机采集图像信号，在1s内要传送25幅画面，电视接收机也以相同的速率在荧光屏上显现这些画面，便实现了影像的传递和再现。(2)雷达的工作原理雷达利用微波遇到障碍物的反射现象来测定物体位置。依据放射无线电波到接收反射波的时间t，确定障碍物的距离s＝eq\f(ct,2)，再依据放射无线电波的方向和仰角，可以确定障碍物的位置。(3)移动电话、因特网也是利用电磁波来传输信息的。[说明]广播电台放射的无线电波属于中、短波范围，有肯定的绕射实力，可进行远距离通信，但穿透实力很弱，一旦遇到金属就会被屏蔽掉，所以火车上收不到电台节目。而移动电话信号频率通常在900MHz以上，穿透实力强，可以穿过窗户进入车厢。①[选一选][多选]下列说法中正确的是()A．放射的图像信号不须要调制过程B．接收到的信号要经过调谐、检波C．电视信号包括图像信号和伴音信号两种D．图像信号的伴音信号传播的速度不同解析：选BC无线电波的放射须要调制过程；接收要经过调谐和检波过程。图像和声音信号传播速度是相同的，否则看电视时会出现不同步的现象，故B、C正确，A、D错误。二、电磁波谱┄┄┄┄┄┄┄┄②1．按电磁波的波长或频率大小的依次把它们排列成谱，叫做电磁波谱。2．电磁波谱中，不同波长(或频率)的电磁波的特点及应用对比：3.电磁波传递能量(1)电磁波是一种物质，赫兹通过试验证明了电磁波的存在。(2)电磁波可以被探测到，表明电磁波传递能量。4．太阳辐射的特点太阳辐射的能量集中在可见光、红外线和紫外线三个区域，在眼睛感觉最敏感的黄绿光旁边，辐射的能量最强。②[判一判]1．电磁波只能无线传输(×)2．X射线是电磁波，它由速度较高的电子构成(×)3．紫外线在真空中的传播速度大于可见光在真空中的传播速度(×)4．可利用红外线的荧光效应辨别人民币的真伪(×)1.电视广播的放射和接收过程摄像管：摄取景物的图像并将其转换为电信号eq\o(→,\s\up7(调制),\s\do5(放射))天线接收高频信号eq\o(→,\s\up7(调谐),\s\do5(解调))显像管：还原出与摄像管屏上相同的图像。2．雷达的构造、特点及应用(1)构造及特点一般由天线系统、放射装置、接收装置、输出装置(显示器)、电源、用于限制雷达工作和处理信号的计算机以及防干扰设备等构成。①雷达既是无线电波的放射端，又是无线电波的接收端；②雷达运用的无线电波是直线性好、反射性能强的微波波段；③雷达放射的是不连续的无线电波，即脉冲，每次放射时间短于1μs，两次放射的时间间隔约为0.1ms；④障碍物的距离等状况都由显示器干脆显示出来。(2)应用探测飞机、导弹等军事目标；可以用于导航；天文学上探讨星体；在气象上可以用于探测台风、雷雨、乌云。[典型例题]例1.某一战斗机正以肯定的速度朝雷达的正上方水平匀速飞行，已知雷达放射相邻两次电磁波之间的时间间隔为5×10－4s，某时刻在雷达荧光屏上显示的波形如图甲所示，t＝173s后雷达向正上方放射和接收的波形如图乙所示，雷达监视相邻刻线间表示的时间间隔为10－4s，电磁波的传播速度为c＝3×108m/s，则该战斗机的飞行速度大约为多少？[解析]由题意知荧光屏相邻刻线间的时间间隔t0＝10－4s，则甲图放射波和接收波的时间间隔t1＝4×10－4s，乙图时间间隔t2＝1×10－4s，所以第一次战斗机位置距雷达的距离为s1＝c×eq\f(t1,2)＝6.0×104m其次次战斗机在雷达正上方，所以战斗机高度h＝c·eq\f(t2,2)＝1.5×104m所以173s内战斗机飞行的水平距离为s＝eq\r(s\o\al(2,1)－h2)≈5.8×104m所以战斗机飞行速度v＝eq\f(s,t)≈335m/s[答案]335m/s[点评]雷达侦察问题的解决方法(1)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。(2)依据雷达荧光屏上放射波形和反射波形间的时间间隔，即可求得侦察距离，为此反射波必需在下一个放射波发出前到达雷达接收器。(3)雷达的最大侦察距离应等于电磁波在雷达放射两个相邻脉冲的间隔时间内传播距离的一半。[即时巩固]1．某雷达工作时，放射电磁波的波长λ＝20cm，每秒脉冲数n＝5000，每个脉冲持续时间t＝0.02μs，求该电磁波的振荡频率为多少？最大侦察距离是多少？电磁波传播速度c＝3×108m/s。解析：由c＝λf可得电磁波的振荡频率f＝eq\f(c,λ)＝eq\f(3×108,20×10－2)Hz＝1.5×109Hz电磁波在雷达放射两个相邻脉冲间隔时间内传播的距离s＝cΔt＝ceq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,n)－t))＝3×108×eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,5000)－0.02×10－6))m≈6×104m所以雷达的最大侦察距离s′＝eq\f(s,2)＝3×104m＝30km答案：1.5×109Hz30km1.共性(1)它们在本质上都是电磁波，它们的行为听从相同的规律，各波段之间的区分并没有肯定的意义。(2)都遵循公式v＝λf，它们在真空中的传播速度都是c＝3.0×108m/s。(3)它们的传播都不须要介质。(4)它们都具有反射、折射、衍射和干涉的特性。2．特性(1)不同的电磁波其频率、波长均不同，表现出不同的特性，波长越长，越简洁产生干涉、衍射现象，波长越短，穿透实力越强。(2)同频率的电磁波，在不同介质中传播速度不同。不同频率的电磁波，在同一种介质传播中传播时，频率越大，折射率越大，速度越小。(3)产朝气理不同无线电波振荡电路中电子周期性运动产生红外线、可见光和紫外线原子的外层电子受激发后产生X射线原子的内层电子受激发后产生γ射线原子核受激发后产生(4)用途不同无线电波用于通信和广播，红外线用于加热和遥感技术，紫外线用于杀菌消毒，X射线应用于医学上的X光照片，γ射线用于检查金属部件的缺陷等。[典型例题]例2.下列有关电磁波的特性和应用，说法正确的是()A．红外线和X射线都有很强的穿透本事，常用于医学上透视人体B．过强的紫外线照耀有利于人的皮肤健康C．电磁波中频率最大的为γ射线，最简洁发生衍射现象D．紫外线和X射线都可以使感光底片感光[解析]X射线有很高的穿透本事，医学上常用于透视人体，红外线不能，A错误；过强的紫外线照耀对人的皮肤有害，B错误；电磁波中频率最大的为γ射线，其波长最短，最不简洁发生衍射，C错误；紫外线和X射线都可以使感光底片感光，D正确。[答案]D[点评]不同射线具有不同的特点，会有不同的用途，要熟知它们的特点和在现代科技、生活中的应用，还要将它们与学过的有关学问联系起来。[即时巩固]2．(2024·濮阳高二检测)下列说法正确的是()A．只有物体温度较高时才能向外辐射红外线B．紫外线的主要作用是热作用C．可见光比红外线简洁发生衍射现象D．X射线穿透力强，可用来进行人体透视解析：选D任何物体在任何温度下均会向外辐射红外线，A错误；紫外线的主要作用是化学作用和荧光作用，B错误；可见光的波长小于红外线的波长，故可见光相对红外线不简洁衍射现象，C错误；X射线穿透力强，医学上常用于透视人体，D正确。1．(2024·长春高二检测)某广播电台放射“中波”段某套节目的讯号、家用微波炉中的微波、人体透视用的X光、VCD机中的激光(可见光)，都是电磁波，它们的频率分别为f1、f2、f3、f4，则()A．f1>f2>f3>f4B．f1<f2<f3<f4C．f1<f2<f4<f3D．f2<f1<f3<f4解析：选C电磁波谱中，中波、微波、可见光、X射线的波长依次变短，频率依次上升，故C项正确。2．[多选]关于电磁波谱，下列说法正确的是()A．波长不同的电磁波在本质上完全相同B．电磁波的波长若差异太大则会出现本质不同的现象C．电磁波谱的频带很宽D．电磁波的波长很短，所以电磁波谱的频带很窄解析：选AC电磁波谱中的电磁波在本质上是完全相同的，只是波长或频率不同而已，A、C正确。3．[多选]雷达采纳微波而不用其他无线电波的缘由是()A．微波具有很高的频率B．微波具有直线传播的特性C．微波的反射性强D．微波比其他无线电波(长波、中波、短波等)传播的距离更远解析：选ABC微波的频率较高，波长较短，不简洁产生衍射或干涉现象，微波的反射性较强，直线性较好；微波与其他无线电波的波速相等，都可以传播较远的距离，A、B、C正确。4．[多选]下列说法中正确的是()A．摄像管事实上是一种将光信号转变为电信号的装置B．电视机事实上是一种将电信号转变为光信号的装置C．摄像机在1s内要传送25张画面D．电视机接收的画面是连续的解析：选ABC通过摄像管摄到景物的光信号，再通过特别装置(扫描)转变为电信号，在1s内要传送25张画面；电视机通过显像管将接收到的电信号再转变为光信号，最终还原为景物图像，每秒要接收到25张画面，由于画面更换快速和视觉暂留，我们感觉到的便是活动的图像，A、B、C正确。5．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，它能在黑暗中精确而快速地捕获食物，避开敌害，远远优于现代化的无线电系统。海豚的定位、雷达的定位分别利用了自身放射的()A．电磁波次声波B．红外线光线C．次声波红外线D．超声波电磁波解析：选D海豚能放射超声波，它是一种频率高于2×104Hz的声波，它的波长特别短，因而能定向放射，而且在水中传播时因能量损失小，要比无线电波和广播传播得远，海豚就是靠自身发出的超声波的回声来在浑浊的水里精确确定远处小鱼的位置而猛冲过去吞食；雷达是一个电磁波的放射和接收系统，因而是靠放射电磁波来定位的，D正确。[基础练]一、选择题1．[多选]在电磁波中，波长按从长到短依次排列的是()A．无线电波、可见光、红外线B．无线电波、可见光、γ射线C．红光、黄光、绿光D．紫外线、X射线、γ射线解析：选BCD电磁波中，波长按从长到短排列的是无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线。可见光中，按红、橙、黄、绿、青、蓝、紫的依次波长越来越短。故选项B、C、D正确。2．[多选]下列关于各种电磁波的说法中正确的是()A．最简洁发生衍射现象的是无线电波B．紫外线有明显的热效应C．X射线穿透实力较强，所以可用来检查工件D．明朗的天空看起来是蓝色的是光散射的结果解析：选ACD波长越长越易发生衍射现象，故A正确；有明显热效应的是红外线，故B错误；X射线因其穿透实力强而常用于人体拍片和检查金属工件缺陷，故C正确；天空看起来是蓝色是由于波长较短的光易被散射，故D正确。3．下列关于紫外线的说法正确的是()A．照耀紫外线可增进人体对钙的汲取，因此人们应尽可能多地接受紫外线的照耀B．一切高温物体发出的光都含有紫外线C．紫外线有很强的荧光效应，常被用来防伪D．紫外线有杀菌消毒的作用，是因为其有热效应解析：选C由于紫外线有显著的生理作用，杀菌实力较强，在医疗上有其应用，但是过多地接受紫外线的照耀，对人体来说也是有害的，A、D错误；并不是全部的高温物体发出的光都含有紫外线，B错误；紫外线有很强的荧光效应，可用来防伪，C正确。4．[多选]下列关于雷达的说法中正确的是()A．雷达是利用无线电波测定物体位置的无线电设备B．电磁波遇到障碍物要发生反射，雷达就是利用电磁波的这个特性工作的C．雷达要确定较远物体的位置，运用的是长波段的无线电波D．雷达每次放射无线电波的时间约为10－6s解析：选ABD雷达是利用无线电波测定物体位置的无线电设备；电磁波遇到障碍物要反射，雷达就是利用电磁波的这个特性工作的；波长短的电磁波，传播的直线性好，有利于用电磁波定位，因此雷达用的是微波；雷达每次放射无线电波的时间一般不超过1μs，A、B、D正确，C错误。二、非选择题5．某高速马路自动测速仪装置如图甲所示，雷达向汽车驶来的方向放射不连续的电磁波，每次放射时间约为10－6s，相邻两次放射时间间隔为t。当雷达向汽车放射无线电波时，在荧光屏上呈现出一个尖形波；在收到反射回来的无线电波时，在荧光屏上呈现其次个尖形波。依据两个波的距离，可以计算出汽车距雷达的距离，依据自动打下的纸带(如图乙所示)，可求出该汽车的车速，请依据给出的t1、t2、t、c列出汽车车速的表达式。解析：依据图乙所示，第一次测量时汽车距雷达的距离s1＝eq\f(ct1,2)其次次测量时汽车距雷达的距离s2＝eq\f(ct2,2)两次放射电磁波时间间隔为t，则汽车的速度v＝eq\f(s,t)＝eq\f(s1－s2,t)＝eq\f(ct1－t2,2t)答案：v＝eq\f(ct1－t2,2t)[提能练]一、选择题1．太阳表面温度约为6000K，主要发出可见光；人体温度约为310K，主要发出红外线；宇宙间的温度约为3K，所发出的辐射称为“3K背景辐射”，它是宇宙“大爆炸”之初在空间上保留下的余热，若要进行“3K背景辐射”的观测，应当选择下列哪一个波段()A．无线电波B．紫外线C．X射线D．γ射线解析：选A由题意知，随着温度的上升，发出的电磁波的波长变短，则温度约为3K时，称为“3K背景辐射”，发出的电磁波波长较大，故若要进行“3K背景辐射”的观测，应当选择无线电波，A正确，B、C、D错误。2．简洁的、比较有效的电磁波的放射装置，至少应具备以下电路中的()①调谐电路；②调制电路；③高频振荡电路；④开放振荡电路A．①②③B．②③④C．①④D．①②④解析：选B比较有效的放射电磁波的装置应当有调制电路、高频振荡电路和开放振荡电路。调制电路是把须要放射的信号装载在调频电磁波上才能放射出去，高频振荡电路能产生高频电磁波，开放振荡电路能把电磁波发送的更远。而调谐电路是在接收端须要的电路。3．红外遥感卫星通过接收地面物体发出的红外辐射来探测地面物体的状况。地球大气中的水汽(H2O)、二氧化碳(CO2)能剧烈汲取某些波长范围的红外辐射，即地面物体发出的某些波长的电磁波，只有一部分能够通过大气层被遥感卫星接收。下图为水和二氧化碳对某一波段不同波长电磁波的汲取状况，由题图可知，在该波段红外遥感大致能够接收到的波长范围为()A．2.5～3.5μmB．4～4.5μmC．5～7μmD．8～13μm解析：选D由题图可知：水对电磁波汲取的波长范围为0～8μm，二氧化碳对电磁波汲取的波长范围为3～5μm和大于13μm，所以能够通过大气层被遥感卫星接收的波长范围为8～13μm，D正确。4．我国“空警－2000”预警机上装备有多功能三坐标多普勒脉冲雷达，可进行全向探测，主要用于发觉和跟踪空中与水面目标，工作频率为1.2×109～1.4×109Hz。对空中目标的最远探测距离为470km，该机的雷达系统可同时跟踪60～100个空中目标，并对战术空军的10架飞机实施引导。下列关于该脉冲雷达的说法正确的是()A．脉冲雷达采纳的是X射线B．脉冲雷达采纳的是微波C．预警机高速飞行时，放射的脉冲信号传播速率可能大于光在真空中的速率D．增大它的振荡电路可变容器的电容，可增大雷达的工作频率解析：选B脉冲雷达是利用微波测速、测距的，其传播速率等于光速，故A、C选项错误，B选项正确；由T＝2πeq\r(LC)可知，增大振荡电路的电容，其周期变大，工作频率减小，故D选项错误。二、非选择题5.一个雷达向远处放射无线电波，每次放射的时间为1μs，两次放射的时间间隔为100μs，在指示器的荧光屏上呈现出的尖形波如图所示，已知图中刻度ab＝bc，则障碍物与雷达之间的距离是