2025年大学《物理学》专业题库- 电磁波理论及其在通讯中的应用

2025年大学《物理学》专业题库——电磁波理论及其在通讯中的应用考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每小题3分，共30分。请将正确选项前的字母填在题后的括号内。）1.麦克斯韦方程组中，描述电场通过某个面的电通量与该面内电荷关系的是？(A)高斯电场定律(B)高斯磁场定律(C)法拉第电磁感应定律(D)安培-麦克斯韦定律2.电磁波在自由空间中传播时，电场强度矢量、磁场强度矢量和波的传播方向三者之间的关系是？(A)互相垂直，且其中任意两个互相垂直(B)互相平行，且同方向(C)互相平行，且反方向(D)其中两个互相垂直，另一个与它们共面3.下列哪一种电磁波通常用于全球卫星通信？(A)无线电波中的长波(B)可见光(C)微波(D)X射线4.坡印廷矢量表示？(A)电磁波的能量密度(B)电磁波的传播速度(C)电磁场随时间的变化率(D)电磁波的平均功率流密度5.在电磁波谱中，频率最低的是？(A)无线电波(B)可见光(C)X射线(D)γ射线6.对于理想的赫姆霍兹天线（长度远小于波长），其主要辐射方向是？(A)垂直于天线轴线(B)平行于天线轴线(C)沿天线轴线(D)无特定方向7.在模拟通信中，调频（FM）主要适用于哪种类型的信号传输？(A)数字信号(B)模拟语音信号(C)图像信号(D)数据信号8.多径效应是指什么？(A)信号在信道中传播速度变慢(B)信号同时通过多条不同路径到达接收端(C)信号受到频率选择性衰落(D)发射机功率过大9.根据香农公式，无噪声信道容量的决定性因素是？(A)信号功率(B)信号频率(C)信道带宽(D)接收机灵敏度10.硬件实现调幅（AM）的关键步骤之一是？(A)对载波频率进行调制(B)对载波相位进行调制(C)将信息信号与载波相乘(D)对信息信号进行滤波二、填空题（每空3分，共30分。请将答案填在题中的横线上。）1.麦克斯韦在安培定律中引入了__________，使方程组能够描述变化的电场产生磁场。2.电磁波在介质中传播时，其速度会减小，这通常会导致其频率__________（填“增加”、“减小”或“不变”）。3.坡印廷矢量S的瞬时值表达式为S=E×H，其中E和H分别表示电场强度和磁场强度，其平均值表示电磁波的平均功率流密度，单位是__________。4.天线方向性的量度通常用__________来表示，它描述了天线在空间不同方向上辐射能量的集中程度。5.在调幅波中，载波的幅度随调制信号的波形而变化，而载波的__________和频率通常保持不变。6.信号从发射端到接收端经过多条路径传播而引起的到达时间不同，这种现象称为__________。7.分贝（dB）是常用的对信号强度进行相对比较的单位，表示两个功率P1和P2之比的对数，公式为dB=10log₁₀(P₂/P₁)，若P₂是P₁的10倍，则差值为__________dB。8.电磁波的能量以__________的形式在空间中传播。9.天线增益是指天线在特定方向上的辐射功率与同功率点源在所有方向上辐射总功率之比，通常以相对于全向天线的分贝数表示，记作__________。10.在数字通信系统中，__________调制是将数字信号编码到载波的振幅上。三、简答题（每小题10分，共40分。请简要回答下列问题。）1.简述位移电流的定义及其物理意义。2.解释什么是电磁波的偏振现象。对于圆偏振和椭圆偏振波，描述其电场矢量随时间变化的特点。3.简述电偶极子辐射的基本原理。为什么其辐射强度与频率的四次方成正比？4.简要说明什么是多径衰落，并简述其对无线通信质量可能产生的主要影响。四、计算题（每小题15分，共45分。请列出必要的公式、代入数据并计算结果。）1.已知一平面电磁波在真空中传播，其电场强度幅值E₀=100V/m。求：(1)该电磁波的频率范围（假设波长在可见光范围100nm至400nm内）；(2)该电磁波在真空中的磁场强度幅值H₀。2.一赫姆霍兹天线（长度l<<λ）工作在频率f=300MHz，假设天线辐射功率P=50W，且其方向性函数在轴线方向上最大值为2。求：(1)该天线在轴线方向上的辐射强度；(2)在距离天线R=10km处，轴线方向上电磁波的平均功率密度（忽略传播损耗）。3.一调幅信号载波频率f_c=10MHz，幅度A_c=10V，信息信号频率f_m=1kHz，幅度A_m=1V。求：(1)调幅波的载波、上边频和下边频的频率；(2)调幅波幅值包络的最大值和最小值。---试卷答案一、选择题1.(A)2.(A)3.(C)4.(D)5.(A)6.(A)7.(B)8.(B)9.(C)10.(C)二、填空题1.位移电流2.减小3.瓦特每平方米(W/m²)或瓦特每平方米秒(W/(m²·s))4.方向性图(或方向性函数)5.频率6.迟延波(或多径效应)7.108.坡印廷矢量(或能流)9.天线增益(或Gain)10.振幅键控(或ASK)三、简答题1.位移电流是由变化的电场产生的，其数学形式为J_d=∂D/∂t，其中D是电位移矢量。它的物理意义在于补充分为完整，使得麦克斯韦方程组能够描述变化的电场也能产生磁场，是电磁波产生和传播的基础之一。2.电磁波的偏振是指其电场矢量E的振动方向在垂直于传播方向的平面内的分布状态。圆偏振波是指电场矢量大小不变，方向绕传播方向匀速旋转，形成圆形轨迹；椭圆偏振波是指电场矢量大小和方向均随时间变化，形成椭圆轨迹。两者均可由两个相互垂直、相位差恒定的线性偏振波合成。3.电偶极子辐射是指一个小的、电流强度恒定但方向相反的电流元（电偶极子）向周围空间辐射电磁波。其辐射强度与频率的四次方（ω⁴）成正比，这是因为辐射功率与电偶极子的角频率的平方（ω²）成正比，而角频率与波长（λ）成反比，即P∝(2πf)⁴=(2π/cλ)⁴=c⁴λ⁻⁴。频率越高（波长越短），辐射越强。4.多径衰落是指信号从发射端到接收端不仅沿直线传播，还通过建筑物、地面等反射或散射，形成多条不同路径到达接收端的现象。由于不同路径的长度不同，导致信号到达接收端时存在时间差（时延），信号之间可能发生相长干涉或相消干涉，引起接收信号强度在时间和频率上的快速变化，表现为信号幅度闪烁、相位旋转、频率选择性衰落等，严重影响通信质量和可靠性。四、计算题1.解：(1)电磁波在真空中的速度c=3×10⁸m/s。频率f=c/λ。可见光波长范围λ=100nm至400nm=100×10⁻⁹m至400×10⁻⁹m。对应频率范围f_min=c/λ_max=3×10⁸/(400×10⁻⁹)=7.5×10¹⁵Hz；f_max=c/λ_min=3×10⁸/(100×10⁻⁹)=3×10¹⁶Hz。即频率范围约为7.5THz至3PHz。(2)电磁波在真空中有E₀=c₀H₀。H₀=E₀/c₀=100/(3×10⁸)=1/3×10⁻⁶A/m≈3.33μA/m。2.解：(1)辐射强度P_dir=(方向性函数)²×P_rad/(4π)=2²×50/(4π)=4×50/(4π)=50/πW/sr。(2)平均功率密度S_avg=P_dir/(4πR²)=(50/π)/(4π×(10⁴)²)=50/(16π²×10⁸)=50/(50.27×10⁸)≈0.998/10⁹=9.98×10⁻¹⁰W/m²。3.解：(1)载波频率f_c=10MHz。信息信号频率f_m=1k