第3讲 电磁振荡与电磁波　传感器

第十二章

交变电流电磁振荡与电磁波传感器第3讲

电磁振荡与电磁波传感器目录123教材阅读指导考点一电磁振荡考点二电磁波的产生、传播及电磁波谱考点三传感器课时作业45教材阅读指导(对应人教版必修第三册、选择性必修第二册相关内容及问题)

选择性必修第二册第四章第1节[练习与应用]T1；T2。

选择性必修第二册第四章第1节[练习与应用]T3。

选择性必修第二册第四章，阅读“2电磁场与电磁波”这一节内容，理解麦克斯韦电磁场、电磁波理论，以及电磁波的性质。

选择性必修第二册第四章第3节，阅读“无线电波的发射”“无线电波的接收”这两部分内容，理解调制、调幅、调频、调谐、解调的含义及其在无线电波的发射和接收过程中的顺序。

必修第三册第十三章第4节，阅读图13．4­4，熟悉电磁波谱及其应用。

选择性必修第二册第四章，阅读“4电磁波谱”这一节内容，熟悉各种电磁波及其应用。

选择性必修第二册第五章阅读“1认识传感器”这一节内容。

选择性必修第二册第五章第2节，阅读“金属热电阻和热敏电阻”这一部分内容，说一说金属热电阻阻值随温度变化的特点与热敏电阻的不同。提示：与热敏电阻相比，金属热电阻的化学稳定性好，测温范围大，但灵敏度较差。

选择性必修第二册第五章第2节阅读[拓展学习]“霍尔元件”这一部分内容。

选择性必修第二册第五章阅读“3利用传感器制作简单的自动控制装置”这一节内容。

选择性必修第二册第五章第3节[练习与应用]T1。提示：P端电势低于Q端，指针向零点左侧偏转。

选择性必修第二册第五章[复习与提高]A组T3。提示：电路原理图如图所示：

选择性必修第二册第五章[复习与提高]B组T4；T5。考点一电磁振荡1．振荡电流：______和______都做周期性迅速变化的电流。2．振荡电路：产生__________的电路。由电感线圈L和电容C组成的电路，就是最简单的振荡电路，称为________电路。3．电磁振荡：在LC振荡电路中，电容器不断地充电和放电，电路中的电流i、电容器极板上的电荷量q、电容器里的电场强度E、线圈里的磁感应强度B，都在_______地变化着。这种现象就是电磁振荡。大小方向振荡电流LC振荡周期性4．电磁振荡中的能量变化：电容器放电过程，_______能逐渐转化为_______能；电容器充电过程，_______能逐渐转化为_______能。在电磁振荡的过程中，电场能和磁场能会发生_________的转化。电场磁场磁场电场周期性1．在LC振荡电路中，电容器放电完毕的时刻，回路中磁场能最小。(

)2．同时改变电容器的电容和线圈的电感，振荡电路的周期一定会改变。(

)××1．振荡电流、极板所带电荷量随时间的变化图像电磁振荡中各物理量的变化过程电荷量电场强度电场能电流磁感应强度磁场能放电过程变小变小变小变大变大变大放电完毕000最大最大最大充电过程变大变大变大变小变小变小充电完毕最大最大最大000从上表可总结出如下两类关系：(1)同步同变关系在LC振荡电路发生电磁振荡的过程中，电容器相关的物理量：电荷量q、电场强度E、电场能EE是同步变化的，即：q↓→E↓→EE↓(或q↑→E↑→EE↑)。线圈相关的物理量：振荡电流i、磁感应强度B、磁场能EB也是同步变化的，即：i↓→B↓→EB↓(或i↑→B↑→EB↑)。(2)同步异变关系在LC振荡过程中，电容器相关的三个物理量q、E、EE与线圈相关的三个物理量i、B、EB是同步异向变化的，即q、E、EE同时减小时，i、B、EB同时增大，且它们的变化是同步的。2．LC振荡电路充、放电过程的判断方法根据电流流向判断当电流流向带正电的极板时，电容器的电荷量增加，磁场能向电场能转化，处于充电过程；反之，当电流流出带正电的极板时，电容器的电荷量减少，电场能向磁场能转化，处于放电过程根据物理量的变化趋势判断当电容器的电荷量q(电压U、场强E)增大或电流i(磁场B)减小时，处于充电过程；反之，处于放电过程根据能量判断电场能增加时充电，磁场能增加时放电例1如图所示，表示LC振荡电路某时刻的情况，以下说法正确的是(

)A．电容器正在充电B．电感线圈中的磁场能正在减小C．电感线圈中的电流正在减小D．此时自感电动势正在阻碍电流的增大解析根据磁感线的方向，由右手螺旋定则可以判断，电路中电流方向是逆时针，再根据电容器极板上带电的性质可以判断电容器在放电，A错误；电容器在放电，所以电流在增大，磁场能在增大，自感电动势正在阻碍电流的增大，B、C错误，D正确。例2在如图甲所示的LC振荡电路中，通过P点的电流i随时间t变化的图线如图乙所示，规定通过P点的电流方向向右为正方向。下列说法正确的是(

)A．0至0．5ms内，电容器C正在充电B．0．5ms至1ms内，电容器上极板带正电C．1ms至1．5ms内，Q点的电势比P点的电势高D．若电容器的电容C加倍，则电流的周期将变为4ms考点二电磁波的产生、传播及电磁波谱1．麦克斯韦电磁场理论：________的磁场产生电场，________的电场产生磁场。2．电磁场：变化的电场和磁场总是相互联系的，形成一个________________________电磁场。变化不可分割的统一的变化3．电磁波(1)产生：变化的电场和磁场由近及远地向周围传播，形成了电磁波。(2)电磁波是横波，在空间传播_________介质。(3)电磁波的波速：真空中电磁波的波速与光速相同，c＝___________m/s。(4)v＝λf对电磁波_________。(5)电磁波能产生反射、折射、______、偏振和衍射等现象。(6)_______在人类历史上首先捕捉到了电磁波，并证实了麦克斯韦的电磁场理论。不需要3．0×108同样适用干涉赫兹4．无线电波的发射(1)发射电磁波的条件①要有足够高的__________；②必须是______电路，使振荡电路的电场和磁场分散到尽可能大的空间。(2)信号的调制：为了利用电磁波传递信号，就要对电磁波调制。有______和_______两种调制方法。①______(AM)：使高频电磁波的振幅随信号的强弱而变。②______(FM)：使高频电磁波的频率随信号的强弱而变。振荡频率开放调幅调频调幅调频5．无线电波的接收(1)当接收电路的固有频率跟收到的电磁波的频率______时，接收电路中产生的振荡电流_______，这种现象叫作电谐振。(2)使接收电路产生电谐振的过程叫作______。(3)从经过调制的高频振荡电流中还原出原来的信号的过程叫作______，它是______的逆过程。调幅波的解调也叫_______。相同最强调谐解调调制检波6．电磁波谱的定义按电磁波的波长大小或频率高低的顺序把它们排列成谱，叫作电磁波谱。将电磁波按波长从长到短排列顺序是__________、红外线、可见光、紫外线、X射线和γ射线。无线电波电磁波谱频率/Hz真空中波长/m特性应用递变规律无线电波<3×1011>10－3波动性强，易发生衍射无线电技术红外线3×1011～101510－7～10－3温度______，红外辐射越强红外线遥感可见光101510－7引起视觉照明、摄影紫外线1015～101710－9～10－7化学效应、______、能杀菌医用消毒、防伪X射线1016～102010－12～10－8穿透能力强检查、医用透视γ射线>1019<10－11穿透能力更强工业探伤、医用治疗7．电磁波谱的特性、应用越高荧光效应1．振荡电路的频率越高，发射电磁波的本领越大。(

)2．要将传递的声音信号向远距离发射，必须以高频电磁波作为载波。(

)3．电磁波的传播需要介质。(

)4．电场周围一定存在磁场，磁场周围一定存在电场。(

)5．无线电波不能发生干涉和衍射现象。(

)6．波长不同的电磁波在本质上完全相同。(

)7．可利用红外线的荧光效应辨别人民币的真伪。(

)××√√×√×1．对麦克斯韦电磁场理论的理解2．对电磁波的理解(1)电磁波是横波，电磁波的电场、磁场、传播方向三者两两垂直，如图所示。(2)根据电磁场理论，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。能量是电磁场的物质性最有说服力的证据之一。由此，人们认识到物质存在两种形式，一种是由原子和分子构成的实物，另一种则是以电磁场为代表的场。3．对电磁波发射、接收过程的理解(1)区分调制和解调声音、图像等信号频率相对较低，不能转化为电信号直接发射出去，将这些低频信号加载到高频电磁波信号上，就能有效发射。在电磁波发射技术中，将声音、图像信号加载到高频电磁波上的过程就是调制。而将声音、图像信号从高频信号中还原出来的过程就是解调。(2)区分调谐和解调调谐就是使接收电路产生电谐振的过程，即选择携带有用信号的高频振荡电流，使其在接收电路中产生的感应电流最强的过程；解调是将高频电流中携带的有用信号分离出来的过程。例3关于电磁波，下列说法正确的是(

)A．只要空间某处的电场或磁场发生变化，就会在其周围产生电磁波B．电磁波在真空中自由传播时，其传播方向与电场强度、磁感应强度均垂直C．利用电磁波传递信号可以实现无线通信，但电磁波不能通过电缆、光缆传输D．电磁波可以由电磁振荡产生，若波源的电磁振荡停止，空间的电磁波随即消失解析均匀变化的电(磁)场产生恒定的磁(电)场，恒定的磁(电)场不会产生电(磁)场，也就不会产生电磁波，A错误；变化的电场和磁场相互激发，且相互垂直，形成的电磁波的传播方向与电场和磁场均垂直，B正确；电磁波可以通过电缆、光缆传播，C错误；电磁振荡停止后，电磁波可以在空间继续传播，直到能量消耗完为止，D错误。例4电磁波在生活中有着广泛的应用，下列说法正确的是(

)A．雷达是利用无线电波中的长波来测定物体位置的B．太阳辐射在黄绿光附近辐射最强，人眼对黄绿光最敏感C．在电磁波的发射技术中，使载波随各种信号而改变的技术叫调谐D．紫外线的波长比可见光的波长更长，具有较高的能量，可以用来灭菌消毒解析微波波长较短，直线传播性能好，雷达是利用微波来测定物体位置的，故A错误；太阳辐射在黄绿光附近辐射最强，而人眼也对黄绿光最敏感，故B正确；在电磁波的发射技术中，使载波随各种信号而改变的技术叫调制，故C错误；紫外线的波长比可见光的波长更短，频率更高，具有较高的能量，可以用来灭菌消毒，故D错误。对电磁波谱的几点说明(1)波长不同的电磁波，表现出不同的特性。其中波长较长的无线电波和红外线，易发生干涉、衍射现象；波长较短的X射线、γ射线，穿透能力较强。(2)电磁波谱中，相邻两波段的电磁波的波长并没有很明显的界线，如紫外线和X射线、X射线和γ射线都有重叠。(3)不同的电磁波，产生的机理不同，无线电波是振荡电路中自由电子的周期性运动产生的；红外线、可见光、紫外线是原子的外层电子受到激发后产生的；X射线是原子的内层电子受到激发后产生的；γ射线是原子核受到激发后产生的。考点三

传感器一、传感器及其工作原理1．传感器的工作原理：能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等被测量，并能把它们按照一定的规律转换为便于传送和处理的可用信号输出。通常转换成的可用信号是电压、电流等______量，或转换为电路的______。把非电学量转换为电学量，可以很方便地进行测量、______、处理和______。传感器应用的一般模式如图所示：电学通断传输控制2．传感器的核心元件(1)敏感元件：能直接感受或响应外界被测____________的部分。(2)转换元件：能将敏感元件输出的信号直接转换成________的部分。(3)信号调整与转换电路：能把输出的微弱的电信号放大的部分。非电学量电信号3．传感器的分类工作原理举例物理传感器利用物质的物理特性或物理效应制成力传感器、磁传感器、声传感器等化学传感器利用电化学反应原理，把无机或有机化学物质的成分、浓度转换为电信号离子传感器、气体传感器等生物传感器利用生物活性物质的选择性来识别和测定生物化学物质酶传感器、微生物传感器、细胞传感器等二、常见敏感元件1．光敏电阻(1)特点：光照越强，电阻_____。(2)原理：光敏电阻的构成物质为半导体材料，无光照时，载流子极少，导电性能_____；随着光照的_____，载流子增多，导电性变好。(3)作用：把__________这个光学量转换为______这个电学量。越小差增强光照强弱电阻2．热敏电阻和金属热电阻(1)热敏电阻：热敏电阻一般由半导体材料制成，其电阻随温度的变化明显。如图甲所示为一种热敏电阻的阻值随温度变化的特性曲线，温度升高时，其电阻_______。减小(2)金属热电阻：有些金属的电阻率随温度的升高而_____，这样的电阻也可以制作温度传感器，称为热电阻，如图乙所示为某金属导线电阻的温度特性曲线。(3)作用：热敏电阻和金属热电阻都能够把温度这个热学量转换为电阻这个电学量。注意：在工作温度范围内，电阻值随温度上升而增加的是正温度系数(PTC)热敏电阻器；电阻值随温度上升而减小的是负温度系数(NTC)热敏电阻器。增大3．电阻应变片(1)电阻应变片的作用：电阻应变片能够把物体______这个力学量转换为______这个电学量。(2)应变式电子秤的组成及敏感元件：由金属梁和电阻_______组成，敏感元件是________。(3)应变式电子秤的工作原理形变电阻应变片应变片4．霍尔元件霍尔元件是根据霍尔效应原理制成的一种磁敏元件。一般用于电机中测定转子的转速，如录像机的磁鼓、电脑中的散热风扇等。(1)霍尔元件的工作原理：如图所示，E、F间通入恒定的电流I，同时外加与薄片垂直的磁感应强度为B的磁场时，薄片中的载流子就在洛伦兹力作用下，向着与电流和磁场都垂直的方向漂移，使M、N间出现电压。1．传感器是把非电学量转换为电学量的元件。(

)2．传感器只能感受温度和光两个物理量。(

)3．随着光照的增强，光敏电阻的电阻值逐渐增大。(

)4．应变式电子秤所使用的测力装置是力传感器，它是把力信号转换为电阻信号。(

)××√√例5

(2025·辽宁省大连市高三上月考)(多选)根据光敏电阻特性设计的自动计数器的电路图如图所示，其中R1为光敏电阻，R2为定值电阻，电源电动势和内阻恒定，信号处理系统会实时监测R2两端的电压，每获得一次低电压就记数一次。下列说法正确的是(

)A．有光照射时R1的阻值比无光照射时的小B．有光照射时R1两端的电压比无光照射时的大C．有光照射时电源两端的电压比无光照射时的小D．有光照射时R2消耗的电功率比无光照射时的小例7如图所示为电容式位移传感器的示意图，物体沿左右方向运动时，电容将发生变化。如果实验测量出电容器的电容变大，那么被测物体向_____运动(选填“左”或“右”)；如果把图中的电介质板换成相对介电常数更大的材料，当物体沿左右方向运动时，传感器的灵敏度_______(选填“变大”“不变”或“变小”，灵敏度定义为电容器电容变化量的大小与物体位置坐标变化量大小之比)。左变大课时作业1．(多选)根据麦克斯韦电磁场理论，下列说法中正确的是(

)A．变化的电场一定产生变化的磁场B．均匀变化的电场一定产生均匀变化的磁场C．周期性变化的电场一定产生同频率的周期性变化的磁场D．变化的电场和变化的磁场交替产生，由近及远地向周围传播，形成电磁波解析：均匀变化的电场产生恒定的磁场，A、B错误；由麦克斯韦电磁场理论可知，周期性变化的电场一定产生同频率的周期性变化的磁场，C正确；由麦克斯韦电磁场理论可知，D正确。［A组基础巩固练］2．(粤教版选择性必修第二册·第四章第四节图4­4­1改编)电磁波包括无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线等，电磁波谱如图所示，下列说法正确的是(

)A．只有高温物体才辐射红外线B．过量的紫外线会对人体皮肤造成伤害C．无线电波的频率比γ射线的频率大D．红光的波长比X射线小解析：所有的物体都在向外辐射红外线，故A错误；紫外线具有较高的能量，过量的紫外线会伤害人的眼睛和皮肤，故B正确；无线电波的波长比γ射线的波长大，由c＝λf可知无线电波的频率比γ射线的频率小，故C错误；红光是可见光，波长比X射线大，故D错误。4．如图所示，q­t图像表示LC振荡电路中电容器下极板电荷量随时间变化的图像，下列说法正确的是(

)A．Oa时间段，线圈中磁场能在减小B．b、d两时刻电路中电流最大C．b、d两时刻电容器中电场能最大D．该电路可以有效地把电磁波发射出去解析：由q­t图像可知，Oa时间段，电容器的电荷量在减小，故电容器的电场能在减小，线圈中的磁场能在增大，A错误；从q­t图像可知，b、d两时刻电容器的电荷量最大，故电容器中电场能最大，电路中电流为0，B错误，C正确；有效地发射电磁波，需要有足够高的振荡频率和开放电路，此电路不是开放电路，不能有效地发射电磁波，D错误。5．雪深雷达是2020珠峰高程测量主力设备之一，该系统主要利用天线发射和接收高频电磁波来探测珠峰峰顶冰雪层厚度，如图所示。下列说法正确的是(

)A．雷达利用电磁波的干涉特性工作B．电磁波发射时需要进行调谐和解调C．电磁波从空气进入雪地，频率减小，波长增大D．在电磁波中，电场和磁场随时间和空间做周期性变化解析：电磁波同声波一样，遇到障碍物会发生反射，雷达利用电磁波的反射特性工作，故A错误；电磁波发射时需要调制，接收时需要调谐和解调，故B错误；电磁波的频率由波源决定，故频率不变，由v＝λf知，波长减小，故C错误；在电磁波中，电场和磁场随时间和空间做周期性变化，故D正确。6．图甲表示某金属丝的电阻R随摄氏温度t变化的情况。把这段金属丝与电池、电流表串联起来(图乙)，用这段金属丝做测温探头，把电流表的刻度改为相应的温度刻度，就得到了一个简易温度计。下列说法正确的是(

)A．tA应标在电流较大的刻度上，且温度与电流是线性关系B．tA应标在电流较大的刻度上，且温度与电流是非线性关系C．tB应标在电流较大的刻度上，且温度与电流是线性关系D．tB应标在电流较大的刻度上，且温度与电流是非线性关系7．(鲁科版选择性必修第二册·第5章第3节图5­18改编)一种指纹识别器是通过电容传感器来识别指纹的。如图所示，该传感器上有大量面积相同的小极板，当手指贴在传感器上时，这些小极板和正对的皮肤表面部分形成大量的小电容器，传感器给所有电容器充电后使所有电容器达到某一特定的电压值，由于指纹的凸起和凹下处与小极板的距离不同，识别器中不同位置的电容器的电容值也不相同，根据电容器放电快慢的不同，就可以探测指纹信息，从而形成指纹图像数据。下列说法正确的是(

)A．用指纹的照片蒙在该传感器上，也可以实现手机解锁功能B．指纹凹下处电容器的电容较大C．充电后指纹凸起处电容器所带电荷量较大D．潮湿的手指对指纹识别没有影响8．(2024·天津市东丽区高三上开学测试)2019年被称为5G元年，这一年全球很多国家开通了5G网络。5G网络使用的无线电波通信频率是在3．0GHz以上的超高频段和极高频段，比目前4G通信频率在0．3GHz～3．0GHz间的特高频段网络拥有更大的带宽和更快的传输速率。下列说法正确的是(

)A．4G信号是横波，5G信号是纵波B．4G信号和5G信号相遇能产生干涉现象C．5G信号比4G信号波长更长，相同时间传递的信息量更大D．5G信号比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［B组综合提升练］解析：4G信号和5G信号均为电磁波，均是横波，A错误；4G信号和5G信号的频率不同，相遇时不能发生干涉现象，B错误；5G信号比4G信号频率高、波长小，5G信号拥有更大的带宽和更快的传输速率，可知相同时间传递的信息量更大，C错误；因5G信号的波长比4G信号的波长小，则5G信号比4G信号更不容易发生衍射，即更不容易绕过障碍物，所以5G通信需要搭建更密集的基站，D正确。9．如图所示，单刀双掷开关S先打到a端让电容器充满电。t＝0时开关S打到b端，t＝0．02s时LC回路中电容器下极板带正电荷且电荷量第一次达到最大值。则(

)A．LC回路的周期为0．02sB．LC回路的电流最大时电容器中电场能最大C．t＝1．01s时线圈中磁场能最大D．t＝1．01s时回路中电流沿顺时针方向10．电熨斗在达到设定温度后就不再升温，当温度降低时又会继续加热，使它与设定温度差不多，在熨烫不同织物时，通过如图所示双金属片温度传感器控制电路的通断，从而自动调节温度，双金属片上层金属的热膨胀系数大于下层金属。下列说法正确的是(

)A．温度升高时，双金属片会向上弯曲B．调节“调温旋钮”，使螺丝微微上升，可以使设定温度降低C．调节“调温旋钮”，使螺丝微微上升，可以使设定温度升高D．适当增加输入电压，可以使设定温度升高解析：当温度升高时，金属片向膨胀系数小的下层金属片一侧发生弯曲，故A错误；调节“调温旋钮”，使螺丝上升并拉动弹性铜片上移，就能使触点断开时双金属片向下弯曲的程度更小一些，使断开时的温度即设定温度更低一些，故B正确，C错误；电压不影响设定温度，故D错误。11．(粤教版选择性必修第二册·第五章第二节图5­2­1改编)如图所示为一种呼气酒精测试仪的原理图，其中酒精气体传感器的电阻值R′的倒数与酒精气体的浓度c成正比，R、R0、r、E值恒定，电压表