高中第3节 电磁波谱优秀学案及答案

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阅读本节教材，回答第89页“问题”并梳理必要知识点。
教材P89问题提示：电磁波的发射要具备足够高的振荡频率和开放电路，无线电波通常有地波、天波和空间波三种传播途径，电磁波的接收则是电谐振现象。
一、电磁波的发射
1．有效发射条件
(1)振荡频率足够高。
(2)电场、磁场尽可能分布到较大的空间。
2．开放电路：为了满足发射条件，可以减小电容器的极板面积，增大极板间距，使电容器变成两条长直导线，一条深入高空成为天线，另一条接入地下成为地线。
3．电磁波的调制：
(1)定义：把低频电信号加载到高频等幅振荡电流上称为调制。
(2)分类：
①调幅：使电磁波的振幅随信号的强弱而改变。
②调频：使电磁波的频率随信号的强弱而改变。
二、电磁波的传播
1．无线电波通常有三种传播途径：地波、天波和空间波。
2．传播特点
(1)地波：沿地球表面空间传播的无线电波。在无线电技术中，通常采用地波的形式传播长波、中波和中短波。
(2)天波：靠大气层中电离层的反射传播的无线电波。短波最适合采用天波的形式传播。
(3)空间波：像光束那样沿直线传播的无线电波。这种传播方式适用于超短波和微波通信，此外卫星中继通信，卫星电视转播等也主要是利用空间波作为传输途径。
三、电磁波的接收
1．电谐振现象：当接收电路的固有频率跟收到的电磁波的频率相同时，接收电路中产生电流最强的现象。与机械振动中的共振现象类似。
2．调谐：在无线电技术中，对空间存在的各种频率电磁波，需要选择某一特定的频率接收的过程。
3．调谐电路
(1)定义：能够调谐的接收电路。
(2)应用：调节调谐电路可调电容或电感，改变电路的固有频率，使它与要接收的电台的电磁波的频率相同。
四、电磁波谱
1．电磁波谱
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，把这些电磁波按波长或频率顺序排列起来，就构成了电磁波谱。电磁波谱中的各种波有一定的波长范围，它们都具有反射、折射、衍射和干涉的特性；它们在真空中的传播速度均等于光速。
2．电磁波的应用
(1)无线电波的应用
①特点：不同波段内的无线电波具有不同的传播特性。频率越低，传播损耗越小，覆盖距离越远；频率越高，传播损耗越大，覆盖距离越近。
②应用：长波主要用于调幅广播及航海导航；中波主要用于调幅广播及通信；短波主要用于远距离短波通信及调幅广播；微波主要用于调频广播、电视、卫星导航和雷达，微波炉可利用高功率的微波对食物进行加热。
(2)红外线和紫外线的应用
①红外线：具有明显的热效应。利用红外线的这种热效应，制成了红外线烤箱、红外线炉等；利用红外线使特制底片感光的性质还可制成红外摄影仪、红外遥感器等。
②紫外线：紫外线能使很多物质发出荧光，很容易让底片感光。当适量紫外线照射人体时，能使人体合成维生素D，可以预防佝偻病，但过量的紫外线会伤害人体，应注意防护。紫外线还具有杀菌作用，医院里的病房利用紫外线消毒；银行利用紫外线灯鉴别钞票的真伪。
(3)X射线和γ射线的应用
①X射线：穿透力较强，在医学上常用X光照片辅助进行疾病诊断。长期暴露在X射线下，会对人体造成很大伤害。
②γ射线：从原子核内发出的电磁波，能量较高，穿透力很强，对生物的破坏力很大。医学上常用来杀死癌细胞。
1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)振荡频率足够高的开放电路才能发射电磁波。(√)
(2)电磁波波长较长的波贯穿障碍物的能力强。(×)
(3)电磁波波长较短的波能量大，穿透能力强。(√)
(4)可见光是整个电磁波谱中极狭窄的一段，其中红光波长最长。(√)
(5)红外线属于可见光。(×)
(6)紫外线有明显的热效应。(×)
2．要提高LC振荡电路辐射电磁波的本领，应该采取的措施是( )
A．减小电容器极板间距
B．使振荡电容器的正对面积足够大
C．尽可能使电场和磁场分散开
D．增大回路中的电容和电感
C [要提高LC振荡电路辐射电磁波的本领，应从两个方面考虑，一是提高振荡频率，二是使电磁场尽可能地分散开，所以C正确；由f＝eq \f(1,2π\r(LC))可知，当减小电容器极板间的距离时，C变大，f减小，A错误；使电容器正对面积变大，C变大，f变小，B错误；增大回路中的L、C，f变小，D错误。]
3．(多选）下列说法中正确的是( )
A．夏天太阳光把地面晒得发热是因为可见光的热效应在各种电磁波中是最弱的
B．医院里用X射线进行人体透视，是因为它是各种电磁波中穿透本领最大的
C．在热学中所说的热辐射就是指红外线辐射
D．医院里的病房利用紫外线消毒，是因其有杀菌作用
CD [热效应最强的是红外线，热辐射即红外线辐射，A错误，C正确；穿透本领最强的是γ射线，B错误；紫外线具有杀菌作用，D正确。]
1895年，一位年轻的意大利人马可尼(公元1874～1937年)发明了无线电通信技术。从此，携带了人类信息的电磁波开始在空间自由旅行，人们不必依赖电线，就可以在遥远的地方互通信息。电视台发射电视信号为什么要建高耸入云的发射塔呢？
提示：电视信号要有效地发射出去，必须采用高频开放电路，电视信号所用电磁波的波长比较短，以直线传播为主，遇到障碍物会被阻挡，所以发射天线要架得高一些。
1．电磁波的发射：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，如图所示。
2．“调幅”和“调频”是调制的区别
(1)高频电磁波的振幅随信号的强弱而变的调制方式叫调幅，一般电台的中波、中短波、短波广播以及电视中的图像信号采用调幅波。如图所示是调幅的作用，其中甲为声音信号的波形；乙为高频等幅振荡电流的波形；丙为经过调幅的变频振荡电流的波形。
(2)高频电磁波的频率随信号的强弱而变的调制方式叫调频，电台的立体声广播和电视中的伴音信号，采用调频波。如图所示调频的作用，其中甲为声音信号的波形；乙为高频等幅振荡电流的波形；丙为经过调频的高频振荡电流的波形。
3．电磁波的接收：天线接收到的所有的电磁波，经调谐选择出所需要的电磁波，再经解调取出携带的信号，放大后再还原成声音或图像的过程。
4．解调是调制的逆过程
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，而要将这些低频信号加载到高频电磁波信号上去。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。
5．正确理解调谐的作用
世界上有许许多多的无线电台、电视台及各种无线电信号，如果不加选择全部接收下来，那必然是一片混乱，分辨不清。因此接收信号时，首先要从各种电磁波中把我们需要的选出来，通常叫选台。在无线电技术中是利用电谐振达到该目的的。
检波：调幅波的解调称为检波。
【例1】 (多选)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，必须是闭合电路
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，必须要有检波过程
思路点拨：解此题关键有两点
(1)明确有效发射电磁波的条件。
(2)明确电谐振、检波的概念。
BCD [有效发射电磁波，必须采用开放电路和高频发射；一般的音频电流的频率较低，不能直接用来发射电磁波；电磁波接收原理是一种叫电谐振的现象，与机械振动中的共振有些相似；电视机显示图像时，必须通过检波过程，把有效的信号从高频信号中取出来，否则就不能显示。故A错误，B、C、D正确。]
eq \([跟进训练])
1．下列关于无线电广播要对电磁波进行调制的原因说法正确的是( )
A．经过调制后的高频电磁波向外辐射能量的本领更强
B．经过调制后的电磁波在空间传播得更快
C．经过调制后的电磁波在空间传播时波长才能不变
D．经过调制后的高频电磁波才能把我们要告知对方的信号传递过去
D [声音信号的频率很低，衰减快，不能直接发射，高频电磁波衰减慢、辐射能力强，适合发射，A、C错，D对；经过调制后的电磁波在空间传播的速度不变，故B错。]
红外体温计不用与人体接触便可以迅速测量体温，如图所示，你知道它的工作原理吗？
提示：根据体温越高，辐射红外线越强的原理。
1．各种电磁波的特点及应用
2.电磁波的能量
各种各样的仪器能够探测到许许多多电磁波，所有这些都表明电磁波能够传递能量。
3．对X射线和γ射线的两点说明
(1)不同频率的电磁波在真空或空气中的传播速度相同，而在同一介质中的传播速度并不相同。
(2)X射线与γ射线都具有穿透能力，但γ射线的穿透能力更强。X射线能穿过人体，通常做人体透视；而γ射线可以穿过几厘米厚的铅板，可以做探测金属砂眼的射线。
【例2】 关于电磁波谱，下列说法中正确的是( )
A．X射线对生命物质有较强的作用，过量的X射线辐射会引起生物体的病变
B．γ射线是波长最短的电磁波，它比X射线的频率还要高
C．紫外线比紫光更容易发生干涉和衍射
D．在电磁波谱中，更容易发生衍射现象的是γ射线
AB [X射线对生命物质有较强的作用，过量的X射线辐射会引起生物体的病变，故A正确；γ射线是波长最短的电磁波，它比X射线的频率还要高，故B正确；在电磁波谱中从无线电波到γ射线，波长逐渐减小，频率逐渐增大，而波长越大，波动性越强，越容易发生干涉、衍射现象，因此紫光比紫外线更容易发生干涉和衍射现象，无线电波最容易发生衍射现象，故C、D错。]
eq \([跟进训练])
2．（多选）关于电磁波的特性和应用，下列说法正确的是( )
A．红外线和X射线都有很高的穿透本领，常用于医学上透视人体
B．过强的紫外线照射有利于人的皮肤健康
C．电磁波中频率最大的为γ射线，最容易发生衍射现象
D．紫外线和X射线都可以使感光底片感光
D [X射线有很高的穿透本领，常用于医学透视人体，红外线没有，选项A错误；过强的紫外线照射对人的皮肤有害，选项B错误；电磁波中频率最大的为γ射线，其波长最短，最不容易发生衍射现象，选项C错误。]
1．物理观念：调制、调幅、调频、调谐、解调、电谐振等概念。
2．科学思维：电磁波发射的条件及电磁波传播和接收的原理。
3．科学态度与责任：电磁波各波段的特性及应用。
1．为了把需要传递的信号(图像、声音等)加载到电磁波上发射出去，必须对振荡电流进行( )
A．调谐B．放大
C．调制D．解调
C [信息(声音或图像等)转化为电信号后，往往由于信号频率低不能直接用来发射，需要把要传递的电信号“加载”到高频电磁波上，这就是调制。故正确选项为C。]
2．根据电磁波谱选出下列各组电磁波，其中频率互相交错重叠，且波长顺序由短到长排列的是( )
A．微波、红外线、紫外线
B．γ射线、X射线、紫外线
C．紫外线、可见光、红外线
D．紫外线、X射线、γ射线
B [红外线与紫外线在电磁波谱中不相邻，更不会频率重叠，A错误；紫外线、可见光、红外线虽相邻，但它们三者间有明确的界线，频率也不相重叠，C错误；在电磁波谱中紫外线、X射线、γ射线有重叠，γ射线波长最短，紫外线波长最长，B正确，D错误。]
3．有一个LC接收电路，原来接收较低频率的电磁波，现在要想接收较高频率的电磁波，下列调节正确的是( )
A．增加电源电压
B．使用调频的调制方式
C．把可动电容器的动片适当旋出一些
D．在线圈中插入铁芯
C [增大LC接收电路的频率，由公式f＝eq \f(1,2π\r(LC))可知应减小电容或电感，A、B项错；把可动电容器的动片适当旋出一些，减小了电容，符合题目要求，C项正确；在线圈中插入铁芯，增大了电感，不合题意，D项错。]
4．(多选)关于电磁波的接收，下列说法正确的是( )
A．当处于电谐振时，所有的电磁波仍能在接收电路中产生感应电流
B．当处于电谐振时，只有被接收的电磁波才能在接收电路中产生感应电流
C．由调谐电路接收的感应电流，再经过耳机就可以听到声音了
D．由调谐电路接收的感应电流，再经过检波、放大，通过耳机才可以听到声音
AD [当处于电谐振时，所有的电磁波仍能在接收电路中产生感应电流，只不过频率跟接收电路固有频率相等的电磁波，在接收电路中激发的感应电流最强。由调谐电路接收的感应电流，要再经过检波(也就是调制的逆过程)、放大，通过耳机才可以听到声音，故正确答案为A、D。]
5．某一战斗机正以一定的速度朝雷达的正上方水平匀速飞行，已知雷达发射相邻两次电磁波之间的时间间隔为5×10－4 s。某时刻在雷达荧光屏上显示的波形如图甲所示，t＝173 s后雷达向正上方发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10－4 s，电磁波的传播速度为c＝3×108 m/s，则该战斗机的飞行速度大约为多少？
甲 乙
[解析] 由题意知荧光屏相邻刻线间的时间间隔t0＝10－4 s，甲图发射波和接收波的时间间隔t1＝4×10－4 s，乙图时间间隔t2＝1×10－4 s，所以第一次飞机位置距雷达的距离为s1＝c·eq \f(t1,2)＝6.0×104 m，第二次飞机在雷达正上方，所以飞机高度h＝c·eq \f(t2,2)＝1.5×104 m，所以173 s内飞机飞行的水平距离为s＝eq \r(s\\al(2,1)－h2)≈5.8×104 m，所以v＝eq \f(s,t)≈335 m/s。
[答案] 335 m/s电磁波的发射、传播、接收
电磁波的应用
电磁波谱
无线电波
红外线
可见光
紫外线
X射线
γ射线
频率(Hz)
由左向右，频率由小到大
真空中
波长
由左向右，波长由长到短
特性
波动
性强
热作
用强
感光
性强
化学作用，荧光效应
穿透
力强
穿透
力最
强
用途
通信、
广播、
导航
加热、遥测、
遥感、红外
摄像、红外
制导
照明、
照相等
日光灯、杀菌消毒、治疗皮肤病等
检查、探测、透视、治疗
探测、
治疗