第4章 2 电磁场与电磁波 3 无线电波的发射和接收 （课件）-【步步高】2023-2024学年高二物理选择性必修 第二册（人教版2019，浙江）

DISIZHANG 第四章 2　电磁场与电磁波 3　无线电波的发射和接收 学习目标 1.知道电磁场的概念及产生的原理(重点)。 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(重点)。 2 内容索引 一、电磁场 二、电磁波 课时对点练 三、无线电波的发射 四、无线电波的接收 3 一 电磁场 4 1.变化的磁场产生电场 (1)实验基础：如图所示，在变化的磁场中放一个闭合电路，电路里就会产生 。 (2)麦克斯韦的见解：电路里能产生感应电流，是因为变化的 产生了电场，电场促使导体中的自由电荷做定向运动。 (3)实质：变化的 产生了电场。 感应电流 磁场 磁场 2.变化的电场产生磁场 麦克斯韦假设，既然变化的磁场能产生电场，那么变化的电场也会在空间产生 。 3.变化的电场和磁场总是 ，形成一个不可分割的统一的_______。 磁场 相互联系 电磁场 关于电磁场的理论，下列说法正确的是 A.在电场的周围一定存在着由该电场产生的磁场 B.非均匀变化的电场产生的磁场一定是均匀变化的 C.均匀变化的磁场一定产生变化的电场 D.周期性变化的电场一定产生同周期变化的磁场 例1 √ 在变化的电场的周围一定存在着由该电场产生的磁场；而在稳定的电场周围不产生磁场，选项A错误； 非均匀变化的电场产生非均匀变化的磁场，选项B错误； 均匀变化的磁场一定产生稳定的电场，选项C错误； 周期性变化的电场一定产生同周期变化的磁场，选项D正确。 对麦克斯韦电磁场理论的理解 总结提升 (多选)(2022·杭州市高二期中)根据麦克斯韦的电磁场理论，变化的磁场可以产生电场，当产生的电场的电场线如图所示时，可能是 A.向上的磁场在增强 B.向上的磁场在减弱 C.向上的磁场先增强，然后反向减弱 D.向上的磁场先减弱，然后反向增强 针对训练1 √ √ 变化的磁场产生电场，向上的磁场增强时，感应电流的磁场方向向下，阻碍原磁场的增强，根据安培定则可判断出感应电流方向与题图中电场线方向相同，故A正确，B错误； 同理，当磁场反向减弱时，电场线的方向与题图中电场线方向相同，故C正确，D错误。 二 电磁波 12 如图所示的实验装置，当接在高压感应圈上的两金属球间有电火花时，导线环上两小球间也会产生电火花，这是为什么？这个实验证实了什么？ 答案　当两金属球间产生电火花时就会产生变化的电磁场，这种变化的电磁场传播到导线环时，在导线环中激发出感应电动势，使导线环上两小球间也产生电火花。这个实验证实了电磁波的存在。 梳理与总结 1.电磁波的产生：变化的 和 交替产生，由近及远地向周围传播，形成电磁波。 2.电磁波的特点 (1)电磁波是 ，在传播方向上的任一点，E和B彼此 且均与传播方向 。如图所示。 电场 磁场 横波 垂直 垂直 (2)电磁波的传播 介质，在真空中电磁波的传播速度跟光速相同，即v真空＝c＝3.0×108 m/s。 (3)电磁波具有波的共性，能产生 、 、反射、折射和 等现象，电磁波也是传播能量的一种形式。 (4)电磁波波速c、波长λ及频率f之间的关系为 。 (5) 通过实验证实了电磁波的存在。 不需要 干涉 衍射 偏振 c＝λf 赫兹 (多选)(2023·温州市高二阶段练习)下列关于电磁波的说法正确的是 A.麦克斯韦首先从理论上预言了电磁波，并用实验证实了电磁波的存在 B.电磁波在真空和介质中的传播速度相同 C.电磁振荡可以产生电磁波，若波源的电磁振荡停止，其发射到空间的 　电磁波仍可以继续传播 D.电磁波可以传递信息和能量 例2 √ √ 麦克斯韦从理论上预言了电磁波，赫兹用实验证实了电磁波的存在，A错误； 电磁波在真空中的传播速度大于在介质中的传播速度，B错误； 电磁振荡可以产生电磁波，若波源的电磁振荡停止，其发射到空间的电磁波仍可以继续传播，C正确； 电磁波可以传递信息和能量，D正确。 　 (2022·绍兴市高二期末)关于电磁波与声波，下列说法正确的是 A.电磁波是横波，声波是纵波 B.由空气进入水中时，波速均变小 C.由空气进入水中时，波长均变长 D.电磁波和声波在介质中的传播速度，均由介质决定，与频率无关 例3 √ 电磁波的振动与传播方向相互垂直，是横波；声波的振动与传播方向相互平行，是纵波，故A正确； 由空气进入水中时，电磁波波速变小，由于频率不变，则其波长变小；由空气进入水中时，声波波速变大，因频率不变，可知声波的波长变长，故B、C错误； 声波的传播速度在介质中是由介质决定的，与频率无关；而电磁波在介质中的传播速度与介质和电磁波本身的频率有关，故D错误。 三 无线电波的发射 20 1.有效发射电磁波的条件 要有效地向外发射电磁波，振荡电路必须具有的两个特点： (1)要有 的振荡频率。频率越 ，振荡电路发射电磁波的本领越大，如果是低频信号，要用高频信号运载才能将其更有效地发射出去。 (2)采用 电路。可以使振荡电路的电磁场分散到尽可能大的空间，如图。 (3)实际应用中的开放电路，线圈的一端用导线与 相连，这条导线叫作地线；线圈的另一端与高高地架在空中的 相连。 足够高 高 开放 大地 天线 2.调制 (1)概念：把要传递的信号“加”到高频等幅振荡电流上，使载波随各种______而改变。 (2)调制的分类 ①调幅(AM)：使高频电磁波的 随信号的强弱而改变的调制技术，如图所示。 信号 振幅 ②调频(FM)：使高频电磁波的 随信号的强弱而改变的调制技术，如图所示。 频率 (多选)如图所示为无线电波实际发射过程的示意图，如图甲、乙、丙所示为发射过程产生的电流图像，关于这三种图像，下列说法中正确的是 例4 A.图甲为高频振荡器产生的高频等幅振荡电流 B.图乙为人对着话筒说话时产生的低频信号 C.图丙表示高频电磁波的振幅随信号的强弱而变 D.图丙表示高频电磁波的频率随信号的强弱而变 √ √ √ 图乙为人对着话筒说话时产生的低频信号，选项B正确； 由高频振荡器产生的高频振荡电流如图甲所示，选项A正确； 图丙的调制方法是调幅，可以使载波的振幅随信号的强弱而变，选项C正确，D错误。 四 无线电波的接收 26 1.接收原理：电磁波在传播时如果遇到 ，会使导体中产生感应电流，空中的导体可以用来接收电磁波，这个导体就是 。 2.接收方法 (1)调谐：使接收电路产生电谐振的过程。 电谐振：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最强，这种现象叫作电谐振，相当于机械振动中的 ______。 (2)解调：把声音或图像信号从 中还原出来的过程。调幅波的解调也叫检波。 导体 接收天线 相同 共振 高频电流 3.电视广播的发射和接收 (1)电视广播信号是一种无线电信号，实际传播中需要通过载波将信号调制成 信号再进行传播。 (2)高频电视信号的三种传播方式：地面 传输、有线网络传输以及 传输。 (3)电视信号的接收：电视机接收到的高频电磁波信号经过 将得到的电信号转变为图像信号和伴音信号。 高频 无线电 卫星 解调 一品牌双波段(中、短波段)收音机的接收电路原理简化结构如图所示，通过切换开关S和旋转可变电容器动片来改变LC回路中的电感L和电容C，从而实现接收不同波段的信号。则 A.调制过程是指通过调节L、C，使接收电路的固 　有频率与接收到的电磁波的频率相等 B.接收电路的固有频率与需要接收的电磁波频率 　不相等时，接收电路将无法接收该电磁波 C.使S接b且动片完全旋入，可接收到波长最短的电磁波 D.使S从b打到a，同时动片旋出，接收到的电磁波频率可能不变 例5 √ 调谐过程是通过调节L、C，使接收电路的固有频率与接收到的电磁波的频率相等，故A错误； 接收电路的固有频率与需要接收的电磁波频率不相等时，该电磁波在接收电路中引起的振荡电流不强，但仍可接收到该电磁波，故B错误； 频率越大接收到的波长越短，S接b时L变小，动片完全旋入时C变大，由公式f＝　　　知，接收电路的固有频率可能不变，可接收到波长可能保持不变且不是最短的； 同理，S接a时L变大，动片完全旋出时C变小，接收电路的固有频率可能不变，接收到的电磁波频率可能不变，故C错误，D正确。 (2023·宁波市镇海中学阶段练习)某同学自己绕制天线线圈，制作一个简单的收音机，用来收听中波无线电广播，初步制作后发现有一个频率最高的中波电台收不到，但可以接收其他中波电台，适当调整后，去户外使用，假设空间中存在波长分别为290 m、397 m、566 m的无线电波，下列说法正确的是 A.为了能收到频率最高的中波电台，应增加线圈的匝数 B.为更好接收290 m的无线电波，应把收音机的调谐频率调到756 kHz C.使接收电路产生电谐振的过程叫作解调 D.为了能接收到长波，应把电路中电容器的电容调大一点 针对训练2 √ 使接收电路产生电谐振的过程叫作调谐，故C错误； 五 课时对点练 考点一　电磁场 1.(2022·宁波市效实中学高二期中)根据麦克斯韦电磁场理论，下列说法中正确的是 A.变化的磁场会激发电场，这种电场与静电场相同，其电场线不是闭合曲线 B.变化的电场会激发磁场，这种磁场与电流的磁场不同，其磁感线不是闭合 　曲线 C.均匀变化的电场激发变化的磁场，空间将产生电磁波 D.麦克斯韦首先预言了电磁波的存在，赫兹最先用实验证实了电磁波的存在 基础对点练 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 变化的磁场会激发电场，这种电场与静电场不同，其电场线是闭合曲线，A错误； 变化的电场会激发磁场，这种磁场与电流的磁场相同，其磁感线也是闭合曲线，B错误； 均匀变化的电场激发稳定的磁场，不产生电磁波，C错误； 麦克斯韦首先预言了电磁波的存在，赫兹最先用实验证实了电磁波的存在，D正确。 2.英国物理学家麦克斯韦被普遍认为是对物理学最有影响力的物理学家之一。应用麦克斯韦的电磁场理论判断，如图表示四种电场(磁场)随时间变化的图像中，能产生恒定的磁场(电场)的是 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 A图中电场不变，则不会产生磁场，A错误； B图中是均匀变化的电场，产生稳定的磁场，B正确； C图中电场随时间发生非均匀变化，则会产生变化的磁场，C错误； D图中磁场方向变化，而大小不变，则不会产生恒定的电场，故D错误。 考点二　电磁波 3.如图所示是我国500 m口径球面射电望远镜(FAST)，它可以接收来自宇宙深处的电磁波。关于电磁波，下列说法正确的是 A.电磁波是纵波 B.赫兹通过实验捕捉到电磁波 C.频率越高的电磁波，波长越长 D.电磁波不可以传递信息和能量 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 电磁波是横波，所以A错误； 赫兹最早通过实验捕捉到电磁波，所以B正确； 频率越高的电磁波，波长越短，所以C错误； 电磁波可以传递信息和能量，所以D错误。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 4.关于电磁波，下列说法中正确的是 A.周期性变化的电场和磁场交替产生由近及远地向周围传播，形成了 　电磁波 B.电磁波在真空中的传播速度比在水中小 C.电磁波能发生反射、折射、衍射和干涉现象，但不能发生偏振现象 D.不同电磁波具有不同的频率，但在同一介质中波速相同 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 周期性变化的电场和磁场交替产生，相互激发，在空间由近及远地传播，形成了电磁波，故A正确； 电磁波在真空中传播速度为光速c，电磁波在其他介质中，传播速度小于光速c，即电磁波在真空中的传播速度比在水中大，故B错误； 电磁波是横波，可以发生反射、折射、衍射、干涉、偏振等现象，故C错误； 不同电磁波在同一种介质中传播时，传播速度不同，故D错误。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 考点三　无线电波的发射与接收 5.电台将播音员的声音转换成如图甲所示的电信号，再加载到如图乙所示的高频载波上，使高频载波的振幅随电信号改变(如图丙所示)。这种调制方式称为 A.调幅 B.调谐 C.调频 D.解调 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 由题意可知高频载波的振幅随电信号改变，故为调幅，A正确。 6.(2023·浙江高二阶段练习)一台简单收音机的收音过程至少要经过 A.调幅和检波 B.调谐和解调 C.调制和检波 D.调谐和调幅 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 收音机的工作原理与电磁波的接收相同，主要有两个过程，即调谐与解调。先要进行调谐，即产生电谐振，然后将声音信号从高频电流中还原出来，这一过程叫作解调，所以本题的正确选项为B。 7.(2022·宁波市期中)下列关于无线电广播要对电磁波进行调制的原因的说法中正确的是 A.经过调制后的高频电磁波向外辐射的能量更强 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波长不变 D.经过调制后的电磁波在空间传播波长变长 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 调制是把低频信号加到高频电磁波上增强发射能力，频率变大，穿透能力更强，即辐射本领更强；电磁波的波速接近光速，所以传播速度不变；据v＝λf可知，频率变大，波长变短，故A正确，B、C、D错误。 8.(多选)如图为小罗同学用手机收听“FM97.5衢州交通广播”的软件界面截图，下列说法正确的是 A.FM97.5电磁波的波长约为3 m B.真空中107.5 MHz的电磁波比97.5 MHz的电磁 波传播速度更快 C.FM97.5在信号调制的过程中载波的振幅不变 D.为了能接收到FM107.5的信号，在其他条件不变的情况下需要增大接 　收模块的电容 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 真空中107.5 MHz的电磁波与97.5 MHz的电磁波传播速度一样快，故B错误； FM97.5电磁波是调频波，FM97.5在信号调制的过程中载波的振幅不变，频率随信号改变，故C正确； 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 为了能接收到FM107.5的信号，即接收频率更高的电磁波，根据f＝　　　知在其他条件 不变的情况下需要减小接收模块的电容，故D错误。 9.无线电波的发射和接收离不开天线。如图甲、乙、丙所示，LC振荡电路逐步成为开放电路，电场和磁场就可以分散到更大的空间，这样就形成了天线。手机作为常用的通信工具同样也需要天线来接收和发射信号。早期的手机有长长的天线，现在逐渐内置到手机内部。实践中发现当天线的长度大约等于无线电波波长的 时，收发电磁波的能力最好。曾经有 能力综合练 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 手机厂商将外壳的金属边框设计成天线，既提升收发信号效果，又节省了手机的内部空间。 下列关于手机发射与接收无线电波的说法正确的是 A.只有特定频率的无线电波才能在天线上产生振荡电流 B.与4G相比，5G使用的电磁波传播速度更大 C.手机信号的频率估计在10 MHz左右 D.手机天线在发射信号时，天线上会有电荷出现，且周期性变化 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 任何频率的无线电波均可以产生振荡电流，只不过特定频率的无线电波产生的电流大，其他频率的无线电波产生的振荡电流较小，故A错误； 真空中电磁波的传播速度与光速相同，与电磁波的频率无关，故B错误； 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 手机金属边框长度为几十厘米，因此由题意可知，无线电波波长大约几米，根据c＝λf可知，手机信号的频率估计在100 MHz左右的数量级，故C错误； 手机天线在发射信号时，天线上会形成LC振荡电路，因此会有电荷出现且周期性变化，故D正确。 10.如图所示，某车载收音机的LC电路由固定线圈和可调电容器组成。一听众通过旋转可变电容器的动片，使收音机接收电路产生电谐振，从而清晰地收听到FM101.5 MHz广播电台的节目。已知电感线圈的自感系数L＝5.0×10－4 H，光速c＝3.0×108m/s，取π2＝10。求： (1)FM101.5 MHz在空气中传播时的波长； 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 答案　3.0 m 由c＝λf， (2)电谐振时电容器的电容。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 答案　5.0×10－15 F 为了能收到频率最高的中波电台，应增大调谐电路的固有频率，根据  f＝可知应减少线圈的匝数，故A错误； 为更好接收290 m的无线电波，应把收音机的调谐频率调到f＝＝ Hz≈1 034 kHz，故B错误； 为了能接收到长波，即接收到频率更低的电磁波，根据f＝可知，应把电路中电容器的电容调大一点，故D正确。 FM97.5电磁波的频率为f＝97.5 MHz＝9.75×107 Hz，由c＝λf得λ＝  ＝ m≈3 m，故A正确； 得λ＝≈3.0 m。 由f＝， 得C＝＝5.0×10－15 F。 $$