4.2-3 电磁场与电磁波 无线电波的发射与接收 教案-2024-2025学年高二下学期物理人教版（2019）选择性必修第二册

第四章 第2、3节 电磁场与电磁波、无线电波的发射和接收 教学设计 一、教材分析 电磁场的形成、电磁波的产生以及发射和接收是这两节的知识主干,在物理观念的形成上作为重点落实。由于LC回路产生电磁振荡不如机械振动直观,要引导学生结合教材图示分析理解,并通过多媒体手段和实验演示等讲这一过程形象化,帮助学生在物理思维的培养上再上一个台阶。 电磁场的概念和麦克斯韦电磁理论是电磁学的核心内容,但是中学对电磁场理论是要求初步了解。教材突出了理论的核心内容是:变化的电场产生磁场,变化的磁场产生电场,交替产生的电场和磁场传播出去形成电磁波。能够动手实验的要学生亲自动手培养学生的科学探究能力。 无线电波的发射和接收涉及概念较多,可以结合图表、思维导图、流程图等多种手段,或者利用运送货物的装卸等流程来帮助学生理解调制、调谐、解调等一系列名次含义。 对电磁波的发现以及无线电波的应用,可以介绍赫兹和马可尼等人的不懈努力以及科技成果,落实培养学生的科学态度与责任。 二、学情分析 学生在学习电磁场理论时,已经具备:静电场的知识、电流的产生和电流的磁效应知识、电磁感应现象等知识;接触并了解过电磁波的接收(半导体收音机等)或发射的机械设备。 学生对电磁场的知识掌握还不够全面和系统化,要更好的创设情境,精心组织素材,进一步培养学生的抽象思维和创造思维能力。 三、素养目标 1.了解电磁场的形成、电磁波的产生。 2.了解电磁波的发射、传播和接收过程,知道无线电通信的基本原理。 3.能正确区分调制、调幅、调频、调谐和解调等概念。 4.结合实际生活,说出无线电通信在生活中的应用。 四、教学重点、难点 1.教学重点:电磁场的形成、电磁波的产生、无线电的传播过程。 2.教学难点:无线电波传播的各种概念辨析。 五、教学方法 实验演示法、类比分析法. 六、教学过程 同学们请看,这是电视台发射电视信号的信号塔效果图。那么,为什么要建高耸入云的发射塔呢? 这是为了接受信号,也就是电磁波。 接下来我们就来学习一下关于电磁波以及电磁波的发射和接收的相关知识。 一、电磁波的产生 1895年,意大利科学家马可尼发明了无线电通信技术.从此,携带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.那么电磁波是怎么产生的呢? 1.变化的磁场产生了电场. 请大家先来看一个小实验: 这是可拆变压器的一部分结构,线圈通入交流电,内部的铁芯就可以被磁化。 小灯泡线圈与铁芯没有接触就可以发光。通过前面的学习,大家都知道这是由于电磁感应现象。闭合电路中产生了感应电流。 麦克斯韦推广到场的观念,即便不存在闭合电路,变化的磁场产生了电场。 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磁场.这个假设没有直接的实验做基础,是一个大胆而有创造性的假设。 实验演示,给两平行的金属圆盘充电过程,会使得小磁针偏转,说明变化的电场产生了磁场。 3.规律: 恒定的电场不产生磁场 均匀变化的电场产生恒定的磁场 周期性变化的电场产生同周期的磁场 4. 进一步推断(预言) 变化的电场和磁场总是相互联系,形成一个不可分割的统一的“电磁场”,变化的电磁场向外传播,就形成了电磁波。 二、电磁波 1.电磁波的产生:变化的电场和磁场交替产生,由近及远向周围传播,形成电磁波. 2. 麦克斯韦电磁场理论、电磁波的特点: (1)电场强度E 、磁感应强度B 、传播速度v三个量相互垂直(横波); (2)真空中的传播速度等于c; (3)E和B随时间和空间做周期性变化。 3.电磁波的发现: 1886,赫兹通过自制的实验装置,证实了电磁波的存在。仪器中有一对抛光的金属小球,两球之间有很小的空气间隙。将两球连接到产生高压的感应圈的两端时,两球之间出现了火花放电。 如果能够适时地把能量补充到振荡电路中,以补偿能量损耗,就可以得到振幅不变的等幅振荡。实际电路中由电源通过电子器件为LC电路补充能量。 插入视频实验。 4.实验的重要意义: (1)证实了电磁波的存在; (2)为以后的一系列实验打下基础,并且测量了电磁波的速度; (3)为无线电技术发展开拓了基础。 5.电磁波具有能量: 电磁场的转换就是电场能量与磁场能量的转换,电磁波的发射过程是辐射能量的过程,传播过程是能量传播的过程. 6. 电磁场的物质性: 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。 原子和分子构成的实物 以电磁场为代表的场 物质 【小结】经典物理的三次综合 17世纪,牛顿把天上和地上的运动规律统一起来,建立了经典力学体系,实现第一次大综合。 19世纪,经过迈尔、焦耳等人的研究,热与能、热运动的宏观表现与微观机制统一起来,实现了物理学史上的第二次大综合 。 19世纪,麦克斯韦在库仑、安培、法拉第等物理学家研究的基础上,利用高超的数学技能,把电、磁、光统一起来,实现第三次大综合 。 三、无线电波的发射和接收 (一)发射条件 1.有足够高的振荡频率; 2.电磁场分散到尽可能大的空间——开放; 实际应用中的开放电路,线圈的一端用导线与大地相连,这条导线叫做地线;线圈的另一端与高高架在空中的天线相连,无线电波就是由这样巨大的开放电路发射出去的。 3.开放电路的结构和特点: (1)结构: (2)特点:频率高,电磁场在空间分散。 (二)发射与接收 1.无线电波的发射 (1)发射电路 声音与图像信号的频率很低,不满足直接发射的条件,只有高频电磁波才能有效地向外发射。为了使需要传递的信息(如声音、图像等)加载在电磁波上发射到远方,所以必须对振荡电流进行调制。 (2)调制,把要传递的信号附加到高频等幅振荡电流上的过程叫调制、调制分调幅和调频两种方式. (3)发射过程:话筒将接收到的声音转变为随声音而变化的音频电流,如图(1),振荡器产生高频等幅振荡电流如,如图(2).由于L1和L2的耦合(电磁感应)作用,高频振荡电流的振幅随着音频电流的波形而改变,如图(3)所示.经过调幅的高频信号由L3和L4耦合到开放电路,向外发射载有音频信号的电磁波. 分析无线电波的接收:当电磁波在空间遇到闭合回路时,就会在回路中引起感应电流,感应电流的频率跟电磁波的频率相同,电磁波就被接收到。 2.无线电波的接收:无线电波的接收原理:电磁波在传播过程中如果遇到导体,会使导体中产生感应电流.因此空中的导体可以用来接收电磁波. 类比共振,引入电谐振。 (1)电谐振:当接电路的固有频率跟接收到的电磁波的频率相同时,接收电路中产生的振荡电流最强 ,这种现象叫电谐振。 电谐振是电磁振荡中的“共振现象”。 连接下图所示电路,打开信号源,调节示波器工作状态,示波器出现振荡信号.再调节可变电容器,直到示波器显示信号的振幅最大,这就是调谐过程。 (2)调谐和调谐电路 使接收电路产生电谐振的过程叫调谐; 能够调谐的电路叫调谐电路,如图所示; 分析调谐电路接收的信号特征; 调谐电路接收到的信号中既有音频信号,又有高频信号,这就需要我们将这两种信号进行分离。 (3)检波和检波电路 将电磁波中携带信息的信号从高频振荡信号中分离出来叫做检波。 右图中L2、D、C2和耳机共同组成检波电路. 最后请同学们了解无线电波的分类,出示投影图表。 3.无线电波的分段 波段 波长 频率 传播方式 主要用途 长波 30 000 m~3 000 m 10 kHz~100 kHz 地波 超远程无线通讯和导航 中波 3 000 m~200 m 100 kHz~1 500 kHz 地波和天波 调幅无线电广播、电报、通信 中短波 200 m~50 m 1500 kHz~6 000 kHz 短波 50 m~10 m 6MHz~30 MHz 天波 微波 米波 10 m~1 m 30MHz~300MHz 近似直线传播 调频无线电广播、电视、导航 分米波 1 m~0.1 m 300 MHz~3 000 MHz 直线传播 电视、雷达、导航 厘米波 10 cm~1 cm 3 000 MHz~30 000 MHz 毫米波 10 mm~1 mm 30000MHz~300 000 MHz 【回应】 【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. (三)高频电视信号的三种传播方式: 1.地面无线电传输; 2.有线网络传输; 3.卫星传输。 传输过程一般分为以下几个步骤: 【习题】 【例题1】如图所示,华为Mate40系列手机一经面世,受到世人追捧,除了领先世界的5G通讯、信息安全以外,人们还可以体验它无线充电的科技感。右图为无线充电原理图,由与充电底座相连的送电线圈和与手机电池相连的受电线圈构成。当送电线圈通入周期性变化的电流时,就会在受电线圈中感应出电流,从而实现为手机充电。在充电过程中( ) A.送电线圈中产生均匀变化的磁场 B.送电线圈中产生周期性变化的磁场 C.无线充电的原理是互感现象 D.手机电池是直流电源,所以受电线圈输出的是恒定电流 【答案】BC 【例题2】为了增大无线电台向空间发射无线电波的能力,对LC振荡电路的结构可采用下列哪些措施( ) A.增大电容器极板的正对面积 B.增大电容器极板的间距 C.增大自感线圈的匝数 D.提高供电电压 【答案】B 【解析】 四、小结 本节主要学习了以下内容 1.电磁场理论: 变化的磁场产生电场; 变化的电场产生磁场。 2.电磁波的特点、赫兹实验。 3.无线电波的发射条件; 4.无线电波的发射和接收过程。 学科网(北京)股份有限公司 $$