4.4 无线电波的发射、传播与接收&4.5 无线电波与移动互联网（Word教参）-【优化指导】2024-2025学年高中物理选择性必修第二册（教科版2019）

第4节　无线电波的发射、传播与接收 第5节　无线电波与移动互联网 物理观念 科学探究 科学态度与责任 1.知道有效地发射电磁波的两个条件。 2．了解调制、调幅、调频、调谐、解调、电谐振在电磁波发射、接收过程中的作用。 3．知道无线电波传播的三种方式。 4．了解移动通信技术发展情况，并了解蜂窝系统、WiFi等无线通信设备的原理、使用的电磁波频段和常用频率。 1.探究LC振荡耦合电路，初步了解无线电波发射的基本原理。 2．探究调频、调幅的基本原理，理解载波的工作原理。 1.了解无线电波和互联网的应用和在科技、经济、社会发展中的作用。 2．了解现代科技的发展，激发热爱科学、献身科学研究的热情，实现科技报国的理想，为中华民族的伟大复兴而努力学习。 [对应学生用书P96] 一、无线电波的发射 1．要有效地发射电磁波，振荡电路必须具有的两个特点： (1)要有足够高的振荡频率，频率越高，发射电磁波的本领越大。 (2)振荡电路的电场和磁场必须分散到尽可能大的空间，因此采用开放电路。 2．实际应用中的开放电路，线圈的一端用导线与大地相连，这条导线叫作地线；线圈的另一端与高高地架在空中的天线相连。 3．电磁波的调制：在电磁波发射技术中，使载波随各种信号而改变的技术．调制分为调幅和调频。 (1)调幅(AM)：使高频电磁波的振幅随信号的强弱而变的调制方法。 (2)调频(FM)：使高频电磁波的频率随信号的强弱而变的调制方法。 二、无线电波的传播 1．地波：沿地球表面空间传播。适用于波长较长的长波、中波和中短波。特点：衍射，传播距离较短，一般几百千米的范围。 2．天波：依靠电离层的反射传播。适用于短波。特点：电离层反射，传播距离较长，一般几千千米的距离。 3．直线传播：沿直线传播的电磁波。适用于微波。特点：需要中继站，除了在地面设置中继站外，可以用卫星做中继站。 三、无线电波的接收 1．接收原理：电磁波在传播时如果遇到导体，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，这个导体就是接收天线。 2．电谐振：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共振。 (1)调谐：使接收电路产生电谐振的过程。 (2)解调：把声音或图像信号从高频电流中还原出来的过程。调幅波的解调也叫检波。 四、无线电波与移动互联网 1．信息技术的核心内容：获取、表达、存储和传递。 2．蜂窝系统：每一个固定的基站的工作范围经过合理的调配后呈正六边形，排列起来像蜂窝一样，这就是“蜂窝系统”名字的由来。 3．网络协议：无线路由器以及与它相连的各种设备间遵守的一个共同的约定。设备间的连接方式除WiFi外还有蓝牙和近场通信(NFC)等。 4．用电磁波传递二进制数据：二进制数据也可以通过调幅波或调频波向外传播。 (科技情境)2022年10月12日神舟十四号航天员面向广大青少年进行太空授课，此次太空授课是基于我国天链中继系统，通过电磁波实现了高速双向音视频传输。 据此判断以下说法是否正确： (1)在变化的磁场周围一定会产生变化的电场。(　　×　　) (2)太空授课说明电磁波能在真空中传播。(　　√　　) (3)各种频率的电磁振荡都能辐射电磁波，振荡周期越大，越容易辐射电磁波。(　　×　　) (4)为了有效地向外辐射电磁波，振荡电路必须采用开放电路，同时提高振荡频率。(　　√　　) (5)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。(　　×　　) (6)调幅就是使高频电磁波的振幅随信号的强弱而变。(　　√　　) (7)解调就是把声音或图像信号从高频电流中还原出来。(　　√　　) 备课札记 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 [对应学生用书P98] 探究点一 无线电波的发射、传播与接收 “神舟号”系列飞船的成功发射及正常运行，载人航天测控通信系统立下了很大的功劳，它通过国内外的地面测控站和遍布三大洋的4艘远洋测量船，保证地面指挥员及时与飞船取得联系。 [问题设计] 你知道各测控站点是通过什么途径对飞船传递指令的吗？ 提示：各测控站点和飞船之间通过发射和接收载有指令信号的电磁波实现对飞船的测控。 1．无线电波的发射 (1)要有效的发射无线电波，必须具备两个条件： ①开放电路：振荡电路产生的电磁场必须分布到广大的开放空间。 ②足够高的频率 根据振荡频率公式f＝，通过减小线圈的自感系数和电容器的电容，提高发射频率。 (2)载波与调制：将信号加在高频等幅电磁波上发射出去。将传递的信号加到载波的过程叫作调制。两种常用的调制方法： ①调幅：使高频振荡电磁波的振幅随信号而变。 ②调频：使高频振荡电磁波的频率随信号而变。 (3)无线电波发射示意图： 由电容器C和电感L2构成振荡电路产生的高频振荡电流，通过耦合，使线圈L1中产生同频率的振荡电流，传送到发射天线，从而使电磁波传到很远的地方。 2．无线电波的传播 地波 沿地球表面传播 波长越长，越容易衍射，但能量损失较大 长波、中波、中短波 天波 靠大气中电离层的反射传播 电离层对电磁波的反射和吸收与频率有关，频率越高，吸收越少；频率越低，吸收越多 短波 直线传播 像光束那样沿直线传播 发射天线越高，空间波传播得越远 超短波、微波 3.无线电波的接收 (1)电谐振：振荡电路的固有频率与传播来的电磁波的频率相等时，电路中激起的感应电流最强。 (2)电磁波接收原理： 调节可调电容器的电容改变电路的固有频率，使它跟要接收的电磁波的频率相同，这个电磁波在调谐电路中激起较强的感应电流，于是就选出了这个电台。 【例1】 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 B　解析：要增大无线电波向空间发射电磁波的能力，必须提高其振荡频率，即减小L或减小C，要减小L，可通过减小线圈匝数、向外抽铁芯的方法；要减小C，可采用增大板间距离、减小极板正对面积、减小介电常数的方法，B正确。 [练1] 简单的、比较有效的电磁波的发射装置，至少应具备以下电路中的(　　) ①调谐电路　②调制电路　③高频振荡电路 ④开放振荡电路 A．①②③ B．②③④ C．①④ D．①②④ B　解析：比较有效的发射电磁波的装置应该有调制电路、高频振荡电路和开放振荡电路，B正确。调制电路是把需要发射的信号装载在高频电磁波上才能发射出去，高频振荡电路能产生高频电磁波，开放振荡电路能把电磁波发送的更远。而调谐电路是在接收端需要的电路。 【例2】 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 D　解析：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，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，B错误；频率越大接收到的波长越短，S接b时L小，动片完全旋入时C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大，动片完全旋出时C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，C错误，D正确。 [练2] 2023年10月26日，“神舟十七号”载人飞船成功发射，将3名航天员送入中国空间站开展为期6个月的科学实验。在空间站，航天员与地面通信采用的是(　　) A．超声波 B．无线电波 C．有线通信 D．声波 B　解析：空间站与地面之间有段距离没有空气，声波、超声波不能够传播；地面和太空之间距离太远，也不可能通过有线的方式来通信，只能通过电磁波(无线电波)来通信，B正确。 探究点二 无线电波与移动互联网 1．电磁波与信息技术的演变 (1)信息技术的核心内容指信息的获取、表达、存储和传递。 (2)信息传递方式的历史演变：口口相传―→纸质载体―→电报电话―→互联网 2．蜂窝系统 手机和其它网络终端信息传递的基站的工作范围呈六边形排列起来像蜂窝一样，基站与移动交换中心连接，对信息进行分拣、传递、处理。 3．网络协议 (1)WiFi：手机通过无线路由器登录无线局域网连接互联网。 (2)网络协议是由三个要素组成： ①语义：语义是解释控制信息每个部分的意义。它规定了需要发出何种控制信息，以及完成的动作与做出什么样的响应。 ②语法：语法是用户数据与控制信息的结构与格式，以及数据出现的顺序。 ③时序：时序是对事件发生顺序的详细说明。(也可称为“同步”)。 人们形象地把这三个要素描述为：语义表示要做什么，语法表示要怎么做，时序表示做的顺序。 4．用电磁波传递二进制数据 二进制就是计算技术中被广泛采用的一种数制。它由两个数码0，1组成，二进制数运算规律是逢二进一。两个数码0和1，可用具有两个不同稳定状态的元器件来表示一位数码。例如，电路中某一通路的电流的有无，某一节点电压的高低，晶体管的导通和截止等。二进制数运算简单，大大简化了计算中运算部件的结构。互联网中的无线通信就是用二进制处理过的信号对高频载波进行调制发射出去。 【例3】 北斗智能放牧终端将卫星定位技术应用到牧业中，牧民通过手机掌握牧群动态，对放牧工作进行信息化管理。手机与北斗定位系统间的信息传递靠的是(　　) A．机械波 B．电磁波 C．次声波 D．超声波 B　解析：手机与北斗定位系统间的信息传递靠的是电磁波。故选B。 [练3] 现在，移动电话(手机)已经十分普遍，随身携带一部手机，就可以在城市的任何一个角落进行通话．我国现有几亿部手机，那么每一部手机接收到的电磁波频率 (填“相同”或“不相同”).现在建了很多地面转播塔，但还是有很多“盲区”，我们不用同步卫星直接转播的原因是 。 答案：不相同　用卫星传播太远，信号太弱 解析：每部手机收到的电磁波频率是不相同的，“盲区”我们不用同步卫星直接传播的原因是用卫星传播太远，信号太弱。 [对应学生用书P100] 1．(多选)下列对无线电广播要对电磁波进行调制的原因的说法正确的是(　　) 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有效地传递出去 AD　解析：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，即辐射本领变强，A符合题意；电磁波在空气中的波速接近光速，传播速度不变，B不符合题意；根据v＝λf可知，速度不变的情况下，频率改变，则波长必然改变，C不符合题意；要把电磁波有效发射出去，必须有足够高的频率，经过调制之后的波具有较高频率，从而把我们要告知对方的信息有效传递出去，D符合题意。 2．电磁辐射是一种复合的电磁波，以相互垂直的电场和磁场随时间的变化而传递能量。人体生命活动包含一系列的生物电活动，这些生物电对环境的电磁波非常敏感，因此，电磁辐射可以对人体造成影响和损害。《环境电磁波卫生标准》等法规规定：当电磁辐射强度(单位时间内垂直通过单位面积的电磁辐射能量)不超过0.15 W/m2时，对人体没有任何影响。某办公区域内采用如图所示的无线路由器，若它的电磁辐射功率是7.5 W，则人体与该装置的安全距离至少为(　　) A．2.0 m B．3.0 m C．4.0 m D．6.0 m A　解析：设人体与该装置的安全距离至少为x，则＝0.15 W/m2，解得x≈2.0 m，A正确。 3．(多选)关于电磁波的发射与接收，下列说法正确的是(　　) A．电视既能发射电磁波，也能接收电磁波 B．电视不能发射电磁波，只能接收电磁波 C．手机既能发射电磁波，也能接收电磁波 D．手机只能接收电磁波，不能发射电磁波 BC　解析：电视只能接收电磁波，不能发射电磁波，A错误，B正确；手机在使用过程中，一方面将要传递的信息用电磁波发射出去，另一方面又可以通过接收电磁波来获取他人传递给自己的信息，C正确，D错误。 4．LC振荡电路电容器的电容为3×10－5 μF，线圈的自感系数为3 mH，它与开放电路耦合后，求： (1)发射出去的电磁波的频率； (2)发射出去的电磁波的波长。 答案：(1)531 kHz　(2)565 m 解析：LC振荡电路与开放电路耦合后，振荡电路中产生的高频振荡电流通过两个电路线圈间的互感作用，使开放电路中也产生同频率的振荡电流，振荡电流在开放电路中激发出无线电波，向四周发射，所以发射出电磁波的频率就等于LC振荡电路中电磁振荡的频率。 (1)发射出去的电磁波的频率 f＝＝ Hz≈531 kHz。 (2)发射出去的电磁波的波长λ＝＝ m≈565 m。 [课时梯级训练(19)见P175] [章末综合检测(四)见P176] 学科网（北京）股份有限公司 $$