3. 电磁波的发射和接收（教学设计）物理人教版选择性必修第二册

3．电磁波的发射和接收 一、教学目标 物理观念 · 理解电磁波有效发射的两个核心条件，明确开放电路在电磁波发射中的作用。 · 掌握调制（调幅、调频）、调谐、解调（检波）、电谐振的概念，明晰电磁波发射与接收的完整流程。 · 了解无线电波的波长范围及地波、天波、空间波三种传播方式的特点与应用场景。 科学思维 · 通过类比“高铁运货”理解调制与解调的过程，体会类比法在物理学习中的作用，构建“信号—载体—传输—还原”的思维模型。 · 分析电谐振与机械振动中共振的共性，归纳调谐与电谐振的逻辑关系，提升归纳推理与模型迁移能力。 · 结合电路图分析开放电路、调谐电路的工作原理，培养抽象思维与电路分析能力。 科学探究 · 通过观察调幅波形成的实验演示，结合示波器波形分析，培养实验观察与数据分析能力。 · 小组讨论“如何改进振荡电路实现有效发射”“不同频率无线电波的传播差异”等问题，体验科学探究的基本流程。 · 设计简单实验验证电谐振现象，如调节可变电容器观察收音机选台效果，提升实验设计与实践能力。 科学态度与责任 · 认识电磁波发射与接收技术对通信、导航等领域的推动作用，体会物理知识服务于生活的学科价值。 · 了解飞机起飞时禁用手机等常识，树立安全使用电磁波的意识，培养科学应用科技的责任观念。 · 感受科学家在无线电技术发展中的探索精神，激发对前沿科技的求知欲望与探索热情。 二、教学重难点 重点 · 电磁波有效发射的条件（足够高的频率、开放电路）及调制的原理与方式（调幅、调频）。 · 无线电波的三种传播方式及其应用场景，电磁波接收过程中的调谐与解调原理。 · 电谐振的概念及其在调谐过程中的作用。 难点 · 调制与解调的本质区别与逻辑关联，理解调幅与调频的技术差异。 · 电谐振的抽象理解，明确调谐电路如何通过改变固有频率实现选台。 · 结合实际电路分析电磁波发射与接收的工作机制，建立理论与技术的联系。 三、教学过程 （一）教学引入 情境导入：展示古今信息传递方式对比图片（烽火台、驿站 vs 广播、手机、互联网） 提问：“无线通信中，声音、图像等信号是如何通过电磁波传递的？” 复习：回顾电磁振荡电路的特点，指出普通LC振荡电路电场、磁场集中，辐射电磁波能力弱，自然引出本节课核心问题——如何有效发射和接收电磁波。 （二）新课教学 1. 电磁波的有效发射 （1）提出问题：如何改进振荡电路才能有效辐射电磁波？ （2）核心条件： ① 足够高的振荡频率： 理论表明，单位时间辐射的能量与频率的四次方成正比，频率越高，发射本领越强。 ② 开放电路： 将普通LC振荡电路改造为开放电路，使电场和磁场分散到更大空间。实际应用中，开放电路由天线（接高空导线）和地线（接地导线）组成，形成敞开的电容器，增强电磁波辐射。 （3）耦合电路： 实际应用中常把开放电路的下端跟地连接，跟地连接的导线叫做地线。 线圈上部接到比较高的导线上，这条导线叫做天线。 天线和地线形成了一个敞开的电容器，电磁波就是由这样的开放电路发射出去的。 电视发射塔要建得很高，是为了使电磁波发射得较远。 实际发射无线电波的装置中还需在开放电路旁加一个振荡器电路与之耦合，如图所示：振荡器电路产生的高频率振荡电流通过L2与L1的互感作用，使L1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。 （4）调制技术： ① 提出问题：低频信号（如声音）为何不能直接发射？（频率低，发射本领弱；多种信号混合无法区分） ② 定义：将低频调制信号“加”到高频载波上，使高频振荡电流随调制信号变化的过程称为调制。 进行调制的装置叫做调制器．要传递的电信号叫做调制信号。 分为两种方式： 调幅（AM）：高频振荡电流的振幅随调制信号变化，适用于中波、短波广播。 调频（FM）：高频振荡电流的频率随调制信号变化，适用于调频广播、电视信号。 ③ 类比理解：(电磁波发射——高铁运货) “货物”——要传送的声音、图像等信号 “高铁”——振荡器产生的高频交变电流（载波） “装上货物”的过程——调制信号过程 调幅装置示意图：接在振荡器和线圈之间的话筒就是一个最简单的调制器，由声源发出的声音振动使话筒里的碳粒发生时松时紧的变化，它的电阻也发生时大时小的变化。所以，虽然振荡器产生的是高频等幅振荡电流，但是线圈通过的却是随声音而改变的高频调幅电流．由于线圈的互感作用，从开放电路中发射的也是这种高频调幅电流。这种电磁波叫调幅波。 ①用示波器观察调幅波形； ②图片展示调幅波的形成。 2. 无线电波的传播 （1）波段划分：介绍无线电波的波长范围（几毫米至几十千米），按波长分为长波、中波、中短波、短波、微波。 （2）传播方式及特点： ① 地波：沿地球表面空间向外传播的无线电波叫地波。沿地球表面传播，利用衍射绕过障碍物，传播稳定，适用于长波、中波，如超远程通信、导航。 ② 天波：依靠电离层的反射作用传播的无线电波叫做天波。依靠电离层反射传播，适用于短波，传播距离远，受太阳辐射影响，夜晚接收电台更多。 ③ 空间波：沿直线传播的无线电波叫做空间波，它包括由发射点直接到达接收点的直射波和经地面反射到接收点的反射波，如上图所示。包括直射波和地面反射波，由于地球表面是圆球形的，沿直线传播的微波不能传播很远，一般为几十千米。空间波受气干扰小，能量损耗小，接收到的信号较强而且较稳定，所以电视、雷达都采用以空间波方式传播的微波。适用于微波，能量损耗小、信号稳定，如电视、雷达、卫星通信。 3. 电磁波的接收 （1）接收原理：处在电磁波传播空间中的导体，会产生感应电流，导体中感应电流的频率与激起它的电磁波频率相同，因此，利用放在电磁波传播空间中的导体，就可以接收到电磁波。 在无线电技术中，用天线和地线组成的接收电路来接收电磁波。 （2）电谐振与调谐： ① 电谐振：要从诸多的电磁波中把我们需要的选出来，通常叫做选台。在无线电技术里，当接收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。这种现象叫做电谐振，类似机械振动中的共振。 ② 调谐：调节接收电路固有频率，使其与目标电磁波频率产生电谐振的过程，即“选台”。收音机通过调节可变电容器的电容改变调谐电路频率，实现选台。 （3）解调（检波）： ① 提出问题：调谐后的高频调制电流无法直接驱动扬声器发声，如何还原低频信号？ ② 定义：从高频调制电流中“提取”低频调制信号的过程称为解调，是调制的逆过程，调幅波的解调也叫检波。 ③ 原理：利用晶体二极管的单向导电性，过滤高频成分，保留低频信号，再经放大后驱动扬声器发声。 ④ 类比理解：解调过程即“卸货”，将“货物”（低频信号）从“高铁”（高频载波）中分离。 4. 完整流程总结 方框图梳理：低频信号→调制（装货）→开放电路发射→无线电波传播→调谐（选台）→解调（卸货）→信号放大→重现。 5、课堂练习 1. 要有效发射低频电信号，需将其附加在高频载波上，该过程称为（ ） A. 调谐 B. 解调 C. 调制 D. 检波 答案：C。 解析：调制是将低频信号加载到高频载波的过程，C正确。 2. 转换电视频道选择节目，本质是调节接收电路的（ ） A. 振幅 B. 频率 C. 相位 D. 功率 答案：B。 解析：选台过程即调谐，通过改变接收电路固有频率，使其与目标频道电磁波频率产生电谐振，B正确。 3. 下列关于无线电波传播的说法正确的是（ ） A. 短波主要靠地波传播 B. 微波主要靠天波传播 C. 中波可通过地波和天波传播 D. 空间波传播距离不受限制 答案：C。 解析：短波主要靠天波传播，A错误；微波主要靠空间波传播，B错误；中波可通过地波和天波传播，C正确；空间波沿直线传播，受地球曲率限制，传播距离较短，D错误。 四、课堂小结 五、板书设计 3 电磁波的发射和接收 1. 电磁波的发射 有效条件：足够高的频率、开放电路（天线+地线） 调制：调幅（AM）、调频（FM）（类比：装货） 2. 无线电波的传播 波段：长波、中波、中短波、短波、微波 方式：地波（长波/中波，稳定）、天波（短波，远距）、空间波（微波，直线） 3. 电磁波的接收 调谐：调节频率→电谐振（选台，类比：共振） 解调（检波）：提取低频信号（类比：卸货） 4. 完整流程：低频信号→调制→发射→传播→调谐→解调→放大→重现 六、作业布置 完成课本 “练习与应用” 相关习题； 完成分层作业。 七、教学反思 本节课通过情境导入、实验演示、类比迁移等方法，有效突破了抽象概念的教学难点，基本达成教学目标。成功之处在于以“高铁运货”类比调制解调，降低理解难度；结合生活实例和实验演示，提升课堂趣味性。但部分学生对电谐振与调谐的逻辑关系仍存在混淆，对开放电路的工作原理理解不透彻。后续可增加调谐电路的仿真实验，动态展示频率调节过程；设计小组辩论“调幅与调频的优劣”，深化对调制方式的理解，进一步提升学生的科学思维与探究能力。 学科网（北京）股份有限公司 2 / 2 学科网（北京）股份有限公司 $