[學習目標] 1.知道電磁場的概念及產(chǎn)生的原理.2.知道有效發(fā)射電磁波的兩個條件.3.了解無線電波的特點及傳播規(guī)律.4.了解調制(調幅、調頻)、電諧振、調諧、解調在電磁波發(fā)射、接收過程中的作用．
一、電磁場
1．變化的磁場產(chǎn)生電場
(1)實驗基礎：如圖所示，在變化的磁場中放一個閉合電路，電路里就會產(chǎn)生感應電流．
(2)麥克斯韋的見解：電路里能產(chǎn)生感應電流，是因為變化的磁場產(chǎn)生了電場，電場促使導體中的自由電荷做定向運動．
(3)實質：變化的磁場產(chǎn)生了電場．
2．變化的電場產(chǎn)生磁場
麥克斯韋假設，既然變化的磁場能產(chǎn)生電場，那么變化的電場也會在空間產(chǎn)生磁場．
3．變化的電場和磁場總是相互聯(lián)系，形成一個不可分割的統(tǒng)一的電磁場．
二、電磁波
1．電磁波的產(chǎn)生：變化的電場和磁場交替產(chǎn)生，由近及遠地向周圍傳播，形成電磁波．
2．電磁波的特點
(1)電磁波在空間傳播不需要介質．
(2)電磁波是橫波：電磁波中的電場強度與磁感應強度互相垂直，而且二者均與波的傳播方向垂直．
(3)電磁波能產(chǎn)生反射、折射、干涉、偏振和衍射等現(xiàn)象．
3．電磁波具有能量
電磁場的轉換就是電場能量與磁場能量的轉換，電磁波的發(fā)射過程是輻射能量的過程，傳播過程是能量傳播的過程．
三、無線電波的發(fā)射
1．要有效地發(fā)射電磁波，振蕩電路必須具有的兩個特點：
(1)要有足夠高的振蕩頻率，頻率越高，發(fā)射電磁波的本領越大．
(2)振蕩電路的電場和磁場必須分散到盡可能大的空間，因此采用開放電路．
2．實際應用中的開放電路，線圈的一端用導線與大地相連，這條導線叫作地線；線圈的另一端與高高地架在空中的天線相連．
3．電磁波的調制：在電磁波發(fā)射技術中，使載波隨各種信號而改變的技術．調制分為調幅和調頻．
(1)調幅(AM)：使高頻電磁波的振幅隨信號的強弱而變的調制方法．
(2)調頻(FM)：使高頻電磁波的頻率隨信號的強弱而變的調制方法．
四、無線電波的接收
1．接收原理：電磁波在傳播時如果遇到導體，會使導體中產(chǎn)生感應電流，空中的導體可以用來接收電磁波，這個導體就是接收天線．
2．電諧振：當接收電路的固有頻率跟收到的電磁波的頻率相同時，接收電路中產(chǎn)生的振蕩電流最強，這種現(xiàn)象叫作電諧振，相當于機械振動中的共振．
(1)調諧：使接收電路產(chǎn)生電諧振的過程．
(2)解調：把聲音或圖像信號從高頻電流中還原出來的過程．調幅波的解調也叫檢波．
五、電視廣播的發(fā)射和接收
1．電視廣播信號是一種無線電信號，實際傳播中需要通過載波將信號調制成高頻信號再進行傳播．
2．高頻電視信號的三種傳播方式：地面無線電傳輸、有線網(wǎng)絡傳輸以及衛(wèi)星傳輸．
3．電視信號的接收：電視機接收到的高頻電磁波信號經(jīng)過解調將得到的電信號轉變?yōu)閳D像信號和伴音信號．
判斷下列說法的正誤．
(1)在變化的磁場周圍一定會產(chǎn)生變化的電場．( × )
(2)電磁波不能在真空中傳播．( × )
(3)電磁波是橫波．( √ )
(4)各種頻率的電磁振蕩都能輻射電磁波，振蕩周期越大，越容易輻射電磁波．( × )
(5)為了有效地向外輻射電磁波，振蕩電路必須采用開放電路，同時提高振蕩頻率．( √ )
(6)當處于電諧振時，只有被接收的電磁波才能在接收電路中產(chǎn)生感應電流．( × )
(7)調幅就是使高頻電磁波的振幅隨信號的強弱而變．( √ )
(8)解調就是把聲音或圖像信號從高頻電流中還原出來．( √ )
一、電磁場
對麥克斯韋電磁場理論的理解
(1)變化的磁場產(chǎn)生電場
①均勻變化的磁場產(chǎn)生恒定的電場．
②非均勻變化的磁場產(chǎn)生變化的電場．
③周期性變化的磁場產(chǎn)生同頻率的周期性變化的電場．
(2)變化的電場產(chǎn)生磁場
①均勻變化的電場產(chǎn)生恒定的磁場．
②非均勻變化的電場產(chǎn)生變化的磁場．
③周期性變化的電場產(chǎn)生同頻率的周期性變化的磁場．
例1 關于麥克斯韋電磁場理論，下列說法正確的是( )
A．在電場周圍一定產(chǎn)生磁場，磁場周圍一定產(chǎn)生電場
B．在變化的電場周圍一定產(chǎn)生變化的磁場，在變化的磁場周圍一定產(chǎn)生變化的電場
C．均勻變化的電場周圍一定產(chǎn)生均勻變化的磁場
D．周期性變化的電場周圍一定產(chǎn)生周期性變化的磁場
答案 D
解析 根據(jù)麥克斯韋電磁場理論，只有變化的電場能產(chǎn)生磁場，均勻變化的電場產(chǎn)生恒定的磁場，周期性變化的電場周圍產(chǎn)生周期性變化的磁場．
針對訓練1 用麥克斯韋電磁場理論判斷如圖所示的四組電場(左側)產(chǎn)生的磁場(右側)，或磁場(左側)產(chǎn)生的電場(右側)隨時間t的變化規(guī)律，其中錯誤的是( )
答案 C
解析 恒定的電場不產(chǎn)生磁場，選項A正確；均勻變化的電場產(chǎn)生恒定的磁場，選項B正確；周期性變化的磁場產(chǎn)生同頻率周期性變化的電場，產(chǎn)生的電場的電場強度與磁場的磁感應強度的變化率成正比，對于正弦曲線，t＝0時，磁場的磁感應強度的變化率最大，故產(chǎn)生的電場的電場強度最大，選項C錯誤，D正確．
二、電磁波
導學探究
如圖所示的實驗裝置，當接在高壓感應圈上的兩金屬球間有電火花時，導線環(huán)上兩小球間也會產(chǎn)生電火花，這是為什么？這個實驗證實了什么？
答案 當A、B兩金屬球間產(chǎn)生電火花時就會產(chǎn)生變化的電磁場，這種變化的電磁場傳播到導線環(huán)時，在導線環(huán)中激發(fā)出感應電動勢，使導線環(huán)上兩小球間也產(chǎn)生電火花．這個實驗證實了電磁波的存在．
知識深化
電磁波的特點
(1)電磁波是橫波，在傳播方向上的任一點，E和B彼此垂直且均與傳播方向垂直．如圖所示．
(2)電磁波的傳播不需要介質，在真空中電磁波的傳播速度跟光速相同，即v真空＝c＝3.0×
108 m/s.
(3)電磁波具有波的共性，能產(chǎn)生干涉、衍射、反射、折射和偏振等現(xiàn)象，電磁波也是傳播能量的一種形式．
(4)電磁波波速c、波長λ及頻率f之間的關系為c＝λf.
例2 (多選)關于電磁波，下列說法正確的是( )
A．電磁波在真空中的傳播速度與電磁波的頻率無關
B．周期性變化的電場和磁場可以相互激發(fā)，形成電磁波
C．電磁波在真空中自由傳播時，其傳播方向與電場強度方向、磁感應強度方向均平行
D．利用電磁波傳遞信號可以實現(xiàn)無線通信，但電磁波不能通過電纜、光纜傳輸
答案 AB
解析 電磁波在真空中的傳播速度等于光速，與頻率無關，A正確；電磁波是周期性變化的電場和磁場互相激發(fā)得到的，B正確；電磁波傳播方向與電場方向、磁場方向均垂直，C錯誤；光是一種電磁波，光可在光導纖維中傳播，D錯誤．
針對訓練2 (多選)下列關于機械波與電磁波的說法中，正確的是( )
A．機械波和電磁波本質上是一致的
B．機械波的波速只與介質有關，而電磁波在介質中的波速不僅與介質有關，而且與電磁波的頻率有關
C．機械波可能是縱波，而電磁波必定是橫波
D．它們都能發(fā)生反射、折射、干涉和衍射現(xiàn)象
答案 BCD
解析 機械波由振動產(chǎn)生，電磁波由周期性變化的電場(或磁場)產(chǎn)生；機械波是能量波，傳播需要介質，速度由介質決定；電磁波是物質波，波速由介質和自身的頻率共同決定；機械波有橫波，也有縱波，而電磁波一定是橫波，它們都能發(fā)生反射、折射、干涉和衍射等現(xiàn)象，故選項A錯誤，B、C、D正確．
三、無線電波的發(fā)射
1．有效發(fā)射電磁波的條件
要有效地向外發(fā)射電磁波，振蕩電路必須具有的兩個特點：
(1)要有足夠高的振蕩頻率．頻率越高，振蕩電路發(fā)射電磁波的本領越大，如果是低頻信號，要用高頻信號運載才能將其更有效地發(fā)射出去．
(2)采用開放電路．采用開放電路可以使振蕩電路的電磁場分散到盡可能大的空間，如圖．
2．調制
(1)概念：把要傳遞的信號“加”到高頻等幅振蕩電流上，使載波隨各種信號而改變.
(2)調制的分類
①調幅：使高頻電磁波的振幅隨信號的強弱而改變的調制技術，如圖所示．
②調頻：使高頻電磁波的頻率隨信號的強弱而改變的調制技術，如圖所示．
例3 實際發(fā)射無線電波的過程如圖甲所示，高頻振蕩器產(chǎn)生高頻等幅振蕩如圖乙所示，人對著話筒說話時產(chǎn)生低頻信號如圖丙所示．則發(fā)射出去的電磁波圖像應是( )
答案 B
解析 使電磁波隨各種信號而改變的技術，叫作調制．調制共有兩種方式：一種是調幅，即通過改變電磁波的振幅來實現(xiàn)信號加載；另一種是調頻，即通過改變頻率來實現(xiàn)信號加載，由各選項的圖形可知，該調制波為調幅波，即發(fā)射信號的振幅隨聲音信號振幅的變化而變化．故選B.
四、無線電波的接收
1．無線電波的接收原理
利用電磁感應在接收電路產(chǎn)生和電磁波同頻率的電流．
2．方法
(1)利用調諧產(chǎn)生電諧振，使接收電路的感應電流最強．
(2)利用解調把接收電路中的有用信號分離出來．
(3)調諧和解調的區(qū)別：調諧就是一個選臺的過程，即選攜帶有用信號的高頻振蕩電流，在接收電路中產(chǎn)生最強的感應電流的過程；解調是將高頻電流中攜帶的有用信號分離出來的過程．
例4 調節(jié)收音機的調諧回路時，可變電容器的動片從全部旋入到完全旋出仍接收不到某較高頻率的電臺信號，為接收到該電臺信號，則應( )
A．加大電源電壓
B．減小電源電壓
C．增加諧振線圈的圈數(shù)
D．減少諧振線圈的圈數(shù)
答案 D
解析 由于f＝eq \f(1,2π\(zhòng)r(LC))，C越小、L越小，f越大．動片旋出，正對面積S減小，C減小，S調到最小，即C最小時，f還未達到高頻率f0，則必須使L減小，即減少諧振線圈的圈數(shù)，選項C錯誤，D正確；頻率f與電源電壓無關，選項A、B錯誤．
調諧電路的調節(jié)，要特別注意以下問題
1．調節(jié)方向：由題中情景準確判斷出電路的固有頻率應該調大還是調?。?br>2．頻率公式f＝eq \f(1,2π\(zhòng)r(LC))，根據(jù)(1)中的調節(jié)方向，可進一步準確判定電容C和電感L是該調大還是調小．
針對訓練3 在如圖所示的LC振蕩電路中，已知線圈的電感不變，電容器為可調電容器，開始時電容器的電容為C0，要發(fā)生電諧振應使振蕩電路的固有頻率加倍．則電容器的電容應變?yōu)? )
A．4C0 B．2C0
C．eq \f(1,2)C0 D．eq \f(1,4)C0
答案 D
解析 由題意，固有頻率變?yōu)樵瓉淼?倍，即周期變?yōu)樵瓉淼膃q \f(1,2)，由T＝2πeq \r(LC)知，L不變，只有C＝eq \f(1,4)C0時符合要求，D正確．
考點一 電磁場
1．下列說法中正確的是( )
A．任何變化的磁場都要在周圍空間產(chǎn)生變化的電場，振蕩磁場在周圍空間產(chǎn)生同頻率的振蕩電場
B．任何電場都要在周圍空間產(chǎn)生磁場，振蕩電場在周圍空間產(chǎn)生同頻率的振蕩磁場
C．任何變化的電場都要在周圍空間產(chǎn)生磁場，振蕩電場在周圍空間產(chǎn)生同頻率的振蕩磁場
D．電場和磁場總是相互聯(lián)系著，形成一個不可分割的統(tǒng)一體，即電磁場
答案 C
解析 根據(jù)麥克斯韋電磁場理論，如果電場(磁場)的變化是均勻的，產(chǎn)生的磁場(電場)是恒定的；如果電場(磁場)的變化是不均勻的，產(chǎn)生的磁場(電場)是變化的；振蕩電場(磁場)在周圍空間產(chǎn)生同頻率的振蕩磁場(電場)；周期性變化的電場和周期性變化的磁場總是相互聯(lián)系著，形成一個不可分割的統(tǒng)一體，即電磁場，故選C.
2．在下圖所示的四種磁場情況中能產(chǎn)生恒定的電場的是( )
答案 C
解析 A中磁場不變，則不會產(chǎn)生電場，故A錯誤；B中磁場方向變化，而大小不變，則不會產(chǎn)生恒定的電場，故B錯誤；C中磁場隨時間均勻變化，則會產(chǎn)生恒定的電場，故C正確；D中磁場隨時間做非均勻變化，則會產(chǎn)生非均勻變化的電場，故D錯誤．
考點二 電磁波
3．(多選)下列關于電磁波的敘述中，正確的是( )
A．電磁波是電磁場由發(fā)生區(qū)域向遠處的傳播
B．電磁波在任何介質中的傳播速度均為3×108 m/s
C．電磁波由真空進入介質傳播時，波長變短
D．電磁波具有波的一切特性
答案 ACD
解析 由電磁波的定義可知，A項正確；電磁波只有在真空中傳播時，其速度為3×108 m/s，故B項錯誤；電磁波在傳播過程中頻率f不變，由波速公式v＝λf知，由于電磁波在介質中的傳播速度比在真空中的傳播速度小，所以可得此時波長變短，故C正確；電磁波是一種波，具有波的一切特性，能產(chǎn)生干涉、衍射等現(xiàn)象，故D項正確．
4．(多選)關于電磁波與聲波的比較，下列說法正確的是( )
A．電磁波的傳播不需要介質，聲波的傳播需要介質
B．由空氣進入玻璃時，電磁波速度變小，聲波速度變大
C．由空氣進入玻璃時，電磁波波長變小，聲波波長變大
D．電磁波和聲波在介質中的傳播速度都是由介質決定的，與頻率無關
答案 ABC
解析 選項A、B說法均與事實相符，故選項A、B正確；由空氣進入玻璃時，根據(jù)λ＝eq \f(v,f)，電磁波波速變小，頻率不變，波長變?。宦暡ㄋ俣茸兇?，頻率不變，波長變大，故選項C正確；電磁波在介質中的速度與介質有關，也與頻率有關，在同一介質中，頻率越大，電磁波的波速越小，故選項D錯誤．
考點三 無線電波的發(fā)射
5．(多選)為了有效地把能量以電磁波形式發(fā)射到盡可能大的空間，除了使用開放電路，還可以( )
A．增大電容器極板間的距離
B．減小電容器極板的正對面積
C．減少線圈的匝數(shù)
D．采用低頻振蕩電流
答案 ABC
解析 使用開放電路和提高發(fā)射頻率是提高電磁波發(fā)射能力的兩種有效方法；由f＝eq \f(1,2π\(zhòng)r(LC))、C＝eq \f(εrS,4πkd)可知，選項A、B、C正確，D錯誤．
6．(多選)關于調制的作用，下列說法正確的是( )
A．調制的作用是把低頻信號的信息加載到高頻電磁波上去
B．調幅的作用是把低頻信號的信息加載到高頻電磁波的振幅上去
C．調頻的作用是把低頻信號的信息加載到高頻電磁波的頻率上去
D．調頻的作用是將低頻信號變成高頻信號，再放大后直接發(fā)射出去
答案 ABC
7．電臺將播音員的聲音轉換成如圖甲所示的電信號，再加載到如圖乙所示的高頻載波上，使高頻載波的振幅隨電信號改變(如圖丙所示)．這種調制方式稱為( )
A．調頻 B．調諧 C．調幅 D．解調
答案 C
解析 使電磁波隨各種信號而改變的技術叫作調制，而調制共有兩種方式：一種是調幅，即通過改變電磁波的振幅來實現(xiàn)信號加載；另一種是調頻，即通過改變電磁波的頻率來實現(xiàn)信號加載．由題意可知高頻載波的振幅隨電信號改變，故為調幅，故選C.
考點四 無線電波的接收
8．在無線電廣播的接收中，調諧和解調是兩個必須經(jīng)歷的過程，下列關于接收過程的順序，正確的是( )
A．調諧→高頻放大→解調→音頻放大
B．解調→高頻放大→調諧→音頻放大
C．調諧→音頻放大→解調→高頻放大
D．解調→音頻放大→調諧→高頻放大
答案 A
解析 調諧是從眾多的電磁波中選出所需頻率的高頻信號，然后進行高頻放大，再從放大后的高頻信號中“檢”出高頻信號所承載的低頻聲音信號(解調)，最后將這些低頻聲音信號放大后通過揚聲器播放出來，綜上所述，A對．
9．電視機的室外天線能把電信號接收下來，是因為( )
A．天線處于變化的電磁場中，天線中產(chǎn)生感應電流，相當于電源，通過饋線輸送給LC電路
B．天線只處于變化的電場中，天線中產(chǎn)生感應電流，相當于電源，通過饋線輸送給LC電路
C．天線只是有選擇地接收某電視臺信號，而其他電視臺信號則不接收
D．天線將電磁波傳輸?shù)诫娨暀C內(nèi)
答案 A
解析 室外天線處于變化的電磁場中，天線產(chǎn)生了感應電流，此電流通過饋線輸送給LC電路，此電流中空間各電視臺信號激起的電流均存在，但只有頻率與調諧電路頻率相等的電信號對應電流最強，然后再通過解調處理輸送給后面的電路，故A正確，B、C、D均錯誤．
10．(2022·無錫市模擬)如果收音機調諧電路中是采用改變電容的方式來改變回路固有頻率的，那么當接收的電磁波的最長波長是最短波長的3倍時，電容器的最大電容與最小電容之比為( )
A．3∶1 B．9∶1 C．6∶1 D．27∶1
答案 B
解析 最長波長是最短波長的3倍，根據(jù)公式c＝λf可知，最短波長和最長波長對應的波的頻率之比為3∶1，而f＝eq \f(1,2π\(zhòng)r(LC))，可知電容與頻率的平方成反比，故電容器的最大電容與最小電容之比為9∶1，B正確．
11．(多選)如圖甲所示是一個調諧接收電路，乙、丙、丁為電路中的電流隨時間變化的圖像，則( )
A．i1是L1中的電流圖像
B．i1是L2中的電流圖像
C．i2是L2中的電流圖像
D．i3是流過耳機的電流圖像
答案 ACD
解析 L1中由于電磁感應，產(chǎn)生的感應電流的圖像與題圖乙相似，但是由于L2和D串聯(lián)，所以當L2的電壓與D反向時，電路不通，因此這時L2沒有電流，所以L2中的電流圖像應是題圖丙中的i2.高頻部分通過C2，通過耳機的電流如題圖丁中的i3，只有低頻的音頻電流，故選項A、C、D正確，B錯誤．

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2 電磁場與電磁波

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