电磁波及其应用

第四章电磁波及其应用问题思考：如图所示，当穿过螺线管的磁场随时间变化时，上面的线圈中会产生感应电动势，引起感应电流使灯泡发光。线圈中产生感应电动势说明了什么？（变化的磁场在线圈中产生电场，正是这种电场在线圈中引起了感应电流。）如果线圈不闭合，线圈中还会有电流、电场吗？（有电场，无电流）。如果用不导电的塑料线绕制线圈，线圈中还会有电流、电场吗？（有电场，无电流）。想像线圈不存在时线圈所在处的空间还有电场吗？（有）。一、电磁波的发现麦克斯韦认为线圈只不过用来显示电场的存在，线圈不存在时，变化的磁场同样在周围空间产生电场。麦克斯韦揭示了电磁感应现象的本质——变化的磁场产生电场。麦克斯韦继承法拉第关于场是客观存在、电场与磁场统一的思想，根据电现象与磁现象的相似性和变化的磁场能产生电场的概念，经过反复思考提出一个假设：变化的电场也能产生磁场。有了这一步，麦克斯韦就建立了完整的电磁场理论。1.麦克斯韦电磁场理论：变化的磁场能产生电场变化的电场也能产生磁场。变化的电场和变化的磁场总是相互联系着，形成一个不可分离的统一体，这就是电磁场。说明：（1）变化的磁场能够在周围空间产生电场。这个电场叫感应电场，与由电荷激发的静电场不同，它的电场线是闭合的，它的存在与空间有无导体或电路是否闭合无关。（2）变化的磁场能在周围空间产生电场。如果磁场变化是均匀的，产生的电场就是稳定的；如果磁场的变化是不均匀的，产生的电场就是变化的。变化的电场能在周围空间产生磁场。如果电场变化是均匀的，产生的磁场就是稳定的；如果电场的变化是不均匀的，产生的磁场就是变化的。2、电磁波（1）定义：电磁场由发生区域在空间由近及远的传播就形成电磁波。电磁波的存在是麦克斯韦理论导出的必然结论，周期性变化的电场在周围空间产生周期性变化的磁场，周期性变化的磁场在周围空间产生周期性变化的电场，变化的电场（磁场）产生的磁场（电场）不局限于变化电场（磁场）所在处，而是向周围空间扩展出去，形成向外传播的电磁波。电磁波是否存在的实验是检验麦克斯韦电磁场理论是否正确的试金石。因此，证明了电磁波存在的赫兹实验是在物理学史上起奠基作用的经典实验。（2）特点：①电磁波是横波(呈凹凸相间的波形)②电磁波的传播不需要介质，可以在真空中传播。③电磁波在真空中传播的速度等于光速，即：v=c=3×108m/s④光波也是一种电磁波。二、电磁波谱1、电磁波的波长、频率与波速①波长λ：两个相邻的凸部(波峰)的中央间的距离或两个相邻的凹部(波谷)的中央间的距离，叫做波长。单位是米（m）②频率f：单位时间内波峰（或波谷）通过的个数。单位是赫兹（Hz），常用单位还有千赫（kHz）和兆赫（MHz）。1MHz=103kHz=106Hz③波速v:指单位时间内电磁波传播的距离，用来描述波传播的快慢。单位是米每秒（m/s）。④波长、频率与波速的关系:波速=波长×频率，即2、电磁波谱电磁波按波长由大到小的顺序排列为：无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线。其性质差别、用途等可概括如下表：3.电磁波的能量与太阳辐射由于电磁场具有能量，所以随着电磁波的传播，就有能量的传播。这种以电磁波形式传播出去的能量，叫做幅射能。太阳辐射是地球上的能量源泉，它源源不断地以电磁波的形式向宇宙空间放射能量，这称为太阳辐射。太阳辐射中包含各种波长的电磁波,能量集中在可见光、红外线和紫外线三个区域内，且波长在黄绿光附近，辐射的能量最强，如图：三、电磁波的发射和接收1、无线电波无线电通信是利用电磁波来传递声音信号和图像信号的。无线电通信中使用的电磁波称为无线电波。通常根据波长或频率把无线电波分成长波、中波、中短波、短波和微波等几个波段。无线电波主要用于广播、电视、通信和导航等方面。利用电磁波来传递声音和图像信号，均存在电磁波的发射和接收两个过程。2、无线电波的发射和接收（1）电磁波的发射过程①原理：利用电磁波发送声音和图像信号的工作是由广播电台和电视台来承担的，电台中的振荡器先产生高频振荡电流，同时将声音信号变为电信号，由调制器将这个信号加载到无线电波上，通过发射机的天线将无线电波发射到空中。②振荡器：产生高频振荡电流的装置。③调制器：把高频振荡电流变为带有信号的高频振荡电流的装置。调制：把要传递的信号“加”到高频等幅振荡电流上，使电磁波随各种信号而改变叫做调制。调制有调幅和调频两种方式。调幅：使高频振荡电流的振幅随调制信号而改变叫做调幅。调频：使高频振荡电流的频率随调制信号而改变叫做调频。调频波的振幅不变，抗干扰能力强，失真小，但其结构比调幅复杂，服务半径也比较小。（2）电磁波的接收过程①原理：声音的接收工作是由收音机来完成的，收音机的接收天线将空中载有信号的电磁波接收下来，经过调谐器的处理后，再经过检波器将声音的电信号取出来，由扬声器将电信号还原成声音。②调谐器：是从众多频率的电磁波中选出我们需要的某一频率的电磁波，并把它变成电流的装置。调谐：接收电路产生电谐振的过程叫做调谐。③检波器：将声音信号从高频振荡电流中取出来的装置。检波：从接收到的高频振荡中“检”出所携带的调制信号过程，叫做检波。检波是调制的逆过程，因此也叫解调。电视和移动电话信号的发射和接收就是利用了这个原理。四、信息化社会随着社会的发展，人们之间的联系越来越广泛，对传递信息的手段和技术的要求也就越高。现代信息技术的基础是信息的拾取、传输和处理，人类社会已经进入了信息化时代，传感技术、通信技术和计算机技术应运而生。1、信息的拾取和传感器语言、符号和图像是人类特有的三种信息。人类要获取这些信息，必须借助于感觉器官（视觉、听觉、触觉、嗅觉、味觉），将这些信息传递给大脑。但随着技术的发展和社会的进步，这些感觉器官显得不够了，于是出现了各种用途的传感器。如：双金属温度传感器——由热膨胀系数不同的两金属片组成，随温度变化，金属片伸长不同而发生弯曲，从而控制电路的闭合或断开。光敏电阻传感器——光敏电阻的阻值随光照的强度而发生变化，从而控制电路中的电流大小。压力传感器——利用电容器的电容随两极板间距离的变化而变化制成的，以测出压力的变化。电容式话筒就是利用这个关系工作的。2、信息的传递信息传播的方式经历了语言的诞生、文字的诞生，印刷术的发明、现代通讯的飞速发展，尤其是电缆、光缆和无线传输更使得信息能够大量传递。3．信息的处理对信息的处理有两种方式，即可以把传递的信息转化为模拟信号（用电信号模拟，如电话中的声信号）和数字信号（用数字信息表示，如电报信号）。数字信号抗干扰能力强、便于加密，便于计算机处理，如正在兴起的数字高清晰度电视，可以给我们提供更清晰的图像。所以各国都在积极发展数字通信。近年来，我国数字通信得到迅速发展，正朝着高速化、智能化、宽带化和综合化方向迈进。在信息社会，信息作为一种重要的资源和财富，影响中人们的生活，人类社会已经进入了信息化时代。20世纪90年代世界上最大的计算机互联网——因特网出现了爆炸式的发展，是亿万个人用信息联系起来，使更多的人生活得到改善。巩固练习：1、关于电磁理论，下面几种说法正确的是：（）A.在电场的周围空间一定产生磁场B.任何变化的电场周围空间一定产生变化的磁场C.均匀变化的电场周围空间产生变化的磁场D.振荡电场的周围空间产生变化的振荡磁场2、按照麦克斯韦电磁场理论，以下说法中正确的是（）A、恒定的电场周围产生磁场，变化的磁场周围产生电场B、变化的电场周围产生磁场，变化的磁场周围产生电场C、均匀变化的电场周围产生均匀变化的磁场，均匀变化的磁场周围产生均匀变化的电场D、均匀变化的电场周围产生稳定的磁场，均匀变化的磁场周围产生稳定的电场3、关于电磁波，下列说法中正确的是（）A．当导体中有电流时，在它的周围就会产生电磁波B．电磁波虽然看不见，摸不到，但可以通过我们的感官直接观察它的存在C．当导体中有振荡电流时，在它的周围空间就会产生电磁波D．电磁波是电磁场在空间的传播，它只能在介质中传播，真空中不能传播4、下列说法中，正确的是（）A．发射电磁波要使用振荡器，调谐器和天线B．接收电磁波要使用天线、调制器、检波器和喇叭C．电磁波只能传播声音，不能传递图象D．电磁波在真空中的传播速度为3×108m/s5、在电磁波谱中，红外线、可见光和伦琴射线三个波段的波长大小关系是()A．红外线的波长大于可见光的波长B．伦琴射线的波长大于可见的波长C．红外线的波长小于可见光的波长D．伦琴射线的波长小于红外线的波长6、在电磁波谱中，下列说法中正确的是（）A.γ射线的频率一定比X射线的频率高B.紫外线的频率可能比X射线的频率高C.紫外线的频率一定比红外线的频率高D.可见光的频率可能比X射线的频率高7、下面列出一些医疗器械的名称和这些器械运用的物理现象。请将相应的字母填写在运用这种现象的医疗器械后面的空格上。(1)X光机________；(2)紫外线灯________；(3)理疗医用“神灯”照射伤口，可使伤口愈合得较好。这里的“神灯”是利用了_______。A．光的全反射B．紫外线具有很强的荧光作用C．紫外线具有杀菌消毒作用D．X射线的很强的贯穿力E．红外线具有显著的热作用F．红外线波长较长易发生衍射8、家庭用微波炉在正常工作时发射的微波的频率是2450MHz，其波长约为（）A．24.5mB．245mC．0.12mD．12m