魯科版選修34 3.3電磁波的利用與防護(hù) 教案.doc

3、電磁波的利用與防護(hù)l 【教學(xué)目標(biāo)】：1.知識與技能 （1）了解無線電發(fā)射裝置的基本組成理解開放電路和調(diào)制的意義（2）理解調(diào)諧和檢波的作用及原理（3）了解無線電波的波長范圍2.過程與方法：通過對振蕩電路中個物理量的分析，培養(yǎng)分析能力和邏輯推理能力并培養(yǎng)表述物理問題的能力。 l 【教學(xué)重難點(diǎn)】：l 調(diào)制的意義及高頻調(diào)幅電流的波形，調(diào)諧和檢波的原理l 【教學(xué)器材】：l flash課件l 【教法學(xué)法】：l 計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)問題、分析法l 【教學(xué)過程設(shè)計(jì)】：【板書】：電磁波的發(fā)射：1、 復(fù)習(xí)提問：什么叫電磁波？電磁波是怎樣形成的？答：（略）周期性變化的電場和磁場由近及遠(yuǎn)地傳播形成電磁波；振蕩電流周有周期性變化的電場和磁場；振蕩電路可以產(chǎn)生振蕩電流那么，能不能說，有一個lc振蕩電路就可以向外發(fā)送電磁波呢？2、 開放式回路我們學(xué)習(xí)機(jī)械波時已經(jīng)知道，波的傳播過程不僅是振動的運(yùn)動形式傳播的過程，而且也是能量的傳播過程同樣，電磁波的傳播過程，也是向外輻射能量的過程怎樣才能向外輻射更多的能量？向?qū)W生說明，lc振蕩電路，即閉合電路，輻射出去的能量極少，不能用來發(fā)射電磁波只有把電場或磁場分散到盡可能大的空間，才能更有效地把電磁波的能量傳播出去如果把振蕩電路的電容器兩板張開一些，電場線就會向外擴(kuò)展一些把兩板整個翻轉(zhuǎn)過來，就可以使電場和磁場敝露在外部空間把電容器的上板做成天線架設(shè)在空間，把電容器的下板埋在地里，成為地線，這樣，組成了能夠向外發(fā)射電磁波的開放電路振蕩電路的l、c決定了振蕩電流的頻率，即電磁波的頻率通過l和l1的電磁感應(yīng)，開放電路中有同樣頻率的振蕩電流，并向外發(fā)射電磁波天線的形狀、大小由電磁波的頻率決定，波長越長，所需天線也越長無線電廣播選用波長較長的電磁波，需架設(shè)很大很大的天線電視所用的電磁波波長較短，天線則做成不大的蝴蝶狀，架設(shè)在樓頂上或發(fā)射塔尖上天線的形狀還由它所發(fā)送的電磁波擔(dān)負(fù)的任務(wù)決定例如，雷達(dá)天線為了具有很強(qiáng)的方向性而做成拋物面狀3、 調(diào)制有了開放電路是否就可以將聲音訊號變成音頻電流直接發(fā)送出去呢？列舉下列幾個事實(shí)供學(xué)生思考輸電線路中通有電流很大的頻率為50赫茲的交流電，它也能引起周圍空間有變化的磁場和電場，如果把電話線架在它的附近，就會使電話線中產(chǎn)生同頻率的感應(yīng)電流，耳機(jī)里聽到嗡嗡的干擾聲如果把電話線移到馬路的另一側(cè)架設(shè)，這種干擾就基本消除無線電廣播采用頻率為幾百千赫的電磁波，可以傳到幾百千米遠(yuǎn)的地方，電視采用頻率為幾百、幾千兆赫的電磁波，就可以傳到三萬六千千米遠(yuǎn)的同步通訊衛(wèi)星上。以上事實(shí)說明，振蕩電流的頻率越高，向外輻射電磁波能量的本領(lǐng)也越強(qiáng)單位時間內(nèi)輻射出去的能量，與電磁波頻率的四次方成正比要想電磁波傳得遠(yuǎn)，就必須使用高頻率的電磁波但我們要傳遞的訊號卻又不是這些等幅高頻振蕩電流，而是一些低頻訊號，如：聲音訊號頻率只有幾百至幾千赫茲，圖像訊號頻率也不過上萬赫茲，不可能把它們直接發(fā)送出去 這就好像把沉重的貨物運(yùn)到遠(yuǎn)方去，把貨物放在地上向前拖，極為困難，無法達(dá)到遙遠(yuǎn)的目的地；開著汽車雖然很容易到達(dá)目的地，但我們需要的并不是汽車而是貨物，那么我們總是先把貨物裝上汽車，汽車駛向目的地，到了目的地再把貨物從汽車上卸下來在電磁波發(fā)射技術(shù)中，高頻等幅振蕩電流就好比是運(yùn)貨的汽車，“汽車”出發(fā)之前，需要給它裝上“貨物”要傳送的聲音、圖象等訊號這個“裝上貨物”的過程就是調(diào)制向?qū)W生指出調(diào)制、調(diào)制器的定義調(diào)制：使電磁波隨各種信號而改變的技術(shù)叫做調(diào)制。（1） 調(diào)幅：一種調(diào)制方式是使高頻電流或電壓的振幅隨信號改變，這種調(diào)制叫做調(diào)幅，用am表示。（2） 調(diào)頻：使高頻電流或電壓的頻率隨信號改變的調(diào)制方式叫做調(diào)頻。用fm表示。 無線電報的調(diào)制是通過一個電鍵來實(shí)現(xiàn)的把電鍵串聯(lián)在振蕩電路中，電鍵的通與斷決定了電流的有與無電鍵接通時間的短與長就形成了訊號的“點(diǎn)”與“劃”之分 如果將電鍵換成話筒，話筒就是個調(diào)制器向?qū)W生敘述聲音使話筒電阻改變，引起振蕩電流振幅改變的過程畫出圖使高頻振蕩電流的振幅隨訊號改變叫調(diào)幅無線電廣播、無線電話，電視廣播的圖象訊號都是利用調(diào)幅的辦法進(jìn)行調(diào)制當(dāng)然，要使調(diào)幅的效果更好，還要有更復(fù)雜的電子線路，課本圖6-10只是簡單的示意圖廣播電臺還有調(diào)頻廣播節(jié)目，它的調(diào)制過程是使高頻振蕩電流的頻率隨訊號改變，這叫調(diào)頻電視廣播的聲音訊號也是利用調(diào)頻的方法進(jìn)行調(diào)制的調(diào)頻比調(diào)幅的原理、方法都更復(fù)雜，但在訊號被放大的過程中不易失真，在接收機(jī)中被復(fù)原為聲音訊號時有更好的音響效果4、 總結(jié)：無線電發(fā)射，除了產(chǎn)生訊號的工作部分（如廣播電臺的播音、電視臺的錄音、錄像等等）之外還必須有三個基本組成部分。即：產(chǎn)生高頻振蕩電流的振蕩器，對訊號進(jìn)行調(diào)制的調(diào)制器，以及發(fā)射電磁波的由天線、地線組成的開放電路?！景鍟浚弘姶挪ǖ膫鞑ィ弘姶挪ㄒ蚱洚a(chǎn)生的機(jī)理不同，也有很多不同的傳播方式，這里主要介紹無線電波（振蕩回路形成的電磁波）的傳播波長越長的波越容易繞過障礙物，所以長波和部分中波?？康孛?zhèn)鬏?，稱為地波；短波則能被大氣中電離層反射所以可以靠這個來傳播，稱為天波（由于電離層中電子密度不穩(wěn)定，所以短波的傳輸不穩(wěn)定）；微波與超短波可以穿越電離層，所以可以靠衛(wèi)星來接受，發(fā)射，稱為空間波?！景鍟浚弘姶挪ǖ慕邮?、 復(fù)習(xí)提問：發(fā)射電磁波所必須的組成部分有哪些？答：（略） 無線電廣播電臺所發(fā)射的調(diào)幅波有什么特征？（頻率是高頻的，振幅是變的，且變化的規(guī)律恰是依照聲音訊號的變化規(guī)律 ）2、 選臺，電諧振： 將某個導(dǎo)體放在這個傳播著電磁波的空間中，導(dǎo)體處于變化的磁場中就會產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流的能量來自電磁波，感應(yīng)電流的頻率及變化規(guī)律都與電磁波的頻率及變化規(guī)律相同也就是說，有一根處于空間的導(dǎo)線天線，就可以接收電磁波在黑板上畫出天線電路但是，空間并不是只存在一種電磁波，各種電臺、電視臺都在發(fā)射電磁波，還有電報、無線電話、步話機(jī)等等也都在發(fā)射電磁波，我們周圍的空間充滿形形色色的電磁波，如果不加選擇地一股腦兒都接收下來，轉(zhuǎn)變成聲音，就會是一片嘈雜聲，什么都聽不清或者是只聽到一個離我們最近、發(fā)射功率最大的電臺的聲音，別的什么也別想聽就好象一個教室里幾十個同學(xué)一起來按自己的意愿各自說起話來，除了一片嘈雜聲，什么也聽不清 怎樣解決這個矛盾呢？一方面，各個無線電臺都必須采用各不相同的頻率來發(fā)射自己電臺的電磁波，就象各個廠家生產(chǎn)的各種商品都要有自己特有的商標(biāo)、銘牌一樣，使人們有可能將它們區(qū)別開來另一方面，接收機(jī)必須有“選臺”的功能，有鑒別各種“商標(biāo)”的能力 所謂選臺，就是要使其它各種頻率的電磁波在自己的接收機(jī)里激起的感應(yīng)電流都極小，小到不起作用的程度，只有所需要的電磁波激起的感應(yīng)電流很強(qiáng)，這樣就可以只聽見一個電臺的聲音了 重現(xiàn)機(jī)械共振的實(shí)驗(yàn)一根繩上拴了幾個不同擺長的單擺，當(dāng)某個作為策動力的單擺擺動起來之后，其它各擺做受迫振動，振幅都很小，只有與策動力的擺長相同的單擺振幅最大，這是已經(jīng)學(xué)過的共振 振蕩電路也有固有頻率，電現(xiàn)象中有沒有共振？如果有，應(yīng)當(dāng)是：當(dāng)電磁波的頻率與接收機(jī)的固有頻率相同時在接收機(jī)里引起的振蕩電流就最強(qiáng)；否則，振蕩電流就極弱要做這個實(shí)驗(yàn)需要兩個振蕩電路：一個振蕩電路發(fā)射一定頻率的電磁波，另一個振蕩電路接收電磁波，改變接收電路的固有頻率，觀察接收到的感應(yīng)電流的強(qiáng)弱是否與接收電路的固有頻率有關(guān)觀察萊頓瓶的實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)前，首先應(yīng)向?qū)W生說清萊頓瓶的結(jié)構(gòu)，指出瓶內(nèi)外兩層金屬箔片組成一個電容器，它與相當(dāng)于線圈的矩形金屬框正好組成一個振蕩電路其次說明改變固有頻率的方法是調(diào)節(jié)矩形金屬框的面積最后指出哪個是發(fā)射，哪個是接收萊頓瓶帶電可采取感應(yīng)圈供電的辦法觀察諧振，可以按書上的觀察氖管是否發(fā)光的方法；也可以用另一種方法：用一條錫箔把接收振蕩的萊頓瓶的里層金屬通過金屬圓頭沿瓶外表面向下連到接近外層金屬箔片邊緣的地方，讓里外兩層極板之間只有一個小縫隙，從而觀察諧振時在縫隙處的放電現(xiàn)象 通過實(shí)驗(yàn)，總結(jié)出電諧振的定義調(diào)諧 ：接收機(jī)從諸多的電磁波中反我們需要的選出來，這叫做調(diào)諧。 收音機(jī)為了與某一電臺的電磁波發(fā)生諧振，就必須加上lc振蕩電路在黑板上的天線電路上加上lc電路一個收音機(jī)需要收聽若干個不同的電臺，要求它的固有頻率能改變，把黑板上面的lc回路的電容改成可變電容，這就組成了調(diào)諧電路 實(shí)驗(yàn)：收音機(jī)示教板，閉合電鍵，聽到清晰的聲音，改變可變電容的大小，收到了不同電臺的聲音我們的收音機(jī)調(diào)臺旋鈕就是連接著調(diào)諧電路的電容的 問：如果現(xiàn)在聽到的是中央臺640千周的節(jié)日，要改聽北京臺820千周的節(jié)目，應(yīng)當(dāng)怎樣調(diào)節(jié)？電容器的動片往里轉(zhuǎn)還是往外轉(zhuǎn)？ 答：（略） 電容的調(diào)節(jié)總有個范圍，要使收音機(jī)接收更大頻率范圍的節(jié)目，不僅能收近處電臺發(fā)射的中波，還能接收遠(yuǎn)處電臺發(fā)射的短波可以把lc回路中的l也變成可調(diào)的，做成有幾個抽頭的線圈，用波段開關(guān)控制，這就使收音機(jī)有幾個波段3、 檢波和解調(diào)我們注意到收音機(jī)示教板上有l(wèi)c回路，有耳機(jī)l要向?qū)W生說明，為了使大家都聽到聲音，我們用放大器加揚(yáng)聲器來替代耳機(jī)，此外，還有另外一部分（指檢波二極管和旁路電容） 實(shí)驗(yàn)：上述收音機(jī)示教板上去掉檢波二極管及旁路電容，用一根導(dǎo)線代替，就聽不到聲音了這兩個元件起什么作用呢？ 結(jié)合黑板上的高頻調(diào)幅波的圖來講述經(jīng)過調(diào)諧電路得到了某一電臺的電磁波引起的感應(yīng)電流，變化如黑板圖所示，這樣的電流通過耳機(jī)或喇叭時，不能引起振動由于振動片的慣性，不可能讓振動片按調(diào)幅波的高頻發(fā)生機(jī)械振動，何況，我們要聽的是音頻訊號的聲音，不需要這個高頻振動，關(guān)鍵是振動片也不能按照調(diào)幅波的振幅變化情況即聲音訊號變化規(guī)律來振動因?yàn)檎{(diào)幅波的正、負(fù)最大值相同就好比將兩個大小相等、方向相反的力幾乎同時地加在振動片上，振動片就無法振動了所以，我們還需要從高頻調(diào)幅波中“檢”出聲音訊號電流來就象汽車把貨物運(yùn)到目的地后，要使用貨物，就要從載貨的汽車上先把貨物卸下來一樣指出檢波、解調(diào)的定義檢波（解調(diào)）：接收機(jī)收到的是帶有信息標(biāo)記的高頻電流，還不能使我們直接感受到所需要的信號，還必須從高頻振蕩電流中“檢”出所攜帶的信號，這叫做檢波。檢波是調(diào)制的逆過和，因此也叫解調(diào)。 收音機(jī)中對調(diào)幅波的檢波主要是依靠晶體二極管來完成實(shí)驗(yàn)：上述收音機(jī)示教板上，先不加旁路電容，只放上二極管，就可以聽到聲音二極管能檢波是因?yàn)樗哂袉蜗驅(qū)щ娦?對于使用乙種本的學(xué)生，這里應(yīng)先做一下單向?qū)щ娦缘膶?shí)驗(yàn)，使學(xué)生對此有感性認(rèn)識 把晶體二極管串聯(lián)在收音機(jī)電路中，正半周，二極管電阻很小，有電流；負(fù)半周，二極管電阻無窮大，整個電路沒有電流，形成單向脈動電流畫出課本圖6-15 實(shí)驗(yàn)：將收音機(jī)示教板上lc回路兩端接于示波器的輸入端，顯示高頻調(diào)幅波的波形，再將示波器的輸入端改接于檢波輸出端，顯示出單向脈動電流的波形，驗(yàn)證了黑板上的圖 單向脈動電流通過耳機(jī)，振動片上受單方向的力，就可以振動起來了單向脈動電流可以看成是音頻電流和高頻電流的疊加（用兩種顏色粉筆在上述黑板圖上描出兩種電流），后者對耳機(jī)也是多余的，最好給它另開一條路，使它不通過耳機(jī)那么用一個電容器與耳機(jī)并聯(lián)，由于電容器對高頻電流阻抗小，對音頻電流阻抗大，就可以達(dá)到目的，耳機(jī)里基本上通過的是音頻電流，完成了檢波任務(wù) 實(shí)驗(yàn)：將示教板上加上檢波旁路電容，示波器顯示音頻電流波形小結(jié)：通過這一節(jié)的學(xué)習(xí)，我們知道了一個最簡單的收音機(jī)，如課本圖6-14所示在黑板上將電路圖加上檢波部分，畫成課本圖6-14收音機(jī)應(yīng)當(dāng)有四個組成部分：接收電磁波的天線，選擇電臺的調(diào)諧電路，把音頻電流從高頻調(diào)幅波中分離出來的檢波電路以及把電流訊號變成聲音的耳機(jī) 這種簡單的收音機(jī)，唯一的能源就是空間傳來的電磁波，所以只能使耳機(jī)發(fā)出很小的聲音，要得到更大能量的聲音，還必須使用電源及適當(dāng)?shù)碾娮泳€路，進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，做成我們一般使用的收音機(jī)【板書】：電磁波的利用與防護(hù)：1、 復(fù)習(xí)回顧：電磁波的特點(diǎn)是什么？（略）2、 導(dǎo)入：人類認(rèn)識電磁波到現(xiàn)在不過一百年，但電磁波在科學(xué)技術(shù)上已經(jīng)得到十分廣泛的應(yīng)用，本節(jié)介紹無線電波在現(xiàn)代社會中的應(yīng)用3、 參書p5860/了解電磁波的構(gòu)成電磁波譜，簡單了解每一種電磁波的頻率高低以及它們的特點(diǎn)和功能。如無線電波的中長波因其波長長，易繞過障礙物，所以適合于廣播信號。而短波則適合與通過中繼站進(jìn)行長距離的廣播信號傳輸。微波有很好的直線傳播特性，又能穿過電離層，所以可用于衛(wèi)星電視的視頻傳輸和移動電話，還可以用于雷達(dá)測距和定位。同時由于微波和紅外線都具有較強(qiáng)的熱效應(yīng)其頻率能使水（微波爐采用的微波）、蛋白質(zhì)、脂肪（光波爐采用的紅外線）等極性分子發(fā)生共振，從而加熱物體。由于一切物體都能發(fā)射紅外線，溫度不同，紅外線也不同，而紅外線又能