人教版高中物理選修4電磁波基礎知識梳理

1、第十四章電磁波14.1電磁波的發(fā)現(xiàn)一、電磁場和電磁波1 .麥克斯韋電磁理論的兩個基本假設(1)變化的磁場能夠在周圍空間產(chǎn)生電魚(2)變化的電場能夠在周圍空間產(chǎn)生磁超一注意：變化的磁場產(chǎn)生的電場，叫感應電場或渦流電場，它的電場線是閉合的；靜電荷周圍產(chǎn)生白電場叫靜電場，它的電場線由正電荷起到負電荷止，是不閉合的。二、電磁波的產(chǎn)生機理2 .電磁場變化的電場和變化的磁場交替產(chǎn)生,形成不可分割的統(tǒng)一體，稱為電磁場。3 .電磁波(1)電磁波的產(chǎn)生：變化的電場和磁場交替產(chǎn)生而形成的電磁場是由近及遠地傳播的，這種變化的電磁場在空間的傳播稱為電磁波。(2)電磁波的特點：電磁波在空間傳播不需要介質(zhì)：在真空中,電磁

2、波的傳播速度與光速相同：即v=c=3.0x10m/s光是一種電磁波真空電磁波是橫波、在空間傳播時任一位置上(或任一時刻)E、B、v三矢量相互垂直且E和B隨時間做正弦規(guī)律變化。電磁波具有波的共性，能產(chǎn)生干涉、衍射等現(xiàn)象，電磁波與物質(zhì)相互作用時，能發(fā)生反射、吸收、折射等現(xiàn)象，電磁波也是傳播能量的一種形式。相鄰兩個波峰(或波谷)之間的距離等于電磁波的波長，一個周期的時間，電磁波傳播一個波長的距離。電磁波的頻率為電磁振蕩的頻率，由波源決定，與介質(zhì)無關。?(3)電磁波的波速、波長與頻率的關系：？?=?=、?注意：同一種電磁波在不同介質(zhì)中傳播時，頻率不變(頻率由波源決定)，波速、?波長發(fā)生改變，在介質(zhì)中白

3、速度為？?=?(n為介質(zhì)對電磁波的折射率)，在介質(zhì)中的速度都比在真空中的速度小.不同電磁波在同一種介質(zhì)中傳播時，傳播速度不同，頻率越高波速越小，頻率越低波速越大.三、赫茲的電火花一發(fā)現(xiàn)了電磁波1.赫茲實驗赫茲觀察到：當感應圈的兩個金屬球間有火花跳過時，導線環(huán)兩個小球間也跳過火花。據(jù)此實驗，赫茲在人類歷史上首先捕捉到了電磁波。2.赫茲的其他成果赫茲觀察到了電磁波的反射、折射、干涉、偏振和衍射等現(xiàn)象，測量證明了電磁波在真空中具有與光相同的速度c,證實了麥克斯韋關于光的電理論。3.赫茲實驗的意義(1)意義：證實了麥克斯韋關于光的電磁理論；人類歷史上首次捕捉到了電磁波。(2)赫茲的實驗為無線電技術的發(fā)

4、展開拓了道路，后人把頻率的單位定為赫茲四、正確理解麥克斯韋的電磁場理論1.電磁場與靜電場、靜磁場的比較三者可以在某空間混合存在，但由靜電場和靜磁場混合的空間不屬于電磁場。電磁場是電場、磁場相互激發(fā)形成的統(tǒng)一體。注意：(1)變化的磁場周圍產(chǎn)生電場，是一種普遍存在的現(xiàn)象，跟閉合電路是否存在無關；(2)有單獨存在的靜電場，也有單獨存在的靜磁場，但沒有靜止的電磁場。2、電場和磁場的變化關系(1)變化的磁場產(chǎn)生電場均勻變化的磁場產(chǎn)生恒定的電場.非均勻變化的磁場產(chǎn)生變化的電場.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)生磁場均勻變化的電場產(chǎn)生恒定的磁場.非均勻變化的電場產(chǎn)生變化的磁場

5、.周期性變化的電場產(chǎn)生同頻率的周期性變化的磁場.五、電磁波和機械波的比較力學fii像位摩砌崛何例周取性孌化電is造電腳I象電/憫度肺磁感座糠b翱洞峭日|做同期性碗傳播情沆傳播需要介陵，波迪與介質(zhì)有關，與頻率3EX修樵無需介質(zhì),在耳空中波諛黑等刊謔c,在介質(zhì)中傳耐.源逵與介質(zhì)期冷的美產(chǎn)生機理由(麗及點的振動產(chǎn)生由電磁拆落(周航件變優(yōu)的電流)激發(fā)星西橫渡可以是S是否堀波可以是否干沙現(xiàn)耿都干涉茶村時均能發(fā)生干涉現(xiàn)第折射現(xiàn)取版衍射條杵時均髭發(fā)生用濕桁射相關計翼公五二整用選用第十四章電磁波14.2電磁振蕩、電場振蕩的產(chǎn)生1.振蕩電流和振蕩電路(1)振蕩電流：大小和方向都做周期性變化的電流.(2)振蕩電路

6、：能產(chǎn)生振蕩電流的電路.(3) LC振蕩電路：由線圈L和電容器C組成的電路是最簡單的振蕩電路,稱為LC振蕩電路，如圖。(4) LC振蕩電路的兩種起振方式:電容器充電起振如圖，乙開關S先閉合到1位置，電容器充電，然后閉合到2位置，電路開始進行電磁振蕩。電容器的電荷量q隨t按余弦規(guī)律變化，電路中的電流i隨t按正弦規(guī)律變化，圖像分別如圖甲、乙所示。2.電磁振蕩過程分析LC回路中電磁振蕩規(guī)律可用下圖表示.(圖中表示增加,表小減少)放電過程izxi>9最大，u證大i最樂,日小i/g、電場能正在向磁場能轉(zhuǎn)化反向放電過程電場能正在向磁場能轉(zhuǎn)化鼻菊.mlah若猷第事言一制北毋E魏？以大小最最U月3.阻尼

7、振蕩和無阻尼振蕩(1)無阻尼振蕩：沒有能量損耗的振蕩。無阻尼振蕩必是等幅振蕩.(2)阻尼振蕩：有能量損耗的振蕩，若能量得不到補充，振幅會逐漸減小。二、電磁振蕩的周期和頻率1 .電磁振蕩的周期與頻率(1)周期：電磁振蕩完成一次周期性變化需要的時間，用“T”表示。(2)頻率：1s內(nèi)完成周期性變化的次數(shù)，用“f”表示。?(3)周期和頻率關系：T=-?o振蕩電路里發(fā)生無阻尼振蕩時的周期和頻率分別叫做固有周期、期有頻率。2 .LC的周期與頻率,-1T=ZttVZcf=泊2n/LC3 .對“LC電路”固有周期和固有頻率的理解(1)LC電路的周期、頻率都由電路本身的特性(L和C的值)決定，與電容器極板上電荷

8、量的多少、極板間電壓的高低、是否接入電路中等因素無關。所以稱為LC電路的固有周期和固有頻率.(2)使用周期公式時，一定要注意單位：T、L、C、f的單位分別是秒(s)、亨利(H)、法拉(F)、赫茲(Hz)。(3)電感L和電容C在LC振蕩電路中既是能量的轉(zhuǎn)換器，又決定著這種轉(zhuǎn)換的快慢,L或C越大，能量轉(zhuǎn)換時間也越長，故周期也越長。(4)電路中的電流、線圈中的磁感應強度B、電容器極板間的電場強度E的變化周期就是LC電路的振蕩周期，？?=?在一個周期內(nèi)上述各量方向改變兩次；電容器極板上所帶的電荷量，其變化周期也是振蕩周期，？?=?麗?被板上電荷的電性在一個周期內(nèi)改變兩次；電場能、磁場能也在做周期性變化

9、，但是它們的變化周期是振蕩周期的一半，即？=?=?/?、LC振蕩電路各量變化的對應關系11I照4一1kI一放電一L充電一L放電-l充電!U)以逆時針方向電流為正帆(時間)工作皿q£iB7*°、放電Qm用Em°“m0山而E電T2T>44充電淮oPm00h>0Bm,。E磁>E2T3T44放電*Qin的&>0014Tl03E電正糧乎一T充電*0>Qm00im0Bm,。E麟,萬電(i)圖中4為上板板的電荷苴LC振蕩電路充、放電過程的判斷方法(1)根據(jù)電流流向判斷：當電流流向帶正電的極板時，電容器的電荷量增加，磁場能向電場能轉(zhuǎn)化，處于充

10、電過程；反之，當電流流出帶正電的極板時，電荷量減少，電場能向磁場能轉(zhuǎn)化，處于放電過程。(2)根據(jù)物理量的變化趨勢判斷：當電容器的帶電量q(電壓UU場強E)增大或電流i(磁場B)減小時，處于充電過程；反之，處于放電過程。(3)根據(jù)能量判斷：電場能增加時充電，磁場能增加時放電。2 .同步同變關系(1)電容器上的物理量：電量q、板間電壓U、電場強度E、電場能E是同步同向電變化的，即：qj-UJ-EJ-E；(或qT-UT-EffET)。電電(2)振蕩線圈上的物理量：振蕩電流i、磁感應強度B、磁場能E也是同步同向變磁化的，即：iJ-BJ-E，(或if-Bf-ET)。磁磁3 .同步異變關系電容器上的三個物

11、理量q、E、E與線圈中的三個物理量i、B、E是同步異電磁向變化的，即q、E、E同時減小時，i、B、E同時增大，且它們的變化是同步電磁的，即(q、E、E)T一(i、B、E)J。電磁4 .物理量的等式和決定關系(1)線圈上的振蕩電流i=口;i由極板上電荷量的變化率決定，與電荷量的多少無關。(2)自感電動勢E=L-口；E由電路中電流的變化率決定，與電流的大小無關。自(3)兩極板間的電壓U=q;CU由極板上的電荷量決定，與電荷量的變化率無關(4)振蕩周期T=?入市？第十四章電磁波14.3電磁波的發(fā)射和接收一、電磁波的發(fā)射1 .有效發(fā)射電磁波的條件若要有效地向外發(fā)射電磁波，振蕩電路必須具有如下特點：(1

12、)要有足夠高的頻率，頻率越高，越容易向外界輻射能量；(2)要有開放電路.振蕩電路的電場和磁場必須分散到盡可能大的空間，才能有效地把電磁場的能量傳播出去，有效地發(fā)射電磁波必須用開放電路，如圖所示.2 .無線電波的調(diào)制(1)載波：用來“運載”信號的高頻等幅波叫載波(2)調(diào)制：在電磁波發(fā)射技術中，使電磁波隨各種信號而改變的技術叫做調(diào)制即把傳遞信號加到載波上的過程。(3)調(diào)制的方式調(diào)幅：使高頻電磁波的振幅隨信號的強弱而改變。如圖所示為經(jīng)過調(diào)幅的高頻振蕩電流的波形:傳遵的信號經(jīng)過利幅的高糠振瞽電流的波形調(diào)頻：高頻電磁波的頻率隨信號的強弱而改變。如圖所示為經(jīng)過調(diào)頻的高頻振蕩電流的波形:傳遞的偏號姓過期朦的

13、帚.賴廉藹里面的學二:3 .無線電波的發(fā)射過程由振蕩器(常用LC振蕩電路)產(chǎn)生高頻振蕩電流，用調(diào)制器將需傳送的電信號調(diào)制到振蕩電流上，再耦合到一個開放電路中激發(fā)出無線電波，向四周發(fā)射出去。二、電磁波的接收1 .接收原理：電磁波在傳播時遇到號住會使導體中產(chǎn)生感應電流，所以導體可用來接收電磁波，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接收到的電磁波的頻率相等時,接收電路里產(chǎn)生的震蕩電流最強，這種現(xiàn)象叫做電諧振。3 .調(diào)諧：便電路中產(chǎn)生電諧振的過程叫做調(diào)諧。4 .通過電諧振來選臺(1)選臺：接收電磁波時，從諸多的電磁波中把需要的選出來。(2)電諧振：當接收電路的固有頻率跟接收到的電

14、磁波頻率相同時，接收電路中產(chǎn)生的振蕩電流最強，這種現(xiàn)象叫電諧振。相當于機械振動中的共振。(3)調(diào)諧：使接收電路發(fā)生電諧振的過程叫調(diào)諧，其基本原理就是電諧振。(4)調(diào)諧電路：能夠調(diào)諧的接收電路叫做調(diào)諧電路，如圖所示：在調(diào)諧電路中，由于電感的調(diào)節(jié)不方便，因此一般采用調(diào)節(jié)電容器電容大小的方法來改變調(diào)諧頻率。使它跟要接收的電臺發(fā)出的電磁波的頻率相同，這個頻率的電磁波在調(diào)諧電路里激起較強的感應電流，于是就選出了這個電臺。5 .解調(diào)使聲音或圖像信號從接收到的感應(高頻振蕩)電流中還原出來,這個過程是調(diào)制的逆過程，叫做解調(diào)。調(diào)幅波的解調(diào)也叫檢波。6 .無線電波的接收波長大于1mm頻率低于300GHz)的電磁

15、波叫作無線電波。天線接收到的所有的電磁波，經(jīng)調(diào)諧選擇出所需要的電磁波，再經(jīng)解調(diào)取出攜帶的信號，放大后再還原成聲音或圖像。三、無線電波的發(fā)射、接收及傳播1 .無線電波的發(fā)射和接收過程2 .“調(diào)幅”和“調(diào)頻”都是調(diào)制過程(1)高頻電磁波的振幅隨信號的強弱而變的調(diào)制方式叫調(diào)幅。一般電臺的中波、中短波、短波廣播以及電視中的圖像信號采用調(diào)幅波。(2)高頻電磁波的頻率隨信號的強弱而變的調(diào)制方式叫調(diào)頻。電臺的立體聲廣播和電視中的伴音信號，采用調(diào)頻波。3 .解調(diào)是調(diào)制的逆過程聲音、圖像等信號頻率相對較低，不能轉(zhuǎn)化為電信號直接發(fā)射出去。將這些低頻信號加載到高頻電磁波信號上去將聲音、圖像信號加載到高頻電磁波上的過

16、程就是調(diào)制，而將聲音、圖像信號從高頻調(diào)制信號中還原出來的過程就是解調(diào)。4 .正確理解調(diào)諧的作用世界上有許許多多的無線電臺、電視臺及各種無線電信號，如果不加選擇全部接收下來，那必然是一片混亂，分辨不清。因此接收信號時，首先要從各種電磁波中把我們需要的選出來，通常叫選臺.在無線電技術中利用電諧振達到該目的。5 .無線電波的傳播無線電技術中使用的電磁波叫做無線電波，它們的波長在幾毫米到幾十千米之間。無線電波在沿地球表面、大氣層中傳播時，由于不同波長的電磁波衍射和被吸收的情況各不相同，不同波長的電磁波在傳播方式上也各不相同。地波、大波、空間波的傳播方式、適合的波段、特點如下表所示：適合的波段特點地波沿

17、地球表面空間傳播長波，中波衍月瞬力較強天波靠大黑電離層的反射傳播中溫中短波,短波反射能力將雖空間波(近似)沿直線傳播微波穿透能力較強相近概念的辨析技巧(1)調(diào)頻和調(diào)幅：這是調(diào)制的兩種方式，使電磁波的頻率隨信號改變的調(diào)制方式叫調(diào)頻；使電磁波的振幅隨信號改變的調(diào)制方式叫調(diào)幅。(2)調(diào)制和解調(diào)：把低頻電信號加載到高頻等幅振蕩電流上叫作調(diào)制；把低頻電信號從高頻載波中檢出來叫解調(diào)，是調(diào)制的逆過程。第十四章電磁波14.4電磁波與信息化社會一、電磁波的傳輸途徑與特點1.電磁波傳輸途徑及特點(1)電磁波可以通過無線傳輸，也可以通過有線傳輸；(2)電磁波的頻率越高，相同時間內(nèi)傳遞的信息量越大.光的頻率比無線電波

18、的頻率高得多，因此光纜可以傳遞大量信息。電磁波的頻率越高，相同時間傳遞的信息量越大二、電磁波的應用1 .電視電視信號的發(fā)射，如圖所示：用話筒把聲音信號轉(zhuǎn)換成音頻電信號，用攝像機把圖像信號轉(zhuǎn)換成視頻電信號，但音頻、視頻電信號不能直接發(fā)射出去.由載波發(fā)生器產(chǎn)生高頻電磁波，通過調(diào)制器把音頻、視頻電信號加載到高頻電磁波上.最后通過天線把載有音頻、視頻電信號的電磁波發(fā)射出去。電視信號的接收接收機收到高頻電磁波以后，利用電視機的調(diào)諧器選出我們所需要的某一頻率的電磁波，再從高頻電信號中取出音頻、視頻電信號，音頻電信號經(jīng)放大后送到揚聲器轉(zhuǎn)換成聲音；視頻電信號送到顯像設備，轉(zhuǎn)換成圖像1.在電視信號發(fā)送和接收過程

19、中，各元件所起的作用：攝像機/將聲信號還原后放出話筒y向空中發(fā)送電磁波發(fā)送天線接收空中的電磁波顯像設備乂，將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枔P聲器將聲信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柦邮仗炀€/、將電信號轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘? .視覺暫留，使人觀察到電視的活動圖像人眼觀察物體時，若將物體移去，眼睛的視神經(jīng)對物體的印象并不能立即消失，而要延續(xù)0.1s的時間，這種生理現(xiàn)象叫做視覺暫留。由于電視每秒傳送25張畫面，所以人看電視時，前一張畫面的印象尚未消失，后一張畫面已出現(xiàn)在熒光屏上，從而產(chǎn)生電視圖像連續(xù)活動的感覺。三.雷達1 .構造：雷達一般由天線系統(tǒng)、發(fā)射裝置、接收裝置、輸出裝置(顯示器)、電源、用于控制雷達工作和處理信號的計算機以及防

20、干擾設備等構成2 .工作原理：利用電磁波遇到障礙物會發(fā)生反射的特性來確定目標物體的位置3 .特點(1)雷達既是無線電波的發(fā)射端，又是無線電波的接收端；(2)雷達使用的無線電波是直線性好、反射性能強的微波波段；(3)雷達發(fā)射的是不連續(xù)的無線電波，即脈沖，每次發(fā)射時間小于1?兩次發(fā)射的時間問隔約為0.1ms;(4)障礙物的距離等情況都由顯示器直接顯示出來。4 .應用可以用于探測飛機、導彈等軍事目標，也可以用于導航，在天文學上可以用于研究星體，在氣象上可以用于探測臺風、雷雨、烏云等。5 .雷達偵察問題的解決方法(1)當反射波形與發(fā)射波形之間的時間間隔等于發(fā)射脈沖的時間間隔時，雷達的偵察距離最大，x=

21、C；;(2)確定被測物體位置的方法：已知無線電波的傳播速度為c,測出從發(fā)射無線電波脈沖到接收到反射回來的無線電波的時間t,就可以由公式2s=ct確定與被測物體的距離，再根據(jù)無線電波的方向和仰角,便可以確定被測物體的位置了.(3)要增大雷達的最大偵察距離，必須相應地延長發(fā)射脈沖的時間間隔，即減少每秒發(fā)射的脈沖數(shù)；(4)因電磁波在傳播過程中不可避免地要損失能量，因此要提高雷達的偵察能力，增大最大偵察距離，最根本的還在于提高雷達的發(fā)射功率。四.移動電話特點：手持移動電話的體積很小，發(fā)射功率不大。它的天線也很簡單，靈敏度不高因此，手機通話時要靠強大的固定無線電臺轉(zhuǎn)接。這種固定的無線電臺叫做基站。城市高

22、大建筑物上、農(nóng)村有的山頭上，常?？梢钥吹揭苿油ㄐ呕镜奶炀€。五.因特網(wǎng)因特網(wǎng)是世界上最大的計算機互聯(lián)網(wǎng),可以在網(wǎng)上看電影、聊天購物、答查閱各種資料,進行遠程教學、遠程醫(yī)療,也可進行網(wǎng)上會議。第十四章電磁波14.5電磁波譜一、電磁波譜按電磁波的波長或頻率大小的順序把它們排列成譜,叫做電磁波譜。電磁根波譜按波長由大到?。l率由小到大）的順序,依次是無線電波、紅外線、可見光、紫外線、X射線、？寸線特別提醒：1. 從無線電波到?射線都是本質(zhì)相同的電磁波。遵循共同的規(guī)律,但因波長（或頻率）不同又表現(xiàn)出不同的特點。2. 電磁波譜中的各部分沒有嚴格的分界線。無線電波的微波部分和紅外線的一部分重疊，紫外線和X射線的一部分重疊，？射線和X射線的一部分重疊。二、波長不同的電磁波的特點及應用（1）無線電波波長大于1mm®率小300000MHz分為：長波、中波、短波和微波主要用于無線電通訊和廣播。（2）紅外線波長比無線電波短，比可見光長。所有的物體都在不停地發(fā)射紅外線。（溫度越高，輻射能力越強）主要用于遙感、加熱。應用：紅外體溫計、紅外夜視議、紅外攝影、紅外遙感技術等。（3）可見光波長在700nm400nmft入人眼能引起視覺的電磁波叫可見光。分為紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫七色光。波長較短的光比波長較長的光更容易被散射,大氣對波長較短的光吸收也較強。(4)紫外線可見光光譜中的