理化綜合第7章

1、第七章電磁波與信息時代 你知道微波爐是根據(jù)什么原理來工作的嗎？我們平常用微波爐來加熱食品是因為微波爐內(nèi)有很強的電磁波，這種電磁波波長很短，所以叫做微波。食物的分子在微波的作用下劇烈振動，使得內(nèi)能增加，溫度升高。由于微波可以深入食物的內(nèi)部，所以用微波爐燒飯時食物的內(nèi)部和外部幾乎同時變熟，既省時間又省電。 隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，各種方式的通信在人們的工作、生活中已不可缺少。如電話、手機、廣播、電視、互聯(lián)網(wǎng)等，我們知道廣播電臺是利用發(fā)射無線電波傳播節(jié)目信號的，電視臺也是利用無線電波把圖像信號和伴音信號傳遞給千家萬戶的。那么，無線電波是什么樣的波？它是怎樣產(chǎn)生的？第一節(jié)電磁波的形成與傳播一、電磁波的形成

2、 人類發(fā)現(xiàn)電磁波，經(jīng)歷了漫長的過程。19世紀(jì)60年代，英國物理學(xué)家麥克斯韋(18311879)在總結(jié)前人研究電磁現(xiàn)象成果的基礎(chǔ)上，通過理論分析預(yù)言了電磁波的存在，并建立了完整的電磁場理論。1887年，德國物理學(xué)家赫茲(18571894)終于用實驗驗證了這一預(yù)言，并首次提出“電磁波”這一概念。遺憾的是，赫茲對電磁波的實用價值卻毫無興趣。他曾說：“如果要用電磁波進行無線電通信，大概需要有一面像歐洲大陸那樣大的巨型反射鏡才行?！?898年馬可尼(18741937)使用大功率發(fā)射器，使無線電波傳過英吉利海峽。1901年又實現(xiàn)了從加拿大到英國的跨越大西洋的無線電通信。此后，電磁波迅速得到廣泛的應(yīng)用。 電

3、磁波與水波、聲波相似，具有波速、頻率和波長。電磁波能發(fā)生反射、折射、干涉、衍射等。電磁波與水波、聲波不同的是電磁波可以在真空中傳播。 一種特殊的電路LC振蕩電路可以產(chǎn)生電磁波。二、電磁波的速度 電磁波在不同的介質(zhì)中傳播時，波速不同。在真空中電磁波的傳播速度跟光速相等，即任何電磁波在真空中傳播的速度都是c=3.0108m/s 電磁波在其他介質(zhì)中的傳播速度都比光速小。 波長、頻率和波速的關(guān)系，對于電磁波也是適用的。即 各種電磁波在真空中傳播的速度都是c，因此頻率不同的電磁波的波長不同。不同波長的電磁波有著不同的傳播特性，這里只介紹無線電波的傳播。三、無線電波的傳播 無線電波的傳播方式大致有三種：地

4、波、天波和直線傳播。1.地波 沿地球表面空間傳播的無線電波叫做地波。地面上有高低不平的山坡和房屋等障礙物，無線電波要繞過這些障礙物，才能被各處的接收機收到(見圖7-1)。波的重要特性之一是衍射，當(dāng)波長大于或相當(dāng)于障礙物的尺寸時，波可以繞到障礙物的后面。 地面上的障礙物一般不太大，長波能很好地繞過它們。中波和中短波圖7-1地波傳播也能較好地繞過它們。短波和微波的波長過短，繞過障礙物的本領(lǐng)很差。2.天波 依靠電離層的反射來傳播的無線電波叫做天波。在地球表面的大氣層中，在大約50km到幾百千米的范圍內(nèi)，一部分中性氣體分子由于受到太陽光的照射而發(fā)生電離，分解為帶正電的離子和自由電子，這層大氣就叫做電離

5、層。3.直線傳播 微波又叫超短波，它既不能以地波的形式傳播，又不能依靠電離層的反射以天波的形式傳播。微波的傳播形式跟光相似，是沿直線傳播的。這種沿直線傳播的無線電波叫做空間波。第二節(jié)電磁波的發(fā)射和接收一、電磁波的發(fā)射 麥克斯韋的電磁場理論告訴我們，只要空間某個區(qū)域有振蕩的電場或磁場，就會產(chǎn)生電磁波。我們知道，振蕩電路在發(fā)生電磁振蕩的時候，電容器里的電場和線圈周圍的磁場都在振蕩著。因此，振蕩電路是能夠產(chǎn)生電磁波的。 電磁波從振蕩電路向空間傳播時，電磁場的能量也隨同一起傳播。所以，振蕩電路發(fā)射電磁波的過程，同時也是向外輻射能量的過程。 第一，要有足夠高的頻率。理論研究證明，振蕩電路向外界輻射能量的

6、本領(lǐng)，即單位時間內(nèi)輻射出去的能量與振蕩頻率的四次方成正比。振蕩電路的頻率越高，發(fā)射電磁波的本領(lǐng)越大。 第二，振蕩電路的電場和磁場必須分散到盡可能大的空間，才能更有效地把電磁場的能量傳播出去。 在普通的電容器和線圈組成的振蕩電路中，電場幾乎完全集中在電容器的極板之間，磁場也主要集中在線圈內(nèi)部。在振蕩過程中，電場能和磁場能主要是在電路內(nèi)互相轉(zhuǎn)化.無線電波要繞過這些障礙物，才能被各處的接收機收到(見圖7-1)。波的重要特性之一是衍射，當(dāng)波長大于或相當(dāng)于障礙物的尺寸時，波可以繞到障礙物的后面。二、電磁波的調(diào)制 我們發(fā)射電磁波，是為了利用它來傳遞某種信號。利用無線電廣播傳遞信號，這就要求發(fā)射的電磁波隨信

7、號而改變。在電磁波發(fā)射技術(shù)中，使電磁波隨各種信號而改變叫做調(diào)制。 在無線電發(fā)射機中，有能根據(jù)信號來改變電磁波的裝置調(diào)制器。使高頻振蕩的振幅隨信號而改變叫做調(diào)幅，調(diào)幅廣播一般使用中波和短波波段。經(jīng)過調(diào)幅以后發(fā)射出去的電磁波叫做調(diào)幅波。使高頻振蕩的頻率隨信號而改變叫做調(diào)頻，調(diào)頻廣播和電視廣播采用調(diào)頻的方法來調(diào)制。三、電磁波的接收 電磁波在空間傳播時，如果遇到導(dǎo)體，它就把自己的一部分能量傳給導(dǎo)體，使導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電流。感應(yīng)電流的頻率跟激起它的電磁波的頻率相同。因此，利用放在電磁波傳播空間中的導(dǎo)體，就可以接收到電磁波。在無線電技術(shù)中，用天線和地線組成的接收電路來接收電磁波。 在接收電路中的感應(yīng)電流是載

8、有信號的高頻振蕩電流。要取得我們需要的信號，還需要經(jīng)過調(diào)諧和檢波。下面我們來分別討論它們。 世界上有許許多多的無線電臺，它們發(fā)出的電磁波的頻率各不相同。我們首先要從這些電臺發(fā)出的電磁波中把我們需要的選出來，通常叫做選臺。必須設(shè)法使我們需要的電磁波在接收天線中激起的感應(yīng)電流最強。在無線電技術(shù)里，是利用電諧振來達到這個目的的。當(dāng)接收電路的固有頻率跟接收到的電磁波頻率相同時，接收電路中產(chǎn)生的振蕩電流最強，這種現(xiàn)象叫做電諧振，與機械振動中的共振十分相似。 圖7-6中長虛線的右邊是晶體二極管的檢波電路。圖中D是晶體二極管，它具有單向?qū)щ娦?，即只允許一個方向的電流通過。這里正是利用晶體二極管的單向?qū)щ娦詠?/p>

9、進行檢波的。L1C1調(diào)諧電路由于電諧振而產(chǎn)生的是經(jīng)過調(diào)幅的高頻振蕩電流。 電磁波有一個龐大的家族，根據(jù)它們的頻率或波長，給這個家族編制了一個“家譜”電磁波譜，如圖7-7所示。電磁波的“家族”成員眾多，每個成員的波長或頻率范圍各不一樣，又各有自己的特性，因此，電磁波的應(yīng)用十分廣泛。第三節(jié)電磁波的應(yīng)用 無線電技術(shù)中使用的電磁波叫做無線電波，各種不同頻率的無線電波的波長可從幾毫米到幾十千米。 根據(jù)波長的長短或頻率的高低，無線電波可分成幾個波段，如表7-1所示。一、傳真 無線電傳真是利用電磁波把圖表、文件、照片等圖像信號向遠方傳遞的一種技術(shù)。圖7-8a是傳真機的發(fā)射部分。圖7-8傳真機把要傳遞的圖像貼

10、在滾筒上，滾筒迅速轉(zhuǎn)動，同時裝有光電管、光源和光學(xué)系統(tǒng)的拖板沿著滾筒的軸緩慢移動。光源發(fā)出的光束照射在滾筒的圖像上，從圖像上反射出來的光線經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)射入光電管。滾筒每轉(zhuǎn)動一周，光束就在圖像二、電視 傳真?zhèn)鬟f的是靜止的圖像，而電視傳遞的是活動的影像。下面，簡單介紹一下電視是怎樣工作的。 在電視發(fā)射端，攝取景物并將景物反射的光轉(zhuǎn)換為電信號的過程叫做攝像，這個過程是由攝像管來完成的(見圖7-9)。攝像時，攝像鏡頭將被攝物體的像成在攝像管中的屏上。 電子槍發(fā)出的電子束按一定的規(guī)律偏轉(zhuǎn)，對屏上的圖像進行掃描。掃描的路線如圖7-10所示，從a開始，逐行進行，直到b。把一幅圖像按照各個部分的明暗情況，逐點

11、地變?yōu)閺娙醪煌碾娏鳎瓿晒怆娹D(zhuǎn)換，這就是圖像信號。再用電磁波把得到的圖像信號通過天線發(fā)射出去。 在電視接收端，將電信號還原成像的過程，由電視接收機的顯像管(見圖7-11)來完成。電視接收天線接收到電磁波以后，經(jīng)過調(diào)諧、檢波，將得到的圖像信號送到顯像管。顯像管里的電子槍發(fā)射電子束的強弱受電信號的控制，并且用與攝像管的電子槍相同的方式和步調(diào)進行掃描。這樣，當(dāng)電子束射到顯像管的熒光屏上時，在屏上便出現(xiàn)了與攝像管屏上相同的像。圖7-12是電視廣播的發(fā)射和接收的示意圖。 因為電磁波有反射現(xiàn)象。在高樓林立的城市中收看電視時，電視機屏幕的畫面上常會出現(xiàn)“疊影”，這是載有電視信號的電磁波，被高樓大廈反射后與

12、從電視發(fā)射塔直接發(fā)射來的電磁波，一同進入電視機的接收天線的緣故。三、雷達 雷達是利用無線電波來測定物體位置的無線電設(shè)備。 電磁波同聲波一樣，遇到障礙物要發(fā)生反射，雷達就是利用電磁波的這個特性工作的。波長越短的電磁波，傳播的直線性越好，反射性能越強，因此雷達用的是微波波段的無線電波。 雷達有一個特制的可以轉(zhuǎn)動的天線(見圖7-13)。它能向一定的方向發(fā)射不連續(xù)的無線電波。每次發(fā)射的時間約為1/106s，兩次發(fā)射的時間間隔大約是1/104s。這樣，發(fā)射出去的無線電波遇到障礙物時，可以在這個時間間隔內(nèi)反射回來被天線接收。 熒光屏上呈現(xiàn)出一個尖形波；在收到反射回來的無線電波時，圖7-14在熒光屏上呈現(xiàn)出第二個尖形波(見圖7-14)。根據(jù)兩個波的距離，可直接從熒光屏上的刻度讀出障礙物的距離。利用雷達可以探測飛機、艦艇、導(dǎo)彈以及