《學(xué)習(xí)包-電磁波》導(dǎo)學(xué)案 省賽一等獎(jiǎng)

《學(xué)習(xí)包——電磁波》導(dǎo)學(xué)案從科學(xué)的角度來(lái)說(shuō)，電磁波是能量的一種，凡是能夠釋出能量的物體，都會(huì)釋出電磁波。

電與磁可說(shuō)是一體兩面，變動(dòng)的電會(huì)產(chǎn)生磁，變動(dòng)的磁則會(huì)產(chǎn)生電。電磁的變動(dòng)就如同微風(fēng)輕拂水面產(chǎn)生水波一般，因此被稱為電磁波，而其每秒鐘變動(dòng)的次數(shù)便是頻率。當(dāng)電磁波頻率低時(shí)，主要藉由有形的導(dǎo)電體才能傳遞；當(dāng)頻率漸提高時(shí)，電磁波就會(huì)外溢到導(dǎo)體之外，不需要介質(zhì)也能向外傳遞能量，這就是一種輻射。舉例來(lái)說(shuō)，太陽(yáng)與地球之間的距離非常遙遠(yuǎn)，但在戶外時(shí)，我們?nèi)匀荒芨惺艿疥?yáng)光的光與熱，這就好比是「電磁輻射藉由輻射現(xiàn)象傳遞能量」的原理一樣。

電磁波用的波長(zhǎng)在10～3000米之間，分長(zhǎng)波、中波、中短波、短波等幾種。傳真（電視）用的波長(zhǎng)是3～6米；雷達(dá)用的波長(zhǎng)更短，3米到幾厘米。電磁波有紅外線、可見(jiàn)光、紫外線、X射線、γ射線等。各種光線和射線，也都是波長(zhǎng)不同的電磁波。其中以無(wú)線電的波長(zhǎng)最長(zhǎng)，宇宙射線的波長(zhǎng)最短。

無(wú)線電波3000米～毫米。

紅外線毫米～微米。

可見(jiàn)光微米～微米。

紫外線微米～10毫微米

X射線10毫微米～毫微米

γ射線毫微米～毫微米

宇宙射線小于毫微米

所以無(wú)線電波是電磁波的一種根據(jù)其主要的傳播途徑來(lái)說(shuō)的,無(wú)線電波有三種傳播方式：地波、天波和沿直線傳播的波。

地波沿地球表面附近的空間傳播的無(wú)線電波叫地波。地面上有高低不平的山坡和房屋等障物，根據(jù)波的衍射特性，當(dāng)波長(zhǎng)大于或相當(dāng)于障礙物的尺寸時(shí)，波才能明顯地繞到障礙物的后面。地面上的障礙物一般不太大，長(zhǎng)波可以很好地繞過(guò)它們。中波和中短波也能較好地繞過(guò)，短波和微波由于波長(zhǎng)過(guò)短，繞過(guò)障礙物的本領(lǐng)就很差了。

地球是個(gè)良導(dǎo)體，地球表面會(huì)因地波的傳播引起感應(yīng)電流，因而地波在傳播過(guò)程中有能量損失。頻率越高，損失的能量越多。所以無(wú)論從衍射的角度看還是從能量損失的角度看，長(zhǎng)波、中波和中短波沿地球表面可以傳播較遠(yuǎn)的距離，而短波和微波則不能。

地波的傳播比較穩(wěn)定，不受晝夜變化的影響，而且能夠沿著彎曲的地球表面達(dá)到地平線以外的地方，所以長(zhǎng)波、中波和中短波用來(lái)進(jìn)行無(wú)線電廣播。

由于地波在傳播過(guò)程中要不斷損失能量，而且頻率越高(波長(zhǎng)越短)損失越大，因此中波和中短波的傳播距離不大，一般在幾百千米范圍內(nèi)，收音機(jī)在這兩個(gè)波段一般只能收聽(tīng)到本地或鄰近省市的電臺(tái)。長(zhǎng)波沿地面?zhèn)鞑サ木嚯x要遠(yuǎn)得多，但發(fā)射長(zhǎng)波的設(shè)備龐大，造價(jià)高，所長(zhǎng)波很少用于無(wú)線電廣播，多用于超遠(yuǎn)程無(wú)線電通信和導(dǎo)航等。

天波依靠電離層的反射來(lái)傳播的無(wú)線電波叫做天波。什么是電離層呢？地球被厚厚的大氣層包圍著，在地面上空50千米到幾百千米的范圍內(nèi)，大氣中一部分氣體分子由于受到太陽(yáng)光的照射而丟失電子，即發(fā)生電離，產(chǎn)生帶正電的離子和自由電子，這層大氣就叫做電離層。

電離層對(duì)于不同波長(zhǎng)的電磁波表現(xiàn)出不同的特性。實(shí)驗(yàn)證明，波長(zhǎng)短于10m的微波能穿過(guò)電離層，波長(zhǎng)超過(guò)3000km的長(zhǎng)波，幾乎會(huì)被電離層全部吸收。對(duì)于中波、中短波、短波，波長(zhǎng)越短，電離層對(duì)它吸收得越少而反射得越多。因此，短波最適宜以天波的形式傳播，它可以被電離層反射到幾千千米以外。但是，電離層是不穩(wěn)定的，白天受陽(yáng)光照射時(shí)電離程度高，夜晚電離程度低。因此夜間它對(duì)中波和中短波的吸收減弱，這時(shí)中波和中短波也能以天波的形式傳播。收音機(jī)在夜晚能夠收聽(tīng)到許多遠(yuǎn)地的中波或中短波電臺(tái)，就是這個(gè)緣故。性質(zhì)不同，而且是完全不同的兩個(gè)概念。無(wú)線電可以在任何一種介質(zhì)中傳播，還被用于尋找外星人計(jì)劃中去了。220伏特(V)只是電壓，雖然電流也有電磁場(chǎng)，電磁波，有傳播方向，不能夠但電不是有線電波,沒(méi)有像無(wú)線電傳播的可能，不然我們就被電住了，像這里是120V的。仍是用導(dǎo)線傳輸供電，

頻率從幾十Hz(甚至更低)到3000GHz左右(波長(zhǎng)從幾十Mm到左右)頻譜范圍內(nèi)的電磁波，稱為無(wú)線電波。電波旅行不依靠電線，也不像聲波那樣，必須依靠空氣媒介幫它傳播，有些電波能夠在地球表面?zhèn)鞑ィ行┎軌蛟诳臻g直線傳播，也能夠從大氣層上空反射傳播，有些波甚至能穿透大氣層，飛向遙遠(yuǎn)的宇宙空間。發(fā)信天線或自然輻射源所輻射的無(wú)線電波，通過(guò)自然條件下的媒質(zhì)到達(dá)收信天線的過(guò)程，就稱為無(wú)線電波的傳播。

無(wú)線電波的頻譜，根據(jù)它們的特點(diǎn)可以劃分為表所示的幾個(gè)波段。根據(jù)頻譜和需要，可以進(jìn)行通信、廣播、電視、導(dǎo)航和探測(cè)等，但不同波段電波的傳播特性有很大差別。

電波主要傳播方式

電波傳輸不依靠電線，也不像聲波那樣，必須依靠空氣媒介幫它傳播，有些電波能夠在地球表面?zhèn)鞑ィ行┎軌蛟诳臻g直線傳播，也能夠從大氣層上空反射傳播，有些波甚至能穿透大氣層，飛向遙遠(yuǎn)的宇宙空間。

任何一種無(wú)線電信號(hào)傳輸系統(tǒng)均由發(fā)信部分、收信部分和傳輸媒質(zhì)三部分組成。傳輸無(wú)線電信號(hào)的媒質(zhì)主要有地表、對(duì)流層和電離層等，這些媒質(zhì)的電特性對(duì)不同波段的無(wú)線電波的傳播有著不同的影響。根據(jù)媒質(zhì)及不同媒質(zhì)分界面對(duì)電波傳播產(chǎn)生的主要影響，可將電波傳播方式分成下列幾種：

地表傳播

對(duì)有些電波來(lái)說(shuō)，地球本身就是一個(gè)障礙物。當(dāng)接收天線距離發(fā)射天線較遠(yuǎn)時(shí)，地面就像拱形大橋?qū)烧吒糸_(kāi)。那些走直線的電波就過(guò)不去了。只有某些電波能夠沿著地球拱起的部分傳播出去，這種沿著地球表面?zhèn)鞑サ碾姴ň徒械夭?，也叫表面波。地面波傳播無(wú)線電波沿著地球表面的傳播方式，稱為地面波傳播。其特點(diǎn)是信號(hào)比較穩(wěn)定，但電波頻率愈高，地面波隨距離的增加衰減愈快。因此，這種傳播方式主要適用于長(zhǎng)波和中波波段。

天波傳播

聲音碰到墻壁或高山就會(huì)反射回來(lái)形成回聲，光線射到鏡面上也會(huì)反射。無(wú)線電波也能夠反射。在大氣層中，從幾十公里至幾百公里的高空有幾層“電離層”形成了一種天然的反射體，就像一只懸空的金屬蓋，電波射到“電離層’就會(huì)被反射回來(lái)，走這一途徑的電波就稱為天波或反射波。在電波中，主要是短波具有這種特性。

電離層是怎樣形成的呢？原來(lái)，有些氣層受到陽(yáng)光照射，就會(huì)產(chǎn)生電離。太陽(yáng)表面溫度大約有6000℃，它輻射出來(lái)的電磁波包含很寬的頻帶。其中紫外線部分會(huì)對(duì)大氣層上空氣體產(chǎn)生電離作用，這是形成電離層的主要原因。

電離層一方面反射電波，另一方面也要吸收電波。電離層對(duì)電波的反射和吸收與頻率(波長(zhǎng))有關(guān)。頻率越高，吸收越少，頻率越低，吸收越多。所以，短波的天波可以用作遠(yuǎn)距離通訊。此外，反射和吸收與白天還是黑夜也有關(guān)。白天，電離層可把中波幾乎全部吸收掉，收音機(jī)只能收聽(tīng)當(dāng)?shù)氐碾娕_(tái)，而夜里卻能收到遠(yuǎn)距離的電臺(tái)。對(duì)于短波，電離層吸收得較少，所以短波收音機(jī)不論白天黑夜都能收到遠(yuǎn)距離的電臺(tái)。不過(guò)，電離層是變動(dòng)的，反射的天波時(shí)強(qiáng)時(shí)弱，所以，從收音機(jī)聽(tīng)到的聲音忽大忽小，并不穩(wěn)定。視距傳播、散射傳播及波導(dǎo)模傳播

視距傳播是指：若收、發(fā)天線離地面的高度遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)，電波直接從發(fā)信天線傳到收信地點(diǎn)(有時(shí)有地面反射波)。這種傳播方式僅限于視線距離以內(nèi)。目前廣泛使用的超短波通信和衛(wèi)星通信的電波傳播均屬這種傳播方式。

散射傳播是利用對(duì)流層或電離層中介質(zhì)的不均勻性或流星通過(guò)大氣時(shí)的電離余跡對(duì)電磁波的散射作用來(lái)實(shí)現(xiàn)超視矩傳播。這種傳播方式主要用于超短波和微波遠(yuǎn)距離通信。

超短波的傳播特性比較特殊，它既不能繞射，也不能被電離層反射，而只能以直線傳播。以直線傳播的波就叫做空間波或直接波。由于空間波不會(huì)拐彎，因此它的傳播距離就受到限制。發(fā)射天線架得越高，空間波傳得越遠(yuǎn)。所以電視發(fā)射天線和電視接收天線應(yīng)盡量架得高一些。盡管如此，傳播距離仍受到地球拱形表面的阻擋，實(shí)際只有50km左右。

超短波不能被電離層反射，但它能穿透電離層，所以在地球的上空就無(wú)阻隔可言，這樣，我們就可以利用空間波與發(fā)射到遙遠(yuǎn)太空去的宇宙飛船、人造衛(wèi)星等取得聯(lián)系。此外，衛(wèi)星中繼通訊，衛(wèi)星電視轉(zhuǎn)播等也主要是利用天波傳輸途徑。

波導(dǎo)模傳播電波是指：在電離層下緣和地面所組成的同心球殼形波導(dǎo)內(nèi)的傳播。長(zhǎng)波、超長(zhǎng)波或極長(zhǎng)波利用這種傳播方式能以較小的衰減進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信。

在實(shí)際通信中往往是取以上五種傳播方式中的一種作為主要的傳播途徑，但也有幾種傳播方式并存來(lái)傳播無(wú)線電波的。一般情況下都是根據(jù)使用波段的特點(diǎn)，利用天線的方向性來(lái)限定一種主要的傳播方式。

電磁波是一種橫波.是電場(chǎng)和磁場(chǎng)在空間的振動(dòng).電磁波可以在真空或在介質(zhì)中傳播.真空中電磁波速.為一常數(shù).是宇宙中最快的速度.可見(jiàn)光.紅外光.紫外光.微波和伽瑪射線等都是電磁波.

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō).電磁波就是電磁場(chǎng)(ElectroMagneticRadiation.簡(jiǎn)稱EMR)的波動(dòng).電場(chǎng)的變化產(chǎn)生磁場(chǎng).磁場(chǎng)的變化形成電場(chǎng).電場(chǎng)與磁場(chǎng)交互作用而產(chǎn)生的波動(dòng).稱為電磁波.

電磁波與光和熱相同.屬于一種能量.可透過(guò)空中輻射或?qū)щ婓w等方式傳送,電磁波每秒鐘變動(dòng)的次數(shù)是頻率.在電磁處于高頻率時(shí).電磁波不需要介質(zhì)也能向外傳遞能量.這就是一種輻射.而輻射種類可分為三種:游離輻射.有熱效應(yīng)非游離輻射.無(wú)熱效應(yīng)非游離輻射.

舉凡能夠釋放能量的物體.都會(huì)釋放電磁波.因此.在我們?nèi)粘Ｉ钪?確實(shí)存在大量看不見(jiàn)的電磁波.手提電話釋放的電磁波輻射就是其中一種熟悉的例子.電磁波有哪些特性電磁波頻率低時(shí).主要藉由有形的導(dǎo)電體才能傳遞.原因是在低頻的電振蕩中.磁電之間的相互變化比較緩慢.其能量幾乎全部返回原電路而沒(méi)有能量輻射出去,電磁波頻率高時(shí)即可以在自由空間內(nèi)傳遞.也可以束縛在有形的導(dǎo)電體內(nèi)傳遞.在自由空間內(nèi)傳遞的原因是在高頻率的電振蕩中.磁電互變甚快.能量不可能全部返回原振蕩電路.于是電能.磁能隨著電場(chǎng)與磁場(chǎng)的周期變化以電磁波的形式向空間傳播出去.不需要介質(zhì)也能向外傳遞能量.這就是一種輻射.舉例來(lái)說(shuō).太陽(yáng)與地球之間的距離非常遙遠(yuǎn).但在戶外時(shí).我們?nèi)匀荒芨惺艿疥?yáng)光的光與熱.這就好比是「電磁輻射藉由輻射現(xiàn)象傳遞能量」的原理一樣.

電磁波為橫波.電磁波的磁場(chǎng).電場(chǎng)及其行進(jìn)方向三者互相垂直.振幅沿傳播方向的垂直方向作周期性交變.其強(qiáng)度與距離的平方成反比.波本身帶動(dòng)能量.任何位置之能