第十章电磁波与信息技术

第十章电磁波与信息技术姓名：知识点一：认识电磁波1.电磁波的产生：当导体中有方向、大小变化很快的电流通过时，在其周围的空间会产生变化的电场和磁场，这种变化的电场和磁场在空间向四周传播，从而产生了电磁波。

电磁波是由迅速变化的电流产生的。

对于电磁波的产生，要明确两点：一是导线中的电流迅速变化。

在其周围空间产生了电磁波；二是电磁波不是由单一的磁场产生的，而是由变化的电场和变化的磁场相互激发形成的。

也就是说，要判断某一过程中是否形成电磁波或进行有关解释时，关键要抓住”导体中有无迅速变化的电流”这一条件。

“迅速变化的电流”与“变化的电流”不能混为一谈，如果电流的变化过慢，也不会产生电磁波。

2.电磁波的传播：电磁波的传播不需要介质，可以在真空中传播，但金属容器对电磁波具有屏蔽作用。

3.身边的电磁波：在我们的身边，存在着各种各样的电磁波，如由各个广播电台发出的无线电波、各个电视台发出的载有电视信号的电磁波、子机通信的电磁波、无线电报的电磁波，还有各种电磁脉冲产生的有害电磁波等。

4.电磁波不是由单一的磁场产生的，而是由变化的电场和磁场相互激发而产生的。

知识点二：描述电磁波1.波速：光是一种电磁波。

同样电磁波的传播速度与光速相同，在真空中是3×108m/s。

波速用符号C表示2.频率：在1s内完成的周期性变化的次数。

频率是由波源振动的快慢决定的，用符号f表示，单位是Hz。

3.波长：波源振动一次（即完成一次周期性变化）传播的距离（波峰和波峰之间，或波谷和波谷之间的最小间隔），用符号λ表示，单位是m。

4.电磁波的波速、波长和频率之间的关系为：C=λf。

在公式C=λf中，波速C是一定的，所以波长λ与频率f成反比，即电磁波的波长越长，频率越低。

5.电磁波的传播不需要介质，可以在真空中传播，也可以在固体、液体和气体中传播。

所有电磁波在真空中传播速度都相等，大小均为3×108m/s。

知识点三：电磁波谱1.电磁波是个大家族：γ射线、X射线、紫外线、可见光、红外线、无线电波都是电磁波家族中的成员，按电磁波频率的大小排序如下：2.电磁波具有能量。

在电磁波的大家族里，每个成员都具有不同的能量和不同的频率范围。

它们具有不同的物理特性和用途。

如γ射线、X射线的穿透能力很强，利用γ射线可以探测金属中的缺陷，利用X射线可以透视人体或消灭肿瘤；紫外线可以用来灭菌消毒；利用红外线可以成像；利用无线电波可以传递信息等。

水波、声波、电磁波的对比：振源波的形成水波木棍在水中的上下振动通过水使振动向外传播，形成水波声波发声体的往复振动通过空气等介质使振动向外传播，形成声波电磁波导体中有方向、大小变化很快的电流通过可以在真空中或介质中通过变化的电场和变化的磁场相互激发，形成电磁波1.电磁波在信息方面的应用（1）电磁波携带信息，向外辐射电磁波的物质，其固有信息会被电磁波“带”出来，因此可以利用电磁波鉴别物质。

例如，在现代分析化学中，人们利用某物质放出的原子光谱与色谱仪进行比较，根据各种谱线的位置和强度测量某物质中含有哪些元素，由此来鉴别物质。

（2）利用电磁波充当测量或检测工具。

①利用电磁波的反射特性，可以发现目标，测量距离。

如雷达，它向外辐射电磁波，当电磁波遇到障碍物时，就会迅速反射回来，人们根据反射回来的电磁波的时间长短、角度方位便可以测算出障碍物的位置，这是军事上的应用之一。

例如：雷达是利用电磁波来测定物体位置和速度的设备，它可以向一定方向发射电磁波（电磁波在空气中的传播速度约为C=3×108m/s ），当遇到障碍物时要发生反射。

雷达在发射和接收反射回来的电磁波时，在荧光屏上分别呈现出一个尖形波。

如果雷达监视屏上显示的发射和接收的尖形波如图所示，已知雷达监视屏上相邻刻线间表示的时间间隔为10-4s 。

由图可知，电磁波从发射到接收经过的时间t=4×10-4s 。

因此，被监测目标距离雷达的距离为：84411310/41061022s ct m s s m -==⨯⨯⨯⨯=⨯ ②利用电磁波的穿透能力，可以对人体的内部进行检查。

例如热红外扫描仪、核磁共振仪、X 射线断层扫描照相（CT ）仪等，都是利用电磁波探测信息的。

③利用电磁波还可以研究晶体的微观结构，这是研究新材料的重要手段。

例如：利用X 射线可以进行晶体微观结构的研究，它在DNA 双螺旋结构的发现中起到了重要作用。

（3）利用电磁波承载并传播信息，充当信息传播的媒介。

电磁波在信息方面早期的用途主要是电报、广播和电视。

通过适当的过程，把文字、图像、声音等各种信息加入电磁波中，并传到遥远的地方，而远方的用户只需通过收音机、电视机、子机等就可接收到这些信息。

如：卫星转播可以让我们同步收看世界各地的电视节目；实现“神十”的天地对话；手机的应用大大方便了我们的生活等。

无线电广播、电视信号的发射与接收：无线电广播与电视都是利用无线电波来进行信号传播的。

具体来说，无线电广播信号和电视信号的发射与接收由下列设备来完成：①无线电广播信号和电视信号的发射：由广播电台和电视台完成。

话筒或摄像机将声音信号或图像信号转换成音频信号或视频信号，然后用调制器加载到由振荡器（载波发生器）产生的高频电磁波上，再由天线把高频电磁波发射到空中，如图所示。

②无线电广播信号和电视信号的接收：由收音机或电视机完成。

天线接收到空中各种各样的电磁波，用调谐器将载有音频信号或视频信号的高频电磁波从各种电磁波中选取出来，选取出来的载有所需信号的高频电磁波再经检波器（解调器）将音频或视频信号从高频电磁波中检出，检出的音频信号经放大器送到扬声器里，扬声器把音频信号转换为声音；检出的视频信号经放大后送到显像管，还原成图像，如图所示：2.电磁波能量特性的应用（1）太阳能的应用。

太阳光也是电磁波，地球上大气的循环、季节的变换、昼夜温度起伏及生物圈的循环都源于太阳提供的能量。

如太阳能热水器、太阳炉、太阳灶等装置所需的能量都直接来自于太阳；而风力发电站、水力发电站等都间接地利用了太阳能。

可以说，太阳是地球上维持各种生命运动最基本的能量来源。

（2）其他电磁波的应用。

高频电磁波、X 射线、γ射线和激光等都具有巨大的能量，能对所照射的物质产生很强的作用。

它们在医学、机械制造业以及科研活动中都具有广泛的用途。

（3）一切电磁波都具有能量。

3.减少电磁污染：电磁波的应用已成为人类文明的重要标志，但过强、过多的电磁波辐射对人体也是有害的。

研究表明，高压线、变电站、广播电台、电视发射塔、雷达站、通信基站等设施周边的电磁波较为密集，电磁波携带的能量也较大，是电磁污染的重灾区。

为此，国家制定了相关法规口标准，限制建筑物的选址，要求住宅、办公楼与这些设施保持一定的距离，以保障居民的健康。

知识点五：改变世界的信息技术1.卫星通信（1）卫星通信是利用人造地球卫星作为中继站，转发无线电波，进行通信的。

（2）卫星通信的过程是，地面站先将要传输的信号转换成电磁波发射到人造地球卫星，卫星作为中继站，将接收到的电磁波进行处理，并发送给另一个或几个地面站，或转发给另一颗卫星，从而将信号覆盖面扩大，实现信号传输的目的。

（3）作为中继站的人造地球卫星在赤道上空36000千米，绕地球一周的时间恰好与地球自转一周（23小时56分4秒）一致，从地面看上去如同静止不动一样，因此被称为地球同步卫星。

（4）地球同步卫星距离地面很远，卫星通信覆盖区域大，利用三颗适当分布的地球同步卫星即可实现除两极以外的全球通信，如图所示。

卫星通信是目前远距离越洋电话和电视广播信息传播的主要于段。

（5）卫星通信具有远距离传送信号、通信容量大、抗干扰能力强、使用灵活、可靠性高等优点。

（6）卫星通信与通信卫星不同。

卫星通信系统由通信卫星、地面站和信号传输系统组成；而通信卫星是卫星通信中的必要设备。

2.光缆通信：（1）光缆通信是以光波作为信息载体，以光纤作为传输媒介的一种通信方式。

（2）光导纤维（简称“光纤”）是用玻璃制成的，它是一种细小、柔韧并能传输光信号的介质。

由多条光纤组成的传输线就是我们常说的“光缆”。

（3）光纤的主要作用是通信，光缆通信是利用电光转换技术，把电信号转换为光信号，光从光导纤维中一端进人，在其内壁上发生多次反射，最后从另一端射出，把携带的信息传到远方。

（4）光缆通信具有抗干扰能力强、传播距离远、保密性好、传输信息容量大等优点。

激光在光纤中是通过反射向前传播的，在整个传播过程中是不会出现折射现象的。

3.移动通信：（1）移动通信是通信的一方或双方都可以随意移动的通信方式，它是“蜂窝系统”概念和理论在实际中的应用。

（2）当前应用最为普遍的数字蜂窝系统主要由移动台、基站和移动交换中心组成，如图所示。

①移动台就是手机或车载电话。

手机主要用于陆地的移动通信，它既能发射电磁波，又能接收电磁波。

手机虽然体积小、携带方便，但是发射和接收信号的能力都非常有限，因此想要与其他用户通话需要有大型的无线电台一一基站（也称为基地台）转接。

②基站可以将收到的手机信号传递到电话网，也可以将信号从电话网传递到手机。

基站之间是通过与移动交换中心连接并相互协调。

③移动交换中心是整个移动通信网络的核心，所有移动台发来的信息都要经由它分拣、处理、传递。

同时，移动交换中心还担负着移动通信网络与固定电话网（座机），甚至是与互联网连接的任务，是一个业务庞大、头绪繁多的信息枢纽。

练习一、填空题1.医生通过听诊器可以了解病人心脏的工作状况，这是利用了声能够传递的原理；心脏的跳动声是心脏而发出的。

手机不宜挂在胸前，是因为手机发射出的会对人的心脏造成不良影响。

2.光是一种波．图中是某电磁波的波形图，其波长为m．探月卫星距地球指挥中心约3.9×105km ，地球指挥中心向探月卫星发射的指令，经s到达卫星．3.2010年5月1日至10月31日，第四十一届世博会在上海举行。

媒体通过通信卫星利用电磁波把上海世博会的信息及时传递到世界各地。

中央电视台第一套节目发射的电磁波频率为52.5MHz（1MHz=106Hz），则中央电视台第一套节目发射的电磁波波长为m。

4.雷达是现代战争重要的军事装备。

如图所示，若雷达向飞机发射的微波从发出至接收到返回信号所用时间为52µs （1µs=10-6s），在空气中微波的传播速度等于光速，则此时飞机与雷达的距离为m。

5.有一种“隐形飞机”可以有效避开雷达的探测，秘密之一在于它的表面被制成特殊形状，这种形状能够（填“增强”或“减弱”）电磁波反射回雷达设备；秘密之二在于它的外表面涂有一层特殊材料，这种材料能够（填“增强”或“减弱”）对电磁波的吸收作用。

6.海事卫星电话在四川汶川地震救灾中发挥了重要作用，它利用我国自主研制的“北斗一号”卫星定位系统接收和发送信号，卫星接收和发送信号要靠传递。