电磁波及其应用

电磁波及其应用 问题思考： 如图所示，当穿过螺线管的磁场随时间变化时，上面的线圈中会产生感应电动势，引起感应电流使灯泡发光。

线圈中产生感应电动势说明了什么？（变化的磁场在线圈中产生电场，正是这种电场在线圈中引起了感应电流。） 如果线圈不闭合，线圈中还会有电流、电场吗？（有电场，无电流）。 如果用不导电的塑料线绕制线圈，线圈中还会有电流、电场吗？（有电场，无电流）。 想像线圈不存在时线圈所在处的空间还有电场吗？（有）。

一、电磁波的发现 麦克斯韦认为线圈只不过用来显示电场的存在，线圈不存在时，变化的磁场同样在周围空间产生电场。麦克斯韦揭示了电磁感应现象的本质——变化的磁场产生电场。 麦克斯韦继承法拉第关于场是客观存在、电场与磁场统一的思想，根据电现象与磁现象的相似性和变化的磁场能产生电场的概念，经过反复思考提出一个假设：变化的电场也能产生磁场。 有了这一步，麦克斯韦就建立了完整的电磁场理论。

1.麦克斯韦电磁场理论： 变化的磁场能产生电场变化的电场也能产生磁场。变化的电场和变化的磁场总是相互联系着，形成一个不可分离的统一体，这就是电磁场。

说明： （1）变化的磁场能够在周围空间产生电场。这个电场叫感应电场，与由电荷激发的静电场不同，它的电场线是闭合的，它的存在与空间有无导体或电路是否闭合无关。 （2）变化的磁场能在周围空间产生电场。如果磁场变化是均匀的，产生的电场就是稳定的；如果磁场的变化是不均匀的，产生的电场就是变化的。 变化的电场能在周围空间产生磁场。如果电场变化是均匀的，产生的磁场就是稳定的；如果电场的变化是不均匀的，产生的磁场就是变化的。 2、电磁波 （1）定义：电磁场由发生区域在空间由近及远的传播就形成电磁波。 电磁波的存在是麦克斯韦理论导出的必然结论，周期性变化的电场在周围空间产生周期性变化的磁场，周期性变化的磁场在周围空间产生周期性变化的电场，变化的电场（磁场）产生的磁场（电场）不局限于变化电场（磁场）所在处，而是向周围空间扩展出去，形成向外传播的电磁波。 电磁波是否存在的实验是检验麦克斯韦电磁场理论是否正确的试金石。因此，证明了电磁波存在的赫兹实验是在物理学史上起奠基作用的经典实验。

（2）特点： ①电磁波是横波(呈凹凸相间的波形) ②电磁波的传播不需要介质，可以在真空中传播。 ③电磁波在真空中传播的速度等于光速，即：v=c=3×108m/s ④光波也是一种电磁波。

二、电磁波谱 1、电磁波的波长、频率与波速 ①波长λ：两个相邻的凸部(波峰)的中央间的距离或两个相邻的凹部(波谷)的中央间的距离，叫做波长。单位是米（m）

②频率f：单位时间内波峰（或波谷）通过的个数。 单位是赫兹（Hz），常用单位还有千赫（kHz）和兆赫（MHz）。 1MHz=103kHz=106Hz

③波速v:指单位时间内电磁波传播的距离，用来描述波传播的快慢。单位是米每秒（m/s）。 ④波长、频率与波速的关系: 波速=波长×频率，即 2、电磁波谱 电磁波按波长由大到小的顺序排列为：无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线。其性质差别、用途等可概括如下表：

3.电磁波的能量与太阳辐射 由于电磁场具有能量，所以随着电磁波的传播，就有能量的传播。这种以电磁波形式传播出去的能量，叫做幅射能。 太阳辐射是地球上的能量源泉，它源源不断地以电磁波的形式向宇宙空间放射能量，这称为太阳辐射。太阳辐射中包含各种波长的电磁波,能量集中在可见光、红外线和紫外线三个区域内，且波长在黄绿光附近，辐射的能量最强，如图：

三、电磁波的发射和接收 1、无线电波 无线电通信是利用电磁波来传递声音信号和图像信号的。无线电通信中使用的电磁波称为无线电波。通常根据波长或频率把无线电波分成长波、中波、中短波、短波和微波等几个波段。 无线电波主要用于广播、电视、通信和导航等方面。利用电磁波来传递声音和图像信号，均存在电磁波的发射和接收两个过程。

2、无线电波的发射和接收 （1）电磁波的发射过程 ①原理：利用电磁波发送声音和图像信号的工作是由广播电台和电视台来承担的，电台中的振荡器先产生高频振荡电流，同时将声音信号变为电信号，由调制器将这个信号加载到无线电波上，通过发射机的天线将无线电波发射到空中。

②振荡器：产生高频振荡电流的装置。 ③调制器：把高频振荡电流变为带有信号的高频振荡电流的装置。 调制：把要传递的信号“加”到高频等幅振荡电流上，使电磁波随各种信号而改变叫做调制。调制有调幅和调频两种方式。

调幅：使高频振荡电流的振幅随调制信号而改变叫做调幅。 调频：使高频振荡电流的频率随调制信号而改变叫做调频。 调频波的振幅不变，抗干扰能力强，失真小，但其结构比调幅复杂，服务半径也比较小。 （2）电磁波的接收过程 ①原理：声音的接收工作是由收音机来完成的，收音机的接收天线将空中载有信号的电磁波接收下来，经过调谐器的处理后，再经过检波器将声音的电信号取出来，由扬声器将电信号还原成声音。

②调谐器：是从众多频率的电磁波中选出我们需要的某一频率的电磁波，并把它变成电流的装置。

调谐：接收电路产生电谐振的过程叫做调谐。 ③检波器：将声音信号从高频振荡电流中取出来的装置。 检波：从接收到的高频振荡中“检”出所携带的调制信号过程，叫做检波。检波是调制的逆过程，因此也叫解调。

电视和移动电话信号的发射和接收就是利用了这个原理。 四、信息化社会 随着社会的发展，人们之间的联系越来越广泛，对传递信息的手段和技术的要求也就越高。现代信息技术的基础是信息的拾取、传输和处理，人类社会已经进入了信息化时代，传感技术、通信技术和计算机技术应运而生。

1、信息的拾取和传感器 语言、符号和图像是人类特有的三种信息。人类要获取这些信息，必须借助于感觉器官（视觉、听觉、触觉、嗅觉、味觉），将这些信息传递给大脑。但随着技术的发展和社会的进步，这些感觉器官显得不够了，于是出现了各种用途的传感器。如： 双金属温度传感器——由热膨胀系数不同的两金属片组成，随温度变化，金属片伸长不同而发生弯曲，从而控制电路的闭合或断开。 光敏电阻传感器——光敏电阻的阻值随光照的强度而发生变化，从而控制电路中的电流大小。 压力传感器——利用电容器的电容随两极板间距离的变化而变化制成的，以测出压力的变化。电容式话筒就是利用这个关系工作的。

2、信息的传递 信息传播的方式经历了语言的诞生、文字的诞生，印刷术的发明、现代通讯的飞速发展，尤其是电缆、光缆和无线传输更使得信息能够大量传递。

3．信息的处理 对信息的处理有两种方式，即可以把传递的信息转化为模拟信号（用电信号模拟，如电话中的声信号）和数字信号（用数字信息表示，如电报信号）。 数字信号抗干扰能力强、便于加密，便于计算机处理，如正在兴起的数字高清晰度电视，可以给我们提供更清晰的图像。所以各国都在积极发展数字通信。近年来，我国数字通信得到迅速发展，正朝着高速化、智能化、宽带化和综合化方向迈进。 在信息社会，信息作为一种重要的资源和财富，影响中人们的生活，人类社会已经进入了信息化时代。20世纪90年代世界上最大的计算机互联网——因特网出现了爆炸式的发展，是亿万个人用信息联系起来，使更多的人生活得到改善。

典型例题： 例1：关于电磁理论，下面几种说法正确的是：（ ） A.在电场的周围空间一定产生磁场 B.任何变化的电场周围空间一定产生变化的磁场 C.均匀变化的电场周围空间产生变化的磁场 D.振荡电场的周围空间产生变化的振荡磁场

分析与解答：根据麦克斯韦电磁理论，不变化的电场周围不产生磁场，变化的电场周围一定产生磁场；如果电场是均匀变化的，产生的磁场是恒定的；如果电场是周期性（振荡）变化的，产生的磁场将是同频率的周期性（振荡）变化的磁场，反之也成立，故只有D答案正确。

例2、关于电磁波，下列说法中正确的是（ ） A．当导体中有电流时，在它的周围就会产生电磁波 B．电磁波虽然看不见，摸不到，但可以通过我们的感官直接观察它的存在 C．当导体中有振荡电流时，在它的周围空间就会产生电磁波 D．电磁波是电磁场在空间的传播，它只能在介质中传播，真空中不能传播

解答：电磁波是在导体中有振荡电流（即迅速变化的电流）时产生的，稳定的直流电导体周围只产生磁场，电磁波可以在真空中传播，不需要介质，人的感官感觉不到电磁波，则正确答案为 C 。要注意电磁波的产生条件与传播规律。

例3、家庭用微波炉在正常工作时发射的微波的频率是2450MHz，其波长约为（） A．24.5m B．245m C．0.12m D．12m

分析与解答：由 v=λf，得，其中v=3×108m/s， f=2450MHz=2.45×109Hz 代入，得： ，故C正确。 例 4、一般女同学发出的声音的最高频率约为1.1kHz，这样的声音通过中央人民广播电台第二套节目以720kHz向外广播时发出的无线电波的频率是（ ） A．721.1kHz B．720kHz C．718.9kHz D．1.1kHz

解答：利用无线电波发送声音（或图象）信息时，先要把声音（或图象）信息转变为电讯号，然后把它附加在电磁波上发送出去，发送的无线电波的频率就是电台的频率，而不是声音的频率，则正确答案为 B 。 同学们思考一个简单的问题就会明白，同一个明星演唱的同一首歌，声音的频率由歌声特性决定，但这首歌可以由不同的电台（频率不同）向外传播。

例5：自然界中的物体由于具有一定的温度，会不断向外辐射电磁波，这种辐射因与温度有关，称为热辐射。热辐射具有如下特点：①辐射的能量中包含各种波长的电磁波；②物体温度越高，单位时间从物体表面单位面积上辐射的能量越大；③在辐射的总能量中，各种波长所占的百分比不同。 处于一定温度的物体在向外辐射电磁能量的同时，也要吸收由其它物体辐射的电磁能量，如果它处在平衡状态，则能量保持不变。若不考虑物体表面性质对辐射与吸收的影响，我们定义一种理想的物体，它能100%的吸收入射到其表面的电磁辐射，这样的物体称为黑体。单位时间内从黑体表面单位面积辐射的电磁波的总能量与黑体绝对温度的四次方成正比，即P0=δT4，其中常量δ=5.67×10-8W/（m2K4）。 在下面的问题中，把研究对象都简单地看作黑体。 有关数据及数学公式：太阳半径Rs=696000km，太阳表面温度Ts=5770K，火星半径r=3395km。球面积S=4πr2，其中r为球半径。

⑴太阳热辐射能量的绝大多数集中在波长为2×10-7m～1×10-5m范围内，求相应的频率范围。 ⑵每小时从太阳表面辐射的总能量为多少？ ⑶火星受到来自太阳的辐射可认为垂直射到面积为πr2（r为火星半径）的圆盘上，已知太阳到火星的距离约为太阳半径的400倍，忽略其它天体及宇宙空间的辐射，试估算火星的平均温度。