高中物理新教材同步选择性必修第二册 第4章 3 无线电波的发射和接收

3 无线电波的发射和接收 [学习目标] 1.知道有效地发射电磁波的两个条件.2.了解调制、调幅、调频、电谐振、调谐、 解调在电磁波发射、接收过程中的作用． 一、无线电波的发射 1．要有效地发射电磁波，振荡电路必须具有的两个特点： (1)要有足够高的振荡频率，频率越高，发射电磁波的本领越大． (2)振荡电路的电场和磁场必须分散到尽可能大的空间，因此采用开放电路． 2．实际应用中的开放电路，线圈的一端用导线与大地相连，这条导线叫作地线；线圈的另 一端与高高地架在空中的天线相连． 3．电磁波的调制：在电磁波发射技术中，使载波随各种信号而改变的技术．调制分为调幅 和调频． (1)调幅(AM)：使高频电磁波的振幅随信号的强弱而改变的调制方法． (2)调频(FM)：使高频电磁波的频率随信号的强弱而改变的调制方法． 二、无线电波的接收 1．接收原理：电磁波在传播时如果遇到导体，会使导体中产生感应电流，空中的导体可以 用来接收电磁波，这个导体就是接收天线． 2．电谐振：当接收电路的固有频率跟收到的电磁波的频率相同时，接收电路中产生的振荡 电流最强，这种现象叫作电谐振，相当于机械振动中的共振． (1)调谐：使接收电路产生电谐振的过程． (2)解调：把声音或图像信号从高频电流中还原出来的过程．调幅波的解调也叫检波． 三、电视广播的发射和接收 1．电视广播信号是一种无线电信号，实际传播中需要通过载波将信号调制成高频信号再进 行传播． 2．高频电视信号的三种传播方式：地面无线电传输、有线网络传输以及卫星传输． 3．电视信号的接收：电视机接收到的高频电磁波信号经过解调将得到的信号转变为图像信 号和伴音信号． 判断下列说法的正误． (1)各种频率的电磁振荡都能辐射电磁波，振荡周期越大，越容易辐射电磁波．( × ) (2)为了有效向外辐射电磁波，振荡电路必须采用开放电路，同时提高振荡频率．( √ ) (3)当处于电谐振时，只有被接收的电磁波才能在接收电路中产生感应电流．( × ) (4)调幅就是高频电磁波的振幅随信号的强弱而改变．( √ ) (5)解调就是使声音或图像信号从高频电流中还原出来．( √ ) (6)要使电视机的屏幕上出现图像，必须将电视机接收到的无线电信号解调. ( √ ) 一、无线电波的发射 导学探究 将两根铝管固定在感应圈的两极上，另两根铝管接微安表的表头并固定在绝缘 手柄上，如图1 所示． 图1 (1)接通感应圈电源，把手柄上两铝管平行靠近感应圈上的两铝管，你看到了什么现象？为 什么？ (2)当把感应圈两极上的铝管拆掉后，把手柄靠近感应圈有什么现象？为什么？ 答案 (1)微安表的表头指针偏转，这说明绝缘手柄上的铝管接收到了电磁波．(2)没有装铝 管时，微安表的表头指针不偏转，说明绝缘手柄上的铝管没有接收到电磁波．因为发射电磁 波要有天线． 知识深化 1．有效发射电磁波的条件 要有效地向外发射电磁波，振荡电路必须具有的两个特点： (1)要有足够高的振荡频率．频率越高，振荡电路发射电磁波的本领越大，如果是低频信号， 要用高频信号运载才能将其更有效地发射出去． (2)采用开放电路．采用开放电路可以使振荡电路的电磁场分散到尽可能大的空间，如图2. 图2 2．调制 (1)概念：把要传递的信号“加”到高频等幅振荡电流上，使载波随各种信号而改变. (2)调制的分类 ①调幅：使高频电磁波的振幅随信号的强弱而改变的调制技术，如图3 所示． 图3 ②调频：使高频电磁波的频率随信号的强弱而改变的调制技术，如图4 所示． 图4 为了增大无线电台向空间发射无线电波的能力，对LC 振荡电路的结构可采用下列 哪些措施( ) A．增大电容器极板的正对面积 B．增大电容器极板的间距 C．增大自感线圈的匝数 D．提高供电电压 答案 B 解析 要增大无线电波向空间发射电磁波的能力，必须提高其振荡频率，即减小L 或减小 C，要减小L，可通过减小线圈匝数、向外抽铁芯的方法；要减小C，可采用增大板间距、 减小极板正对面积、减小介电常数的办法，故B 正确． 二、无线电波的接收 1．无线电波的接收原理 利用电磁感应在接收电路产生和电磁波同频率的电流． 2．方法 (1)利用调谐产生电谐振，使接收电路的感应电流最强． (2)利用解调把接收电路中的有用信号分离出来． (3)调谐和解调的区别：调谐就是一个选台的过程，即选携带有用信号的高频振荡电流，在 接收电路中产生最强的感应电流的过程；解调是将高频电流中携带的有用信号分离出来的过 程． 调节收音机的调谐回路时，可变电容器的动片从全部旋入到完全旋出仍接收不到某 较高频率的电台信号，为接收到该电台信号，则应( ) A．加大电源电压 B．减小电源电压 C．增加谐振线圈的圈数 D．减少谐振线圈的圈数 答案 D 解析 由于f＝，C 越小、L 越小，f 越大．动片旋出，正对面积S 减小，C 减小，S 调到最 小，即C 最小时，f 还未达到高频率f0，则必须调节L 减小，即减少谐振线圈的圈数，选项 C 错误，D 正确；频率f 与电源电压无关，选项A、B 错误． 调谐电路的调节，要特别注意三个方面的问题 (1)调节方向：由题中情景准确判断出电路的固有频率应该调大还是调小． (2)频率公式f＝，根据(1)中的调节方向，可进一步准确判定电容C 和电感L 是该调大还是调 小． (3)决定电容和电感大小的因素：决定电容大小的因素是极板正对面积S、极板间距d、介电 常数εr；决定电感大小的因素是线圈匝数、线圈粗细、长短、有无铁芯．这样就可以在(2)的 基础上做出最准确的细微调节． 针对训练 在如图5 所示的电路中，C1＝200 pF，L1＝40 μH，L2＝160 μH，怎样才能使回路 2 与回路1 发生电谐振？发生电谐振的频率是多少？ 图5 答案 改变可变电容器C2的电容，使得C2为50 pF 1.78 MHz 解析 发生电谐振时两电路的固有频率相同．为使回路发生电谐振，可以改变可变电容器 C2，使f2＝f1， 即＝ C2＝＝ pF＝50 pF. 发生电谐振时的频率 f1＝≈1.78×106 Hz＝1.78 MHz. 三、电视广播的发射和接收 关于电视接收的原理，下列说法正确的是( ) A．电视接收天线接收到的电磁波中包括图像信号和伴音信号 B．电视接收天线接收到电磁波，天线上并不产生感应电流 C．电视机接收到电磁波，通过电子枪的扫描显示电视节目的伴音信号 D．电视机接收到电磁波，直接经扬声器得到电视节目的伴音信号 答案 A 解析 电视信号中有图像信号和伴音信号，即电视接收天线接收到的电磁波中包括图像信号 和伴音信号，A 正确；电视接收天线收到电磁波，引起电磁感应，天线上产生感应电流，B 错误；电视机接收到电磁波，然后经过解调还原出图像信号，通过电子枪的扫描显示电视节 目的图像信号，C 错误；电视机接收到电磁波，通过电谐振得到需要的信号，再经过解调还 原出伴音信号，然后送到扬声器得到电视节目的伴音信号，D 错误． 1．(无线电波的发射)(多选)关于电磁波的发射过程，下列说法正确的是( ) A．必须对信号进行调制 B．必须使信号产生电谐振 C．必须把传输信号加到高频电流上 D．必须使用开放电路 答案 ACD 解析 电磁波的发射过程中，一定要对低频输入信号进行调制，把传输信号加到高频电流上， 为了有效地向外发射电磁波，必须使用开放电路，A、C、D 正确．而产生电谐振是在接收 过程，B 错误． 2．(无线电波的发射)(多选)关于调制的作用，下列说法正确的是( ) A．调制的作用是把低频信号的信息加载到高频电磁波上去 B．调制的作用是把低频信号的信息加载到高频电磁波的振幅上去 C．调制的作用是把低频信号的信息加载到高频电磁波的频率上去 D．调制的作用是将低频信号变成高频信号，再放大后直接发射出去 答案 ABC 3.(无线电波的接收)(2019·河北保定一中期中)在如图6 所示的LC 振荡电路中，已知线圈的电 感不变，电容器为可调电容器，开始时电容器的电容为C0，要发生电谐振应使振荡电路的 固有频率加倍．则电容器的电容应变为( ) 图6 A．4C0 B．2C0 C.C0 D.C0 答案 D 解析 由题意，固有频率变为原来的2 倍，即周期变为原来的，由T＝2π 知，L 不变，只有 C＝C0时符合要求，D 正确． 考点一 无线电波的发射 1．(多选)为了有效地把能量以电磁波形式发射到尽可能大的空间，除了使用开放电路，还 可以( ) A．增大电容器极板间的距离 B．减小电容器极板的正对面积 C．减小线圈的匝数 D．采用低频振荡电流 答案 ABC 解析 实行开放电路和提高发射频率是提高电磁波发射能力的两种有效方法；由f＝、C＝ 可知，选项A、B、C 正确，D 错误． 2．为了使需要传递的信息(如声音、图像等)加载到电磁波上发射到远方，必须对振荡电流 进行( ) A．调谐 B．放大 C．调制 D．检波 答案 C 解析 声音、图像信号的频率很低，不能直接发射出去，只有高频电磁波才能向外发射，所 以要用高频电磁波携带着低频信号才能向外发射出去，而把低频信号加到高频电磁波上去的 过程叫调制． 3．电台将播音员的声音转换成如图1 甲所示的电信号，再加载到如图乙所示的高频载波上， 使高频载波的振幅随电信号改变(如图丙所示)．这种调制方式称为( ) 图1 A．调频 B．调谐 C．调幅 D．解调 答案 C 解析 使电磁波随各种信号而改变的技术叫作调制，而调制共有两种方式：一种是调幅，即 通过改变电磁波的振幅来实现信号加载；另一种是调频，即通过改变电磁波的频率来实现信 号加载．由题意可知高频载波的振幅随电信号改变，故为调幅，故选C. 考点二 无线电波的接收 4．(多选)关于电磁波的发射和接收，下列说法中正确的是( ) A．为了使振荡电路有效地向空间辐射能量，电路必须是闭合的 B．音频电流的频率比较低，不能直接用来发射电磁波 C．当接收电路的固有频率与收到的电磁波的频率相同时，接收电路产生的振荡电流最强 D．要使电视机的屏幕上有图像，必须要有检波过程 答案 BCD 解析 有效发射电磁波，必须采用开放电路和高频发射，A 错误；一般的音频电流的频率较 低，不能直接用来发射电磁波，B 正确；接收电磁波时会在接收电路中产生电谐振，与机械 振动中的共振有些相似，C 正确；电视机显示图像时，必须通过检波过程，把有用的信号从 高频调制信号中取出来，否则就不能显示，故D 正确． 5．在无线电广播的接收中，调谐和检波是两个必须经历的过程，下列关于接收过程的顺序， 正确的是( ) A．调谐→高频放大→检波→音频放大 B．检波→高频放大→调谐→音频放大 C．调谐→音频放大→检波→高频放大 D．检波→音频放大→调谐→高频放大 答案 A 解析 调谐是从众多的电磁波中选出所需频率的高频信号，然后进行高频放大，再从放大后 的高频信号中“检”出高频信号所承载的低频声音信号，最后将这些低频声音信号放大后通 过扬声器播放出来，综上所述，A 对． 6．世界各地有许多无线电台同时广播，用收音机一次只能收听到某一电台的播音，而不是 同时收听到许多电台的播音，其原因是( ) A．收听到的电台离收音机最近 B．收听到的电台频率最高 C．接收到的电台电磁波能量最强 D．接收到的电台电磁波与收音机调谐电路的频率相同，产生了电谐振 答案 D 解析 选台就是调谐过程，使f 固＝f 电磁波，在接收电路中产生电谐振激起的感应电流最强． 考点三 电视广播的发射和接收 7．关于电视信号的发射，下列说法中错误的是( ) A．摄像管输出的电信号可以直接通过天线向外发射 B．摄像管输出的电信号必须“加”在高频振荡电流上，才能向外发射 C．伴音信号和图像信号是同步向外发射的 D．电视台发射的是带有信号的高频电磁波 答案 A 解析 摄像管输出的电信号是低频的电流，不能直接发射，必须将其“加”在高频振荡电流 上才能向外发射，伴音信号和图像信号是通过高频电磁波同步向外发射的，故选A. 8．收音机中的调谐电路线圈的电感为L，要想接收波长为λ 的电台信号，应把调谐电路中 电容器的电容调至(c 为光速)( ) A. B. C. D. 答案 D 解析 由T＝2π， 在真空中c＝得，C＝，故选D. 9．(多选)如图2 甲所示是一个调谐接收电路，乙、丙、丁为电路中的电流随时间变化的图 像，则( ) 图2 A．i1是L1中的电流图像 B．i1是L2中的电流图像 C．i2是L2中的电流图像 D．i3是流过耳机的电流图像 答案 ACD 解析 L1中由于电磁感应，产生的感应电流的图像同乙图相似，但是由于L2和D 串联，所 以当L2的电压与D 反向时，电路不通，因此这时L2没有电流，所以L2中的电流图像应是丙 图中的i2.高频部分通过C2，通过耳机的电流如丁图中的i3，只有低频的音频电流，故选项 A、C、D 正确，B 错误． 10．某收音机接收电磁波的波长范围在577 m 和182 m 之间，该收音机LC 电路的可变电容 器的动片全部旋出时，电路总电容为39 pF，试分析：(计算结果均保留三位有效数字) (1)动片全部旋出时，对应收音机接收电磁波的波长为多大？此LC 电路的线圈的电感为多少？ (2)该收音机LC 电路的可变电容器的动片完全旋入时，电容器的电容为多大？ 答案 (1)182 m 0.239 mH (2)392 pF 解析 (1)由λ＝c·T，T＝2π 可得λ＝2πc 动片完全旋出时，电容器极板正对面积最小，由C＝可知，此时电容器的电容最小，电容为 C＝39 pF，所以此时对应的接收电磁波的波长最小，为182 m， 由上面关系式可导出L＝ 代入数据可求出L≈0.239 mH. (2)由λ＝2πc 得＝ 所以Cmax＝Cmin＝×39 pF≈392 pF.