电磁波的发射和接收

【目标】
（一）知识与技能
1．了解无线电波的波长范围。
2．了解无线电波的发射过程和调制的简单概念。
3．了解调谐、检波及无线电波接收的基本原理。
（二）过程与方法
通过观察总结了解无线电波的基本应用，了解现代技术的应用方法，学会基本原理。
（三）情感、态度与价值观
通过对无线电波应用原理的基本认识感悟科学技术的价值和重要性。端正科学态度，培养科学的价值观。
【重点】对本节基本概念的理解。
【教学难点】对调谐的理解，无线电波发射与接收过程。
【教学方法】演示推理法和分析类比法
【教学用具】信号源，示波器，收音机，录音机，调频发射机，计算机多媒体，实物投影仪等。
【教学过程】
（一）引入新课
师：在信息技术高速发展的今天，电磁波对我们来说越来越重要，无论是广播、电视还是无线电通信以及航空、航天中的自动控制和通信联系，都离不开电磁波．在无线电技术中使用的电磁波叫做无线电波，那么无线电波是怎样发射和接收的呢？这节课我们就来学习电磁波的发射和接收。
（二）进行新课
1．无线电波的发射
师：请同学们讨论，在普通LC振荡电路中能否有效地发射电磁波？
学生讨论。
生：在普通LC振荡电路中，电场主要集中在电容器的极板之间，磁场主要集中在线圈内部。在电磁振荡过程中，电场能和磁场能的相互转化主要是在电路内部完成的，辐射出去的能量很少。不能有效地发射电磁波
师：有效地发射电磁波的条件是什么？
学生阅读教材有关内容。
师生总结：要有效地向外发射电磁波，振荡电路要满足如下条件：
（1）要有足够高的振荡频率。
（2）振荡电路的电场和磁场必须分散到尽可能大的空间，才能有效地把电磁场的能量传播出去。
引导学生讨论：如何改造普通的LC振荡电路，才能使它能够有效地发射电磁波？
师生一起讨论后，引出开放电路的概念。将闭合电路变成开放电路就可以有效地把电磁波发射出去。
如图所示，是由闭合电路变成开放电路的示意图。

师：无线电波是由开放电路发射出去的。
讲解：在实际应用中常把开放电路的下端跟地连接。跟地连接的导线叫做地线。线圈上部接到比较高的导线上，这条导线叫做天线。天线和地线形成了一个敞开的电容器，电磁波就是由这样的开放电路发射出去的。电视发射塔要建得很高，是为了使电磁波发射得较远。实际发射无线电波的装置中还需在开放电路旁加一个振荡器电路与之耦合，如图所示。
振荡器电路产生的高频率振荡电流通过L2与L1的互感作用，使L1也产生同频率的振荡电流，振荡电流在开放电路中激发出无线电波，向四周发射．
师：发射电磁波是为了利用它传递某种信号。例如无线电报传递的是电码符号，无线电广播传递的是声音，电视广播传递的不仅有声音，还有图像。这就要求发射的电磁波随信号而改变。电磁波是怎样传递这些信号的呢？
讲解：在电磁波发射技术中，如果把这种电信号“加”到高频等幅振荡电流上，那么，载有信号的高频振荡电流产生的电磁波就载着要传送的信号一起发射出去。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的技术叫做调制。
进行调制的装置叫做调制器。要传递的电信号叫做调制信号。
使高频振荡电流的振幅随调制信号而改变叫做调幅（AM）。
使高频振荡电流的频率随调制信号而改变叫做调频（FM）。
右图是调幅装置的示意图．接在振荡器和线圈之间的话筒就是一个最简单的调制器，由声源发出的声音振动使话筒里的碳粒发生时松时紧的变化，它的电阻也发生时大时小的变化。所以，虽然振荡器产生的是高频等幅振荡电流，但是线圈通过的却是随声音而改变的高频调幅电流．由于线圈的互感作用，从开放电路中发射的也是这种高频调幅电流。这种电磁波叫调幅波。（多媒体演示：调幅波）

（用示波器观察调幅波形）
2．无线电波的接收
师：处在电磁波传播空间中的导体，会产生感应电流，导作中感应电流的频率与激起它的电磁波频率相同，因此，利用放在电磁波传播空间中的导体，就可以接收到电磁波，这样的导体就是接收天线。
在无线电技术中，用天线和地线组成的接收电路来接收电磁波。
讲解：世界上有许许多多的无线电台、电视台以及各种无线电通讯设备，它们不断地向空中发射不同频率的电磁波，这些电磁波强弱不等地弥漫在我们周围。如果不加选择地把它们都接收下来，那必然是信号一片混乱，分辨不清，达不到我们传递信息的目的。所以，接收电磁波时，首先要从诸多的电磁波中把我们需要的选出来，通常叫做选台。这就要设法使我们需要的电磁波在接收天线中激起的感应电流最强。在无线电技术里，是利用电谐振来达到这个目的的。当接收电路的固有频率跟接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。这种现象叫做电谐振，相当于机械振动中的共振。
（用示波器观察电谐振波形）
师：接收电路产生电谐振的过程叫做调谐，能够调谐的接收电路叫做调谐电路。
如图是收音机的调谐电路。调节可变电容器的电容来改变调谐电路的频率，使它跟要接收的电台发出的电磁波的频率相同，这个频率的电磁波在调谐电路里激起较强的感应电流，这样就选出了这个电台。（演示调谐过程）
讲解：收音机接收的经过调制的高频振荡电流（对应图讲解），这种电流通过收音机的耳机或扬声器，并不能使它们振动而发声，为什么呢，假定某一个半周期电流的作用是使振动片向某个方向运动，下一个半周期电流就以几乎同样大的作用使振动片向反方向运动．高频电流的周期非常短，半周期更短，而振动片的惯性相当大，所以在振动片还没有来得及在电流的作用下向某个方向运动的时候，就立刻有一个几乎同样大的作用要使它向反方向运动，结果振动片实际上不发生振动．要听到声音，必须从高频振荡电流中“检”出声音信号，使扬声器(或耳机)中的动片随声音信号振动。
从接收到的高频振荡电流中“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。由于调制的方法不同，检波的方法也不同。检波之后的信号再经过放大、重现，我们就可以听到或看到了。
下面介绍收音机中对调幅波的检波。
右图是晶体二极管的检波电路，是利用晶体二极管的单向导电性来进行检波的。调谐电路中产生的是经过调幅的高频振荡电流，L1和L2绕在同一磁棒上，由于互感作用，在L2上产生的是高频交变电压．由于二极管的单向导电性，通过它的是单向脉动电流，这个单向脉动电流既有高频成分，又有低频的声音信号，高频成分基本从电容器C（复习旁路电容器）通过，剩下的音频电流通过耳机发声。（用示波器观察检波过程）实际上就是一个晶体二极管收音机的电路图．这种收音机声音很小，只能用开机收听本地电台．为了提高收音机的接收性能，需要用放大器把微弱的信号放大．图示是加有放大器的收音机方框图．由天线和调谐电路接收到的高频调幅电流，先通过放大器进行高频放大，然后进行检波和低频放大，放大后的音频电流输送到喇叭，使它们发出声音。
下面我们通过调幅和调频两种方式，来看看无线电波发射和接收的全过程。
（1）调幅发射和接收。（实验演示）
（2）调频发射和接收。（实验演示）
比喻：
高频电流→火车 音频电流→货物
调制→发射→传播→调谐→解调
装货→出站→运行→进站→卸货
师：我们再来看一下无线电波的分段。（投影）
波段波长频率传播方式主要用途
长波30 000 m~3 000 m10 kHz~100 kHz地波超远程无线通讯和导航
中波3 000 m~200 m100 kHz~1 500 kHz地波和天波调幅无线电广播、电报、通信
中短波200 m~50 m1500 kHz~6 000 kHz
短波50 m~10 m6MHz~30 MHz天波
微波米波10 m~1 m30MHz~300MHz近似直线传播调频无线电广播、电视、导航
分米波1 m~0.1 m300 MHz~3 000 MHz直线传播电视、雷达、导航
厘米波10 cm~1 cm3 000 MHz~30 000 MHz
毫米波10 mm~1 mm30000MHz~300 000 MHz
（三）课堂总结、点评
本节课主要学习了以下内容
1．电磁波的产生和发射条件。
2．开放电路的结构和特点。
3．电磁波的发射过程和接收过程
（四）课余作业
完成P92“问题与练习”中的题目。阅读P91“科学足迹”。
预习下一节：电磁波的发射和接收。
附：巩固训练
1．电磁波的调制有哪两种方式？
2．什么叫电谐振？
3．调谐过程中，若接收同一波段内的不同信号，通常是改变电路中哪个元件的值？
4．发射电磁波为什么要用开放电路？
5．接收电磁波信号时，为什么要调谐？
6．调谐电路中可变电容器的动片从完全旋入到完全旋出仍接收不到某较高频率电台发出的电信号，要收到该电台的信号，应该怎么办？
A．增加调谐电路线圈的匝数B．加大电源电压
C．减少调谐电路线圈的匝数D．减小电源电压
参考答案：
1．电磁波的调制有调幅和调频两种方式。
2．当接收电路的固有频率跟接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，这种现象叫电谐振。
3．调谐过程中，通常是改变调谐电路中电容器的电容。
4．振荡电路要有效地向外发射电磁波必须具备两个条件：（1）有足够高的振荡频率.（2）振荡电路的电场和磁场要尽量分散到大的空间，只有开放电路才能满足这两个条件，因此，发射电磁波要使用开放电路。
5．在空间里有大量的不同频率的电磁波传播.要接收到其中某一频率的信号，必须使这一信号在接收电路中引起电谐振，因此必须进行调谐。

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