第十一章C 学习包——电磁波

本学习包主要学习电磁波的性质及其简单应用,学习过程建议分两个阶段进行:

第一阶段:问题探索

第二阶段:展示交流

第一阶段:问题探索

通过对电磁感应现象的学习,我们已初步了解电与磁之间的相互联系和转化的客观规律。而且,在初中时已接触过一点关于电磁波的知识,知道电磁波有十分广泛的应用。那么,电磁波是怎样产生和传播的呢?电磁波怎样分类?在哪些场合不宜使用手机?在使用微波炉时要注意什么问题?电磁波对人体健康有哪些危害?……总之,在这个“电磁波”学习包的学习中,你可以主动提出许多自己感兴趣的关于电磁波的问题,进行探讨和实验,进一步了解电磁波的应用和发展。

我们已学过,机械振动的能量在介质中以波的形式进行传播。电场和磁场的能量能否传播呢?我们知道,如果在空间某处的电场发生了变化,就会在其周围空间产生磁场。如果磁场也是变化的,那么在它周围又会产生电场。变化的电场和磁场又会在较远的空间引起新的变化的电场和磁场,如图11-17所示。英国物理学家麦克斯韦指出:变化的电场周围会产生磁场,而变化的磁场周围又会产生电场。这种变化的电场和变化的磁场总是交替产生,从而形成了一个不可分割的统一体,并从发生区域向周围空间传播,就形成了电磁波(electromagnetic wave)。电磁波在真空中的传播速度等于光速。

图11-17
图11-17

我们用图11-18所示的A、B两只莱顿瓶(请参阅本节“参考资料8”)来演示电磁波的发射和接收。将A的振子a、b接在感应圈(感应圈是产生高电压的装置)输出端,接通感应圈电源,使A的振子a、b间产生火花,并发射电磁波。将带有氖灯的莱顿瓶B靠近A,调节滑动杆的位置,当A和B的滑动杆位置相同时,可观察到氖灯发光。实验表明,尽管A和B这两个电路之间没有导线相连,但B的能量显然可由A通过电磁波传播过来。

图11-18
图11-18

我们也可以使用DIS微电流传感器(图11-19)在通用软件上做实验,检测多种电磁波信号源(如电动机、电动剃须刀等)的电磁波发射与屏蔽的效果。

图11-19
图11-19

当电磁波发射源距微电流传感器较远时,可以在实验界面上看到有微弱的波形[图11-20(a)]。当两者相距较近时,可以看到波幅明显增大[图11-20(b)]。若将电磁波发射源用铝箔完全包住时,微电流传感器接收不到任何电磁波信号。

图11-20
图11-20

电磁波的传播速度与光速相等。光也是一种电磁波。

电磁波有很宽的频率范围,能在真空中传播,并能穿透绝大多数介质。但不同波长的电磁波表现出的性质有明显差异,因而常把电磁波划分为若干波段。我们把电磁波按波长大小依次排列,就形成了电磁波谱。

关于电磁波谱上各波段电磁波的性质和广泛用途,请同学们查阅本节“参考资料”和“英语角”中所提供的资料。有关的课外书籍或相关网站上也可以寻找到你所需要的相关资料,自己加以整理后,可以在课上进行交流。下述问题可供参考:

1.为什么说人们都生活在电磁波的“海洋”里?举例说明。

2.在电磁波谱中,若以波长从小到大依次排列,共有哪些种类的电磁波?

3.为什么在地铁里也可以照常使用手机?在何种场合不宜使用手机?为什么?

4.微波炉加热食品的原理是什么?使用中应注意哪些问题?

5.你可以提出自己感兴趣的任何有关电磁波的问题,尝试进行探讨和表述。

6.如何利用家用电器,动手实验探究电磁波的发射、接收、反射、屏蔽、干扰等现象?

可参考下述课文中提供的相关小实验,尽可能创造性地做好这些小实验,并争取在课堂上展示。

我们可以利用一些常见的家用电器,如电视机、遥控器、收音机、无绳电话、手机、微波炉、电动剃须刀、验钞器等,做许多关于电磁波的小实验。这些小实验可以显示电磁波的发射、接收、干扰、屏蔽、反射等现象,也可以反映出不同波长的电磁波如紫外线、红外线、微波、无线电波等的不同性质。

现提供以下六个小实验作参考。

(1)电磁波的屏蔽。

打开小收音机,调谐至某一电台以便能听到清晰的播音。然后,找一金属饭盒、金属锅或金属薄膜袋之类的容器,把收音机放入其中(图11-21),直至其全部被覆盖,听听播音有什么变化。为什么?

图11-21
图11-21

结论:___________________________________________________________。

(2)电磁波的反射。

许多家用电器的遥控器都采用红外线(也属于电磁波)遥控的原理,但它有一个有效使用的角度范围。有时遥控器没对准电视机也可以调控电视。如图11- 22所示,用一硬纸板作红外线的反射面,适当调节硬纸板平面与红外线信号方向间的位置关系,就可以实现电视遥控。为什么?

图11-22
图11-22

结论:___________________________________________________________。

(3)紫外线的应用。

有一种小型验钞器(图11-23),它能发射紫外线。若照在纸币上,能显示纸币上的荧光防伪标志。这个小实验说明了紫外线具有怎样一种特殊的性质?

图11-23
图11-23

结论:___________________________________________________________。

(4)微波的热效应。

微波炉是利用微波对食物的加热功能来烹饪的。微波是一种高频电磁波,以每秒24亿次的频率振动,引起水分子的高速振动,从而产生极大的热量。试用微波炉加热一个小番茄,可以看到番茄由于温度升高而发生爆裂的情况(图11-24),这又说明了什么?

图11-24
图11-24

结论:___________________________________________________________。

(5)电磁波的发射和接收。

无绳电话(图11-25)或手机相当于一台电磁波发射机或接收器。使用它们,并研究它们发射或接收信号时,什么情况下会产生障碍,是什么原因造成的?

图11-25
图11-25

结论:___________________________________________________________。

(6)电磁波干扰。

打开收音机,在收音机旁放置一个正在工作的手机或电动剃须刀,可以明显地听到原有的播音受到了干扰(图11-26)。手机的信号或电动剃须刀工作时会对收音机产生干扰。调节干扰源与收音机的方位和距离,看看有什么情况发生?

图11-26
图11-26

结论:___________________________________________________________。

第二阶段:展示交流

除以上小实验外,你是否能利用身边现成的器材,再自行设计一些小实验,进行关于电磁波方面的探索研究?选择一些效果较好的实验在班上演示和交流。

现在,我们一起对学习包的学习进行小结:

1.在电磁波学习包中你做了哪几个家庭物理小实验?

2.除了课文中提示的内容,你还创造性地设计了什么有趣的实验?有否在课堂上进行演示?

3.通过小实验,是否对电磁波有新的感受和更深的理解?

4.通过上网检索,获取了哪些比课本上更丰富、更灵活的相关知识?在检索中曾遇到什么困难?

5.通过查询资料回答:电磁波在何种情况下对人体健康有一定的危害性?自己用物理语言简要地归纳一下。

6.在高一、高二的物埋学习中共经历了四个“学习包”(自由落体运动、太阳能的利用、自动控制与模块机器人、电磁波)的学习,你对“学习包”这种学习方式是否感兴趣?你认为有哪些好处?

参考资料

1.无线电时代的诞生

图11-27
图11-27 麦克斯韦

19世纪60年代,英国物理学家麦克斯韦在分析和总结前人对电磁现象研究的基础上,建立了经典电磁理论,并预言了电磁波的存在。1887年,德国物理学家赫兹(H.R.Hertz,1857—1894)用实验方法首次获得电磁波,证实了麦克斯韦的这一预言。人类从此进入了无线电时代。

2.无线电通信发展简史

1895年,马可尼和波波夫分别发明了用电磁波远距离传递信号的技术;1899年,美国的柯林斯造出了第一个无线电话系统;1906年,费森登在美国建立了第一座播送语言和音乐节目的无线电台;1921年,人类首次实现短波跨洋传播;1925年,英国的贝尔德发明第一台实用电视机;1930年,实现了微波通信……现在,人类可以将文字、声音、数据、图像等信息通过电磁波传向四面八方。

3.手机是如何实现通信的

手机既是一个电磁波的接收器,同时也是一个电磁波的发射器。移动的手机与不移动的基站之间构成了一个可移动的无线通信系统。其工作过程(图11-28)大体是:移动的发话人对手机讲话,手机把声波经变换器转变为电信号,经天线发射出去,载有语音信息的电磁波被基站接收,经变换器转变为电信号发射给另一移动手机,接收方手机接收到电磁波信号,经转换器和发声器转变为声音,为收话人所听到。

图11-28
图11-28

4.为什么在地铁里也能收到手机信号

在地铁里一般是收不到广播和手机的电磁波信号的,这是因为地铁列车在地下隧道中穿行,空中的电磁波能量被厚厚的土壤层所吸收和阻隔,土壤和其中的水分会吸收电磁波的能量,而隧道中的金属框架也会对电磁波起到一定的屏蔽作用。但现在一般都在地铁中建立了相关的信号工作站,所以在地铁晕也可以用手机清晰地通话了。

5.何种场合不宜使用手机

(1)飞行的飞机上。因为手机的高频信号会干扰飞机的通信控制系统,可能会引发飞行事故。所以乘客登机后,乘务员会一再关照大家:“请把您的手机关掉!”

(2)汽车加油站。因手机使用时可能产生火花,会引发火灾。

(3)在医院内。现代医院中有许多先进的电子医疗设备,如核磁共振仪、超声诊断仪、CT、心电图仪等,它们对手机发出的高频信号十分敏感,受到干扰后,可能会造成误诊。

(4)危险地带。如爆破工地、有潜在爆炸危险的工矿地区等,手机高频信号可能会触发爆炸。

(5)雷雨天。雷雨时的闪电会干扰手机信号,使手机工作频率不稳定,也容易引发雷击,造成事故。

6.微波热效应的发现

微波炉中产生大功率微波的元件叫磁控管,它是1940年英国伯明翰大学的斯潘塞教授发明的。1945年,正在工作的斯潘塞发现口袋里的巧克力莫名其妙地融化了。这个一般人可能会轻易忽视的现象,却被富于创新意识的斯潘塞抓住了。他排除了巧克力是被体温所融化的可能,意识到使巧克力融化的能量可能来自磁控管发出的大功率微波。在当年10月,他以“处理食品的一种方法”为名申请了专利。当食品放在一个封闭的空间内,并有足够的时间对食品施加微波能量的话,就能对食品进行加工、烹饪,并达到预定的要求。现在,微波炉在我国已有很高的普及率,其安全、节能、方便、卫生等优点深受大众喜爱。

图11-29
图11-29 家用微波炉的基本构造

7.电磁波谱

不同波长电磁波的产生原理和应用领域常常会有很大区别。因此,人们常把各类电磁波按波长大小依次排成一列,称为电磁波谱。

若按其波长从小到大依次排列,其顺序为:γ射线、X射线、紫外线、可见光(紫、靛、蓝、绿、黄、橙,红)、红外线、无线电波(微波、超短波、短波、中波、长波)等。由于它们的性质不同,因而也有许多不同的用途(图11-30)。

图11-30
图11-30

(1)γ射线(γ-ray)。其波长约在2×10-11m以下,是一种能量很大的光子流。在医疗上用γ射线作为“手术刀”来切除肿瘤,叫做γ刀(图11-31),有很好的治疗效果。

图11-31
图11-31 正准备接受γ刀手术的病人

(2)X射线(X-ray)。波长范围约在10-13~10-9m之间,X射线对不同密度的物质有不同的穿透力。在医学上常用于医疗检查;在飞机场安全检查中,也常用X射线对行李进行透视查验(图11-32)。

图11-32
图11-32

(3)紫外线(ultraviolet ray)。其波长范围约在1×10-9~4×10-7m之间。太阳光中含有紫外线。紫外线能激发荧光,日光灯就是管内紫外线激发涂在灯管内壁上的荧光粉而发出的近似日光的照明灯。紫外线也常用在医学上杀菌和防伪技术上。

(4)可见光(visible light);它是能引起人的视觉感觉的电磁波,其波长范围约在0.39×10-6~0.76×10-6m之间。太阳发出的可见光是由不同比例的七色光(红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫)所混合组成。

(5)红外线(infrared ray)。其波长范围约在0.8×10-6~0.75×10-3m之间,它们会导致物体温度的升高。红外线在特定的红外敏感胶片上能形成热成像,图11-33是人头部的热成像,其中,不同颜色代表不同温度。

图11-33
图11-33

(6)无线电波(radio wave)。波长范围在0.75×10-3~1×104m。无线电波常用于通信(图11- 34)。

图11-34
图11-34

8.莱顿瓶

莱顿瓶是荷兰莱顿大学的几位科学家在1746年研制成功的。莱顿瓶结构如图11-18所示,玻璃圆筒的内外壁都贴上一层银箔,构成一个电容器(一种能存储电荷的器件),能聚集大量电荷,与莱顿瓶的内外层银箔相连接的是两根金属棒,形成一个金属线框。在图11-18的情形中,当莱顿瓶A被充电达一定值后,金属球间会出现电火花放电,同时向周围空间发射电磁波。这时移动莱顿瓶B矩形线框中的带有氖灯的金属滑杆,使A、B两矩形框大小相同时,B就会接收到A发射的电磁波能量而导致氖灯发光。实验显示了电磁波能量的发射和接收的物理现象。

9.蓝牙(Bluetooth)技术

蓝牙技术是一种短距离数字化的无线电技术,它可以在一些小型终端设备(如移动电话、掌上计算机、笔记本计算机等)之间实现低成本、近距离的无线连接,消除了要用各种传输线和接口连接的麻烦,给使用者带来了方便。其通常的连接范围在0.1~10m之间,如增大发送功率,几乎可以将距离延伸至100m。

图11-35
图11-35

蓝牙技术是采用低能耗无线电通信技术来实现语音、数据和视频传输的,能较好地抗信号衰减和抗电磁波干扰,提高了通信的安全性。由于其高频无线电波可以穿透墙壁或玻璃窗,所以在各种小型通信设备之间可以方便而自由地实现无线连接。例如蓝牙手机可以使用语音拨号技术,不用动手只用蓝牙耳机(图11-35)就可以接听或拨打移动电话。用蓝牙数码相机则可随时将图像、声音信息传回家里的电脑中储存,免除连线和受相机存储器容量限制的困扰。随着蓝牙技术的发展,它的应用将拓展到银行、公交、购物等与人们生活密切相关的诸多方面。

英语角

The Electromagnetic Spectrum

Visible light waves form a tiny part of the family of electromagnetic waves which also include radiowaves,microwaves,X-rays and gamma rays.All of these waves travel at the same speed,the speed of light,c,in a vacuum and in air.c=3.0×108m·s-1.The waves differ in their frequency and wavelength.The wave formula v= can still be applied for electromagnetic waves.

Find the wavelength of radiowaves transmitted from an FM station with a transmitting frequency of 98.2 MHz.

Solution:

v=

3.0×108=98.2×106×λ,

λ=\(\frac{{3 \times {{10}^8}}}{{98.2}}\)×10-6=3.05m.

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发布时间:2016/7/15 下午8:43:49  阅读次数:1670

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