第 4 章 第 3 节 电磁波谱

电磁波的范围很广，我们熟悉的可见光、X 射线、 红外线、紫外线都属于电磁波。这些电磁波的频率不同，它们各有怎样的特点？本节我们首先从整体上认识电磁波谱，再了解电磁波谱中各波段的应用。

1．认识电磁波谱

电磁波包括无线电波、红外线、可见光、紫外线、X 射线、γ 射线等，把这些电磁波按波长或频率顺序排列起来，就构成了电磁波谱（图 4-17）。电磁波谱中的各种波有一定的波长范围，它们都具有反射、折射、衍射和干涉的特性；它们在真空中的传播速度均等于光速。

图 4-17 展示了各波段电磁波波长的大致范围及其应用案例。

由电磁波谱可看出，可见光是整个电磁波谱中极为狭窄的一段，波长范围为 4.0×10⁻⁷ ～ 7.6×10⁻⁷ m，颜色依次为紫、靛、蓝、绿、黄、橙、红。它们之间并没有明显的界限，而是逐渐由紫转为红，紫光的波长最短，红光的波长最长。白光是由不同颜色（波长）的光按一定比例形成的混合光，当白光通过三棱镜时，就会分成不同颜色的光。

红外线的波长比红光的波长要长，一般为 7.6×10⁻⁷ ～ 10⁻³ m。红外线具有较强的感光能力，热效应明显。紫外线的波长比紫光的波长短，一般为 10⁻⁸ ～ 4.0×10⁻⁷ m。有些物质如钨酸镁、硅酸锌等，在紫外线的照射下会发出荧光。

无线电波的波长最长。无线电波通常是由电磁振荡电路通过天线发射出去的。无线电波按波长的不同被分为长波、中波、短波、微波等波段。

电磁波谱中，X 射线和 γ 射线的波长相比其他波较短。X 射线的波长范围为 10⁻¹² ～ 10⁻⁸ m。

电磁波谱中各波段主要是按照产生机理和探测的方式不同划分的。随着科学技术的发展，各波段已冲破界限与相邻波段重叠。例如， X 射线的一部分已与紫外线重叠，另一部分也与 γ 射线重叠。

2．不同波段电磁波的应用

（1）无线电波的应用

不同波段内的无线电波具有不同的传播特性。频率越低，传播损耗越小，覆盖距离越远；频率越高，传播损耗越大，覆盖距离越近。

长波波长的范围为 30 000 ～ 3 000 m，频率范围为0.01 ～ 0.1 MHz，主要用于调幅广播及航海导航；中波波长的范围为 3 000 ～ 50 m， 频率范围为 0.1 ～ 6 MHz，主要用于调幅广播及通信；短波波长的范围为50～10 m，频率范围为 6 ～ 30 MHz，主要用于远距离短波通信及调幅广播；微波波长的范围为 10 ～ 0.001 m， 频率范围为 30 MHz ～ 300 GHz，主要用于调频广播、电视、卫星导航和雷达（图 4-18），微波炉可利用高功率的微波对食物进行加热。

（2）红外线和紫外线的应用

1800 年，英国天文学家赫歇尔（W. Herschel，1738—1822）在研究光的温度时发现了红外线。从此，人们开始应用这种具有明显热效应的电磁波来加热物体，如使用红外线烤箱、红外线炉烹饪食物等。人们还利用红外线可使特制底片感光的性质，制成了红外摄影仪、红外遥感器等。

紫外线能使很多物质发出荧光，很容易让底片感光。当适量的紫外线照射人体时，能促使人体合成维生素 D，可预防佝偻病。但是，过量的紫外线则会对人体造成伤害，因此我们在日常生活中要注意防护。大气中的氧气和高空中的臭氧层对紫外线都有很强的吸收作用，能吸收掉太阳光中的大部分紫外线，使地球上的生物免受紫外线的伤害。紫外线还具有杀菌作用，如医院常常利用紫外线进行消毒，人们经常在太阳下晾晒被褥等，都是利用了紫外线的这一特性。银行则利用紫外线灯鉴别钞票的真伪。

人们发明了一些特殊的仪器来探测红外线和紫外线。图 4-19 是用特殊照相机拍摄的花朵在可见光、红外线、紫外线下的照片。

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气象卫星

气象卫星装有可见光和红外辐射仪、微波辐射仪等观测气象的遥感仪器。它就像一座运行在太空的气象站，可探测到地球上任何地区的气象信息（图 4-20），并能迅速将气象资料传送到地面气象卫星中心和各地的接收站，及时作出天气预报。气象卫星分为太阳同步极地轨道气象卫星和地球同步卫星两类。在气象预测过程中，卫星云图的拍摄方式有两种，一种是借助地球上物体对太阳光的反射拍摄的可见光云图，另一种是借助地球表面物体和大气层的热辐射拍摄的红外云图。

（3）X 射线和 γ 射线的应用

X 射线的穿透力较强，在医学上常用 X 光照片辅助进行疾病诊断（图 4-21）。但长期暴露在 X 射线下，会对人体造成很大的伤害，如导致自主神经功能紊乱、造血功能低下，甚至诱发肿瘤等。

γ 射线是从原子核内发出来的电磁波， 一般的放射性物质或原子核反应都能辐射出γ 射线。γ 射线的能量较高，穿透力很强，对生物的破坏力很大。医学上常用 γ 射线来杀死癌细胞。γ 射线进入人体内部，会干扰人体内正常的化学过程，甚至可使细胞死亡。

素养提升

能了解电磁波、电磁波谱的内涵，知道电磁波的产生、传播和接收；能解释生产生活中与电磁波有关的现象，能说明人们对电磁波的应用。具有与电磁波相关的物质观念、相互作用观念和能量观念。

能体会电磁波的应用对人类生活和社会发展的影响。

——物理观念，科学态度与责任

节练习

1．红外线在现代生产生活中有着广泛的应用。请举例说明。

【参考解答】根据红外线的热作用比较强的特性，制成热谱仪、红外线夜视仪、红外线体温计等；根据红外线可以进行遥控的特性，制成电视、空调遥控器的。

2．关于电磁场和电磁波，下列说法正确的是

A．把带电体和永磁体放在一起，可在其周围空间中产生电磁波

B．手机、电视、光纤通信都是通过电磁波来传递信息的

C．医院中用于检查病情的“B 超”是利用了电磁波的反射原理

D．车站、机场安全检查时“透视”行李箱的安检装置利用的是红外线

【参考解答】B

3．下列说法正确的是

A．北斗导航系统利用电磁波进行定位和导航

B．微波炉利用红外线的热效应快速加热食物

C．常用的电视机遥控器通过发出紫外线脉冲信号来遥控电视机

D．红外线探测器通过接收物体发出的红外线来探测被测物体的特征

【参考解答】AD

4．某微波炉使用波长 λ = 12 cm 的微波，这种微波的频率是多少？

【参考解答】2.5×10⁹ Hz

5．某地的雷达站正在跟踪一架向雷达站匀速飞来的飞机。设某一时刻从雷达发出电磁波到再接收到反射波历时 t₁ = 200 μs。经 t = 4 s 后又发出一个电磁波，从发出电磁波到再接收到反射波历时 t₂ = 186 μs。求该飞机的飞行速度 v。

【参考解答】525 m/s

发布时间：2022/12/25 12:27:16  阅读次数：1634