1、14.4 电磁波与信息化社会教学目的：1.了解光信号和电信号的转换过程2.了解电视信号的录制、发射和接收过程3.了解雷达的定位原理教学重点：电磁波在信息社会的作用教学难点：电磁波在信息社会的作用教学过程：一、电视和雷达电视电视的历史1927 年，美国人研制出最早的电视机。1928 年，美国通用公司生产出第一台电视机。1925 年，美国开始试验发射一些电视图像，不仅小，而且模糊不清。1927 年，纽约州斯克内克塔迪一家老资格的无线电台开始每周三次进行试验性广播。1939 年，全国广播公司在纽约市试验广播。美国最早的电视机，荧光屏是圆形的，只有 5-9 英寸大，差不多要坐在电视机跟前才能看清。但是
2、，电视很快以惊人的速度冲进了美国人的家庭（第二次世界大战中，电视的发展一度陷入停顿。1947 年美国家庭中约有 14 万台电视机，1949 年达到近100 万台。 1955 年，将近 3000 万台，1960 年，达 6000 万台，于 1951 年问世的彩色电视机以及大屏幕电视机也进入美国人家庭。目前美国约有 l2l 亿台电视机，平均不到两个人就有一台电视机） 。中国最早的电视诞生在 1958 年 3 月 17 日。这天晚上，我国电视广播中心在北京第一次试播电视节目，国营天津无线电厂（后改为天津通信广播公司）研制的中国第一台电视接收机实地接收试验成功。这台被誉为“华夏第一屏”的北京牌 820
3、 型 35cm 电子管黑白电视机，如今摆在天津通信广播公司的产品陈列室里。我国在 1958 年以前还没有电视广播，国内不能生产电视机。1957 年 4 月，第二机械工业部第十局把研制电视接收机的任务交给国营天津无线电厂，厂领导立即组织试制小组，黄仕机同志主持设计。当年，试制组多数成员只有 20 岁上下，他们对电视这门综合电、磁、声、光的新技术极其生疏，没有见过电视机，参考资料也很少，通过对资料、国外样机、样件的研究，他们根据当时国内元器件生产能力和工艺加工水平，制定了“电视接收和调频接收两用、通道和扫描分开供电、采用国产电子管器件”的电视机设计方案。我国第一台电视机的试制成功，填补了我国电视机
4、生产的空白，是我国电视机生产史的起点，今天我国已成为世界电视机生产大国。电视的录制电视在电视发射端，由摄像管（图 18-14）摄取景物并将景物反射的光转换为电信号。摄像镜头把被摄景物的像投射在摄像管的屏上，电子枪发出的电子束对屏上的图像进行扫描。扫描的路线如图所示，从 a 开始，逐行进行，直到b。电子束把一幅图像按照各点的明暗情况，逐点变为强弱不同的信号电流。天线则把带有图像信号的电磁波发射出去。扫描行数：普通清晰度电视（LDTVLow Definition Television 的简称）200-300线，标准清晰度电视（SDTV）500-600 线，高清晰度电视（HDTV）1000 线以上。
5、信号的调制与发射调制过程见图 18-17 甲图。请注意，摄象机无法在屏幕上显现声音信号，因此，这里还有一个同步录音后，将声波（机械波）转换成点信号的过程。最后，图象（电）信息和声音（电）信息都要同时调制在高频载波中去。摄像机在一秒内传送 25 张画面，这些画面都要通过发射设备发射出去。电视接收机也以相同的速率在荧光屏上显现这些画面。由于画面更换迅速，眼睛又有视觉暂留现象，所以我们感觉到的是连续的活动景像。电视信号的接收在电视接收端，天线收到电磁波后产生感应电流，经过调谐、解调等处理，将得到的图像信号送到显像管（图 18-16） ，还原成景物的像。显像管里的电子枪发射的电子束也在荧光屏上扫描，扫
6、描的方式和步调与摄像管的扫描同步。同时，显像管电子枪发射电子束的强弱受图像信号的控制，这样在荧光屏上便出现了与摄像屏上相同的像。电视机天线接收到的电磁波除了载有图像信号外，还有伴音信号。伴音信号经解调取出后送到扬声器。电视技术还广泛应用在工业、交通、文化教育、国防和科学研究等各个方面。现代化的办公室常常用到传真机。电视传递的是活动的图像，而传真传递的是静止的图像，如图表、书信、照片等。传真的原理和电视相似，也是把图像逐点变成电信号，然后通过电话线或其他途经传送出去。介绍：数字电视和等离子电视数字电视是电视数字化和网络化后的产物。相对于传统的模拟电视，它可以同时传输和接收多路视频信号和其他数字化
7、信息，同时令信息数字化存储以便观众随时调用。其图像水平清晰度达到线以上，声音质量也非常高。与传统的模拟电视相比，数字电视的优点体现在：第一，提高了频率资源的利用率。利用数字压缩技术可以在一个标准有线电视模拟频道中传输 410 套电视节目。第二，提高电视信号的传输和接收质量，可以保证用户接收到和前端播出效果基本相同的电视信号。第三，可以提供数据广播。第四，逐步改变观众传统的收视习惯，由被动收看到准视频点播（NVOD ）收看，以至下一步的收看真正的视频点播(VOD) 。频率资源的增加有利于节目数量的增加和频道的专业化，可满足不同观众群体的需要。我国将在 2008 年全面推进数字高清晰度电视，201
8、0 年基本实现数字化，2015 年停止模拟信号的播出。观众家里只要能够收看有线电视，那么，再接上一个机顶盒就可以收看丰富多彩的数字电视了。等离子电视（PDM Plasma Display Monitor 的简称）: 等离子（PDP）是指通过在两张薄玻璃板之间充填混合气体，施加电压使之产生离子气体，然后使等离子气体放电并与基板中的荧光体发生反应，从而产生彩色影像的电视产品。它以等离子管作为发光元件，大量的等离子管排列在一起构成屏幕，每个等离子对应的每个小室内都充有氖氙气体，在等离子管电极间加上高压后，封在两层玻璃之间的等离子管小室中的气体会产生紫外光，并激发平板显示屏上的红绿蓝三基色荧光粉发出可
9、见光。每个等离子管作为一个像素，由这些像素的明暗和颜色变化组合使之产生各种灰度和色彩的图像，类似显像管发光。等离子电视又被称做“壁挂式电视” ，不受磁力和磁场影响，具有机身纤薄、重量轻、屏幕大、色彩鲜艳、画面清晰、亮度高、失真度小、视觉感受舒适、节省空间等优点。目前，常见的等离子电视有 42、52、60 寸。雷达雷达是利用无线电波测定物体位置的无线电设备。电磁波如果遇到尺寸明显大于波长的障碍物就要发生反射，雷达就是利用电磁波的这个特性工作的波长越短的电磁波，传播的直线性越好，反射性能越强，因此雷达用的是微波。雷达的天线可以转动。它向一定的方向发射不连续的无线电波（叫做脉冲） 。每次发射的时间不
10、超过 1ms，两次发射的时间间隔约为这个时间的 100 倍。这样，发射出去的无线电波遇到障碍物后返回时，可以在这个时间间隔内被天线接收。测出从发射无线电波到收到反射波的时间，就可以求得障碍物的距离，再根据发射电波的方向和仰角，便能确定障碍物的位置了。 实际上，障碍物的距离等情况是由雷达的指示器直接显示出来的。当雷达向目标发射无线电波时，在指示器的荧光屏上呈现一个尖形脉冲；在收到反射回来的无线电波时，在荧光屏上呈现第二个尖形脉冲，如图所示。根据两个脉冲的间隔可以直接从荧光屏上的刻度读出障碍物的距离现代雷达往往和计算机相连，直接对数据进行处理。利用雷达可以探测飞机、舰艇、导弹等军事目标，还可以用来
11、为飞机、船只导航。在天文学上可以用雷达研究飞近地球的小行星、慧星等天体，气象台则用雷达探测台风、雷雨云。例题 1.家用微波炉是利用微波的电磁能加热食物的新型灶具，主要由磁控管、波导管、微波加热器、炉门、直流电源、冷却系统、控制系统、外壳等组成，接通电源后，220 V 的交流电经变压器，一方面在次级产生 3.4 V 交流对磁控管加热，同时在次级产生 2 000 V 高压经整流加到磁控管的阴、阳两极之间，使磁控管产生频率为 2 450 MHz 的微波，微波输送至金属制成的加热器（炉腔） ，被来回反射，微波的电磁作用使食物内分子高频地振动而内外同时迅速变热，并能最大限度地保存食物中的维生素.（1）试
12、计算变压器的升压变压比.（2）导体可反射微波，绝缘体可使微波透射，而食物通常含有的成分是_，较易吸收微波能而转换成热，故在使用微波炉时应注意（ )A.用金属容器将食物放入炉内加热 B.用陶瓷容器将食物放入炉内加热C.将微波炉置于磁性材料周围 D.将微波炉远离磁性材料周围思路解析：（1）变压器高压输出 U1=2 000 V，输入电压 U2=220 V，则升压变压比为2Un.10（2）食物通常含有的成分是蛋白质、水、脂肪，易吸收微波能而转换成热，由于导体能反射微波，绝缘体能使微波透射，所以应用陶瓷容器盛放食物，为避免对磁控管的影响，它应远离磁性材料，选 B、D.答案：（1）10011 （2）蛋白质
13、、水、脂肪 BD例题 2.20 世纪 80 年代初，科学家发明了硅太阳能电池，如果在太空设立太阳能卫星电站，可 24 小时发电，且不受昼夜气候的影响.利用微波电能转换装置，将电能转换成微波向地面发送，卫星电站的最佳位置离地 1 100 km 的赤道上空，微波定向性很好，飞机通过微波区不会发生意外，但微波对飞鸟是致命的.可在地面站附近装上保护网或驱逐音响.不让飞鸟通过.预计在 21 世纪初地球上空将升起卫星电站.（地球半径 R=6 400 km）（1）太阳能电池将实现哪种转换（ )A.光能微波 B.光能热能C.光能 电能 D.电能微波（2）在 1 100 km 高空的电站卫星的速度为（ )A.3
14、.1 kms-1 B.7.2 kms-1C.7.9 kms-1 D.2 kms-1（3）微波指（ )A.超声波 B.次声波C.电磁波 D.机械波（4）收音机外壳对微波的哪种作用，使收音机安全无恙（ )A.反射 B.吸收 C.干涉 D.衍射（5）微波对飞鸟是致命的，这是因为微波的（ )A.电离作用 B.穿透作用C.生物电作用 D.产生强涡流思路解析：（1）C（2）据 v= 第一宇宙速度 v1=7.9 kms-1rGM1设卫星电站速度为 v2则 = ,v2=v1 =7.9 km/s=7.2 km/s,选 B12vhRh1064（3）C （4）A（5）微波是频率很高的电磁波，在生物体内可引起涡流，由
15、于电站的功率很大，相应地涡流产生的热量足以将鸟热死.选 D.课堂练习：1.利用雷达测云层距我们观察点距离时，电磁波从发射到吸收共经历时间 10-3 s，则该云层离观测点多远（ )A.100 km B.200 km C.150 km D.250 km思路解析：根据公式 s=vt 可以得，s=3.010 8 10-3 m=1.5105 m=150 km.21答案：C2.在海湾战争中，利用红外线探测仪发现目标飞毛腿导弹，然后将信号发射给通讯卫星，再由通讯卫星发射到美国本部，经计算处理再发出指挥，由原来的通道返回战场发射“爱国者”，对导弹进行拦截，请你粗略估算一下，这信号在空中传播要多长时间，假定地面
16、距离卫星的距离为 36 000 km（ )A.0.12 s B.0.15 s C.0.24 s D.0.1 s思路解析：根据公式 s= 可以得， t=sv= s=0.24 s.v8310.26答案：C3.关于电磁波的接收，下列说法正确的是( )A当处于电谐振时，所有的电磁波仍能在接收电路中产生感应电流B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C由调谐电路接收的感应电流，再经过耳机就可以听到声音了D由调谐电路接收的感应电流，再经过检波、放大，通过耳机才可以听到声音解析 当处于电谐振时，所有的电磁波仍能在接收电路中产生感应电流，只不过频率跟谐振电路固有频率相等的电磁波，在接收
17、电路中激发的感应电流最强由调谐电路接收的感应电流，要再经过检波(也就是解调) 、放大，通过耳机才可以听到声音，故正确答案为 A、D.答案 AD4.目前雷达发射的电磁波频率多在 200 MHz 至 1 000 MHz 的范围内下列关于雷达和电磁波的说法正确的是( )A真空中上述雷达发射的电磁波的波长范围在 0.3 m 至 1.5 m 之间B电磁波是由恒定不变的电场或磁场产生的C测出从发射电磁波到接收反射波的时间间隔可以确定雷达和目标的距离D波长越短的电磁波，反射性能越强解析 由公式 vf 可得， min m0.3 m， max vfmax 31081 000106 vfminm1.5 m，A 正
18、确；电磁波是由周期性变化的电场或磁场产生的，B 错误；3108200106由雷达的工作原理可知 C 正确；波长越短的电磁波，传播的直线性越好，反射性能越强，D 正确答案 ACD5.关于无线电波的发射过程，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必须对信号进行解调D必须使用开放电路答案 AD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，用开放电路发射6要接收到载有信号的电磁波，并通过耳机发出声音，在接收电路中必须经过下列过程中的( )A调幅 B调频 C调谐 D解调答案 CD解析 接收电路中必须通过调谐接收到载有信号的电磁波，再通过解调得到声音信号7下面关于电视
19、的说法中正确的是( )A电视信号的发射、接收过程：景物电信号电磁波电信号图像B摄像机在一秒钟内要传递 24 张画面C显像管是将电信号还原成景物图像的关键部分D由于画面更换迅速和视觉暂留现象使人们看到的是活动的影像答案 ACD8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，接收电路产生的感应电流最强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 有效的发射电磁波，必须采用开放电路和高频发射；一般的音频电流的频率较低，不能直接用来发射
20、电磁波；电磁波接收原理是一种叫电谐振的现象，与机械振动中的共振有些相似；电视机显示图像时，必须通过检波过程，把有效的信号从高频调制信号中取出来，否则就不能显示故 A 错误，B、C、D 正确9简单的、比较有效的电磁波的发射装置，至少应具备以下电路中的( )调谐电路 调制电路 高频振荡电路 开放振荡电路A BC D答案 B解析 比较有效的发射电磁波的装置应该有调制电路、高频振荡电路和开放振荡电路调制电路是把需要发射的信号装载在高频电磁波上，高频振荡电路能产生高频电磁波，开放振荡电路能把电磁波发送的更远而调谐电路是在接收端需要的电路10调谐电路的可变电容器的动片从完全旋出到完全旋入仍接收不到较高频率
21、的电台发出的电信号，要收到该电台的信号，可采用下列何种办法( )A增加调谐电路中线圈的匝数B加大电源电压C减少调谐电路中线圈的匝数D将线圈中的铁芯取走答案 CD解析 当调谐电路的固有频率等于电台发出信号的频率时发生电谐振才能接收到电台信号由题意知收不到电信号的原因是调谐电路固有频率低，由 f 可知，在 C12LC无法再调节的前提下，可减小自感系数 L，即可通过选项 C、D 的操作升高调谐电路的固有频率作业：1如图 1 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象，则( )图 1Ai 1 是 L1 中的电流图象Bi 1 是 L2 中的电流图象Ci 2 是 L2 中的电流图象
22、Di 3 是流过耳机的电流图象答案 ACD解析 L 1中由于电磁感应，产生的感应电流的图象应是乙图由于 L2和 D 串联，所以当 L2中的电流与 D 反向时，电路不通，因此这时 L2中没有电流，所以 L2中的电流图象应是丙图中的 i2.高频部分通过 C2，通过耳机的电流如同丁图中的 i3，只有低频的音频电流，故选项 A、C、D 正确2.雷达应用非常广泛，在交通上可以用来为飞机、轮船导航；在宇宙探索中可用来研究星体，在气象上可以用来探测台风，雷雨、云层等；特别是在军事上应用更广泛.我国沿海某雷达站，发现一架不明国籍的飞机正向我国领空飞来，雷达发出无线电波，经过 2.0010 上标 -4 s，接收
23、到从飞机反射回来的无线电波，10 s 后，该雷达站又发出无线电波，经过 1.8610 上标 -4 s 接收到从飞机反射回来的无线电波，试确定该飞机的飞行速度为多少？思路解析：利用雷达发射和接收无线电波的时间差可以计算出飞机这段时间中间时刻与雷达的距离.飞机的速度v= 22121ttcts= m/s176 m/s.93.0748答案：176 m/s3.早期电视机接收的频道为 112 频道（48.5223.5 MHz）,全频道电视机所接收的频率除了 112 频道外，还包括 1356 频道（470862 MHz） ，试求早期电视机和全频道电视机所接收的无线电波的波长范围.思路解析：不同频率的电磁波的
24、传播速度都相同，根据公式 = 即可算出波长范围.fc根据电磁波的波长、波速和频率的关系式 c=f 和电磁波在真空中的传播速度 c=3108 m/s，分别可得对应于各频道中最低频率和最高频率的波长分别为1= m6.19 m68105.43fc12= m1.35 m682.f13= m0.64 m6831047fc56= m0.35 m68562f所以，早期电视机接收的无线电波的波长范围为 1.35 m6.19 m全频道电视机的接收的无线电波的波长范围为 0.35 m6.19 m.答案：1.35 m6.19 m 0.35 m6.19 m4.某雷达工作时，发射电磁波的波长 =20 cm，每秒脉冲数
25、n=5 000，每个脉冲持续时间 t=0.02 s，问电磁波的振荡频率为多少？最大的侦察距离是多少？思路解析：电磁波在空中的传播速度可认为等于真空中的光速 c，由波速、波长和频率三者间的关系可求得频率，根据雷达荧光屏上发射波形和反射波形间的时间间隔，即可求得侦察距离，为此反射波必须在后一个发射波发出前到达雷达接收器，可见，雷达的最大侦察距离应等于电磁波在雷达发射相邻两个脉冲间隔时间内传播距离的一半.由 c=f，可得电磁波的振荡频率f= Hz=1.5109 Hz28103c电磁波在雷达发射相邻两个脉冲间隔时间内传播的距离s=ct=c( -t)=3108( -0.0210-6) m6104 mn5
26、0所以雷达的最大侦察距离 s=s/2=3104 m=30 km.答案：1.510 9 Hz 30 km5.雷达是用来对目标进行定位的现代化定位系统，海豚也具有完善的声呐系统，它能在黑暗中准确而快速地捕捉食物，避开敌害，远远优于现代化的无线电系统（1）海豚生活在（ )A.沙漠 B.陆地 C.树上 D.海中（2）海豚的定位是利用了自身发射的（ )A.电磁波 B.红外线 C.次声波 D.超声波（3）雷达的定位是利用自身发射的（ )A.电磁波 B.红外线 C.次声波 D.光线思路解析：（1）海豚生活在海中，选 D.（2）海豚能发射超声波，它是一种频率高于 2104 Hz 的声波，它的波长非常短，因而能定向发射，而且在水中传播时因能量损失小，要比无线电波和光波传得远，海豚就是靠自身发出的超声波的回声在混浊的水里准确确定远处的小鱼位置而猛冲过去吞食，选 D.（3）雷达是一个电磁波的发射和接收系统，因而是靠发射电磁波来定位的，选 A.
