《電磁波的發(fā)射和接收》教學預案

[本課選自人教版普通高中程標準實驗教科書《物理》（選修3－4）14.3.]

一、教學分析

知識與技能：

1.了解無線電波的波長范圍.

2.了解無線電波的發(fā)射過程和調(diào)制的簡單概念.

3.了解調(diào)諧、檢波及無線電波接收的基本原理.

過程與方法：

通過觀察總結(jié)了解無線電波的基本應用，了解現(xiàn)代技術(shù)的應用方法，學會基本原理.

情感、態(tài)度與價值觀：

通過對無線電波應用原理的基本認識感悟科學技術(shù)的價值和重要性.端正科學態(tài)度，培養(yǎng)科學的價值觀.

二、教學重點

對本節(jié)基本概念的理解.

三、教學難點

對調(diào)諧的理解，無線電波發(fā)射與接收過程.

四、教學方法

演示推理法和分析類比法.

五、教學用具

信號源，示波器，收音機，錄音機，調(diào)頻發(fā)射機，計算機多媒體，實物投影儀等.

六、教學過程

（一）引入新課

師：在信息技術(shù)高速發(fā)展的今天，電磁波對我們來說越來越重要，無論是廣播、電視還是無線電通信以及航空、航天中的自動控制和通信聯(lián)系，都離不開電磁波．在無線電技術(shù)中使用的電磁波叫做無線電波，那么無線電波是怎樣發(fā)射和接收的呢？這節(jié)課我們就來學習電磁波的發(fā)射和接收.

（二）進行新課

1.無線電波的發(fā)射

師：請同學們討論，在普通LC振蕩電路中能否有效地發(fā)射電磁波？（學生討論.）

生：在普通LC振蕩電路中，電場主要集中在電容器的極板之間，磁場主要集中在線圈內(nèi)部.在電磁振蕩過程中，電場能和磁場能的相互轉(zhuǎn)化主要是在電路內(nèi)部完成的，輻射出去的能量很少.不能有效地發(fā)射電磁波.

師：有效地發(fā)射電磁波的條件是什么？（學生閱讀教材有關(guān)內(nèi)容.）

師生總結(jié)：

要有效地向外發(fā)射電磁波，振蕩電路要滿足如下條件：

（1）要有足夠高的振蕩頻率.

（2）振蕩電路的電場和磁場必須分散到盡可能大的空間，才能有效地把電磁場的能量傳播出去.

師：如何改造普通的LC振蕩電路，才能使它能夠有效地發(fā)射電磁波？（引導學生討論.）

（師生一起討論后，引出開放電路的概念.將閉合電路變成開放電路就可以有效地把電磁波發(fā)射出去.）

如圖1所示，是由閉合電路變成開放電路的示意圖.

師：無線電波是由開放電路發(fā)射出去的.

講解：在實際應用中常把開放電路的下端跟地連接.跟地連接的導線叫做地線.線圈上部接到比較高的導線上，這條導線叫做天線.天線和地線形成了一個敞開的電容器，電磁波就是由這樣的開放電路發(fā)射出去的.電視發(fā)射塔要建得很高，是為了使電磁波發(fā)射得較遠.實際發(fā)射無線電波的裝置中還需在開放電路旁加一個振蕩器電路與之耦合，如圖2所示.

振蕩器電路產(chǎn)生的高頻率振蕩電流通過L2與L1的互感作用，使L1也產(chǎn)生同頻率的振蕩電流，振蕩電流在開放電路中激發(fā)出無線電波，向四周發(fā)射．

師：發(fā)射電磁波是為了利用它傳遞某種信號.例如無線電報傳遞的是電碼符號，無線電廣播傳遞的是聲音，電視廣播傳遞的不僅有聲音，還有圖像.這就要求發(fā)射的電磁波隨信號而改變.電磁波是怎樣傳遞這些信號的呢？

講解：在電磁波發(fā)射技術(shù)中，如果把這種電信號“加”到高頻等幅振蕩電流上，那么，載有信號的高頻振蕩電流產(chǎn)生的電磁波就載著要傳送的信號一起發(fā)射出去.把要傳遞的信號“加”到高頻等幅振蕩電流上，使電磁波隨各種信號而改變的技術(shù)叫做調(diào)制.

進行調(diào)制的裝置叫做調(diào)制器.要傳遞的電信號叫做調(diào)制信號.

使高頻振蕩電流的振幅隨調(diào)制信號而改變叫做調(diào)幅（AM）.

使高頻振蕩電流的頻率隨調(diào)制信號而改變叫做調(diào)頻（FM）.

圖3是調(diào)幅裝置的示意圖．接在振蕩器和線圈之間的話筒就是一個最簡單的調(diào)制器，由聲源發(fā)出的聲音振動使話筒里的碳粒發(fā)生時松時緊的變化，它的電阻也發(fā)生時大時小的變化.所以，雖然振蕩器產(chǎn)生的是高頻等幅振蕩電流，但是線圈通過的卻是隨聲音而改變的高頻調(diào)幅電流．由于線圈的互感作用，從開放電路中發(fā)射的也是這種高頻調(diào)幅電流.這種電磁波叫調(diào)幅波.（多媒體演示：調(diào)幅波.）

（用示波器觀察調(diào)幅波形.）

2．無線電波的接收

師：處在電磁波傳播空間中的導體，會產(chǎn)生感應電流，導作中感應電流的頻率與激起它的電磁波頻率相同，因此，利用放在電磁波傳播空間中的導體，就可以接收到電磁波，這樣的導體就是接收天線.

在無線電技術(shù)中，用天線和地線組成的接收電路來接收電磁波.

講解：世界上有許許多多的無線電臺、電視臺以及各種無線電通訊設備，它們不斷地向空中發(fā)射不同頻率的電磁波，這些電磁波強弱不等地彌漫在我們周圍.如果不加選擇地把它們都接收下來，那必然是信號一片混亂，分辨不清，達不到我們傳遞信息的目的.所以，接收電磁波時，首先要從諸多的電磁波中把我們需要的選出來，通常叫做選臺.這就要設法使我們需要的電磁波在接收天線中激起的感應電流最強.在無線電技術(shù)里，是利用電諧振來達到這個目的的.當接收電路的固有頻率跟接收到的電磁波的頻率相同時，接收電路中產(chǎn)生的振蕩電流最強.這種現(xiàn)象叫做電諧振，相當于機械振動中的共振.

（用示波器觀察電諧振波形.）

師：接收電路產(chǎn)生電諧振的過程叫做調(diào)諧，能夠調(diào)諧的接收電路叫做調(diào)諧電路.

如圖6是收音機的調(diào)諧電路.調(diào)節(jié)可變電容器的電容來改變調(diào)諧電路的頻率，使它跟要接收的電臺發(fā)出的電磁波的頻率相同，這個頻率的電磁波在調(diào)諧電路里激起較強的感應電流，這樣就選出了這個電臺.（演示調(diào)諧過程.）

講解：收音機接收的經(jīng)過調(diào)制的高頻振蕩電流（對應圖講解），這種電流通過收音機的耳機或揚聲器，并不能使它們振動而發(fā)聲，為什么呢，假定某一個半周期電流的作用是使振動片向某個方向運動，下一個半周期電流就以幾乎同樣大的作用使振動片向反方向運動.高頻電流的周期非常短，半周期更短，而振動片的慣性相當大，所以在振動片還沒有來得及在電流的作用下向某個方向運動的時候，就立刻有一個幾乎同樣大的作用要使它向反方向運動，結(jié)果振動片實際上不發(fā)生振動．要聽到聲音，必須從高頻振蕩電流中“檢”出聲音信號，使揚聲器(或耳機)中的動片隨聲音信號振動.

從接收到的高頻振蕩電流中“檢”出所攜帶的調(diào)制信號過程，叫做檢波.檢波是調(diào)制的逆過程，因此也叫解調(diào).由于調(diào)制的方法不同，檢波的方法也不同.檢波之后的信號再經(jīng)過放大、重現(xiàn)，我們就可以聽到或看到了.

下面介紹收音機中對調(diào)幅波的檢波.

圖7是晶體二極管的檢波電路，是利用晶體二極管的單向?qū)щ娦詠磉M行檢波的.調(diào)諧電路中產(chǎn)生的是經(jīng)過調(diào)幅的高頻振蕩電流，L1和L2繞在同一磁棒上，由于互感作用，在L2上產(chǎn)生的是高頻交變電壓．由于二極管的單向?qū)щ娦裕ㄟ^它的是單向脈動電流，這個單向脈動電流既有高頻成分，又有低頻的聲音信號，高頻成分基本從電容器C（復習旁路電容器）通過，剩下的音頻電流通過耳機發(fā)聲.（用示波器觀察檢波過程）實際上就是一個晶體二極管收音機的電路圖.這種收音機聲音很小，只能用開機收聽本地電臺.為了提高收音機的接收性能，需要用放大器把微弱的信號放大.圖8是加有放大器的收音機方框圖.由天線和調(diào)諧電路接收到的高頻調(diào)幅電流，先通過放大器進行高頻放大，然后進行檢波和低頻放大，放大后的音頻電流輸送到喇叭，使它們發(fā)出聲音.

下面我們通過調(diào)幅和調(diào)頻兩種方式，來看看無線電波發(fā)射和接收的全過程.

（1）調(diào)幅發(fā)射和接收.（實驗演示.）

（2）調(diào)頻發(fā)射和接收.（實驗演示.）

比喻：

高頻電流→火車 音頻電流→貨物

調(diào)制→發(fā)射→傳播→調(diào)諧→解調(diào)

裝貨→出站→運行→進站→卸貨

師：我們再來看一下無線電波的分段.（投影.）

（三）課堂總結(jié)、點評

本節(jié)課主要學習了以下內(nèi)容：

1.電磁波的產(chǎn)生和發(fā)射條件.

2.開放電路的結(jié)構(gòu)和特點.

3.電磁波的發(fā)射過程和接收過程.

七、課后作業(yè)

完成P92“問題與練習”中的題目.閱讀P91“科學足跡”.

預習下一節(jié)：電磁波的發(fā)射和接收.

八、教學體會

思維方法是解決問題的靈魂，是物理教學的根本；親自實踐參與知識的發(fā)現(xiàn)過程是培養(yǎng)學生能力的關(guān)鍵，離開了思維方法和實踐活動，物理教學就成了無源之水、無本之木.學生素質(zhì)的培養(yǎng)就成了鏡中花，水中月.

附：鞏固訓練

1.電磁波的調(diào)制有哪兩種方式？

2.什么叫電諧振？

3.調(diào)諧過程中，若接收同一波段內(nèi)的不同信號，通常是改變電路中哪個元件的值？

4.發(fā)射電磁波為什么要用開放電路？

5.接收電磁波信號時，為什么要調(diào)諧？

6.調(diào)諧電路中可變電容器的動片從完全旋入到完全旋出仍接收不到某較高頻率電臺發(fā)出的電信號，要收到該電臺的信號，應該怎么辦？

A．增加調(diào)諧電路線圈的匝數(shù)B．加大電源電壓

C．減少調(diào)諧電路線圈的匝數(shù)D．減小電源電壓

參考答案：

1.電磁波的調(diào)制有調(diào)幅和調(diào)頻兩種方式.

2.當接收電路的固有頻率跟接收到的電磁波的頻率相同時，接收電路中產(chǎn)生的振蕩電流最強，這種現(xiàn)象叫電諧振.

3.調(diào)諧過程中，通常是改變調(diào)諧電路中電容器的電容.

4.振蕩電路要有效地向外發(fā)射電磁波必須具備兩個條件：（1）有足夠高的振蕩頻率.（2）振蕩電路的電場和磁場要盡量分散到大的空間，只有開放電路才能滿足這兩個條件，因此，發(fā)射電磁波要使用開放電路.

5.在空間里有大量的不同頻率的電磁波傳播.要接收到其中某一頻率的信號，必須使這一信號在接收電路中引起電諧振，因此必須進行調(diào)諧.

6.C

（作者單位：哈爾濱市松雷中學）