第5章 第3節(jié) 初識電磁波及其應(yīng)用

5/5第5章第3節(jié)初識電磁波及其應(yīng)用收音機是通過接收廣播電臺發(fā)射的電磁波來播放節(jié)目的。將正在播放節(jié)目的收音機放在桌子上，搖動桌面上起電機的手柄，讓起電機的兩個金屬球間產(chǎn)生火花放電，這時我們會發(fā)現(xiàn)收音機播放的節(jié)目受到了干擾而發(fā)出噪聲。難道火花放電也會產(chǎn)生電磁波？電磁波究竟是怎樣產(chǎn)生的？本節(jié)將初步學(xué)習(xí)電磁波的相關(guān)知識，了解電磁波的產(chǎn)生、應(yīng)用及其帶來的影響。1．電磁波的產(chǎn)生我們先來觀察一個實驗。如圖5-33所示，將可拆變壓器帶鐵芯的線圈甲接220V的交流電源，再將連接有小燈泡的閉合線圈乙套入鐵芯，我們會觀察到燈泡發(fā)光。燈泡發(fā)光說明乙線圈產(chǎn)生了感應(yīng)電流。感應(yīng)電流是怎樣產(chǎn)生的呢？圖圖5-33變化的磁場產(chǎn)生電流乙甲線圈甲通有交流電時會產(chǎn)生變化的磁場，使穿過線圈乙的磁通量發(fā)生變化而產(chǎn)生感應(yīng)電流。感應(yīng)電流形成的本質(zhì)是什么？為解釋這類電磁感應(yīng)現(xiàn)象，英國物理學(xué)家麥克斯韋提出，變化的磁場在周圍空間激發(fā)出一種電場，不管有無閉合回路，激發(fā)的電場總是存在的。在上述現(xiàn)象中，正是因為這個電場使閉合回路的自由電子定向移動而形成了電流。麥克斯韋還認為，變化的電場也能夠產(chǎn)生磁場。由此可見，電場和磁場是緊密聯(lián)系在一起的。周期性變化的磁場周圍會產(chǎn)生同期性變化的電場，周期性變化的電場周圍也會產(chǎn)生周期性變化的磁場。變化的電場和變化的磁場相互聯(lián)系在一起，就會在空間形成一個統(tǒng)一的、不可分割的電磁場（electromagneticfiled）。這種在空間交替變化的電磁場傳播出去就形成了電磁波（electromagneticwave）。圖5-34是電磁場傳播形成電磁波的示意圖。圖圖5-34電磁場傳播示意圖EBBEEE麥克斯韋還根據(jù)他提出的電磁場理論，計算得出電磁波的傳播速度恰好與真空中的光速相同。麥克斯韋指出，二者相同并非巧合，光的本質(zhì)也是電磁波。麥克斯韋的這一預(yù)言將電、磁、光的現(xiàn)象統(tǒng)一起來，是牛頓力學(xué)之后物理學(xué)領(lǐng)域又一次大的綜合。1888年，德國物理學(xué)家赫茲（H．Hertz，1857-1894）通過實驗證實了電磁波的存在，從而證實了麥克斯韋電磁場理論，并預(yù)示著無線電技術(shù)的到來。2．電磁波的應(yīng)用1895年，意大利的馬可尼（G．Marconi，1874-1937）成功地進行了距離約3km的無線電通信。幾乎與馬可尼同時，俄國的波波夫（A．Popov，1859-1906）也研制成功了無線電收發(fā)報機。1901年，馬可尼又成功地進行了跨越大西洋的無線電通信，實現(xiàn)了人類歷史上第一次遠距離無線電通信。1906午，美國物理學(xué)家費森登（R．Fessenden，1866-1932）進行了人類歷史上第一次無線電廣播。從此，廣播、通信事業(yè)在全球蓬勃發(fā)展。用無線電波傳遞的聲音或畫面信號被送到發(fā)射天線發(fā)出，收音機或電視機接收到信號后，再將電信號轉(zhuǎn)換為原來的聲音或圖像，我們就能收聽到廣播、看到電視面面了。手機通話是靠一種特殊的無線通信系統(tǒng)來實現(xiàn)的。移動通信所在的服務(wù)區(qū)被劃分成許多看不見的正六邊形服務(wù)小區(qū)，每個服務(wù)小區(qū)中心或角的頂點都設(shè)置無線基站（圖5-35），只要你在服務(wù)小區(qū)內(nèi)打開手機，服務(wù)小區(qū)的無線基站就會白動將手機與移動交換中心接通，再由移動交換中心將電話接人普通電話通信網(wǎng)，接通電話。當(dāng)你邊打電話邊移動到另一個服務(wù)小區(qū)時，原服務(wù)小區(qū)的無線基站會自動把信號轉(zhuǎn)移給新小區(qū)的無線基站，從而保證通話的連續(xù)。圖圖5-35通信網(wǎng)絡(luò)示意圖信息庫移動交換中心無線基站公共電話網(wǎng)絡(luò)雷達是一種用來檢測飛行器、船只等遠距離物體位置的系統(tǒng)。雷達系統(tǒng)由天線、發(fā)射機和接收機組成（圖5-36）。雷達天線發(fā)射高頻電磁波，電磁波遇到障礙物會被反射回來，接收機接收反射信號，根據(jù)信號的返回時間和方向可判斷遠處物體的方位。雷達還可用于預(yù)報天氣、繪制地圖等。圖圖5-36雷達工作原理示意圖振蕩器發(fā)射機信號顯示接收機信號雷達天線發(fā)射的無線電波收發(fā)轉(zhuǎn)換開關(guān)衛(wèi)星通信利用距地面約36000km高處的地球同步衛(wèi)星傳遞微波通信信號。只要在地球高空軌道上設(shè)置三顆同步衛(wèi)星，衛(wèi)星通信網(wǎng)就基本可以覆蓋整個地球表面（圖5-37），進行全球國際通信和電視節(jié)目轉(zhuǎn)播。衛(wèi)星通信具有覆蓋面廣、通信距離長、不受地理環(huán)境限制，以及投資少、見效快等獨特的優(yōu)點。目前，衛(wèi)星通信主要分為國際衛(wèi)星通信、區(qū)域衛(wèi)星通信和國內(nèi)衛(wèi)星通信。圖圖5-37三顆等距離同步衛(wèi)星實現(xiàn)全球閥蓋的示意圖123射電望遠鏡利用接收宇宙中發(fā)射出的電磁波信號來探測宇宙天體。如在必修第二冊中介紹的“中國天眼”已發(fā)現(xiàn)多顆脈沖星，使人類得以窺見宇宙更加深遠的神奇景象。3．電磁污染及防護電磁污染又稱電磁波污染或射頻輻射污染。隨著無線電技術(shù)、微波技術(shù)的迅速發(fā)展和普及，地面電磁輻射的密度和功率大幅度增加，電磁污染已成為一種威脅人類健康的無形污染。電磁輻射會給人們的生產(chǎn)生活帶來不利影響。例如，電磁輻射會干擾通信系統(tǒng)，使自動控制裝置發(fā)生故障，飛機導(dǎo)航儀表發(fā)生錯誤和偏差，影響地面站對人造衛(wèi)星、宇宙飛船的控制等。電磁輻射還會干擾電視信號，使電視圖像不清晰或變形，并發(fā)出令人難以忍受的噪聲。過量的電磁輻射對心臟、血液和眼睛等都有很大的危害。電磁輻射的防護涉及科學(xué)、技術(shù)與社會諸多方面。從物理學(xué)的角度看，可以從電磁波源、電磁波的傳播途徑及受輻射的人這三個方面進行防護。從電磁波源方面來防護，可以通過技術(shù)革新減小電磁波發(fā)射功率，或者采用替代措施，將向空間發(fā)射的電磁波信號改為通過電纜或光纜傳送。從電磁波的傳播途徑方面來防護，可以采用屏蔽的方法，將電磁輻射源與外界隔離，阻止它向外擴散與傳播，或者將電磁輻射源建在遠離人群的地方，使電磁波的強度隨距離的增大而衰減。對于無屏蔽條件或雖然采取了屏蔽措施但不能完全屏蔽的情況，在電磁波輻射區(qū)域工作的人員必須采取個人防護措施，如穿防護衣、戴防護頭盔和防護眼鏡等，以減輕電磁輻射對人體的傷害。素養(yǎng)提升能體會電磁技術(shù)應(yīng)用對人類生活和社會發(fā)展帶來的影響，能理