第5章 第3節(jié) 初識(shí)電磁波及其應(yīng)用

5/5第5章第3節(jié)初識(shí)電磁波及其應(yīng)用收音機(jī)是通過(guò)接收廣播電臺(tái)發(fā)射的電磁波來(lái)播放節(jié)目的。將正在播放節(jié)目的收音機(jī)放在桌子上，搖動(dòng)桌面上起電機(jī)的手柄，讓起電機(jī)的兩個(gè)金屬球間產(chǎn)生火花放電，這時(shí)我們會(huì)發(fā)現(xiàn)收音機(jī)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(huì)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(shí)，了解電磁波的產(chǎn)生、應(yīng)用及其帶來(lái)的影響。1．電磁波的產(chǎn)生我們先來(lái)觀察一個(gè)實(shí)驗(yàn)。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(huì)觀察到燈泡發(fā)光。燈泡發(fā)光說(shuō)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(chǎng)產(chǎn)生電流乙甲線圈甲通有交流電時(shí)會(huì)產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，使穿過(guò)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(guó)物理學(xué)家麥克斯韋提出，變化的磁場(chǎng)在周圍空間激發(fā)出一種電場(chǎng)，不管有無(wú)閉合回路，激發(fā)的電場(chǎng)總是存在的。在上述現(xiàn)象中，正是因?yàn)檫@個(gè)電場(chǎng)使閉合回路的自由電子定向移動(dòng)而形成了電流。麥克斯韋還認(rèn)為，變化的電場(chǎng)也能夠產(chǎn)生磁場(chǎng)。由此可見(jiàn)，電場(chǎng)和磁場(chǎng)是緊密聯(lián)系在一起的。周期性變化的磁場(chǎng)周圍會(huì)產(chǎn)生同期性變化的電場(chǎng)，周期性變化的電場(chǎng)周圍也會(huì)產(chǎn)生周期性變化的磁場(chǎng)。變化的電場(chǎng)和變化的磁場(chǎng)相互聯(lián)系在一起，就會(huì)在空間形成一個(gè)統(tǒng)一的、不可分割的電磁場(chǎng)（electromagneticfiled）。這種在空間交替變化的電磁場(chǎng)傳播出去就形成了電磁波（electromagneticwave）。圖5-34是電磁場(chǎng)傳播形成電磁波的示意圖。圖圖5-34電磁場(chǎng)傳播示意圖EBBEEE麥克斯韋還根據(jù)他提出的電磁場(chǎng)理論，計(jì)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(lái)，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(guó)物理學(xué)家赫茲（H．Hertz，1857-1894）通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了電磁波的存在，從而證實(shí)了麥克斯韋電磁場(chǎng)理論，并預(yù)示著無(wú)線電技術(shù)的到來(lái)。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(jìn)行了距離約3km的無(wú)線電通信。幾乎與馬可尼同時(shí)，俄國(guó)的波波夫（A．Popov，1859-1906）也研制成功了無(wú)線電收發(fā)報(bào)機(jī)。1901年，馬可尼又成功地進(jìn)行了跨越大西洋的無(wú)線電通信，實(shí)現(xiàn)了人類歷史上第一次遠(yuǎn)距離無(wú)線電通信。1906午，美國(guó)物理學(xué)家費(fèi)森登（R．Fessenden，1866-1932）進(jìn)行了人類歷史上第一次無(wú)線電廣播。從此，廣播、通信事業(yè)在全球蓬勃發(fā)展。用無(wú)線電波傳遞的聲音或畫面信號(hào)被送到發(fā)射天線發(fā)出，收音機(jī)或電視機(jī)接收到信號(hào)后，再將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為原來(lái)的聲音或圖像，我們就能收聽(tīng)到廣播、看到電視面面了。手機(jī)通話是靠一種特殊的無(wú)線通信系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。移動(dòng)通信所在的服務(wù)區(qū)被劃分成許多看不見(jiàn)的正六邊形服務(wù)小區(qū)，每個(gè)服務(wù)小區(qū)中心或角的頂點(diǎn)都設(shè)置無(wú)線基站（圖5-35），只要你在服務(wù)小區(qū)內(nèi)打開(kāi)手機(jī)，服務(wù)小區(qū)的無(wú)線基站就會(huì)白動(dòng)將手機(jī)與移動(dòng)交換中心接通，再由移動(dòng)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(dòng)到另一個(gè)服務(wù)小區(qū)時(shí)，原服務(wù)小區(qū)的無(wú)線基站會(huì)自動(dòng)把信號(hào)轉(zhuǎn)移給新小區(qū)的無(wú)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(kù)移動(dòng)交換中心無(wú)線基站公共電話網(wǎng)絡(luò)雷達(dá)是一種用來(lái)檢測(cè)飛行器、船只等遠(yuǎn)距離物體位置的系統(tǒng)。雷達(dá)系統(tǒng)由天線、發(fā)射機(jī)和接收機(jī)組成（圖5-36）。雷達(dá)天線發(fā)射高頻電磁波，電磁波遇到障礙物會(huì)被反射回來(lái)，接收機(jī)接收反射信號(hào)，根據(jù)信號(hào)的返回時(shí)間和方向可判斷遠(yuǎn)處物體的方位。雷達(dá)還可用于預(yù)報(bào)天氣、繪制地圖等。圖圖5-36雷達(dá)工作原理示意圖振蕩器發(fā)射機(jī)信號(hào)顯示接收機(jī)信號(hào)雷達(dá)天線發(fā)射的無(wú)線電波收發(fā)轉(zhuǎn)換開(kāi)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(hào)。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(gè)地球表面（圖5-37），進(jìn)行全球國(guó)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(zhǎng)、不受地理環(huán)境限制，以及投資少、見(jiàn)效快等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。目前，衛(wèi)星通信主要分為國(guó)際衛(wèi)星通信、區(qū)域衛(wèi)星通信和國(guó)內(nèi)衛(wèi)星通信。圖圖5-37三顆等距離同步衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)全球閥蓋的示意圖123射電望遠(yuǎn)鏡利用接收宇宙中發(fā)射出的電磁波信號(hào)來(lái)探測(cè)宇宙天體。如在必修第二冊(cè)中介紹的“中國(guó)天眼”已發(fā)現(xiàn)多顆脈沖星，使人類得以窺見(jiàn)宇宙更加深遠(yuǎn)的神奇景象。3．電磁污染及防護(hù)電磁污染又稱電磁波污染或射頻輻射污染。隨著無(wú)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(wú)形污染。電磁輻射會(huì)給人們的生產(chǎn)生活帶來(lái)不利影響。例如，電磁輻射會(huì)干擾通信系統(tǒng)，使自動(dòng)控制裝置發(fā)生故障，飛機(jī)導(dǎo)航儀表發(fā)生錯(cuò)誤和偏差，影響地面站對(duì)人造衛(wèi)星、宇宙飛船的控制等。電磁輻射還會(huì)干擾電視信號(hào)，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(guò)量的電磁輻射對(duì)心臟、血液和眼睛等都有很大的危害。電磁輻射的防護(hù)涉及科學(xué)、技術(shù)與社會(huì)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(gè)方面進(jìn)行防護(hù)。從電磁波源方面來(lái)防護(hù)，可以通過(guò)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(hào)改為通過(guò)電纜或光纜傳送。從電磁波的傳播途徑方面來(lái)防護(hù)，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(kuò)散與傳播，或者將電磁輻射源建在遠(yuǎn)離人群的地方，使電磁波的強(qiáng)度隨距離的增大而衰減。對(duì)于無(wú)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(gè)人防護(hù)措施，如穿防護(hù)衣、戴防護(hù)頭盔和防護(hù)眼鏡等，以減輕電磁輻射對(duì)人體的傷害。素養(yǎng)提升能體會(huì)電磁技術(shù)應(yīng)用對(duì)人類生活和社會(huì)發(fā)展帶來(lái)的影響，能理