第十六單元電磁振蕩與電磁波傳感器講義上海市高三物理二輪專題等級總復(fù)習(xí)精講

第十六單元電磁振蕩與電磁波傳感器目錄TOC\o"13"\h\u第1講電磁振蕩、電磁波及電磁波的應(yīng)用 1第2講傳感器 9課標(biāo)要求:1.初步了解麥克斯韋電磁場理論的基本思想,初步了解場的統(tǒng)一性與多樣性,體會物理學(xué)對統(tǒng)一性的追求。2.通過實驗,了解電磁振蕩。3.知道電磁波的發(fā)射、傳播和接收。4.認(rèn)識電磁波譜。知道各個波段的電磁波的名稱、特征和典型應(yīng)用。5.知道非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量的技術(shù)意義6.通過實驗,了解常見傳感器的工作原理。會用傳感器制作簡單的自動控制裝置。7.列舉傳感器在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用。知識結(jié)構(gòu)第1講電磁振蕩、電磁波及電磁波的應(yīng)用內(nèi)容梳理【概念規(guī)律】1.電磁振蕩(以LC振蕩電路為例)(1)產(chǎn)生:在LC振蕩電路中,電容器不斷地__________和__________,就會使電容器極板上的電荷量q、電路中的電流i、電容器內(nèi)的電場強度E、線圈內(nèi)的磁感應(yīng)強度B發(fā)生周期性的變化,這種現(xiàn)象就是__________。(2)周期和頻率周期:__________,頻率:f=12πLC2.電磁波(1)麥克斯韋電磁場理論變化的磁場能夠在周圍空間產(chǎn)生__________,變化的電場能夠在周圍空間產(chǎn)生__________。(2)電磁波①電磁場在空間由近及遠(yuǎn)地向周圍傳播,形成__________。②電磁波的傳播不需要__________,可在真空中傳播,在真空中不同頻率的電磁波傳播速度相同(都等于光速)。③不同頻率的電磁波,在同一介質(zhì)中傳播,其速度是不同的,頻率越高,波速越__________。④v=(3)電磁波的發(fā)射與接收①發(fā)射電磁波需要開放的高頻振蕩電路,并對電磁波根據(jù)信號的強弱進行__________(兩種方式:調(diào)幅、調(diào)頻)。②接收電磁波需要能夠產(chǎn)生電諧振的調(diào)諧電路,再把信號從高頻電流中__________出來,調(diào)幅波的解調(diào)也叫__________。(4)電磁波譜按照電磁波的__________或波長的大小順序把它們排列成譜.按波長由長到短排列的電磁波譜為:無線電波、紅外線、__________、紫外線、X射線、γ射線。答案:1.充電放電電磁振蕩T2.電場磁場電磁波介質(zhì)小調(diào)制解調(diào)檢波頻率可見光【問題情境舉隅】驗證電磁波裝置1886年,赫茲通過自制的實驗裝置如圖裝置證實了電磁波的存在。儀器中有一對拋光的金屬小球,兩球之間有很小的空氣間隙。將兩個球連接到產(chǎn)生高電壓的感應(yīng)圈的兩端時,兩球之間就出現(xiàn)了火花放電。赫茲實驗原理示意圖電磁振蕩電路如圖所示電路圖連接電路,將開關(guān)撥到1,給電容器充電。然后把開關(guān)撥到2,注意觀察靈敏電流計指針左右擺動,擺幅逐漸減小,最后指針停在零點位置。上述過程可以周而復(fù)始地進行,就產(chǎn)生了方向和大小隨時間做周期性變化的振蕩電流,與振蕩電流相聯(lián)系的電場和磁場也周期性交替變化,電場能和磁場能相互轉(zhuǎn)化,這種現(xiàn)象稱為電磁振蕩。電磁振蕩電路關(guān)鍵點撥麥克斯韋電磁場理論【例題1】下列說法中正確的是 ()A.變化的磁場不能產(chǎn)生電場B.不均勻變化的電場產(chǎn)生均勻變化的磁場,均勻變化的磁場產(chǎn)生不均勻變化的電場C.麥克斯韋證實了電磁波的存在D.電磁波能在真空中傳播課堂筆記:________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________?！军c撥1】當(dāng)空間某處存在隨時間不均勻變化的電場時,周圍空間會產(chǎn)生隨時間不均勻變化的磁場,而這又會在空間產(chǎn)生新的電場……這樣,變化的電場和磁場就會由近及遠(yuǎn)地向周圍傳播,從而形成變化電磁場在空間的傳播,這就是電磁波。均勻變化的磁場產(chǎn)生穩(wěn)定的電場,非均勻變化的磁場產(chǎn)生變化的電場;不均勻變化的電場,產(chǎn)生變化的磁場,均勻變化的磁場一定產(chǎn)生穩(wěn)定的電場。電磁波是一種能量形式,它可以在真空中傳播也可以在其他介質(zhì)中傳播。電磁振蕩【例題2】在某時刻的LC振蕩電路中,電容器中的電場方向和線圈中的磁場方向如圖所示。此時電容器在充電還是放電?電路中電流在增大還是減小?為什么?課堂筆記:________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________?！军c撥2】在LC振蕩電路中,當(dāng)電容器充電時,電流在減小,電容器上的電荷量增大,磁場能轉(zhuǎn)化為電場能;當(dāng)電容器放電時,電流在增大,電容器上的電荷量減小,電場能轉(zhuǎn)化為磁場能。電磁波的發(fā)射與接收【例題3】電視機的室外天線能把電信號接收下來,原因是 ()A.天線處于變化的電磁場中,產(chǎn)生的電流輸送給LC回路B.天線只處于變化的電場中,產(chǎn)生的電流輸送給LC回路C.天線只是有選擇地接收某電臺信號,而其他電臺信號則不接收D.天線將電磁波傳輸?shù)诫娨暀C內(nèi)課堂筆記:________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________?！军c撥3】當(dāng)涉及電磁波的發(fā)射、傳播和接收時,關(guān)鍵是理解調(diào)諧電路的作用,即選擇性的接收信號。根據(jù)電磁波的接收原理分析,天線處于變化的電磁場中,天線中產(chǎn)生感應(yīng)電流，相當(dāng)于電源。室外天線處于空間變化的電磁場中,天線中產(chǎn)生了感應(yīng)電流,此電流通過饋線輸送給LC電路,此電流中空間各電臺信號激起的電流均存在,但只有頻率與調(diào)諧電路頻率相等的電信號對應(yīng)電流最強,然后再通過解調(diào)處理輸入后面電路。電磁波譜【例題4】廣播電臺的短波、家用微波爐的微波、DVD機的激光(可見光)、人體透視用的X射線,它們的頻率分別為f1課堂筆記:________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________?！军c撥4】人們通常把各類電磁波按照波長大小依次排成一列,稱為電磁波譜。按照電磁波的波長從小到大排列，依次為:γ射線、X射線、紫外線、可見光、紅外線、無線電波等。其中無線電波的波段劃分為下表:波段波長/m頻率/MHz傳播方式主要用途長波30000～30000.01～0.1地波廣播、導(dǎo)航中波3000～2000.1～1.5地波和天波中短波200～501.5～6天波調(diào)幅(AM)廣播、導(dǎo)航短波50～106～30微波米波(VHF)10～130～300近似直線傳播調(diào)頻(FM)廣播、電視、導(dǎo)航分米波(UHF)1～0.1300～3000直線傳播電視雷達(dá)移動通信導(dǎo)航射電天文厘米波0.1～0.013000～30000毫米波0.01～0.00130000～300000過關(guān)演練【經(jīng)典過關(guān)】1.根據(jù)麥克斯韋的電磁場理論,以下敘述中不正確的是 ()A.教室中開亮的日光燈周圍空間必有磁場和電場B.LC電路振蕩電路發(fā)射電磁波的兩個重要條件是采用高頻和開放性C.穩(wěn)定的電場產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場,穩(wěn)定的磁場激發(fā)穩(wěn)定的電場D.電磁波在傳播過程中,電場方向、磁場方向和傳播方向三者互相垂直2.(多選)在如圖所示的電路中,將開關(guān)S與1端連接,穩(wěn)定后改為與2端連接。這樣在線圈和電容構(gòu)成的回路中將產(chǎn)生電磁振蕩。若振蕩周期為T,以開關(guān)與2端接觸的瞬間為t=0時刻,則 A.t=0時,電路中磁場的能量最大 B.tC.t=T2時,電容器的電荷量最大 D.在t3.利用所學(xué)物理知識,可以初步了解常用的公交一卡通(IC卡)的工作原理及相關(guān)問題。IC卡內(nèi)部有一個由電感線圈L和電容C構(gòu)成的LC振蕩電路。公交車上的讀卡機(刷卡時“嘀”的響一聲的機器)向外發(fā)射某一特定頻率的電磁波。刷卡時,IC卡內(nèi)的線圈L中產(chǎn)生感應(yīng)電流,給電容C充電,達(dá)到一定的電壓后,驅(qū)動卡內(nèi)芯片進行數(shù)據(jù)處理和傳輸。則 ()A.IC卡工作所需要的能量來源于卡內(nèi)的電池B.僅當(dāng)讀卡機發(fā)射該特定頻率的電磁波時,IC卡才能有效工作C.若讀卡機發(fā)射的電磁波偏離該特定頻率,則線圈L中不會產(chǎn)生感應(yīng)電流D.IC卡只能接收讀卡機發(fā)射的電磁波,而不能向讀卡機傳輸自身的數(shù)據(jù)信息3.我國第一顆人造衛(wèi)星用20.009MHz和19.995MHz的電磁波發(fā)送信號,求這兩種電磁波的波長。【綜合演練】5.從1888年赫茲用實驗證實了電磁波的存在至今,電磁波已經(jīng)與我們的生活緊密相關(guān):機場安檢門使用頻率為7kHz的電磁波,GPS定位系統(tǒng)使用頻率為10.23MHz(1MHz=106Hz)的電磁波,工作時使用頻率為800～1900MHz的電磁波,無線WiFi使用頻率為2.4GHz波長(米)(1)各種頻率的電磁波在真空中傳播的速度為__________,機場安檢門使用的電磁波頻率比遙控器發(fā)出的紅外線頻率__________。(選填“高”“低”“相等”)(2)地鐵行李安檢時使用的是__________,利用了該電磁波的__________本領(lǐng);救援隊在救援過程中使用生命探測儀來尋找被壓在廢墟中的傷員使用的是__________,利用了該電磁波的__________效應(yīng)。(3)無線WiFi使用的電磁波波長為__________m、GPS定位系統(tǒng)使用的電磁波波長為__________(4)工作時使用頻率為800～1900MHz的電磁波,該電磁波的波長范圍:__________。(5)現(xiàn)今5G技術(shù)用于傳輸?shù)碾姶挪ㄐ盘栴l率更高,傳播數(shù)據(jù)的帶寬更大,則相對而言,5G技術(shù)所用電磁波波長更__________(填長或短)。為接收信號,都應(yīng)該有天線,天線的長度應(yīng)與信號電磁波的波長成正比,最好為波長的14到110之間,以前的天線伸得很長,現(xiàn)在為了美觀、方便,可以將天線做在內(nèi)部,其原因是技術(shù)在發(fā)展,且第2講傳感器內(nèi)容梳理【概念規(guī)律】1.傳感器傳感器是一種檢測裝置,能感受到被測量的信息,并能將感受到的信息按一定規(guī)律變換成為__________信號或其他所需形式的信息輸出,以用于信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等方面。傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、變換電路和輔助電源四部分組成。在信息社會里,各行各業(yè)和人們?nèi)粘Ｉ钪兴龅降男盘柎蟛糠质欠请妼W(xué)量(溫度、壓力、光強等),對于這些非電學(xué)量信號,即使能檢測出來也難以處理、存儲和傳輸。而傳感器通常是用于檢測這些非電學(xué)量信號并將其轉(zhuǎn)變成便于計算機或電子儀器所接受和處理的電信號(電流、電壓等信號)。傳感器工作的一般流程為非電學(xué)量被敏感元件感知,然后通過轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換成電信號,再通過轉(zhuǎn)換電路將此信號轉(zhuǎn)換成易于傳輸或測量的電學(xué)量。2.磁傳感器測磁感應(yīng)強度的原理用來測定磁感應(yīng)強度B的磁傳感器的主要部分由半導(dǎo)體材料構(gòu)成。常用的半導(dǎo)體材料分為兩類,一類材料中的自由電荷是負(fù)電荷,另一類材料中的自由電荷是正電荷。把這兩種半導(dǎo)體薄片放在勻強磁場中,其平面與勻強磁場方向垂直,分別如圖所示。以負(fù)電荷型為例,當(dāng)電流從左往右通過元件時,由于受洛倫茲力的作用,自由電荷在磁場中向__________偏轉(zhuǎn),圖中負(fù)電荷向薄片下邊逐漸積累,圖中正電荷也向薄片上邊逐漸積累,使得薄片的兩側(cè)產(chǎn)生__________,這個現(xiàn)象叫做霍爾效應(yīng);這種半導(dǎo)體薄片便叫做霍爾元件。在霍爾效應(yīng)中,磁感應(yīng)強度越大,霍爾元件兩側(cè)面的電勢差越大;于是可以通過測定霍爾元件兩側(cè)面的電勢差來確定磁感應(yīng)強度的大小。3.溫度傳感器的測溫原理半導(dǎo)體材料的電阻隨溫度顯著變化,因此常被制成熱敏電阻,將熱敏電阻接在穩(wěn)壓電源兩端,測量通過電阻的電流,即可計算阻值,從而推得溫度。4.力傳感器的測力原理力傳感器是一種將力信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栞敵?即將力學(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量的電子元件。力傳感器的敏感元件是懸臂梁和應(yīng)變片。應(yīng)變片是一種將金屬“應(yīng)變”轉(zhuǎn)換成電學(xué)量的轉(zhuǎn)換元件。利用電阻應(yīng)變片,將金屬的應(yīng)變轉(zhuǎn)換成電阻的變化,從而將力學(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量。在懸臂梁產(chǎn)生應(yīng)變的部位粘貼電阻應(yīng)變片,將懸臂梁的應(yīng)變傳遞到應(yīng)變片上,從而將懸臂梁的應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻的變化。配以適當(dāng)?shù)碾姌螂娐肪湍茌敵雠c作用力成一定關(guān)系的電壓來顯示力的大小。5.氣敏傳感器測氣體濃度的原理氣敏傳感器是用來檢測氣體濃度和成分的傳感器,待測氣體與氣敏材料發(fā)生相互作用(化學(xué)作用、生物作用或物理吸附),使得氣敏材料的特性發(fā)生變化,由此獲得待測氣體濃度的變化值。6.用壓電陶瓷片制作傳感器的原理某些晶體在變化的外力作用下,表面會出現(xiàn)等量異號電荷,外力穩(wěn)定或撤去外力后,表面又恢復(fù)電中性,這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。壓電陶瓷片就是根據(jù)這一效應(yīng)制成的。當(dāng)壓電陶瓷片受到機械振動時,兩個電極之間就會出現(xiàn)電信號。利用這個特性可以把壓電陶瓷片制成傳感器,用它測量,得到振動圖像。答案:1.電2.下電勢差【問題情境舉隅】傳感器在水力發(fā)電中的作用水力發(fā)電是一個復(fù)雜的過程。為了產(chǎn)生穩(wěn)定的電流,水輪機必須依賴穩(wěn)定的水流速率。其中直線位移傳感器在控制水流速率中就起了決定性的作用,裝有直線位移傳感器的水輪機選擇會水位落差的水源安裝。動車和高鐵上常見的傳感器現(xiàn)在動車和高鐵已經(jīng)是可以貫穿我國的多個城市,其實經(jīng)常乘坐動車和高鐵的人就會發(fā)現(xiàn)動車和高鐵上有很多我們常見的傳感器。這些傳感器為動車和高鐵的行駛起到了至關(guān)重要的作用。動車和高鐵的滾動顯示屏,上面會顯示動車的當(dāng)前速度,這就用到了速度傳感器。同時滾動顯示屏上還會顯示車內(nèi)溫度和車外溫度,這就需要用到溫度傳感器。上車的時候播音員經(jīng)常提醒我們不要抽煙,車內(nèi)安裝煙霧報警器,其實這也是一種傳感器,能夠監(jiān)控車內(nèi)的煙霧情況,防止有客戶抽煙,保障更多乘客能避免二手煙。無人駕駛中的傳感器在無人駕駛中,傳感器負(fù)責(zé)感知車輛行駛過程中周圍的環(huán)境信息,包括周圍的車輛、行人、交通信號燈、交通標(biāo)志物、所處的場景等。為無人駕駛汽車的安全行駛提供及時、可靠的決策依據(jù)。目前常用的車載傳感器包括相機、毫米波雷達(dá)、超聲波雷達(dá)、激光雷達(dá)等。根據(jù)各個傳感器的特性,在實際應(yīng)用中往往采用多種傳感器功能互補的方式進行環(huán)境感知。具體類型如圖所示。傳感技術(shù)在里的應(yīng)用中的傳感器是指將所處的環(huán)境(亮度、磁場、溫度、動力等)或所執(zhí)行的行為(移動、翻轉(zhuǎn)、拿起等)軌跡轉(zhuǎn)換成電信號的一系列器件或裝置,一般這類傳感器都是由敏感元件以及轉(zhuǎn)換元件組成。關(guān)鍵點撥傳感器的定義和原理【例題1】(多選)傳感器的功能與人的視覺、聽覺、觸覺、嗅覺等功能相似。不只在科研領(lǐng)域,在人們的日常生活中,也會用到傳感器以實現(xiàn)某種功能。關(guān)于圖中應(yīng)用傳感器的實際情景,下列說法正確的是 ()A.甲圖傳感器用來測量位移的微小變化,是電容式位移傳感器B.乙圖光電計數(shù)器用到了光敏電阻這個傳感元件,是光傳感器C.丙圖利用霍爾元件可以測量微小位移,是利用電磁驅(qū)動原理D.丁圖干簧管是利用電磁感應(yīng)的原理控制電路的通斷課堂筆記:________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________?！军c撥1】傳感器的基本原理是能夠感受諸如力、溫度、光、聲、化學(xué)成分等被測量,并能把它們按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換為便于傳送和處理的可用信號輸出。通常是電壓、電流等電學(xué)量,或轉(zhuǎn)換為電路的通斷。傳感器的應(yīng)用【例題2】某同學(xué)設(shè)計的蘋果自動分揀裝置如圖甲所示。該裝置能把大小不同的蘋果,按一定質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)自動分揀為大蘋果和小蘋果。裝置中托盤置于半導(dǎo)體薄膜壓力傳感器R1上,托盤重力不計,蘋果經(jīng)過托盤時對R1產(chǎn)生壓力,半導(dǎo)體薄膜壓力傳感器阻值R1隨壓力F變化的圖像如圖乙所示。初始狀態(tài)銜鐵水平,當(dāng)R工作吸動銜鐵,并保持一段時間,確保蘋果在銜鐵上運動時電磁鐵保持吸合狀態(tài)。已知電源電動勢E=6V,內(nèi)阻不計,重力加速度大小取g(1)當(dāng)蘋果通過托盤時,質(zhì)量較小的蘋果對應(yīng)的R1阻值__________(2)現(xiàn)以200g為標(biāo)準(zhǔn)將蘋果分揀開,應(yīng)將R2阻值調(diào)為__________kΩ(保留3位有效數(shù)字),此時質(zhì)量小于200g的蘋果將通過(3)若要增大分揀蘋果的質(zhì)量應(yīng)將R2的阻值__________課堂筆記:________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________?！军c撥2】傳感器應(yīng)用的常用模式非電學(xué)量→敏感元件→轉(zhuǎn)換元件→轉(zhuǎn)換電路→電學(xué)量過關(guān)演練【經(jīng)典過關(guān)】1.(多選)關(guān)于下列儀器的原理說法中正確的是 ()A.當(dāng)有煙霧進入火災(zāi)報警器時,由于油霧顆粒對光的散射,光電三極管將接收到光信號,從而觸發(fā)火災(zāi)警報B.紅外體溫計是根據(jù)物體的溫度越高發(fā)射的紅外線波長越長的原理進行工作的C.超聲波測速儀是利用了多普勒效應(yīng),汽車駛向測速儀的速度越大,測速儀接收到的反射