第十六单元电磁振荡与电磁波传感器讲义上海市高三物理二轮专题等级总复习精讲

第十六单元电磁振荡与电磁波传感器目录TOC\o"13"\h\u第1讲电磁振荡、电磁波及电磁波的应用 1第2讲传感器 9课标要求:1.初步了解麦克斯韦电磁场理论的基本思想,初步了解场的统一性与多样性,体会物理学对统一性的追求。2.通过实验,了解电磁振荡。3.知道电磁波的发射、传播和接收。4.认识电磁波谱。知道各个波段的电磁波的名称、特征和典型应用。5.知道非电学量转换成电学量的技术意义6.通过实验,了解常见传感器的工作原理。会用传感器制作简单的自动控制装置。7.列举传感器在生产生活中的应用。知识结构第1讲电磁振荡、电磁波及电磁波的应用内容梳理【概念规律】1.电磁振荡(以LC振荡电路为例)(1)产生:在LC振荡电路中,电容器不断地__________和__________,就会使电容器极板上的电荷量q、电路中的电流i、电容器内的电场强度E、线圈内的磁感应强度B发生周期性的变化,这种现象就是__________。(2)周期和频率周期:__________,频率:f=12πLC2.电磁波(1)麦克斯韦电磁场理论变化的磁场能够在周围空间产生__________,变化的电场能够在周围空间产生__________。(2)电磁波①电磁场在空间由近及远地向周围传播,形成__________。②电磁波的传播不需要__________,可在真空中传播,在真空中不同频率的电磁波传播速度相同(都等于光速)。③不同频率的电磁波,在同一介质中传播,其速度是不同的,频率越高,波速越__________。④v=(3)电磁波的发射与接收①发射电磁波需要开放的高频振荡电路,并对电磁波根据信号的强弱进行__________(两种方式:调幅、调频)。②接收电磁波需要能够产生电谐振的调谐电路,再把信号从高频电流中__________出来,调幅波的解调也叫__________。(4)电磁波谱按照电磁波的__________或波长的大小顺序把它们排列成谱.按波长由长到短排列的电磁波谱为:无线电波、红外线、__________、紫外线、X射线、γ射线。答案:1.充电放电电磁振荡T2.电场磁场电磁波介质小调制解调检波频率可见光【问题情境举隅】验证电磁波装置1886年,赫兹通过自制的实验装置如图装置证实了电磁波的存在。仪器中有一对抛光的金属小球,两球之间有很小的空气间隙。将两个球连接到产生高电压的感应圈的两端时,两球之间就出现了火花放电。赫兹实验原理示意图电磁振荡电路如图所示电路图连接电路,将开关拨到1,给电容器充电。然后把开关拨到2,注意观察灵敏电流计指针左右摆动,摆幅逐渐减小,最后指针停在零点位置。上述过程可以周而复始地进行,就产生了方向和大小随时间做周期性变化的振荡电流,与振荡电流相联系的电场和磁场也周期性交替变化,电场能和磁场能相互转化,这种现象称为电磁振荡。电磁振荡电路关键点拨麦克斯韦电磁场理论【例题1】下列说法中正确的是 ()A.变化的磁场不能产生电场B.不均匀变化的电场产生均匀变化的磁场,均匀变化的磁场产生不均匀变化的电场C.麦克斯韦证实了电磁波的存在D.电磁波能在真空中传播课堂笔记:________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。【点拨1】当空间某处存在随时间不均匀变化的电场时,周围空间会产生随时间不均匀变化的磁场,而这又会在空间产生新的电场……这样,变化的电场和磁场就会由近及远地向周围传播,从而形成变化电磁场在空间的传播,这就是电磁波。均匀变化的磁场产生稳定的电场,非均匀变化的磁场产生变化的电场;不均匀变化的电场,产生变化的磁场,均匀变化的磁场一定产生稳定的电场。电磁波是一种能量形式,它可以在真空中传播也可以在其他介质中传播。电磁振荡【例题2】在某时刻的LC振荡电路中,电容器中的电场方向和线圈中的磁场方向如图所示。此时电容器在充电还是放电?电路中电流在增大还是减小?为什么?课堂笔记:________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。【点拨2】在LC振荡电路中,当电容器充电时,电流在减小,电容器上的电荷量增大,磁场能转化为电场能;当电容器放电时,电流在增大,电容器上的电荷量减小,电场能转化为磁场能。电磁波的发射与接收【例题3】电视机的室外天线能把电信号接收下来,原因是 ()A.天线处于变化的电磁场中,产生的电流输送给LC回路B.天线只处于变化的电场中,产生的电流输送给LC回路C.天线只是有选择地接收某电台信号,而其他电台信号则不接收D.天线将电磁波传输到电视机内课堂笔记:________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。【点拨3】当涉及电磁波的发射、传播和接收时,关键是理解调谐电路的作用,即选择性的接收信号。根据电磁波的接收原理分析,天线处于变化的电磁场中,天线中产生感应电流，相当于电源。室外天线处于空间变化的电磁场中,天线中产生了感应电流,此电流通过馈线输送给LC电路,此电流中空间各电台信号激起的电流均存在,但只有频率与调谐电路频率相等的电信号对应电流最强,然后再通过解调处理输入后面电路。电磁波谱【例题4】广播电台的短波、家用微波炉的微波、DVD机的激光(可见光)、人体透视用的X射线,它们的频率分别为f1课堂笔记:________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。【点拨4】人们通常把各类电磁波按照波长大小依次排成一列,称为电磁波谱。按照电磁波的波长从小到大排列，依次为:γ射线、X射线、紫外线、可见光、红外线、无线电波等。其中无线电波的波段划分为下表:波段波长/m频率/MHz传播方式主要用途长波30000～30000.01～0.1地波广播、导航中波3000～2000.1～1.5地波和天波中短波200～501.5～6天波调幅(AM)广播、导航短波50～106～30微波米波(VHF)10～130～300近似直线传播调频(FM)广播、电视、导航分米波(UHF)1～0.1300～3000直线传播电视雷达移动通信导航射电天文厘米波0.1～0.013000～30000毫米波0.01～0.00130000～300000过关演练【经典过关】1.根据麦克斯韦的电磁场理论,以下叙述中不正确的是 ()A.教室中开亮的日光灯周围空间必有磁场和电场B.LC电路振荡电路发射电磁波的两个重要条件是采用高频和开放性C.稳定的电场产生稳定的磁场,稳定的磁场激发稳定的电场D.电磁波在传播过程中,电场方向、磁场方向和传播方向三者互相垂直2.(多选)在如图所示的电路中,将开关S与1端连接,稳定后改为与2端连接。这样在线圈和电容构成的回路中将产生电磁振荡。若振荡周期为T,以开关与2端接触的瞬间为t=0时刻,则 A.t=0时,电路中磁场的能量最大 B.tC.t=T2时,电容器的电荷量最大 D.在t3.利用所学物理知识,可以初步了解常用的公交一卡通(IC卡)的工作原理及相关问题。IC卡内部有一个由电感线圈L和电容C构成的LC振荡电路。公交车上的读卡机(刷卡时“嘀”的响一声的机器)向外发射某一特定频率的电磁波。刷卡时,IC卡内的线圈L中产生感应电流,给电容C充电,达到一定的电压后,驱动卡内芯片进行数据处理和传输。则 ()A.IC卡工作所需要的能量来源于卡内的电池B.仅当读卡机发射该特定频率的电磁波时,IC卡才能有效工作C.若读卡机发射的电磁波偏离该特定频率,则线圈L中不会产生感应电流D.IC卡只能接收读卡机发射的电磁波,而不能向读卡机传输自身的数据信息3.我国第一颗人造卫星用20.009MHz和19.995MHz的电磁波发送信号,求这两种电磁波的波长。【综合演练】5.从1888年赫兹用实验证实了电磁波的存在至今,电磁波已经与我们的生活紧密相关:机场安检门使用频率为7kHz的电磁波,GPS定位系统使用频率为10.23MHz(1MHz=106Hz)的电磁波,工作时使用频率为800∼1900MHz的电磁波,无线WiFi使用频率为2.4GHz波长(米)(1)各种频率的电磁波在真空中传播的速度为__________,机场安检门使用的电磁波频率比遥控器发出的红外线频率__________。(选填“高”“低”“相等”)(2)地铁行李安检时使用的是__________,利用了该电磁波的__________本领;救援队在救援过程中使用生命探测仪来寻找被压在废墟中的伤员使用的是__________,利用了该电磁波的__________效应。(3)无线WiFi使用的电磁波波长为__________m、GPS定位系统使用的电磁波波长为__________(4)工作时使用频率为800∼1900MHz的电磁波,该电磁波的波长范围:__________。(5)现今5G技术用于传输的电磁波信号频率更高,传播数据的带宽更大,则相对而言,5G技术所用电磁波波长更__________(填长或短)。为接收信号,都应该有天线,天线的长度应与信号电磁波的波长成正比,最好为波长的14到110之间,以前的天线伸得很长,现在为了美观、方便,可以将天线做在内部,其原因是技术在发展,且第2讲传感器内容梳理【概念规律】1.传感器传感器是一种检测装置,能感受到被测量的信息,并能将感受到的信息按一定规律变换成为__________信号或其他所需形式的信息输出,以用于信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等方面。传感器一般由敏感元件、转换元件、变换电路和辅助电源四部分组成。在信息社会里,各行各业和人们日常生活中所遇到的信号大部分是非电学量(温度、压力、光强等),对于这些非电学量信号,即使能检测出来也难以处理、存储和传输。而传感器通常是用于检测这些非电学量信号并将其转变成便于计算机或电子仪器所接受和处理的电信号(电流、电压等信号)。传感器工作的一般流程为非电学量被敏感元件感知,然后通过转换元件转换成电信号,再通过转换电路将此信号转换成易于传输或测量的电学量。2.磁传感器测磁感应强度的原理用来测定磁感应强度B的磁传感器的主要部分由半导体材料构成。常用的半导体材料分为两类,一类材料中的自由电荷是负电荷,另一类材料中的自由电荷是正电荷。把这两种半导体薄片放在匀强磁场中,其平面与匀强磁场方向垂直,分别如图所示。以负电荷型为例,当电流从左往右通过元件时,由于受洛伦兹力的作用,自由电荷在磁场中向__________偏转,图中负电荷向薄片下边逐渐积累,图中正电荷也向薄片上边逐渐积累,使得薄片的两侧产生__________,这个现象叫做霍尔效应;这种半导体薄片便叫做霍尔元件。在霍尔效应中,磁感应强度越大,霍尔元件两侧面的电势差越大;于是可以通过测定霍尔元件两侧面的电势差来确定磁感应强度的大小。3.温度传感器的测温原理半导体材料的电阻随温度显著变化,因此常被制成热敏电阻,将热敏电阻接在稳压电源两端,测量通过电阻的电流,即可计算阻值,从而推得温度。4.力传感器的测力原理力传感器是一种将力信号转变为电信号输出,即将力学量转换为电学量的电子元件。力传感器的敏感元件是悬臂梁和应变片。应变片是一种将金属“应变”转换成电学量的转换元件。利用电阻应变片,将金属的应变转换成电阻的变化,从而将力学量转换为电学量。在悬臂梁产生应变的部位粘贴电阻应变片,将悬臂梁的应变传递到应变片上,从而将悬臂梁的应变转换为电阻的变化。配以适当的电桥电路就能输出与作用力成一定关系的电压来显示力的大小。5.气敏传感器测气体浓度的原理气敏传感器是用来检测气体浓度和成分的传感器,待测气体与气敏材料发生相互作用(化学作用、生物作用或物理吸附),使得气敏材料的特性发生变化,由此获得待测气体浓度的变化值。6.用压电陶瓷片制作传感器的原理某些晶体在变化的外力作用下,表面会出现等量异号电荷,外力稳定或撤去外力后,表面又恢复电中性,这种现象称为压电效应。压电陶瓷片就是根据这一效应制成的。当压电陶瓷片受到机械振动时,两个电极之间就会出现电信号。利用这个特性可以把压电陶瓷片制成传感器,用它测量,得到振动图像。答案:1.电2.下电势差【问题情境举隅】传感器在水力发电中的作用水力发电是一个复杂的过程。为了产生稳定的电流,水轮机必须依赖稳定的水流速率。其中直线位移传感器在控制水流速率中就起了决定性的作用,装有直线位移传感器的水轮机选择会水位落差的水源安装。动车和高铁上常见的传感器现在动车和高铁已经是可以贯穿我国的多个城市,其实经常乘坐动车和高铁的人就会发现动车和高铁上有很多我们常见的传感器。这些传感器为动车和高铁的行驶起到了至关重要的作用。动车和高铁的滚动显示屏,上面会显示动车的当前速度,这就用到了速度传感器。同时滚动显示屏上还会显示车内温度和车外温度,这就需要用到温度传感器。上车的时候播音员经常提醒我们不要抽烟,车内安装烟雾报警器,其实这也是一种传感器,能够监控车内的烟雾情况,防止有客户抽烟,保障更多乘客能避免二手烟。无人驾驶中的传感器在无人驾驶中,传感器负责感知车辆行驶过程中周围的环境信息,包括周围的车辆、行人、交通信号灯、交通标志物、所处的场景等。为无人驾驶汽车的安全行驶提供及时、可靠的决策依据。目前常用的车载传感器包括相机、毫米波雷达、超声波雷达、激光雷达等。根据各个传感器的特性,在实际应用中往往采用多种传感器功能互补的方式进行环境感知。具体类型如图所示。传感技术在里的应用中的传感器是指将所处的环境(亮度、磁场、温度、动力等)或所执行的行为(移动、翻转、拿起等)轨迹转换成电信号的一系列器件或装置,一般这类传感器都是由敏感元件以及转换元件组成。关键点拨传感器的定义和原理【例题1】(多选)传感器的功能与人的视觉、听觉、触觉、嗅觉等功能相似。不只在科研领域,在人们的日常生活中,也会用到传感器以实现某种功能。关于图中应用传感器的实际情景,下列说法正确的是 ()A.甲图传感器用来测量位移的微小变化,是电容式位移传感器B.乙图光电计数器用到了光敏电阻这个传感元件,是光传感器C.丙图利用霍尔元件可以测量微小位移,是利用电磁驱动原理D.丁图干簧管是利用电磁感应的原理控制电路的通断课堂笔记:________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。【点拨1】传感器的基本原理是能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等被测量,并能把它们按照一定的规律转换为便于传送和处理的可用信号输出。通常是电压、电流等电学量,或转换为电路的通断。传感器的应用【例题2】某同学设计的苹果自动分拣装置如图甲所示。该装置能把大小不同的苹果,按一定质量标准自动分拣为大苹果和小苹果。装置中托盘置于半导体薄膜压力传感器R1上,托盘重力不计,苹果经过托盘时对R1产生压力,半导体薄膜压力传感器阻值R1随压力F变化的图像如图乙所示。初始状态衔铁水平,当R工作吸动衔铁,并保持一段时间,确保苹果在衔铁上运动时电磁铁保持吸合状态。已知电源电动势E=6V,内阻不计,重力加速度大小取g(1)当苹果通过托盘时,质量较小的苹果对应的R1阻值__________(2)现以200g为标准将苹果分拣开,应将R2阻值调为__________kΩ(保留3位有效数字),此时质量小于200g的苹果将通过(3)若要增大分拣苹果的质量应将R2的阻值__________课堂笔记:________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。【点拨2】传感器应用的常用模式非电学量→敏感元件→转换元件→转换电路→电学量过关演练【经典过关】1.(多选)关于下列仪器的原理说法中正确的是 ()A.当有烟雾进入火灾报警器时,由于油雾颗粒对光的散射,光电三极管将接收到光信号,从而触发火灾警报B.红外体温计是根据物体的温度越高发射的红外线波长越长的原理进行工作的C.超声波测速仪是利用了多普勒效应,汽车驶向测速仪的速度越大,测速仪接收到的反射