《电磁波的发射和接收》教学设计

　　【教学内容】

 

　　人教版高中物理选修3-4第十四章第3节。

 

　　【教学目标】

 

　　1．了解有效地发射电磁波的两个条件。

 

　　2．了解调制、调幅、调频、调谐、解调、电谐振在电磁波发射、接收过程中的作用。

 

　　3．通过对电磁波的产生、发射、接收过程及基本电路的简单分析，领会无线电波在实际生活、生产中的作用。

 

　　4．了解无线电波的波长范围。

 

　　【教学重点】

 

　　1．电磁波有效发射的条件，调制的含义及调制方式。

 

　　2．无线电波接收原理。

 

　　【教学难点】

 

　　1．无线电波调制的含义及调幅和调频的区别。

 

　　2．“电谐振”概念。

 

　　【教学用具】

 

　　多媒体投影仪，示波器。

 

　　【教学方法】

 

　　讲解法，学生自学、讨论法

 

　　【教学过程】

 

 

　　一、提出问题、引入新课

 

　　1．古代人们有那些传递信息的方式？（烽火台，鸽子，驿站，邮差等）

 

　　2．请问现在我们有那些传递信息的方式？（广播，电视，电话，手机，互联网等）

 

　　（过渡）：现在的传递方式有线和无线之分，无线主要依靠电磁波，在无线电技术中使用的电磁波叫做无线电波。上节课我们学习了电磁振荡的知识，知道：在LC振荡电路中，电场主要集中在电容器的极板之间，磁场主要集中在线圈内部，电场能和磁场能主要在不同元件之间相互转化，辐射出去的电磁能或者电磁波很少。那么如何才能有效地发射和接收电磁波呢？

 

　　二、新课过程

 

　　（一）无线电波的发射

 

　　师：要有效地向外发射电磁波，振荡电路必须具有哪些特点呢？（学生阅读教材，然后回答。）

 

　　生：1．要有足够高的振荡频率。因为频率越高，发射电磁波的本领越大。

 

　　2．振荡电路的电场和磁场必须分散到尽可能大的空间，只有这样才能有效地把电磁能（电磁波）传播出去。

 

　　师：要满足上述两述条件，就需要把振荡电路改造变成开放电路（教师在黑板上画出图1、图2、图3、图4），那么如何改造呢？同学们仔细观察一下，图1到图4是如何变化？

 

　　师生讨论得出：图2中，电容器的极板倾斜，张口变大，便于把电磁能辐射出去；线圈的匝数变少，其自感系数变小，便于发射高频率的电磁波。图3中电容器极板间的距离增大，正对面积减少，线圈匝数进一步减少，便于发射较高频率的电磁波，图4中电容器极板间的距离进一步增大，正对面积减少至为零，线圈匝数为零，以便能够发射更高频率的电磁波。

 

图1           图2            图3              图4

 

　　师：那么，实际中的开放电路是如何发射电磁波的呢？

 

图5

 

　　师：在实际应用中常把开放电路的下端跟地连接。跟地连接的导线叫做地线。线圈上部接到比较高的导线上，这条导线叫做天线。天线和地线形成了一个敞开的电容器，电磁波就是由这样的开放电路发射出去的。电视发射塔要建得很高，是为了使电磁波发射得较远。实际发射无线电波的装置中还需在开放电路旁加一个振荡器电路与之耦合，如图5所示，振荡器电路产生的高频率振荡电流通过L₂与L₁的互感作用，使L₁也产生同频率的振荡电流，振荡电流在开放电路中激发出电磁波，向四周发射。

 

　　调制：调幅与调频  （以教师讲解为主）

 

　　师：发射电磁波是为了利用它传递某种信号。要想电磁波传得远，就必须使用高频率的电磁波。但我们要传递的信号却是一些低频信号，如：声音信号频率只有几百至几千赫兹，图象信号频率也不过上万赫兹，不可能把它们直接发送出去。这就要求发射的电磁波随信号而改变。在电磁波发射技术中，如果把这种电信号“加”到高频等幅振荡电流上，那么，载有信号的高频振荡电流产生的电磁波（也就是载波）就载着要传送的信号一起发射出去．把要传递的信号“加”到高频等幅振荡电流上，使电磁波随各种信号而改变的技术叫做调制。高频振荡电流，类似于可远飞的信鸽；要传送的信号类似于要发出的信件，调制类似于把信件绑在信鸽的身上。

 

　　师：一种调制的方法是使高频振荡电流的振幅随信号的强弱而改变，这种调制叫做调幅（结合课本相应图讲解）。

 

　　另一种调制的方法是使高频振荡电流的频率随调制信号的强弱而改变，这种调制叫做调频（结合课本相应图讲解）。

 

图6

 

　　电波的发射：结合图6阐述低频信号的调制和发射过程。低频信号电流叠加在高频振荡电流上，这就是调制，调制后的振荡电流通过互感作用经开放电路向外发射出电磁波。

 

　　（二）电磁波的接收

 

　　师：发射的无线电波如何被接收到呢？（学生先阅读课文，教师引导学生回答）

 

　　生：电磁波在空间传播时，如果遇到导体，会使导体产生感应电流，感应电流的频率跟激起它的电磁波的频率相同。因此利用放在电磁波传播空间中的导体，就可以接收到电磁波了。

 

　　师：如何使我们需要的电磁波在接收天线中激起的感应电流最强呢？

 

　　生：当接收电路的固有频率跟接收到的电磁波的频率相同时，接收电路中产生的振荡电流最强。在无线电技术里，是利用电谐振来达到这个目的的。当接收电路的固有频率跟接收到的电磁波的频率相同时，接收电路中产生的振荡电流最强。这种现象叫做电谐振，相当于机械振动中的共振。（用示波器观察电谐振波形）。接收电路产生电谐振的过程叫做调谐，能够调谐的接收电路叫做调谐电路。如图7，调节可变电容器的电容可以改变 调谐电路的频率，使它跟要接收的电台发出的电磁波的频率相同，这个频率的电磁波在调谐电路里激起较强的感应电流，这样就选出了这个电台。图8中收音机内的接收电路就是调谐电路。

 

　　

图7                                 图8

 

　　解调（以教师讲解为主）

 

　　由调谐电路接收到的感应电流，是经过调制的高频振荡电流，还不是我们需要的声音或图像信号。因此还要使声音或图像信号从高频振荡电流中还原出来。

 

　　从接收到的高频振荡电流中“检”出所携带的调制信号过程，叫做解调。解调是调制的逆过程，调制的方法不同，解调的方法也不同。如图9是调幅波的解调，也叫检波。解调类似于把绑在信鸽的信取下来。解调之后的信号再经过放大、重现，我们就可以听到或看到了。

图9

 

　　（三）无线电波知识（学生自主学习为主）

 

　　在信息技术高速发展的今天，电磁波对我们来说越来越重要，无论是广播、电视还是无线电通信以及航空、航天中的自动控制和通信联系，都离不开电磁波。

 

　　无线电报的波长从几毫米到几十千米。通常根据波长或频率把无线电波分成长波、中波、中短波、短波和微波等几个波段。（教师可以结合教材上相应表格中数据，让学生比较各个波段的波长范围和频率范围，简述各波段无线电波的传播方式以及主要用途。还可以适当补充一些其它知识，如：调幅广播（AM）一般使用中波和短波波段。调频广播（FM）和电视广播都采用调频的方法来调制，通常使用微波中的甚高频（VHF）和超高频（UHF）波段。

 

　　例题1：一台收音机的接收频率范围从f₁=2．2MHz到f=22MHz；设这台收音机能接收的相应波长范围从λ₁到λ₂，调谐电路中电容器的相应电容量变化范围从C₁到C₂，求λ₁：λ₂；  C₁：C₂

　　

 

 

 

　　引导学生解答：

 

　　由得，所以

 

 

　　例题2：请设计一个方框图说明调制、调谐、解调之间的关系。

 

　　教学反思：

 

　　本节以有效发射电磁波的两个条件为线索，学习了开放电路以及调制、调频、调幅、解调、电谐振等概念，教学时要求学生对它们有一个大致的了解即可，不宜分析太深太细，对于电谐振这一概念可以类比机械波中的共振现象进行学习。对无线电技术感兴趣的同学，可以引导他们阅读有关书籍、组织课外讲座与实验小组发展他们的兴趣与特长。