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1、第十一章C学习包一一电磁波本学习包主要学习电磁波的性质及其简单应用，学习过程建议分两个阶段进行: 第一阶段：问题探索 课内 听介绍、看演示 实验分组、明确任务 课外 查阅资料、上网浏览 实验探索、创新研究第二阶段：展示交流 课内 实验展示、成果交流 学习小结、自我评价 课外 总结学习包学习体会第一阶段：问题探索通过对电磁感应现象的学习，我们已初步了解电与磁之间的相互联系和转化的客观规律。 而且，在初中时已接触过一点关于电磁波的知识，知道电磁波有十分广泛的应用。那么，电 磁波是怎样产生和传播的呢？电磁波怎样分类？在哪些场合不宜使用手机？在使用微波炉 时要注意什么问题？电磁波对人体健康有哪些危害？
2、总之，在这个“电磁波”学习包的 学习中，你可以主动提出许多自己感兴趣的关于电磁波的问题，进行探讨和实验，进一步了 解电磁波的应用和发展。我们已学过，机械振动的能量在介质中以波的形式进行传播。电场和磁场的能量能否传 播呢？我们知道，如果在空间某处的电场发生了变化，就会在其周围空间产生磁场。如果磁 场也是变化的，那么在它周围又会产生电场。变化的电场和磁场又会在较远的空间引起新的 变化的电场和磁场，如图11-17所示。英国物理学家麦克斯韦指出：变化的电场周围会产生 磁场，而变化的磁场周围又会产生电场。这种变化的电场和变化的磁场总是交替产生，从而 形成了一个不可分割的统一体，并从发生区域向周围空间传播
3、，就形成了电磁波（electromagnetic wave）。电磁波在真空中的传播速度等于光速。图 11-17我们用图11-18所示的A、B两只莱顿瓶（请参阅本节“参考资料8”）来演示电磁波 的发射和接收。将A的振子a、b接在感应圈（感应圈是产生高电压的装置）输出端，接通 感应圈电源，使A的振子a、b间产生火花，并发射电磁波。将带有氖灯的莱顿瓶B靠近A，调节滑动杆的位置，当A和B的滑动杆位置相同时，可观察到氖灯发光。实验表明，尽管 A和B这两个电路之间没有导线相连，但B的能量显然可由A通过电磁波传播过来。AB图 11-18我们也可以使用DIS微电流传感器(图11-19)在通用软件上做实验，检测
4、多种电磁波 信号源(如电动机、电动剃须刀等)的电磁波发射与屏蔽的效果。图 11-19当电磁波发射源距微电流传感器较远时，可以在实验界面上看到有微弱的波形图11-20 (a)。当两者相距较近时，可以看到波幅明显增大图11-20 (b)。若将电磁波发射源用 铝箔完全包住时，微电流传感器接收不到任何电磁波信号。.陌 r * i * FRA W . Ill H U(a) 电动剃须刀(电动机)距微电流传感器较远(b) 电动剃须刀(电动机)距微电流传感器较近图 11-20电磁波的传播速度与光速相等。光也是一种电磁波。电磁波有很宽的频率范围，能在真空中传播，并能穿透绝大多数介质。但不同波长的电 磁波表现出的
5、性质有明显差异，因而常把电磁波划分为若干波段。我们把电磁波按波长大小 依次排列，就形成了电磁波谱。关于电磁波谱上各波段电磁波的性质和广泛用途，请同学们查阅本节“参考资料”和“英 语角”中所提供的资料。有关的课外书籍或相关网站上也可以寻找到你所需要的相关资料， 自己加以整理后，可以在课上进行交流。下述问题可供参考：1. 为什么说人们都生活在电磁波的“海洋”里？举例说明。2. 在电磁波谱中，若以波长从小到大依次排列，共有哪些种类的电磁波？3. 为什么在地铁里也可以照常使用手机？在何种场合不宜使用手机？为什么？4. 微波炉加热食品的原理是什么？使用中应注意哪些问题？5. 你可以提出自己感兴趣的任何有
6、关电磁波的问题，尝试进行探讨和表述。6. 如何利用家用电器，动手实验探究电磁波的发射、接收、反射、屏蔽、干扰等现象？ 可参考下述课文中提供的相关小实验，尽可能创造性地做好这些小实验，并争取在课堂上展示。我们可以利用一些常见的家用电器，如电视机、遥控器、收音机、无绳电话、手机、微 波炉、电动剃须刀、验钞器等，做许多关于电磁波的小实验。这些小实验可以显示电磁波的 发射、接收、干扰、屏蔽、反射等现象，也可以反映出不同波长的电磁波如紫外线、红外线、 微波、无线电波等的不同性质。现提供以下六个小实验作参考。(1) 电磁波的屏蔽。打开小收音机，调谐至某一电台以便能听到清晰的播音。然后，找一金属饭盒、金属锅
7、 或金属薄膜袋之类的容器，把收音机放入其中(图11-21)，直至其全部被覆盖，听听播音 有什么变化。为什么？图 11-21结论：(2) 电磁波的反射。许多家用电器的遥控器都采用红外线(也属于电磁波)遥控的原理，但它有一个有效使 用的角度范围。有时遥控器没对准电视机也可以调控电视。如图11- 22所示，用一硬纸板作 红外线的反射面，适当调节硬纸板平面与红外线信号方向间的位置关系，就可以实现电视遥 控。为什么？图 11-22结论：(3) 紫外线的应用。有一种小型验钞器(图11-23)，它能发射紫外线。若照在纸币上，能显示纸币上的荧 光防伪标志。这个小实验说明了紫外线具有怎样一种特殊的性质？图 11
8、-23结论：。（4）微波的热效应。微波炉是利用微波对食物的加热功能来烹饪的。微波是一种高频电磁波，以每秒24亿 次的频率振动，引起水分子的高速振动,从而产生极大的热量。试用微波炉加热一个小番茄， 可以看到番茄由于温度升高而发生爆裂的情况（图11-24），这又说明了什么？图 11-24结论：。（5）电磁波的发射和接收。无绳电话（图11-25）或手机相当于一台电磁波发射机或接收器。使用它们，并研究它 们发射或接收信号时，什么情况下会产生障碍，是什么原因造成的？图 11-25结论：。(6) 电磁波干扰。打开收音机，在收音机旁放置一个正在工作的手机或电动剃须刀，可以明显地听到原有 的播音受到了干扰(图
9、11-26)。手机的信号或电动剃须刀工作时会对收音机产生干扰。调 节干扰源与收音机的方位和距离，看看有什么情况发生？图 11-26结论：第二阶段：展示交流除以上小实验外，你是否能利用身边现成的器材，再自行设计一些小实验，进行关于电 磁波方面的探索研究？选择一些效果较好的实验在班上演示和交流。现在，我们一起对学习包的学习进行小结：1. 在电磁波学习包中你做了哪几个家庭物理小实验？2. 除了课文中提示的内容，你还创造性地设计了什么有趣的实验？有否在课堂上进行 演示？3. 通过小实验，是否对电磁波有新的感受和更深的理解？4. 通过上网检索，获取了哪些比课本上更丰富、更灵活的相关知识？在检索中曾遇到
10、什么困难？5. 通过查询资料回答：电磁波在何种情况下对人体健康有一定的危害性？自己用物理 语言简要地归纳一下。6. 在高一、高二的物埋学习中共经历了四个“学习包”（自由落体运动、太阳能的利 用、自动控制与模块机器人、电磁波）的学习，你对“学习包”这种学习方式是否感兴趣? 你认为有哪些好处？参考资料1无线电时代的诞生19世纪60年代，英国物理学家麦克斯韦在分析和总 结前人对电磁现象研究的基础上，建立了经典电磁理论，并 预言了电磁波的存在。1887年，德国物理学家赫兹 （H. R. Hertz，18571894）用实验方法首次获得电磁波, 证实了麦克斯韦的这一预言。人类从此进入了无线电时代。2无线
11、电通信发展简史1895年，马可尼和波波夫分别发明了用电磁波远距离 传递信号的技术；1899年，美国的柯林斯造出了第一个无 线电话系统；1906年，费森登在美国建立了第一座播送语 言和音乐节目的无线电台；1921年，人类首次实现短波跨 洋传播；1925年，英国的贝尔德发明第一台实用电视机； 1930年，实现了微波通信现在，人类可以将文字、声 音、数据、图像等信息通过电磁波传向四面八方。3手机是如何实现通信的图11-27麦克斯韦手机既是一个电磁波的接收器，同时也是一个电磁波的发射器。移动的手机与不移动的 基站之间构成了一个可移动的无线通信系统。其工作过程（图11-28）大体是：移动的发话 人对手机
12、讲话，手机把声波经变换器转变为电信号，经天线发射出去，载有语音信息的电磁 波被基站接收，经变换器转变为电信号发射给另一移动手机，接收方手机接收到电磁波信号, 经转换器和发声器转变为声音，为收话人所听到。图 11-284为什么在地铁里也能收到手机信号在地铁里一般是收不到广播和手机的电磁波信号的,这是因为地铁列车在地下隧道中穿 行，空中的电磁波能量被厚厚的土壤层所吸收和阻隔，土壤和其中的水分会吸收电磁波的能 量，而隧道中的金属框架也会对电磁波起到一定的屏蔽作用。旦现在一般都在地铁中建立了 相关的信号工作站，所以在地铁晕也可以用手机清晰地通话了。5 何种场合不宜使用手机(1) 飞行的飞机上。因为手机
13、的高频信号会干扰飞机的通信控制系统，可能会引发飞 行事故。所以乘客登机后，乘务员会一再关照大家：“请把您的手机关掉！”(2) 汽车加油站。因手机使用时可能产生火花，会引发火灾。(3) 在医院内。现代医院中有许多先进的电子医疗设备，如核磁共振仪、超声诊断仪、 CT、心电图仪等，它们对手机发出的高频信号十分敏感，受到干扰后，可能会造成误诊。(4) 危险地带。如爆破工地、有潜在爆炸危险的工矿地区等，手机高频信号可能会触 发爆炸。(5) 雷雨天。雷雨时的闪电会干扰手机信号，使手机工作频率不稳定，也容易引发雷 击，造成事故。6微波热效应的发现微波炉中产生大功率微波的元件叫磁控管，它是1940年英国伯明翰
14、大学的斯潘塞教授 发明的。1945年，正在工作的斯潘塞发现口袋里的巧克力莫名其妙地融化了。这个一般人 可能会轻易忽视的现象，却被富于创新意识的斯潘塞抓住了。他排除了巧克力是被体温所融 化的可能，意识到使巧克力融化的能量可能来自磁控管发出的大功率微波。在当年10月， 他以“处理食品的一种方法”为名申请了专利。当食品放在一个封闭的空间内，并有足够的 时间对食品施加微波能量的话，就能对食品进行加工、烹饪，并达到预定的要求。现在，微 波炉在我国已有很高的普及率，其安全、节能、方便、卫生等优点深受大众喜爱。图11-29家用微波炉的基本构造7电磁波谱不同波长电磁波的产生原理和应用领域常常会有很大区别。因此
15、，人们常把各类电磁波 按波长大小依次排成一列，称为电磁波谱。若按其波长从小到大依次排列，其顺序为：Y射线、X射线、紫外线、可见光（紫、靛、 蓝、绿、黄、橙，红）、红外线、无线电波（微波、超短波、短波、中波、长波）等。由于 它们的性质不同，因而也有许多不同的用途（图11-30）。IO21!0-10* IO1 ION NJ2 10lu 101010+I I I Ii1 频率 f/HzY射线无线电波蠶射线紫外践 红外线I| I 1 I hl I 1 I I 波翟肮mio 1“ io 14 io |； io 川 io io 6 io 1 io 2 io i（f i（r39U4 刃5JJ55U 6QQ&50700760 nm图 11-30（1） Y射线（Y-ray）。其波长约在2X10-Hn以下，是一种能量很大的光子流。在医疗 上用Y射线作为“手术刀”来切除肿瘤，叫做Y刀（图11-31），有很好的治疗效果。图11-31正准备接受Y刀手术的病人(2) X射线(X-ray)。波长范围约在10-1310-9m之间，X射线对不同密度
