电磁波的传播与接收课件人教版选修

电磁波的传播与接收电磁波是人类科技发展的重要基础之一，广泛应用于无线通信、广播电视、医疗、军事等各个领域本课件将深入探讨电磁波的性质、传播、接收等方面，并介绍不同种类电磁波的应用和特点电磁波的性质波粒二象性横波电磁波具有波的性质，可以反射、折射、衍射、干涉等，同时也电磁波是一种横波，其电场和磁场方向相互垂直，并且都垂直于具有粒子的性质，以光子形式传播能量这种波粒二象性是电磁传播方向这种横波性质决定了电磁波的偏振现象波的重要特征电磁波的种类无线电波频率较低，主要用于广微波频率较高，主要用于微波炉红外线波长较长，主要用于热成123播、通信、雷达等例如，调频广、卫星通信、雷达等例如，微波像、遥感、夜视等例如，红外线播、手机信号、卫星通信等都利用炉加热食物、卫星电视信号传输等夜视仪、红外线遥控器等都利用了了无线电波都利用了微波红外线可见光波长适中，是人类眼睛可紫外线波长较短，主要用于杀菌射线波长更短，主要用于医疗诊456X以感知的光线例如，阳光、灯光消毒、荧光灯等例如，医院的紫断、工业探伤等例如，医院的光X等都是可见光外线灯、防伪标签等都利用了紫外机、机场安检仪等都利用了射线X线射线波长最短，主要用于放射治疗、核物理研究等例如，肿瘤放射治疗、放射性同位素检测等都利用了射线7γγ电磁波的频谱无线电波微波红外线包括长波、中波、短波、超短波等，主频率更高，主要用于微波炉、卫星通信波长较长，主要用于热成像、遥感、夜要用于广播、通信、雷达等、雷达等视等可见光紫外线射线X波长适中，是人类眼睛可以感知的光线波长较短，主要用于杀菌消毒、荧光灯波长更短，主要用于医疗诊断、工业探等伤等射线γ波长最短，主要用于放射治疗、核物理研究等电磁波的传播无线电波微波红外线可见光紫外线射线射线Xγ电磁波在空间的传播123电磁波在真空中以光速传播，速度约为电磁波在真空中传播时不会发生衰减，电磁波在真空中传播时不会受到任何介×可以传播很远的距离质的影响，其传播路径是直线310^8m/s电磁波在电介质中的传播波长改变电磁波在电介质中传播时，其波长也会发生变化，波长变短的程度取决于电介质的折射2率速度减慢电磁波在电介质中传播速度会减慢，减1慢的程度取决于电介质的介电常数能量损失3电磁波在电介质中传播时，会因介质的吸收而损失能量，能量损失的程度取决于介质的吸收系数电磁波在金属中的传播电磁波在金属中传播时，电场会使金属中的自由电子发生振动自由电子的振动会产生新的电磁波，与入射电磁波发生干涉，导致入射电磁波在金属内部迅速衰减因此，电磁波在金属中传播的距离非常短，金属具有良好的屏蔽电磁波的能力电磁波的反射和折射反射当电磁波遇到两种不同介质的分界面时，部分电磁波会被反射回去，反射的角度等于入射角折射当电磁波从一种介质进入另一种介质时，传播方向会发生改变，这就是折射现象折射角的大小取决于入射角和两种介质的折射率电磁波在自然环境中的传播大气层1大气层会对电磁波的传播造成影响，例如电离层会反射无线电波地面2地面也会对电磁波的传播造成影响，例如地面反射、散射电磁波障碍物3树木、建筑物等障碍物会阻挡电磁波的传播，造成信号衰减电离层对电磁波的影响12反射吸收电离层会反射频率较低的无线电波，电离层会吸收频率较高的无线电波，使其能够远距离传播导致信号衰减3波动电离层的密度会随着太阳活动的变化而波动，影响无线电波传播的稳定性电磁波的散射散射1当电磁波遇到比波长小的障碍物时，会发生散射现象散射的方向取决于障碍物的形状和大小瑞利散射2当障碍物尺寸远小于波长时，发生的散射称为瑞利散射瑞利散射会导致蓝天、夕阳等现象米散射3当障碍物尺寸与波长相当时，发生的散射称为米散射米散射会导致云、雾等现象电磁波的衍射衍射当电磁波遇到障碍物或孔洞时，会绕过障碍物或孔洞继续传播，这就是衍射现象惠更斯原理惠更斯原理可以解释电磁波的衍射现象，认为波阵面上每一个点都可以看作新的子波源，这些子波源相互叠加，形成新的波阵面衍射程度衍射的程度与波长和障碍物或孔洞的大小有关，波长越长，障碍物或孔洞越小，衍射现象越明显电磁波的干涉电磁波的偏振线性偏振圆偏振椭圆偏振电磁波的电场矢量始终在同一个平面内振电磁波的电场矢量在垂直于传播方向的平电磁波的电场矢量在垂直于传播方向的平动，称为线性偏振面上做圆周运动，称为圆偏振面上做椭圆运动，称为椭圆偏振电磁波的能量12能量量子化能量密度电磁波的能量以光子的形式传播，每个电磁波的能量密度是指单位体积内电磁光子的能量与电磁波的频率成正比，即波所携带的能量，与电磁波的强度成正，其中是普朗克常数比E=hνh3能量传递电磁波在传播过程中可以将能量传递给其他物质，例如太阳光照射到地球表面，将能量传递给地面，使其温度升高电磁波功率密度的概念电磁波功率密度是指单位面积上电磁波所携带的功率，通常用瓦特每平方米（）来表示电磁波功率密度的大小与电磁波的强度W/m²成正比，与电磁波的频率有关电磁波功率密度的测量热电偶法光电效应法热电偶法是利用电磁波的热效应来测量功率密度，将热电偶放置光电效应法是利用电磁波的光电效应来测量功率密度，将光电管在电磁波照射区域，测量其产生的热量，从而计算出电磁波功率放置在电磁波照射区域，测量其产生的光电流，从而计算出电磁密度波功率密度电磁波强度单位瓦特每平方米（）毫瓦特每平方厘米（W/m²）mW/cm²国际单位制中电磁波功率密度的单位，表示单位面积上电磁波所常用单位，表示单位面积上电磁携带的功率波所携带的功率，等1mW/cm²于10W/m²分贝（）dB对数单位，用于表示电磁波功率密度的相对大小，通常用来表示电磁波的强度变化电磁波的功率换算11W/m²=10mW/cm²210log10P1/P0dB电磁波功率密度可以用不同的单位表示，需要根据实际情况进行换算例如，等于分贝（）是常用的对数单位，用于表示电磁1W/m²10mW/cm²dB波功率密度的相对大小电磁辐射的危害过量的电磁辐射会对人体健康电磁辐射会影响生物的生长发造成损害，例如引起头痛、恶育，例如导致动物的畸形、植心、失眠、皮肤灼伤等症状物的生长不良等电磁辐射会对电子设备造成干扰，例如导致无线电信号失真、电子设备故障等电磁辐射的卫生防护减少接触时间尽量减少暴露在电磁辐射环境中的时间，例如使用手机时保持距离，不要长时间使用微波炉保持安全距离与电磁辐射源保持安全距离，例如使用电磁辐射设备时，远离辐射源，不要靠近高压电线使用屏蔽材料使用屏蔽材料来阻挡电磁辐射，例如使用金属网、金属板等屏蔽电磁波，减少电磁辐射的泄漏电磁波的分类微波无线电波12红外线73射线γ可见光64射线X5紫外线无线电波的特性频率较低传播距离远易于产生无线电波的频率范围从几赫兹到几百兆赫无线电波能够在地球表面或大气层中传播无线电波可以通过振荡电路产生，并可以兹，波长从几千米到几厘米很远的距离，主要用于广播、通信、雷达通过天线发射和接收等无线电波的应用广播无线电广播利用无线电波将声音信号传播到远处，使人们能够收听广播节目通信手机、卫星通信等都利用无线电波来传输信息，实现远距离通信雷达雷达利用无线电波来探测目标，并测量目标的距离、速度等信息，广泛应用于军事、航空、气象等领域导航等导航系统利用无线电波来定位，为人们提供导航服务GPS微波的特性频率更高，通常在至之微波穿透能力强，可以穿透大气层、云层微波具有明显的热效应，可用于微波炉加300MHz300GHz间等，广泛应用于卫星通信热食品微波的应用微波炉加热食品1卫星通信2雷达探测3医疗治疗4工业加热5红外线的特性12波长较长热效应显著红外线的波长范围从微米到红外线具有明显的热效应，物体吸收

0.78微米，比可见光波长更长红外线后温度会升高，可用于热成像

1000、遥感等3穿透性强红外线穿透能力强，可以穿透云层、雾气等，可用于夜视、遥感等红外线的应用热成像夜视遥感红外线加热红外线疗法红外线遥控可见光的特性可见光的波长范围在纳米到纳米之间，是人类眼睛可以感知的380780光线可见光按波长不同分为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种颜色，不同的颜色对应不同的波长范围可见光具有直线传播、反射、折射、干涉、衍射等性质可见光的应用紫外线的特性波长较短紫外线的波长范围从纳米到纳米，比可见光波长更短10400能量较高紫外线能量较高，可以使物质发生光电效应、荧光现象等，可用于杀菌消毒、荧光灯等穿透性强紫外线穿透能力强，可以穿透玻璃、塑料等透明材料，可用于检测、鉴定等紫外线的应用杀菌消毒荧光灯紫外线可以杀死细菌、病毒等微生物，可用于医院、食品加工等领紫外线可以激发荧光物质发光，可用于制造荧光灯、防伪标签等域检测鉴定医学治疗紫外线可以穿透某些物质，可用于检测物质的成分，鉴定文物的真紫外线可以治疗皮肤病、佝偻病等疾病，但过量的紫外线照射会对伪等人体造成伤害射线的特性X123射线的波长范围从纳米到纳射线具有很强的穿透能力，可以穿透射线能量较高，会对人体造成伤害，X

0.0110X X米，比紫外线波长更短人体、金属等物质，可用于医疗诊断、需要采取防护措施工业探伤等射线的应用X医疗诊断工业探伤材料分析安全检查射线的特性γ12波长最短能量最高射线的波长范围小于纳米，是电射线的能量最高，具有很强的穿透能γ

0.01γ磁波谱中波长最短的射线力，可以穿透厚厚的铅板，可用于放射治疗、核物理研究等3电离作用强射线具有很强的电离作用，会使物质γ发生电离，对人体有很大的伤害，需要采取严格的防护措施射线的应用γ用于治疗肿瘤等疾病，利用射用于研究原子核的结构和性质用于检测金属内部的缺陷，例用于对食品进行灭菌处理，延γ线杀死癌细胞，例如核反应、核裂变等如焊接缺陷、裂纹等长食品的保质期天线与电磁波的接收天线是接收电磁波的重要部件，它可以将电磁波转换成电信号，从而实现无线通信天线的工作原理是利用电磁波的感应效应，当电磁波遇到天线时，会使天线中的电子产生感应电流，从而产生电信号天线接收电磁波的效率取决于天线的形状、大小、方向等因素天线的基本概念天线是将电磁波转换成电信号或将电信号转换成电磁波的装置天线的基本概念包括天线类型、天线方向图、天线阻抗等天线的基本结构辐射元馈线支撑结构辐射元是天线的核心部分，它负责将电信馈线将天线与发射机或接收机连接起来，支撑结构将天线固定在空中，使其保持稳号转换成电磁波或将电磁波转换成电信号传输电信号定的工作状态天线的基本参数天线长度天线长度决定了天线的谐振频率，不同频率的电磁波需要对应不同的天线长度才能获得最佳接收效率天线方向图天线方向图表示天线在不同方向上的辐射或接收能力，形状类似于一个三维图形，称为天线方向图天线增益天线增益是指天线在特定方向上的辐射功率与理想全向天线在相同功率下的辐射功率之比，表示天线在特定方向上的辐射能力天线阻抗天线阻抗是指天线的输入阻抗，表示天线对电信号的阻碍程度，天线的阻抗需要与发射机或接收机的阻抗匹配，才能实现最佳传输效果天线的分类单极天线1二极天线2五极天线3抛物面天线4阵列天线5单极天线12结构特点单极天线是由一根垂直于地面的导线和单极天线结构简单、成本低廉，但方向一个接地平面组成的，导线被称为天线性较差，辐射功率较低元，接地平面可以是一个金属板或大地3应用单极天线常用于短距离无线通信、手机天线等二极天线二极天线是由两根平行于地面的导线组成的，两根导线之间通常用一个绝缘体隔开，称为馈电点二极天线结构简单、成本低廉，方向性较好，辐射功率较高，是常见的无线电天线二极天线广泛应用于广播、通信、雷达等领域五极天线抛物面天线结构抛物面天线由一个抛物面反射器和一个馈源组成，馈源通常是一个二极天线，它位于抛物面反射器的焦点处特点抛物面天线具有很高的增益和方向性，可以集中辐射或接收电磁波，是常见的卫星通信天线应用抛物面天线广泛应用于卫星通信、广播电视、雷达等领域阵列天线结构特点应用阵列天线是由多个天线元按照一定规律阵列天线具有更高的增益和方向性，可阵列天线广泛应用于雷达、卫星通信、排列组成的，每个天线元都能够辐射或以根据需要调整方向图，实现波束扫描移动通信等领域接收电磁波，广泛应用于雷达、通信等领域天线接收电磁波的原理当电磁波遇到天线时，感应电流的大小与电磁天线接收到的电信号会会使天线中的电子产生波的强度和天线的形状通过馈线传输到接收机感应电流，从而产生电、大小等因素有关，并进行放大、解调等信号处理天线接收功率的计算1P_r=P_t*G_t*G_r*λ^2/4πd^2其中，为接收功率，为发射功率，为发射天线增益2P_r P_t G_t，为接收天线增益，为电磁波波长，为发射天线与接收G_rλd天线之间的距离天线接收功率与发射功率、天线增益、波长、距离等因素有关，可以通过公式进行计算天线系统的噪声宇宙噪声宇宙噪声是由宇宙空间中的天体辐射产生的2噪声，是无线电接收系统中的一种主要噪声源热噪声热噪声是由天线本身的热运动产生的噪1声，温度越高，热噪声越强人为噪声3人为噪声是由人类活动产生的噪声，例如汽车、飞机、手机等产生的电磁干扰天线系统的噪声测量噪声测量仪可以用来测量天线噪声系数是指天线系统输出噪系统的噪声水平，通常用噪声声功率与输入噪声功率之比，系数（）或噪声温度（噪声温度是指天线系统等效的NF T_n）来表示噪声水平噪声源温度通过测量噪声水平，可以评估天线系统的噪声性能，并采取措施降低噪声，提高接收信号的质量。