高二物理下册《电磁波的发射和接收》知识要点梳理
知识点一：电磁波的发射
电磁波的发射是无线通信技术的核心环节，其基本原理在于通过振荡电路将电信号转换为电磁波并辐射到空间中。为了实现这一过程，必须对LC振荡电路进行优化，以增强其向空间辐射无线电波的能力。具体来说，可以采取以下几种措施：
1. 增大电容器极板的正对面积
电容器的电容 \( C \) 与极板的正对面积 \( A \) 成正比，即 \( C = \epsilon_0 \frac{A}{d} \)，其中 \( \epsilon_0 \) 是真空介电常数，\( d \) 是极板间距。
增大极板的正对面积可以增加电容器的电容值，从而改变LC振荡电路的频率特性。然而，单纯增加电容并不一定能显著提高电磁波的发射能力，因为这可能会导致振荡频率下降，进而影响发射效率。
2. 增大电容器极板的间距
增大极板间距会减小电容器的电容值，根据公式 \( f = \frac{1}{2\pi\sqrt{LC}} \)，电容减小会使振荡频率升高。高频信号更容易穿透空气传播，因此这种方法可以在一定程度上提高电磁波的发射能力。但是，过大的间距可能导致电容器的耦合效果变差，反而不利于信号的稳定传输。
3. 增大自感线圈的匝数
自感线圈的自感系数 \( L \) 与线圈的匝数 \( N \) 成正比，即 \( L \propto N^2 \)。增加线圈的匝数可以提高自感系数，从而使LC振荡电路的频率降低。较低的频率通常意味着更长的波长，而长波长的电磁波具有更好的绕射能力和穿透力，适合远距离传输。
然而，过多的匝数会增加线圈的电阻，导致能量损耗，影响发射效率。
4. 提高供电电压
提高供电电压可以增加LC振荡电路中的能量储备，使发射出去的电磁波具有更高的功率。高功率的电磁波在传播过程中衰减较小，能够覆盖更大的范围。但需要注意的是，供电电压过高可能会损坏电路元件，因此需要在保证安全的前提下合理调整电压。
为了增大无线电台向空间辐射无线电波的能力，最有效的措施是增大自感线圈的匝数（选项C），因为它既能提高发射功率，又不会对电路结构造成负面影响。相比之下，增大电容器极板的正对面积（选项A）和间距（选项B）虽然也能在一定程度上改善发射性能，但不如增加线圈匝数的效果显著；
而提高供电电压（选项D）则需要谨慎操作，以免引发安全隐患。
接下来，我们探讨如何增大发射电磁波的波长。波长与频率成反比，即 \( \lambda = \frac{c}{f} \)，其中 \( c \) 是光速，\( f \) 是频率。因此，要增大发射电磁波的波长，可以通过以下方法来降低频率：
1. 增大电容器两极板间的距离
如前所述，增大极板间距会减小电容器的电容值，从而提高振荡频率。因此，这种方法不适合用来增大发射电磁波的波长。
2. 减小电容器两极板间的距离
减小极板间距可以增加电容器的电容值，降低振荡频率，进而增大发射电磁波的波长。这是较为直接有效的方法之一。
3. 减小电容器两极板的正对面积
减小极板的正对面积会减小电容器的电容值，同样会导致频率升高，不利于增大发射电磁波的波长。
4. 在电容器两极板间加入电介质
加入电介质后，电容器的电容值会增大，因为电介质的存在增加了介电常数 \( \epsilon \)，使得电容器能够在相同的几何尺寸下储存更多的电荷。这将导致振荡频率降低，从而增大发射电磁波的波长。
因此，要增大发射电磁波的波长，最合适的做法是在电容器两极板间加入电介质（选项D）。这种方法不仅简单易行，而且不会对电路结构产生负面影响。
知识点二：电磁波的接收
电磁波的接收是指通过调谐电路捕捉特定频率的电磁波，并将其转换为可听或可视的信息。在这个过程中，有几个关键步骤和技术要点需要掌握。
1. 电谐振现象
当接收电路的固有频率与外界电磁波的频率相同时，会发生电谐振现象。此时，接收电路中的电流达到最大值，能够有效地感应到来自空间的电磁波信号。电谐振确保了接收电路只对特定频率的电磁波敏感，避免了其他干扰信号的影响。
2. 调谐电路的作用
调谐电路是接收电磁波的关键部件，它由电容器和线圈组成，类似于一个LC振荡电路。通过调整电容器的电容值或线圈的自感系数，可以改变调谐电路的固有频率，使其与目标电磁波的频率匹配。当调谐电路处于电谐振状态时，只有被接收的电磁波才能在接收电路中产生感应电流。
3. 检波与放大
接收到的电磁波信号通常是微弱的，无法直接驱动耳机等输出设备。因此，需要经过检波和放大处理，才能将信号还原为原始信息。检波器用于提取载波上的调制信号，而放大器则用于增强信号强度，使其足以驱动耳机或其他音频设备。只有经过这些处理，我们才能通过耳机听到清晰的声音。
关于电磁波的接收，下列说法正确的是：
- 当处于电谐振时，只有被接收的电磁波才能在接收电路中产生感应电流（选项B）。这是因为电谐振现象使得接收电路对特定频率的电磁波高度敏感，而对其他频率的信号不响应。
- 由调谐电路接收的感应电流，再经过检波、放大，通过耳机才可以听到声音（选项D）。这一步骤确保了接收到的微弱信号能够被处理成可听的声音。
为了更好地理解电磁波的接收过程，我们可以考虑一个实际的例子。假设某收音机接收电磁波的波长范围在182米至577米之间，该收音机调谐电路的可变电容器的动片完全旋出时，回路的电容为39皮法拉（pF）。我们需要计算该收音机接收电磁波的频率范围以及当动片完全旋入定片间时，回路中的电容值。
首先，根据公式 \( f = \frac{c}{\lambda} \)，可以计算出对应的频率范围：
- 对于波长为182米的电磁波，频率为 \( f_1 = \frac{3 \times 10^8}{182} \approx 1.65 MHz \)。
- 对于波长为577米的电磁波，频率为 \( f_2 = \frac{3 \times 10^8}{577} \approx 0.52 MHz \)。
因此，该收音机接收电磁波的频率范围大约为0.52 MHz至1.65 MHz。
接下来，我们需要计算当动片完全旋入定片间时，回路中的电容值。假设动片完全旋入时，电容器的电容值变为 \( C_{max} \)。根据调谐电路的工作原理，电容值的变化会影响回路的共振频率。为了保持接收频率不变，电感值 \( L \) 必须相应调整。
假设电感值保持不变，则新的电容值可以通过公式 \( f = \frac{1}{2\pi\sqrt{LC}} \) 计算得出。由于频率范围已知，可以根据实际情况确定 \( C_{max} \) 的具体数值。
我们来看一台无线电接收机的具体应用。假设该接收机在接收频率为535 kHz的信号时，调谐电路里电容器的电容是360 pF。如果调谐电路里的电感线圈保持不变，要接收频率为1605 kHz的信号时，调谐回路里电容器的电容应改变为多少？
根据公式 \( f = \frac{1}{2\pi\sqrt{LC}} \)，可以推导出：
\[ C_2 = \left(\frac{f_1}{f_2}\right)^2 C_1 \]
代入已知数据：
\[ C_2 = \left(\frac{535}{1605}\right)^2 \times 360 \approx 40 pF \]
因此，要接收频率为1605 kHz的信号，调谐回路里电容器的电容应改变为40 pF（选项A）。
以上内容，通过对电磁波的发射和接收原理的深入探讨，我们不仅掌握了相关知识点，还了解了如何在实际应用中灵活运用这些知识。希望同学们能够仔细琢磨，理解这些原理，以便在考试和实际应用中取得优异成绩。
