Kiến thức về sóng điện từ – Vật Lý 12

965
Kiến thức sóng điện từ - vật lý 12
Kiến thức sóng điện từ - vật lý 12
5/5 - (1 bình chọn)

Sóng điện từ là loại sóng có ứng dụng rất rộng rãi trong đời sống hiện nay và đây là cũng là một trong những phần kiến thức quan trọng trong chương trình Vật Lý 12 , thường xuyên xuất hiện trong các đề thi tốt nghiệp THPT môn Vật Lý. Chính vì vậy, đây là phần mà các bạn học sinh không thể bỏ qua và cần tập trung trong quá trình ôn thi tốt nghiệp THPT môn Vật Lý. Luyenthidgnl xin chia sẻ cho các bạn toàn bộ kiến thức về sóng điện từ trong chương trình Vật Lý 12.

Kiến thức về sóng điện từ – Vật Lý 12

1.Khái niệm về sóng điện từ

  • Định nghĩa: “Sóng điện từ là sự kết hợp của dao động điện trường và từ trường vuông góc với nhau, lan truyền trong không gian như sóng” (theo Wikipedia)
  • Đặc điểm của sóng điện từ:+ Sóng điện từ là sóng ngang, có khả năng lan truyền được trong môi trường chân không cũng như các môi trường vật chất khác. Tốc độ của sóng điện từ bị tác động và phụ thuộc vào tính chất của môi trường truyền sóng; trong môi trường chân không, không khí là vận tốc của sóng điện từ là (đây là vận tốc lớn nhất mà con người có thể đạt được), Ngoài ra, trong các môi trường khác, vận tốc của sóng điện từ < cH22.1 trang 112 vat ly 12+ Vector cường độ điện trường (ký hiệu: E) và vector cảm ứng từ (ký hiệu: B) luôn vuông góc với phương truyền sóng và đồng thời vuông góc với nhau. 3 Vecto B, E và v (vector phương truyền sóng) tạo thành tam diện thuận tại mọi điểm trong không gian.+ Dao động của từ trường và điện trương luôn luôn đồng pha với nhau tại một điểm bất kỳ.

    + Sóng điện từ tuân theo các định luật khúc xạ, phản xạ và truyền thẳng tương tự như ánh sáng.

    + Sóng điện từ có mang năng lượng. Năng lượng của sóng điện từ tỉ lệ với lũy thừa bậc 4 của tần số. Năng lượng của một hạt photon trong sóng điện từ có bước sóng λ là hc/λ, trong đó h là hằng số Planck và c là vận tốc ánh sáng trong môi trường chân không. Từ đó, ta có thể thấy được bước sóng càng dài thì năng lượng photon càng nhỏ.

    + Sóng điện từ có phổ sóng rộng

    + Sóng điện từ có bước sóng từ vài mét đến vài kilomet hiện nay được ứng dụng trong thông tin liên lạc và được gọi với cái tên quen thuộc là sóng vô tuyến

2. Nguyên tắc truyền thông tin qua sóng điện từ

  • Trước tiên, người ta sẽ chuyển biến các hình ảnh và âm thanh muốn truyền đi thành dao động dạng điện (gọi là tín hiệu âm tần). Trong đó:
    + AM: Biến điệu về biên độ
    + FM: Biến điệu về tần số
  • Sử dụng sóng cao tần để tải các thông tin cần truyền đi (gọi là sóng mang).  Bên cạnh đó, người ta sẽ dùng thêm mạch biến điệu để kết hợp sóng âm tần với sóng mang (công việc này được gọi là biến điệu sóng điện từ). Sóng mang sau khi đã được biến điệu sẽ được truyền từ địa điểm phát đến điểm nhận sóng. Tại điểm nhận sóng sẽ sử dụng máy thu để tiếp nhận sóng có chứa thông tin cần truyền tải.
  • Tách sóng: Tại điểm nhận sóng, sau khi đã nhận sóng thông qua máy thu, người ta phải dùng mạch tách sóng để tách sóng tín hiệu (sóng âm tần) ra khỏi sóng cao tần để xuất ra các thiết bị hiển thị như màn hình, loa phát thanh,… Bên cạnh đó, nếu tín hiệu thu được có cường độ nhỏ, người ta sẽ sử dụng thêm thiết bị khuếch đại tín hiệu.

Các bạn có thể tham khảo sơ đồ thu phát sóng tín hiệu đơn giản qua bảng sau:

Nguyên tắc Truyền thông bằng sóng điện từ hay, chi tiết Nguyên tắc Truyền thông bằng sóng điện từ hay, chi tiết
(1): Micrô: Thu tín hiệu và tạo dao động điện từ âm tần.
(2): Mạch phát sóng điện từ cao tần: Tác dụng tạo và phát sóng điện từ có tần số cao (cỡ MHz).
(3): Mạch biến điệu: kết hợp sóng điện từ âm tần và cao tần.
(4): Mạch khuếch đại: Khuếch đại dao động điện từ đã được biến điệu thông qua mạch biến điệu.
(5): Ăng-ten phát: Tạo ra điện từ trường cao tần để truyền thông tin trong không gian
(1): Anten thu: Thu và tiếp nhận sóng điện từ cao tần biến điệu.
(2): Mạch khuếch đại: khuếch đại dao động điện từ cao tần mà ăngten thu đã nhận được
(3): Mạch tách sóng: tách riêng dao động âm tần và cao tần.
(4): Mạch khuếch đại dao động điện từ âm tần: Khuếch đại dao động điện từ âm tần sau khi đã được tách từ mạch tách sóng
(5): Thiết bị hiển thị: xuất các thông tin truyền tải (màn hình hiển thị, loa,…)

 

3. Ứng dụng của các loại sóng vô tuyến trong đời sống hiện nay

Để truyền được thông tin từ mặt đất ra ngoài không gian vũ trụ hoặc giữa các vệ tinh nhân tạo được loài người đặt ngoài không gian, người ta sẽ sử dụng sóng vô tuyến để truyền sóng. Sóng vô tuyến là loại sóng bước sóng từ vài m cho tới vài km.

+ Tương tự các loại sóng điện từ khác, vận tốc truyền sóng vô tuyến bằng vận tốc ánh sáng. Trong tự nhiên, sóng vô tuyến có thể được sinh ra do một số hiện tượng như: các đối tượng thiên văn hay sét. Sóng vô tuyến nhân tạo được tạo ra được ứng dụng cho ra-đa, liên lạc vô tuyến di động, phát thanh hay các hệ thống truyền tín hiệu khác như: mạng mạng máy tính, thông tin vệ tinh nhân tạo,… Các tần số khác nhau trong sóng vô tuyến sẽ có đặc điểm dẫn truyền khác nhau khi ở trong khí quyển Trái Đất.

+ Dựa vào các bước sóng khác nhau, người ta sẽ chia sóng vô tuyến thành các loại: Sóng dài, sóng trung, sóng ngắn và sóng cực ngắn.

Loại sóng Bước sóng Đặc điểm Ứng dụng thực tế
Sóng dài ≥1000m + Năng lượng thấp+ Bị hấp thụ mạnh bởi các vật dụng trên mặt đất  nhưng bị hấp thụ ít dưới môi trường nước

 

Ứng dụng trong liên lạc thông tin dưới nước
Sóng trung 100-1000m + Bị hấp thụ mạnh bởi tầng điện li ban ngày nên khoảng cách truyền ngắn+ Ban đêm lại bị phản xạ bởi tầng điện ly nên khoảng cách truyền xa Ứng dụng trong thông tin liên lạc vào ban đêm
Sóng ngắn 10-100m +Năng lượng lớn

+ Bị phản xạ nhiều lần và liên tục giữa tầng điện li và mặt đất

Ứng dụng nhiều trong thông tin liên lạc dưới mặt đất
Sóng cực ngắn 1-10m +Mang năng lượng rất lớn

+ Không bị hấp thụ và phản xạ bởi tầng điện li mà đâm xuyên qua tầng điện li vào vũ trụ

Ứng dụng trong thông tin vũ trụ

* Tại tầng điện li (có độ cao từ 80 km đếm 800 km) do đây là lớp khí quyển bị ion hóa rất mạng từ ánh sáng Mặt Trời nên ảnh hưởng rất mạnh tới việc truyền sóng. Các loại sóng dài, sóng trung và sóng cực ngắn bị hấp thụ mạnh, tuy nhiên sóng ngắn lại bị hấp thụ rất ít và phản xạ tốt tốt trên tầng điện li và mặt đất.

* Sóng dài: có năng lượng thấp, dễ bị hấp thụ bởi các vật trên mặt đất nhưng không bị hấp thụ trong môi trường nước. Chính vì vậy sóng dài được ứng dụng rất nhiều trong liên lạc thông tin dưới nước như liên lạc với tàu ngầm,….

* Sóng trung: đặc điểm của sóng trung là ban ngày bị hấp thụ mạnh bởi tầng điện li nhưng ban đêm sóng trung lại phản xạ tốt giữa tầng điện li và mặt đất. Sóng trung hiện được sử dụng trong vô tuyến truyền thanh ở một số quốc gia. Tuy nhiên, vào ban ngày khoảng cách truyền thông tin lại ngắn nhưng ban đêm lại có khả năng truyền rất xa.

* Sóng ngắn: là loại sóng mang năng lượng lớn và phản xạ rất nhiều lần giữa mặt đất và tầng điện ly. Chính vì thế, sóng ngắn có thể truyền được mọi điểm trên mặt đất và được ứng dụng chủ yếu trong ngành hàng không, ngành hàng hải và nhiều ứng dụng phát thanh khác.

* Sóng cực ngắn: đây là loại sóng được dùng nhiều nhất trong việc truyền tín hiệu từ mặt đất ra không gian vũ trụ hoặc giữa các trạm vũ trụ đến các vệ tinh nhân tạo ngoài không gian vì loại sóng này vừa mang năng lượng rất lớn, vừa không bị tầng điện li phản xạ.

4. Các dạng bài về sóng điện từ thường gặp

Cách tìm các đại lượng đặc trưng của sóng điện từ

1Phương pháp

– Mỗi giá trị của L hoặc C, ta sẽ có giá trị chu kỳ và tần số tương ứng.

– Ta tính tần số, tần số góc và chu kỳ dao động riêng của mạch LC:

Vật Lí lớp 12 | Lý thuyết và Bài tập Vật Lí 12 có đáp án

– Ta có vận tốc lan truyền của sóng điện từ: v = c = 3.108 (m/s)

– Bước sóng của sóng điện từ: Hóa học lớp 11 | Lý thuyết và Bài tập Hóa 10 có đáp án

– Bước sóng điện từ trong môi trường chân không λ = c / f ; trong các môi trường khác: λ = v / f = c / n.f

Máy thu sóng điện từ hay máy phát sử dụng mạch dao động LC => tần số sóng điện từ thu vào và phát ra chính bằng tần số riêng của mạch dao động.

Mạch chọn sóng vô tuyến của máy thu được tính theo công thức:

Hóa học lớp 11 | Lý thuyết và Bài tập Hóa 10 có đáp án

– Từ công thức tính bước sóng ta có thể suy ra được, bước sóng biến thiên theo 2 đại lượng C và L. Bước sóng sẽ tỉ lệ thuận với C và L (nếu C và L càng lớn thì bước sóng càng lớn và ngược lại)

– Với mạch dao động có L biến đổi từ Lmin đến Lmax và C cũng biến thiên từ Cmin đến Cmax thì bước sóng của sóng điện từ phát (hoặc thu) sẽ dao động trong khoảng:

λmax tương ứng với Lmax và Cmax

λmin tương ứng với Lmin và Cmin

Từ đó, ta có công thức bước sóng sẽ dao động theo công thức

Vật Lí lớp 12 | Lý thuyết và Bài tập Vật Lí 12 có đáp án

Chú ý:

– Khi ghép 2 tụ nối tiếp hoặc 2 cuộn cảm song song:

Vật Lí lớp 12 | Lý thuyết và Bài tập Vật Lí 12 có đáp án

– Khi ghép 2 tụ song song hoặc 2 cuộn cảm nối tiếp:

Vật Lí lớp 12 | Lý thuyết và Bài tập Vật Lí 12 có đáp án

 

Cách tìm khoảng giới hạn cho mạch chọn sóng

Phương pháp

a) Trường hợp λ1 ≤ λ ≤ λ2 thì đại lượng C sẽ biến thiên theo công thức:

Vật Lí lớp 12 | Lý thuyết và Bài tập Vật Lí 12 có đáp án

b) Trường hợp λ1 ≤ λ ≤ λ2 thì L sẽ biến thiên:

Vật Lí lớp 12 | Lý thuyết và Bài tập Vật Lí 12 có đáp án

 

Cách giải bài tập về Tụ xoay có điện dung thay đổi trong mạch chọn sóng

Phương pháp

Trương trường hợp mạch có tụ xoay:

– Nếu có chứa n lá thì ta có n – 1 tụ điện phẳng mắc song song với nhau.

– Điện dung của tụ phẳng được tính theo công thức:

Hóa học lớp 11 | Lý thuyết và Bài tập Hóa 10 có đáp án

– Điện dung của tụ sau khi ta quay các lá theo 1 góc α bất kỳ được tính theo công thức:

• Từ giá trị cực đại: Hóa học lớp 11 | Lý thuyết và Bài tập Hóa 10 có đáp án

• Từ giá trị cực tiểu: Hóa học lớp 11 | Lý thuyết và Bài tập Hóa 10 có đáp án

Các bạn có thể tham khảo thêm bài viết:

Kiến thức về dòng điện xoay chiều

Sơ đồ tư duy vật lý 12

Phương pháp học Vật Lý hiệu quả

Trên đây là toàn bộ kiến thức sóng điện từ và các dạng bài tập thường gặp về sóng điện từ trong chương trình Vật Lý 12 và trong đề thi tốt nghiệp THPT. Hy vọng bài viết trên sẽ giúp các bạn có thể học tốt về dạng bài này và đạt điểm cao trong kỳ thi tốt nghiệp THPT trong thời gian sắp tới!