第十五章电磁波

01

电磁波的产生 Generation · 从振荡到辐射

麦克斯韦电磁场理论

1865年，麦克斯韦建立电磁场理论，预言了电磁波的存在。1888年，赫兹通过实验首次证实。

变化的电场产生磁场
变化的磁场产生电场
周期性变化的电磁场相互激发，向空间传播形成电磁波

▍实验 1：LC振荡电路与电磁辐射

观察：电荷在LC回路中来回流动，同时产生向外扩散的电磁波

▍实验 2：电磁场的相互激发

关键：电场E、磁场B、传播方向v 三者互相垂直

例 1

某LC振荡电路中，电感 L = 4 mH，电容 C = 25 pF。求该电路的振荡频率，并判断它主要辐射什么波段的电磁波？

Step 1 — 确定已知量与公式

已知 L = 4 mH = 4×10⁻³ H，C = 25 pF = 25×10⁻¹² F。使用 LC 振荡频率公式：
f = 1 / (2π√LC)

Step 2 — 代入计算

√LC = √(4×10⁻³ × 25×10⁻¹²) = √(100×10⁻¹⁵) = 10×10⁻⁷·⁵ = 3.16×10⁻⁷
f = 1 / (2π × 3.16×10⁻⁷) ≈ 5.03×10⁵ Hz = 503 kHz

Step 3 — 判断波段

503 kHz 属于中波频段（300 kHz ~ 3 MHz），是AM中波广播的典型频率范围。

例 2

某电磁波在真空中的波长为 150 m，求它的频率。该电磁波进入折射率 n = 1.5 的玻璃后，频率和波长分别变为多少？

Step 1 — 真空中求频率

由 c = λf 得：
f = c/λ = 3×10⁸ / 150 = 2×10⁶ Hz = 2 MHz

Step 2 — 进入介质后的频率

电磁波的频率由波源决定，与介质无关。因此进入玻璃后频率仍为 2 MHz。

Step 3 — 进入介质后的波长

波速变为 v = c/n = 3×10⁸/1.5 = 2×10⁸ m/s
波长 λ' = v/f = 2×10⁸ / (2×10⁶) = 100 m
（或直接用 λ' = λ/n = 150/1.5 = 100 m）

例 3

赫兹实验中，发射器产生的电磁波频率为 5×10⁷ Hz。该电磁波从发射器传到3 m远处的接收器需要多长时间？

Step 1 — 确定波速

电磁波在空气中传播速度近似等于真空中的光速：
c ≈ 3×10⁸ m/s

Step 2 — 计算传播时间

t = s/c = 3 / (3×10⁸) = 10⁻⁸ s = 10 ns

Step 3 — 结果意义

10纳秒是极短的时间，说明电磁波传播速度极快。这也是无线通信能够实现实时传输的物理基础。

单元测试 · 5题

Q1

关于电磁波的产生，下列说法正确的是（　　）

A. 静止的电荷周围会产生电磁波
B. 只有通电导线才能产生电磁波
C. 周期性变化的电场会产生周期性变化的磁场
D. 恒定电流可以产生电磁波

Q2

LC振荡电路中，当电容器放电完毕的瞬间（　　）

A. 电容器两极板带电量最多
B. 电路中的电流达到最大值
C. 线圈中的磁场能最少
D. 电场能最多，磁场能为零

Q3 · 陷阱题

某电磁波在真空中的波长为 600 m，其频率约为（　　）

A. 1.8×10¹¹ Hz
B. 5×10⁵ Hz
C. 2×10⁻⁶ Hz
D. 2×10¹⁰ Hz

Q4

要提高LC振荡电路辐射电磁波的频率，可以采取的措施是（　　）

A. 减小电容器的电容
B. 增大电感线圈的匝数
C. 增大电容器的极板面积
D. 增大电容器的极板间距（其他条件不变）

Q5

关于波速公式 c = λf，下列说法正确的是（　　）

A. 波长越长，频率越高
B. 波速越大，波长越长
C. 真空中不同频率的电磁波速度相同
D. 电磁波从空气进入水中，频率变大

▍核心概念总结

电磁波由周期性变化的电磁场相互激发产生，不需要介质
LC振荡电路可以产生高频电磁振荡，f = 1/(2π√LC)
波速公式 c = λf，真空中 c ≈ 3×10⁸ m/s，不同频率电磁波在真空中速度相同
频率由波源决定，进入不同介质后频率不变，波速和波长改变
电场E、磁场B、传播方向v 三者两两垂直

下一单元 →

02

电磁波的传播 Propagation · 穿越空间与介质

传播特性一览

电磁波可以在真空中传播，不需要任何介质（与机械波的本质区别）
真空中所有电磁波速度均为 c ≈ 3×10⁸ m/s
进入介质后 v = c/n，波长 λ' = λ/n，频率 f 不变

▍实验 1：电磁波在不同介质中的传播

观察：波从真空进入水后，波长变短（波形更密），但频率（波形密度变化节奏）保持不变

▍实验 2：光速的尺度

太阳光到达地球约需8分20秒——电磁波在宇宙尺度上的传播

例 1

一束可见光（λ₀ = 600 nm，真空中）从空气射入水中（n = 4/3）。求：① 在水中的传播速度；② 在水中的波长。

Step 1 — 水中速度

v = c/n = 3×10⁸ / (4/3) = 3×10⁸ × 3/4 = 2.25×10⁸ m/s

Step 2 — 水中波长

方法一：λ = v/f，先求频率
f = c/λ₀ = 3×10⁸ / (600×10⁻⁹) = 5×10¹⁴ Hz
λ = v/f = 2.25×10⁸ / (5×10¹⁴) = 450×10⁻⁹ m = 450 nm

方法二（更快）：λ = λ₀/n = 600/(4/3) = 600×3/4 = 450 nm

Step 3 — 结论

光从空气进入水中，速度降为原来的3/4，波长也缩短为原来的3/4，但频率保持不变。

例 2

电磁波绕地球赤道一周（周长约4×10⁷ m）需要多长时间？月球到地球距离约3.84×10⁸ m，从地球发出的无线电指令到达月球需要多久？

Step 1 — 绕赤道一周

t₁ = s/c = 4×10⁷ / (3×10⁸) ≈ 0.133 s ≈ 0.13 s

Step 2 — 地月通信

t₂ = s/c = 3.84×10⁸ / (3×10⁸) = 1.28 s

Step 3 — 实际意义

地月之间的单程通信延迟约1.28秒，往返约2.56秒。这就是为什么地面控制中心与航天员的对话有明显停顿。

例 3

某雷达向目标发射微波脉冲，经 2×10⁻⁴ s 后收到回波。目标距雷达多远？

Step 1 — 分析题意

2×10⁻⁴ s 是电磁波往返的时间，单程时间 t = ½ × 2×10⁻⁴ = 10⁻⁴ s

Step 2 — 计算距离

s = c·t = 3×10⁸ × 10⁻⁴ = 3×10⁴ m = 30 km

Step 3 — 易错提醒

陷阱：直接用 c × 总时间。必须记住雷达测距是往返过程，时间要除以2。

单元测试 · 5题

Q1

关于电磁波的传播，下列说法正确的是（　　）

A. 电磁波的传播需要空气作为介质
B. 电磁波在真空中不能传播
C. 电磁波在真空中和空气中的速度几乎相等
D. 电磁波进入水中后频率变大

Q2

一束紫光（f = 7.5×10¹⁴ Hz）从真空进入玻璃（n = 1.5）后（　　）

A. 频率变为 5×10¹⁴ Hz
B. 波长变为原来的 2/3
C. 速度变为原来的 1.5 倍
D. 颜色变成红光

Q3 · 陷阱题

太阳光到达地球约需 500 s，由此可以估算日地距离约为（　　）

A. 1.5×10¹¹ m
B. 1.5×10⁸ m
C. 1.5×10¹⁴ m
D. 1.5×10¹⁰ m

Q4

电磁波从空气射入水中时，下列物理量中保持不变的是（　　）

A. 传播速度
B. 波长
C. 波速与波长都变
D. 频率

Q5

雷达测得目标回波延时为 4×10⁻⁵ s，则目标距离雷达约（　　）

A. 1.2×10⁴ m
B. 6×10³ m
C. 1.2×10¹³ m
D. 6 km（但计算过程不写单位）

▍核心概念总结

电磁波传播不需要介质，可在真空中传播
真空中波速 c ≈ 3×10⁸ m/s，是宇宙中的基本常数
进入介质后 v = c/n，波长 λ' = λ/n，频率 f 不变
雷达测距利用电磁波往返时间：s = c·t/2
折射率 n 越大，电磁波在介质中传播越慢

← 上一单元下一单元 →

03

电磁波谱 Spectrum · 从无线电波到γ射线

电磁波谱概览

电磁波按频率（或波长）排列形成电磁波谱。不同波段的电磁波具有不同的特性和应用。

▍实验 1：电磁波谱动态展示

从左到右：频率递增，波长递减，能量递增

▍实验 2：c = λf 的动态关系

关键：波速c不变时，频率f与波长λ成反比

例 1

某微波炉使用频率为 2.45 GHz 的微波加热食物。求该微波在真空中的波长，并判断它属于电磁波谱中的哪个波段。

Step 1 — 写出已知量

f = 2.45 GHz = 2.45×10⁹ Hz，c = 3×10⁸ m/s

Step 2 — 计算波长

λ = c/f = 3×10⁸ / (2.45×10⁹) = 3/24.5 × 10⁻¹ ≈ 0.122 m = 12.2 cm

Step 3 — 判断波段

波长 12.2 cm（约 0.1 m）属于微波波段（波长 1 mm ~ 1 m，频率 300 MHz ~ 300 GHz）。

例 2

可见光中红光的波长约为 700 nm，紫光的波长约为 400 nm。求红光和紫光各自的频率，并比较它们的大小关系。

Step 1 — 红光频率

f_红 = c/λ_红 = 3×10⁸ / (700×10⁻⁹) = 3×10⁸ / (7×10⁻⁷) ≈ 4.29×10¹⁴ Hz

Step 2 — 紫光频率

f_紫 = c/λ_紫 = 3×10⁸ / (400×10⁻⁹) = 3×10⁸ / (4×10⁻⁷) = 7.5×10¹⁴ Hz

Step 3 — 比较与结论

f_紫 > f_红，紫光频率约为红光的 1.75 倍。这与彩虹的颜色顺序一致：从红到紫，频率递增，波长递减。

例 3

紫外线（UV）的波长范围约为 1~380 nm。取 λ = 300 nm 计算其频率，并与可见光频率（约 4~8×10¹⁴ Hz）比较。

Step 1 — 计算紫外线频率

f = c/λ = 3×10⁸ / (300×10⁻⁹) = 3×10⁸ / (3×10⁻⁷) = 10¹⁵ Hz = 1×10¹⁵ Hz

Step 2 — 单位换算验证

300 nm = 300×10⁻⁹ m = 3×10⁻⁷ m
f = 3×10⁸ / 3×10⁻⁷ = 10¹⁵ Hz ✓

Step 3 — 比较

10¹⁵ Hz > 8×10¹⁴ Hz，紫外线频率高于所有可见光。这正是紫外线能破坏微生物DNA、具有杀菌作用的物理原因——光子能量更高（E = hf）。

单元测试 · 5题

Q1

下列电磁波中，波长最长的是（　　）

A. 紫外线
B. X射线
C. 可见光
D. 无线电波

Q2

关于电磁波谱，下列说法正确的是（　　）

A. 红外线频率比可见光高
B. γ射线波长比X射线长
C. 真空中所有电磁波速度相同
D. 微波属于光波，不是电磁波

Q3 · 陷阱题

某电磁波的频率为 10¹² Hz，它在真空中的波长约为（　　）

A. 3×10⁻⁴ m = 0.3 mm
B. 3×10¹² m
C. 3×10⁻¹² m
D. 3×10²⁰ m

Q4

关于各种电磁波的应用，下列配对错误的是（　　）

A. 红外线 — 遥控器、热成像
B. 紫外线 — 医学透视检查
C. 微波 — 雷达、微波炉
D. γ射线 — 肿瘤放疗

Q5

比较可见光（λ≈500 nm）和家用WiFi信号（f≈2.4 GHz），下列说法正确的是（　　）

A. 可见光频率更高
B. WiFi波长更短
C. 两者在真空中速度不同
D. 可见光是机械波，WiFi是电磁波

▍核心概念总结

电磁波谱按频率从低到高：无线电波→微波→红外线→可见光→紫外线→X射线→γ射线
频率越高，波长越短，光子能量越大（E=hf），穿透能力越强
不同波段电磁波来源不同：LC振荡（无线电）、热辐射（红外）、电子跃迁（可见光/紫外）、电子减速（X射线）、核反应（γ射线）
真空中所有电磁波速度均为 c ≈ 3×10⁸ m/s
可见光只是电磁波谱中极窄的一段（380~700 nm）

← 上一单元下一单元 →

04

无线电通信 Radio Communication · 调制与传播

无线电通信基础

无线电波用于通信是因为它可以远距离传播且容易调制
调制：将音频/视频信号加载到高频载波上的过程
AM（调幅）：改变载波的振幅；FM（调频）：改变载波的频率
解调：接收端从载波中提取原始信号的过程

▍实验 1：AM调幅与FM调频

调幅改变振幅，调频改变疏密；无线电波可通过地波、天波、空间波三种方式传播

▍实验 2：无线电广播信号流程

广播流程：声→电→调制→发射→传播→接收→解调→声

例 1

为什么AM广播（中波）可以传输很远，而FM广播（调频）通常只能覆盖几十公里？

Step 1 — 频率差异

AM中波频率：525~1605 kHz；FM调频频率：88~108 MHz。FM频率远高于AM。

Step 2 — 传播方式

AM中波主要依靠地波沿地表传播，同时可利用天波经电离层反射实现远距离传播（夜间效果更好）。FM/VHF频率较高，电离层基本不反射，只能靠空间波直线传播。

Step 3 — 覆盖范围

空间波受地球曲率限制，视线距离有限。FM发射塔越高覆盖越远，但通常不超过约100 km。AM中波借助天波反射，夜间可传播上千公里。

例 2

收音机选台时，实际上是在调节什么物理量？为什么调节这个量可以"选台"？

Step 1 — 调台的本质

调台本质上是调节收音机内部LC振荡电路的固有频率。

Step 2 — 谐振原理

不同电台使用不同频率发射信号。当收音机LC电路的固有频率与某电台发射频率相同时，发生电谐振，该频率信号被放大，其他频率信号被抑制。

Step 3 — 调节方式

调台通常通过改变可变电容器的电容C来实现。旋转调谐旋钮→改变极板正对面积→改变C→改变f = 1/(2π√LC)→选中不同频率。

例 3

某电台频率为 1000 kHz，另一电台为 90 MHz。比较两者的波长，并说明为什么FM电台的天线通常比AM电台短？

Step 1 — 计算波长

λ₁ = c/f₁ = 3×10⁸/(900×10³) ≈ 333 m（AM）
λ₂ = c/f₂ = 3×10⁸/(90×10⁶) ≈ 3.33 m（FM）

Step 2 — 天线长度关系

天线有效长度通常与波长成正比（如 1/4 波长或 1/2 波长）。AM天线约需 80~100 m（大型发射塔），FM天线约需 0.8~1 m。

Step 3 — 结论

FM频率高→波长短→天线短。这也是为什么手机（GHz频段）可以用内置小型天线，而AM广播需要高塔。

单元测试 · 5题

Q1

关于调幅（AM）和调频（FM），下列说法正确的是（　　）

A. AM改变载波的频率，FM改变载波的振幅
B. AM改变载波的振幅，FM改变载波的频率
C. AM和FM都改变载波的相位
D. AM比FM抗干扰能力更强

Q2

收音机选台时调节的是（　　）

A. 发射台的功率
B. 电磁波的传播速度
C. 接收电路的固有频率
D. 电磁波的波长

Q3 · 陷阱题

关于无线电波的传播，下列说法正确的是（　　）

A. 所有无线电波都能被电离层反射
B. FM广播主要靠地波远距离传播
C. 频率越高的无线电波，直线传播特性越明显
D. 无线电波是声波的一种

Q4

某电台频率为 1000 kHz，其发射电磁波的波长约为（　　）

A. 300 m
B. 3×10⁵ m
C. 3.33×10⁻⁶ m
D. 3×10¹¹ m

Q5

手机通信使用的微波频段约为 900 MHz ~ 2.6 GHz。与FM广播（约100 MHz）相比，手机信号（　　）

A. 波长更长，绕射能力更强
B. 波长更短，需要更多基站覆盖
C. 传播不需要基站中继
D. 可以被电离层反射实现全球覆盖

▍核心概念总结

调制：将低频信号加载到高频载波上；AM调幅、FM调频
解调：从载波中还原原始信号
无线电波三种传播方式：地波（沿地表）、天波（电离层反射）、空间波（直线）
频率越低，绕射能力越强，传播距离越远；频率越高，直线性越强，需更多中继
选台利用电谐振原理，调节LC电路频率与目标电台匹配

← 上一单元下一单元 →

05

光纤通信 Fiber Optics · 全反射与光脉冲

光纤通信原理

光纤利用全反射原理传输光信号
纤芯折射率 n₁ 大于包层折射率 n₂，光在界面发生全反射
激光作为载波，频率极高，可传输巨量信息
单根光纤可同时传输数百万路电话或数万路电视

▍实验 1：全反射原理演示

当入射角大于临界角时，光全部反射回光密介质，无折射光透出

▍实验 2：光脉冲在光纤中的传输

光在纤芯-包层界面反复全反射，沿光纤传输

例 1

光纤纤芯折射率 n₁ = 1.50，包层折射率 n₂ = 1.45。求全反射的临界角。

Step 1 — 写出临界角公式

全反射临界角公式：
sin θc = n₂/n₁

Step 2 — 代入计算

sin θc = 1.45/1.50 = 0.9667
θc = arcsin(0.9667) ≈ 75.2°

Step 3 — 结论

入射角大于 75.2° 时发生全反射。实际光纤中光线以很小的角度（相对于光纤轴线约 10~30°）入射到芯包界面，对应的界面入射角远大于临界角，确保全反射可靠发生。

例 2

一根光纤长 100 km，光在纤芯中的传播速度为 2×10⁸ m/s。光信号从一端传到另一端需要多长时间？如果换成同轴电缆（电信号速度≈2.3×10⁸ m/s），时间差是多少？

Step 1 — 光纤传播时间

t₁ = s/v₁ = 100×10³ / (2×10⁸) = 5×10⁻⁴ s = 0.5 ms

Step 2 — 电缆传播时间

t₂ = s/v₂ = 100×10³ / (2.3×10⁸) ≈ 4.35×10⁻⁴ s ≈ 0.435 ms

Step 3 — 比较与意义

Δt = 0.5 - 0.435 = 0.065 ms。虽然电缆中电信号稍快，但光纤的优势在于：带宽极大（可同时传输百万路电话）、不受电磁干扰、损耗极低（每公里<0.2 dB）、保密性好。

例 3

为什么光纤通信中使用的是激光而不是普通白光？

Step 1 — 单色性

激光是单色光（单一频率），而白光是各种频率光的混合。不同频率的光在介质中传播速度略有差异（色散），单色光可避免脉冲展宽。

Step 2 — 相干性与方向性

激光具有极好的相干性和方向性，可以高度聚焦，耦合进极细的光纤纤芯（直径仅约 8~10 μm）。

Step 3 — 频率与容量

激光频率极高（约 10¹⁴ Hz），作为载波可承载的信息容量极大。利用波分复用（WDM）技术，一根光纤可同时传输数十路不同波长的激光，总容量达 Tbps 级。

单元测试 · 5题

Q1

光纤通信利用的主要物理原理是（　　）

A. 光的折射
B. 光的全反射
C. 光的散射
D. 光的干涉

Q2

光纤的结构由外向内依次是（　　）

A. 纤芯→包层→外套
B. 包层→纤芯→外套
C. 外套→包层→纤芯
D. 外套→纤芯→包层

Q3 · 陷阱题

关于全反射，下列说法正确的是（　　）

A. 光从光疏介质射向光密介质时，一定会发生全反射
B. 全反射时，入射角必须大于临界角
C. 发生全反射时，折射光线很弱但没有消失
D. 全反射只发生在玻璃和水的界面

Q4

光纤通信中不使用普通白光源，主要原因是（　　）

A. 白光在光纤中传播速度太慢
B. 白光无法发生全反射
C. 白光包含多种频率，会造成色散失真
D. 白光能量太小，无法长距离传输

Q5

光在光纤中的实际传播路径长度比光纤本身长度（　　）

A. 短，因为光速在介质中变慢
B. 长，因为光在纤芯中反复反射曲折前进
C. 相等，因为全反射不增加路程
D. 无法确定

▍核心概念总结

光纤由纤芯（高折射率）、包层（低折射率）和外套组成
全反射条件：光从光密→光疏，入射角 ≥ 临界角 θc = arcsin(n₂/n₁)
光在纤芯-包层界面反复全反射，沿光纤传输
光纤通信用激光（单色性好、方向性好）作为载波
光纤优点：带宽极大、损耗极低、抗电磁干扰、保密性好

← 上一单元下一单元 →

06

现代通信技术 Modern Communication · 从5G到卫星

现代通信技术概览

5G：增强移动宽带、超低延迟、海量连接
WiFi/蓝牙：短距离无线通信，2.4/5/6 GHz
卫星通信：GEO/MEO/LEO 三种轨道覆盖全球
GPS/北斗：导航定位，利用无线电测距与三角定位

▍实验 1：卫星轨道与通信覆盖

三种卫星轨道：GEO相对地面静止，MEO绕行周期数小时，LEO绕行周期约90分钟

▍实验 2：5G 蜂窝网络覆盖

5G通过大小基站协同实现无缝覆盖，毫米波基站覆盖小但带宽极大

例 1

北斗卫星导航系统的B1频段信号频率为 1561.098 MHz。计算该信号在真空中的波长。为什么卫星导航至少需要4颗卫星才能确定位置？

Step 1 — 计算波长

λ = c/f = 3×10⁸ / (1561.098×10⁶) ≈ 0.192 m ≈ 19 cm（属于微波/分米波）

Step 2 — 定位原理

每颗卫星提供一个距离方程。要解算接收器的三维坐标（x, y, z）和接收机钟差共4个未知数，需要4个独立方程。

Step 3 — 卫星数量

3颗卫星只能确定二维位置（忽略高度或钟差），4颗卫星可完整解算三维坐标和时间。实际使用中更多卫星（4~12颗）可提升精度和可靠性。

例 2

5G通信使用毫米波（如 28 GHz），其波长约为多少？与4G（约2.6 GHz）相比，5G毫米波在覆盖范围上有什么劣势和优势？

Step 1 — 计算毫米波波长

λ = c/f = 3×10⁸ / (28×10⁹) ≈ 0.0107 m ≈ 1.07 cm（毫米波名称由来）

Step 2 — 覆盖劣势

毫米波波长极短，绕射能力极弱，易被建筑物、树木、甚至雨滴阻挡和衰减。传播损耗大，覆盖半径仅约100~200 m，需要大量密集部署的小基站。

Step 3 — 带宽优势

频率越高，可用连续频谱带宽越大。28 GHz 频段可提供数百 MHz 甚至数 GHz 的连续带宽，支持超高速率（Gbps级）和超低延迟，适合4K/8K视频、VR/AR、自动驾驶等应用。

例 3

比较同步轨道卫星（GEO）、中轨道卫星（MEO）和低轨道卫星（LEO）的通信延迟。假设GEO高度36000 km，MEO高度20000 km，LEO高度500 km，估算信号往返延迟。

Step 1 — GEO延迟

往返距离 ≈ 2 × 36000 km = 72000 km
t = s/c = 7.2×10⁷ / (3×10⁸) = 0.24 s = 240 ms

Step 2 — MEO延迟

往返距离 ≈ 2 × 20000 km = 40000 km
t = 4×10⁷ / (3×10⁸) ≈ 0.133 s ≈ 133 ms

Step 3 — LEO延迟

往返距离 ≈ 2 × 500 km = 1000 km
t = 10⁶ / (3×10⁸) ≈ 3.3 ms

LEO延迟比GEO低约70倍，是实时通信和在线游戏的理想选择，但需要更多卫星（如Starlink计划部署数千颗）实现全球无缝覆盖。

单元测试 · 5题

Q1

关于GPS/北斗卫星导航，下列说法正确的是（　　）

A. 只需要2颗卫星就能确定三维位置
B. 卫星向地面发射的是声波
C. 至少需要4颗卫星才能确定三维坐标和钟差
D. 卫星信号传播不需要时间

Q2

5G相比4G的主要优势不包括（　　）

A. 更高的数据传输速率
B. 更低的通信延迟
C. 更远的单基站覆盖距离
D. 支持更多设备同时连接

Q3 · 陷阱题

关于低轨道卫星（LEO）通信，下列说法正确的是（　　）

A. LEO卫星覆盖范围大，只需几颗就能覆盖全球
B. LEO卫星延迟低，但需要大量卫星组网
C. LEO卫星相对地面静止
D. LEO通信不需要地面基站

Q4

蓝牙和WiFi都工作在 2.4 GHz 频段，它们之间的主要区别是（　　）

A. 蓝牙使用电磁波，WiFi使用声波
B. WiFi功耗比蓝牙更低
C. 蓝牙传输距离比WiFi更远
D. 蓝牙适合低功耗短距离，WiFi适合高速率较长距离

Q5

同步轨道卫星（GEO）的通信延迟约 240 ms，这是因为（　　）

A. GEO卫星发射的信号速度很慢
B. 信号需要往返约 72000 km，光速也需要时间
C. 卫星信号在电离层中被大量吸收
D. GEO卫星的转发器处理速度慢

▍核心概念总结

5G三大特性：eMBB（高速率）、uRLLC（低延迟）、mMTC（海量连接）
毫米波优势：带宽极大；劣势：覆盖小、易阻挡、需密集部署
卫星通信三种轨道：GEO（静止，延迟大）、MEO（中轨道）、LEO（低轨，延迟小，需大量卫星）
导航定位：至少4颗卫星解算三维坐标和钟差
WiFi vs 蓝牙：同频段但不同协议，WiFi高速远距，蓝牙低功耗近距

← 上一单元下一单元 →

07

综合测试 Comprehensive Quiz · 全章知识检验

综合知识回顾

本测试覆盖第15章全部7个单元核心知识点。共15题，每题4分，满分60分。

电磁波的产生与传播
电磁波谱与应用
无线电通信（AM/FM/调制解调）
光纤通信（全反射原理）
现代通信技术（5G/卫星/导航）

综合测试 · 15题

Q1

关于电磁波的产生，下列说法正确的是（　　）

A. 静止的电荷周围会产生电磁波
B. 恒定电流可以产生电磁波
C. 周期性变化的电场会产生周期性变化的磁场
D. 只有通电导线才能产生电磁波

Q2

真空中所有电磁波的传播速度（　　）

A. 与频率成正比
B. 都等于 c ≈ 3×10⁸ m/s
C. 波长越长速度越快
D. 与介质无关但与频率有关

Q3 · 陷阱题

一束紫光从空气进入水中后（　　）

A. 频率变大，波长变长
B. 频率不变，波长变短
C. 速度不变，颜色变成红光
D. 频率变小，波速变大

Q4

下列电磁波中，光子能量最大的是（　　）

A. 无线电波
B. 微波
C. 可见光
D. γ射线

Q5

微波炉使用的微波频率约为 2.45 GHz，其波长约为（　　）

A. 1.2 m
B. 12 cm
C. 1.2 mm
D. 8.2 m

Q6

AM广播和FM广播的主要区别是（　　）

A. AM使用电磁波，FM使用声波
B. AM改变载波频率，FM改变载波振幅
C. AM改变载波振幅，FM改变载波频率
D. AM只能白天收听，FM只能夜间收听

Q7

收音机选台的原理是（　　）

A. 改变电台的发射频率
B. 调节接收电路的固有频率，使之与目标电台频率相同发生谐振
C. 改变电磁波的传播速度
D. 增大电台的发射功率

Q8

光纤通信利用的主要物理现象是（　　）

A. 光的折射
B. 光的色散
C. 光的全反射
D. 光的干涉

Q9 · 陷阱题

关于雷达测距，下列说法正确的是（　　）

A. 雷达发出的超声波遇到目标后反射回来
B. 测得的时间需要除以2才是单程传播时间
C. 雷达只能探测金属目标
D. 雷达使用的电磁波频率很低，绕射能力强

Q10

5G通信采用毫米波（如28 GHz），与4G相比（　　）

A. 单个基站覆盖范围更大
B. 带宽更大，支持更高数据速率
C. 更容易穿透建筑物
D. 绕射能力更强

Q11

同步轨道卫星（GEO）的轨道高度约36000 km，信号往返延迟约240 ms，这主要说明（　　）

A. 卫星转发器处理速度慢
B. 电离层对信号有严重阻碍
C. 即使是光速，长距离传播也需要可观的时间
D. GEO卫星的信号速度小于真空光速

Q12

关于电磁波谱，下列说法正确的是（　　）

A. 红外线频率比紫外线高
B. X射线可以穿透人体组织，用于医学成像
C. 微波不属于电磁波
D. 可见光波长比无线电波长

Q13

北斗/GPS导航系统至少需要（　　）颗卫星才能确定接收器的三维位置

A. 2颗
B. 3颗
C. 4颗
D. 6颗

Q14

某LC振荡电路 L = 1 mH，C = 100 pF，其振荡频率约为（　　）

A. 5×10⁵ Hz = 500 kHz
B. 5×10⁶ Hz = 5 MHz
C. 5×10⁴ Hz = 50 kHz
D. 5×10³ Hz = 5 kHz

Q15 · 陷阱题

关于"光纤通信比电缆通信更好"的说法，下列理解正确的是（　　）

A. 光纤中光信号传播速度比电缆中电信号快
B. 光纤的优势主要在于带宽极大、抗干扰、损耗低，而非单纯速度更快
C. 光纤通信不需要任何中继设备
D. 光纤使用普通白光源即可实现长距离传输

▍核心概念总结（全章）

产生：周期性变化的电磁场相互激发，不需要介质
传播：真空中 c = 3×10⁸ m/s，进入介质后 v = c/n，频率不变
波谱：无线电→微波→红外→可见→紫外→X射线→γ射线，频率越高能量越大
无线电：AM调幅、FM调频，地波/天波/空间波三种传播方式
光纤：全反射原理，纤芯 n₁ > 包层 n₂，激光作为载波
现代通信：5G高速低延迟、LEO卫星组网、导航需4颗卫星定位

← 上一单元返回第一单元 ↑

🎮 进入挑战模式

第十五章 电磁波

电磁波的产生 Generation · 从振荡到辐射

麦克斯韦电磁场理论

▍实验 1：LC振荡电路与电磁辐射

▍实验 2：电磁场的相互激发

单元测试 · 5题

▍核心概念总结

电磁波的传播 Propagation · 穿越空间与介质

传播特性一览

▍实验 1：电磁波在不同介质中的传播

▍实验 2：光速的尺度

单元测试 · 5题

▍核心概念总结

电磁波谱 Spectrum · 从无线电波到γ射线

电磁波谱概览

▍实验 1：电磁波谱动态展示

▍实验 2：c = λf 的动态关系

单元测试 · 5题

▍核心概念总结

无线电通信 Radio Communication · 调制与传播

无线电通信基础

▍实验 1：AM调幅与FM调频

▍实验 2：无线电广播信号流程

单元测试 · 5题

▍核心概念总结

光纤通信 Fiber Optics · 全反射与光脉冲

光纤通信原理

▍实验 1：全反射原理演示

▍实验 2：光脉冲在光纤中的传输

单元测试 · 5题

▍核心概念总结

现代通信技术 Modern Communication · 从5G到卫星

现代通信技术概览

▍实验 1：卫星轨道与通信覆盖

▍实验 2：5G 蜂窝网络覆盖

单元测试 · 5题

▍核心概念总结

综合测试 Comprehensive Quiz · 全章知识检验

综合知识回顾

综合测试 · 15题

▍核心概念总结（全章）