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時間：2023-05-30 14:50:04
序論：好文章的創(chuàng)作是一個不斷探索和完善的過程，我們?yōu)槟扑]十篇電磁波的實際應用范例，希望它們能助您一臂之力，提升您的閱讀品質(zhì)，帶來更深刻的閱讀感受。
一、學習目標
1.知道光是一種電磁波。了解電磁波在信息傳播中的作用。
2.記住電磁波在真空中的傳播速度。知道波長、頻率和波速的關系并會進行簡單的計算。
3.電磁波的應用。
4.初步了解現(xiàn)代通信網(wǎng)絡。
二、重點難點分析
1.波長、頻率和波速的關系。
2.電磁波的應用。
三、課堂設計
活動（一）神奇的電磁波
做一做 事先準備好了五套實驗用具，將全班學生分成五組，指導他們做了如下實驗：打開收音機的開關，轉(zhuǎn)動選臺的旋鈕，調(diào)到一個沒有電臺的位置，并開大音量。將一節(jié)干電池的正極與一把鋼銼良好接觸，負極連一根導線，用手拿著導線的另一頭，使它在銼面上滑動，讓學生觀察現(xiàn)象并分組討論產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因。
讀一讀 在活動之后，指導學生閱讀教材，并明確如下兩個內(nèi)容。
1.當導體中的電流迅速發(fā)生變化或通一高頻率的交變電流時，導體就會向四周空間發(fā)射電磁波。只有頻率很高的電流產(chǎn)生的電磁波才能傳得很遠。電磁波的國際單位是赫茲（Hz），簡稱赫，常用頻率單位還有千赫（kHz）和兆赫（MHz）。其換算關系：1kHz=103Hz；1MHz=106Hz。
2.電磁波可以在真空中傳播，光也是一種電磁波。真空中電磁波的波速為c，在空氣中與真空中電磁波的波速非常接近，c=3×108m/s。相鄰兩個波峰（或波谷）的距離，叫做波長。電磁波的波速c等于波長和頻率f的乘積：c=λf。在空氣或真空中，各種頻率的電磁波的波速是相同的，所以，頻率越高的電磁波，它的波長就越短。
議一議 在獲得了如上知識后，再結(jié)合“做一做”的內(nèi)容探討論如下的物理現(xiàn)象：手機放在電視機旁邊，當有電話來時，電視機的畫面會出現(xiàn)一些“雪花”，這是為什么？并且長時間用手機連續(xù)通話，會出現(xiàn)頭暈的情況，這是為什么？
活動（二）電磁波的應用
由于電磁波比較抽象，我特意做了課件，主要涉及軍事應用，如探測飛機、導彈用的雷達；民航應用，如GPS導航；天文應用，如探測遙遠星球；氣象應用，如探測臺風、雷雨等。通過課件中設計的一些小問題，引導學生對摸不到看不見的電磁波有一定的形象認識。此活動的另一個主要目的就是激發(fā)學生的學習興趣。
活動（三）改變世界的信息技術
引導學生閱讀如下內(nèi)容，更深入了解電磁波的應用對社會產(chǎn)生的巨大影響。
1.衛(wèi)星通信是利用人造地球衛(wèi)星作為中繼站，轉(zhuǎn)發(fā)無線電波，進行通信的。通信衛(wèi)星大多是相對地球“靜止”的同步衛(wèi)星。一般只要有三顆互成120°的同步衛(wèi)星，就覆蓋了幾乎全部地球表面，可以實現(xiàn)全球通信。衛(wèi)星通信具有傳輸距離遠、覆蓋區(qū)域大、靈活、可靠、不受地理環(huán)境條件限制等獨特優(yōu)點。全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）就是衛(wèi)星通信的實際應用。
2.光纜通信是應用光的傳播特性，把光能限制在光纖內(nèi)部，用光信號取代傳統(tǒng)通信方式中的電信號，從而實現(xiàn)信息的傳遞。光纖具有傳輸容量大、傳輸距離長、高抗干擾等特性。
3.移動通信由電磁波傳遞信息，可以在信號覆蓋的任何地方使用。當前應用最為普遍的為“蜂窩系統(tǒng)”。
四、隨堂測試
1.電磁波在真空中的傳播速度是__________；電磁波的波長越長其頻率就越______________；電磁波___________（填“能”或“不能”）在空氣中傳播。
2.2012年7月28日03時12分（北京時間），倫敦奧運會開幕，媒體通過通訊衛(wèi)星用______波把奧運會的信息及時傳到世界各地。若中央電視臺第一套節(jié)目的頻率為52.5MHz（1MHz=106Hz），則中央電視臺第一套節(jié)目的波長為________m。
3.以下與電磁波應用無關的是（）
A．手機通信 B．微波爐加熱食物
C．雷達偵查 D．聽診器了解病情
4.關于電磁波和現(xiàn)代通信，下列說法正確的是（）
A.光纖通信傳輸?shù)男畔⒘亢艽?，主要用于無線電廣播
B.移動電話靠電磁波傳遞信息
C.電磁波的波長越大，頻率越高
D.電磁波的應用對人類有利無害
5.關于電磁波和現(xiàn)代通信，下列敘述不正確的是（）
A．光是一種電磁波，電磁波可以在真空中傳播
B．電磁波的頻率越高，在空氣中傳播的速度就越大
1 引言
波導是一種用來約束或引導電磁波傳輸?shù)慕Y(jié)構(gòu)。盡管存在很多不同形式的波導，而且新的形式還不斷涌現(xiàn)，但到目前，在實際應用中矩形波導和圓波導仍是兩種最主要的波導形式。人工電磁材料是本世紀初物理學和電磁學的重要發(fā)現(xiàn)之一。作為人工電磁材料的一種，相對介電常數(shù)接近零的超材料（Epsilon-near- zero，ENZ超材料）具有低折射率，高相速度，近零相移等特點，這種超材料突破了傳統(tǒng)電磁場理論中的一些重要概念，可以應用于標準化技術領域，如新型電磁元器件、天線和開環(huán)諧振器等[1，2]，矩形波導在接近截止頻率時的色散特性可以用來模擬ENZ超材料的行為[3]。該結(jié)構(gòu)有大量的應用前景，特別對于隱形裝置和微型天線的設計[4] 具有重要的理論參考價值和實際應用意義。
2 理論分析
圖1是寬度為a和高度為b（其中a>b）的矩形波導。根據(jù)Maxwell方程組可以得到矩形波導TEmn模式電磁波的空間傳輸表達式：
TE波場方程 （1）
表式中w為電磁波角頻率，kc為臨界波數(shù)，m表示x方向變化的半周期數(shù)，n表示y方向變化的半周期數(shù)，γ為傳播常數(shù)。
3 變形矩形波導的傳輸特性
選擇兩個過渡層厚度相等形成Π通道（或ENZ通道）[4]，對ENZ通道的傳輸系數(shù)進行模擬。介質(zhì)通道和過渡區(qū)的介電常數(shù)εRCH=1（空氣），波導輸入端的介電常數(shù)εR=2，bs = bch = 0.8毫米時，Π通道傳輸系數(shù)曲線如圖2所示。
可見，第一次傳輸峰出現(xiàn)在1.476 GHz，該點代表零階共振，即在隧道中出現(xiàn)的頻率;第二次傳輸峰值是由于法布里-珀羅共振所引起，其峰值位置很大程度上取決于隧道長度。
第二傳輸峰值的產(chǎn)生主要是由于法布里-珀羅共振引起的，并且高度依賴通道長度的變化而變化。法布里 - 珀羅共振的變化相當于狹窄的通道各種長度分別改變了L1 = 95毫米，L2= 127毫米，L3 = 190毫米，如圖3所示?？梢?，該屬性可以用來操縱第二傳輸高峰期。
5 結(jié)論
通過矩形波導的邊界條件解出Maxwell方程組關于電磁波的空間傳輸表達式，得到了矩形波導截止頻率和模式譜圖的一般結(jié)果。討論了ENA通道發(fā)生幾何變形的傳輸電磁波的特征，改變通道長度僅影響法布里-珀羅共振出現(xiàn)的位置，并不會影響零階共振的產(chǎn)生。
參考文獻：
[1]謝處方，饒克謹.電磁場與電磁波[M].北京：高等教育出版社，2006：160-168.
[2]邵毅全，吳國建.矩形波導中電磁波傳輸特性研究[J].激光雜志，2011，32（01）：06-07.
[3]黃麗，蔣練軍，張學軍等.基于高阻抗表面材料電磁特性的矩形波導[J].中南大學學報，2012，43（10）：3912-3916.
中圖分類號：G642.3 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）06-0042-02
“電磁場與電磁波”作為光電信息類本科專業(yè)的專業(yè)基礎課。通過學習，使學生能夠運用場的觀點分析有關問題，完善知識結(jié)構(gòu)，提高專業(yè)水平，為后續(xù)課程的學習奠定基礎[1]。然而“電磁場與電磁波”卻是公認的難學、難教的專業(yè)基礎課程之一[2]。而且，南京郵電大學許多專業(yè)開設了“光波導理論與技術”、“光纖通信原理與系統(tǒng)”以及“光纖傳輸技術”等與電磁場與電磁波密切相關的專業(yè)課程，對“電磁場與電磁波”的教學提出了更高的要求。
一、“電磁場與電磁波”教學現(xiàn)狀
1.內(nèi)容多，課時少，缺乏更新。為了適應專業(yè)的發(fā)展和拓寬學生的知識面，相應地增加了與專業(yè)相關的課程，導致“電磁場與電磁波”課時減少?！半姶艌雠c電磁波”的教材大都是面向電子信息類相關專業(yè)，且專業(yè)課不斷追蹤學科發(fā)展前沿，而作為基礎課的“電磁場與電磁波”教學內(nèi)容得不到及時調(diào)整與擴充。
2.知識面寬，理論性強，概念抽象。課程中重要原理、定理和公式比較多，需要許多數(shù)學、物理知識。且課程中許多物理場的數(shù)學描述，大多需要嚴密的數(shù)學推導。另外，電磁場是一種抽象的物質(zhì)存在形式，課程中的概念比較抽象。
3.純理論教學，缺乏實踐與應用。大多數(shù)開設“電磁場與電磁波”課程的院校由于受到實驗條件的限制，只進行純理論的教學，造成理論與實踐、應用脫節(jié)。
4.考核方式陳舊。目前的考核方式基本上還是以考試為主、平時成績?yōu)檩o的考評機制。平時成績主要包括作業(yè)和出勤。但作業(yè)存在抄襲現(xiàn)象，出勤由于時間問題也只能抽檢。造成平時成績的考核會出現(xiàn)比較大的偏差。
二、提高教學質(zhì)量的新方法
1.教學內(nèi)容。①合理調(diào)整適合光電信息類專業(yè)的教學內(nèi)容。光電信息類專業(yè)開設了“光波導理論與技術”、“光纖通信原理與系統(tǒng)”以及“光纖傳輸技術”等專業(yè)課程，與這些專業(yè)課程相關的“電磁場與電磁波”內(nèi)容有時變電磁場與電磁波傳播、導行電磁波、電磁波傳播模式、色散等，應重點掌握這部分內(nèi)容，因此在學時的分配上，應增加這部分知識的講授時間。而均勻平面電磁波的傳播是電磁波傳播部分的基礎，因而，也應詳細講解與闡述。為了使學生更好地學習有關專業(yè)課程，在講授導行電磁波這部分內(nèi)容時，可以穿插一些與其緊密相關的光波導方面的內(nèi)容。②緊密跟蹤學科發(fā)展前沿動態(tài)。為了保證教學內(nèi)容與時俱進，“電磁場與電磁波”的教學內(nèi)容應緊密跟蹤學科前沿的發(fā)展動態(tài)。只有這樣，教學內(nèi)容才不至于陳舊，落后于當前學科的發(fā)展，才能不斷向前發(fā)展。近年來，隨著未來寬帶光網(wǎng)絡與無線網(wǎng)絡的發(fā)展和融合，高容量信息技術需求的高速發(fā)展，出現(xiàn)了微波光子技術。微波光子技術集中了微波技術和光子技術的優(yōu)點，使微波與光子在概念、器件、電路和系統(tǒng)等方面有機結(jié)合。當前，微波光子技術非常重要，發(fā)展也很迅速。因而，有必要在“電磁場與電磁波”的教學過程中，適當補充一些與“電磁場與電磁波”教學內(nèi)容相關的微波光子技術的研究內(nèi)容與前沿動態(tài)，可提高學生的學習與研究興趣，同時，還能夠培養(yǎng)適應當前社會發(fā)展需要的新時代的學生。
2.教學方法。①理論知識與實際應用相互交叉教學。學生往往對知識的應用比較感興趣，因而，在理論教學中應緊密聯(lián)系實際應用。一開始就要在緒論中介紹電磁波在電力工業(yè)、移動通信、射頻識別、衛(wèi)星通信、雷達探測、隱身技術等領域的應用，提高學生對這門課的興趣。除此之外，還應在理論教學過程中，緊密地穿插一些具體的應用，特別是一些比較新的科技前沿的應用。這樣可調(diào)動學生的學習興趣，也可豐富學生的科技知識，從而提高學習與教學效果。②適當借鑒研究性教學。雖然教學手段在技術上不斷更新，卻仍然無法擺脫單純由教師講授的教學模式。而研究性教學是一種新的教學模式，它要求引導學生主動探究、培養(yǎng)學生實踐能力和創(chuàng)新精神[3]。適當在“電磁場與電磁波”中應用研究性教學方法，設置與教學內(nèi)容相關的研究型課題，引導學生在課堂上進行思考和討論。也可以讓學生以分組的形式，課后利用網(wǎng)絡資源，尤其是圖書館的電子數(shù)據(jù)庫資源對研究性課題進行研究。一方面可激發(fā)學生的學習熱情，加強對所學知識的理解和進行綜合運用的能力，提高學習效果；另一方面，可讓學生獲得研究的經(jīng)歷，為學生以后的工作和進一步深造奠定基礎。③適當安排實驗教學?！半姶艌雠c電磁波”課程在大部分院校中主要進行理論教學，使學生感覺枯燥無味。為激發(fā)學生學習熱情和興趣，可適當安排實驗教學。在沒有實驗設備的情況下，也可以利用Matlab等軟件進行仿真實驗。Matlab擁有大量的二維、三維圖形函數(shù)以及豐富的圖形表現(xiàn)功能。利用Matlab可繪制電偶極子和同軸電纜線電場線、等勢線等。也可以進行均勻平面電磁波、球面電磁波在自由空間傳播過程仿真，矩形波導的場量分布仿真等。通過仿真實驗，能夠幫助學生理解抽象的物理內(nèi)容，激發(fā)學生對本課程的興趣，同時也能夠加深學生對基礎知識的理解，鍛煉學生觀察和分析問題的能力，從而培養(yǎng)他們的初步科研能力。④現(xiàn)代教學方法和傳統(tǒng)教學方法相結(jié)合。在“電磁場與電磁波”課程的教學中需要綜合利用多媒體和傳統(tǒng)的板書教學手段。充分利用多媒體的強大圖形、動畫功能，可把抽象的內(nèi)含的物理過程充分演示出來，有效地幫助學生透徹理解物理本質(zhì)并有效掌握所學內(nèi)容。另外，由于“電磁場與電磁波”課程具有較多的公式與定理，不僅要知道公式與定理本身的內(nèi)容，更應知道公式的來龍去脈。而且，在公式的反復推導過程中，可達到復習的效果，牢固掌握以前所學的知識。公式的推導過程如果還利用多媒體，很容易使學生感覺枯燥無味、產(chǎn)生疲勞，而板書則可使推導過程達到最佳效果。
3.考核方式。適當增加筆試以外的成績?？梢哉n堂設置一些基本問題，讓學生課后思考與復習，然后通過抽查的方式以督促學生學習。也可以針對不同的學生設置不同的問題。對學生不定時進行隨堂小測試，以消除因作業(yè)存在抄襲帶來成績評定的偏差。另外還可以適當布置Matlab仿真小實驗，現(xiàn)場考察學生的Matlab仿真。通過增加筆試以外的成績評定，這樣可較真實地考察出學生對基礎知識、基本理論的掌握情況以及解決實際問題的能力，也可提高學生的積極性，杜絕個別學生想通過抄襲蒙混過關的現(xiàn)象。
為提高光電信息類專業(yè)的“電磁場與電磁波”課程的教學質(zhì)量，不僅要求教師在教學中不斷探索新的教學方法以激發(fā)和培養(yǎng)學生的學習興趣，而且要求教師本身還要不斷地提高自己的業(yè)務水平，特別是科研水平。只有這樣，才能不斷提高教學質(zhì)量，培養(yǎng)適合社會需要的新型人才。
參考文獻：
[1]關建飛，倪新建，徐寧.光電信息類本科專業(yè)《電磁場理論》教學改革研究[J].中國科技信息，2010，（14）：206-207.
0引言
如今，油氣管道老化成了世界性的問題，如何確保這些管道安全是當前研究的熱點。管道檢測技術是確保管道安全的重要環(huán)節(jié)，依據(jù)檢測儀器的位置可以將檢測管道技術劃分成兩種：外檢測、內(nèi)檢測。其中，炔考觳庥捎諂涓繕婀艿賴惱常運行，又不受外部地理環(huán)境的限制，具有十足的優(yōu)勢，所以被大眾所接受。但是在運用內(nèi)檢測技術時，掌握內(nèi)檢測的傳感器的位置信息十分必要，尤其是需要對檢測設備進行維修時，定位技術就尤其關鍵。
1內(nèi)檢測常見的定位技術
1.1里程輪定位
作為傳統(tǒng)計程方式的里程輪，在當今的管道檢測中經(jīng)常被采用，常用的是利用光電式的轉(zhuǎn)速傳感器實現(xiàn)定位。利用里程輪檢測管道時，其發(fā)出周期性的脈沖，地面的定位檢測設備就可以根據(jù)脈沖的數(shù)量確定內(nèi)檢測設備的位置。該方法成本低，但是由于該方法本身存在一定的誤差以及打滑失效等情況存在會影響其準確性。在現(xiàn)代的工程中，一般情況下會對里程輪進行適當?shù)母倪M或者同時利用多個里程輪來減少誤差，從而提高定位的準確性。
1.2射線定位
若內(nèi)部檢測器上安裝一個射線發(fā)生器，同時在管道外安裝感光膠片，那么射線發(fā)生器工作時發(fā)射射線，將會引起感光膠片曝光，從而可以確定內(nèi)部檢測器的位置。該類型的定位器的電路簡單而且具有良好的控制效果，而且不受其他工業(yè)的干擾。成都理工大學的科研團隊對該類型的探測器進行了深入的研究，他們在射線定位的基礎上結(jié)合視頻識別技術，從而可清晰的、方便的查看曝光情況，所以定位的準確性更高，但該技術具有復雜的系統(tǒng)，無法利用遙控內(nèi)檢測器，同時放射性指令源存在風險，運用、存儲以及運輸涉及很多的困難。解決這個問題通常的辦法是利用x射線取代放射性的射線。基于X射線檢測技術，優(yōu)勢是檢測結(jié)果十分直觀，而且無論被檢對象尺寸、材質(zhì)如何，都能實施檢測。因此，X射線檢測技術多被采用。
1.3磁場定位
磁場是一種信息載體，其能穿透金屬管壁。利用這個優(yōu)勢，磁場定位應運而生。該技術的核心是內(nèi)部檢測設備在采集其它信息的同時也采集管道外部定位磁鐵的磁場信息。該技術在內(nèi)檢測設備上安裝一個或者多個霍爾傳感器，利用其采集外部定磁鐵產(chǎn)生的漏磁場的信息，從而可以通過信息的變化判斷出內(nèi)部檢測器與定磁鐵的位置的變化，實現(xiàn)定位。該方法，具有低成本、易成功的優(yōu)點，但是由于管道的管壁通常比較厚，其對磁場信號構(gòu)成較強的屏蔽作用，所以通常管道內(nèi)的漏磁場強十分微弱，這個對信號采集構(gòu)成了較大的困難，因此，該方法不僅要求磁鐵要有強磁性，還要求位于管道內(nèi)的霍爾傳感器具有十分高的靈敏度。天津大學的科研團隊對這項技術進行了創(chuàng)新，其開發(fā)的設備時間精度達到了毫秒級別，但是其系統(tǒng)構(gòu)成復雜，維護保養(yǎng)成本較高。
1.4GPS導航定位
目前，GPS導航系統(tǒng)定位技術在眾多的管道內(nèi)檢測定位手段中算是比較成熟的，采用最多的，其精度通常能達到厘米的級別。其技術原理第一步運用GPS衛(wèi)星對內(nèi)檢測設備的位置進行確定，第二步對管道沿線的每個位置進行測定。若內(nèi)檢測設備在管道內(nèi)運行，慣性檢測設備就會檢測三個方面的速度變化，但是因為管道內(nèi)的復雜環(huán)境使得在其內(nèi)運行的內(nèi)檢測器測取的數(shù)據(jù)存在誤差，同時這種誤差隨著時間的延長而不斷的累積。當內(nèi)檢測設備通過GPS的標志點時，就可以修正內(nèi)檢測器的位置信息，從而提高了準確度。不過該技術的經(jīng)濟成本比較高，不利于廣泛的運用。
1.5壓力波法
該方法通過檢測管道兩端的壓力，判斷管理泄露的位置。其工作原理就是在內(nèi)檢測設備的兩端都安裝壓力波檢測設備。內(nèi)檢測設備工作時，壓力波發(fā)生器就產(chǎn)生兩個一致的波形，沿著管道的方向進行傳播，然后在管道的首末兩端的兩個傳感器收集壓力值，依據(jù)壓力值之間的時間差、管長、波速，可以十分精確地計算出內(nèi)檢測設備在管道中的位置信息。實現(xiàn)壓力波的定位雖然操作簡便，但是存在較大的誤差，無法進行十分準確的定位。所以，壓力波法適用于粗定或者應用于實時跟蹤內(nèi)檢測設備。
1.6電磁波法
電磁波定位法通常利用低頻（23 Hz）的電磁波對金屬和大地具有較大的穿透能力的特性進行工作。沈陽工業(yè)大學的專家團隊曾經(jīng)開發(fā)了低頻電磁波磁偶極子的模型，該模型的原理是利用低頻電磁波會產(chǎn)生磁場，并對其磁場特點進行記錄，同時根據(jù)磁偶極子的磁場分布，可以實現(xiàn)電磁波定位。具體來說，該方法先運用基于GPS的定位系統(tǒng)查詢安裝在地面上的接受裝置。內(nèi)檢測設備所攜帶的低頻電磁波產(chǎn)生裝置工作時會發(fā)射交變的電磁波。當?shù)孛嫔系慕邮昭b置接收到電磁信號后，對該信息的準確分析結(jié)果就會判明何時內(nèi)檢測設備通過了該地面接收裝置的正下方。然后，地面接收裝置會發(fā)射另一信號，從而促使管理內(nèi)的內(nèi)檢測設備重新進行定位。周而復始，保證了定位成功開啟。此方法不僅定位準確度高，而且使用的范圍也十分廣泛。但是在實際運用中，由于電磁波受到外界的影響比較多，所以應用的范圍也受到了限制，同時，該技術的系統(tǒng)成本高，功耗大，不能夠大面積布置。
1.7其他方法
其他的方法主要有測力定位和聲學定位兩種。
測力定位的基本原理就是運動力學和牛頓力學，利用該原理對管道內(nèi)檢測設備進行定位的方法，該方法不易受到管道內(nèi)部環(huán)境的影響，同時定位的準確度高。但是該方法也具有局限性，不能用于長距離定位。
依據(jù)聲學的定位方式是通過標記內(nèi)檢測設備與管道相撞擊、摩擦等發(fā)出的聲音來實現(xiàn)定位。該方法應用廣泛，但是一旦出現(xiàn)卡堵問題就無法發(fā)出聲音信號。與此同時，聲音信號抵抗干擾的能力弱。
2應用情況
依據(jù)實際應用場景的不同，采用不同的定位技術來實現(xiàn)管道內(nèi)檢測設備的位置是當前的主流做法。比如，對于短距離的管道進行檢測時多應用測力定位法，長距離管道的檢測定位通常是綜合利用磁場定位法和里程輪定位法，而聲學定位法等定位手段由于傳感設備尚在發(fā)展或者受環(huán)境要求高等因素尚在研究階段，實際應用中的價值不高。
知識與技能：
1.了解無線電波的波長范圍.
2.了解無線電波的發(fā)射過程和調(diào)制的簡單概念.
3.了解調(diào)諧、檢波及無線電波接收的基本原理.
過程與方法：
通過觀察總結(jié)了解無線電波的基本應用，了解現(xiàn)代技術的應用方法，學會基本原理.
情感、態(tài)度與價值觀：
通過對無線電波應用原理的基本認識感悟科學技術的價值和重要性.端正科學態(tài)度，培養(yǎng)科學的價值觀.
二、教學重點
對本節(jié)基本概念的理解.
三、教學難點
對調(diào)諧的理解，無線電波發(fā)射與接收過程.
四、教學方法
演示推理法和分析類比法.
五、教學用具
信號源，示波器，收音機，錄音機，調(diào)頻發(fā)射機，計算機多媒體，實物投影儀等.
六、教學過程
（一）引入新課
師：在信息技術高速發(fā)展的今天，電磁波對我們來說越來越重要，無論是廣播、電視還是無線電通信以及航空、航天中的自動控制和通信聯(lián)系，都離不開電磁波．在無線電技術中使用的電磁波叫做無線電波，那么無線電波是怎樣發(fā)射和接收的呢？這節(jié)課我們就來學習電磁波的發(fā)射和接收.
（二）進行新課
1.無線電波的發(fā)射
師：請同學們討論，在普通LC振蕩電路中能否有效地發(fā)射電磁波？（學生討論.）
生：在普通LC振蕩電路中，電場主要集中在電容器的極板之間，磁場主要集中在線圈內(nèi)部.在電磁振蕩過程中，電場能和磁場能的相互轉(zhuǎn)化主要是在電路內(nèi)部完成的，輻射出去的能量很少.不能有效地發(fā)射電磁波.
師：有效地發(fā)射電磁波的條件是什么？（學生閱讀教材有關內(nèi)容.）
師生總結(jié)：
要有效地向外發(fā)射電磁波，振蕩電路要滿足如下條件：
（1）要有足夠高的振蕩頻率.
（2）振蕩電路的電場和磁場必須分散到盡可能大的空間，才能有效地把電磁場的能量傳播出去.
師：如何改造普通的LC振蕩電路，才能使它能夠有效地發(fā)射電磁波？（引導學生討論.）
（師生一起討論后，引出開放電路的概念.將閉合電路變成開放電路就可以有效地把電磁波發(fā)射出去.）
如圖1所示，是由閉合電路變成開放電路的示意圖.
師：無線電波是由開放電路發(fā)射出去的.
講解：在實際應用中常把開放電路的下端跟地連接.跟地連接的導線叫做地線.線圈上部接到比較高的導線上，這條導線叫做天線.天線和地線形成了一個敞開的電容器，電磁波就是由這樣的開放電路發(fā)射出去的.電視發(fā)射塔要建得很高，是為了使電磁波發(fā)射得較遠.實際發(fā)射無線電波的裝置中還需在開放電路旁加一個振蕩器電路與之耦合，如圖2所示.
振蕩器電路產(chǎn)生的高頻率振蕩電流通過L2與L1的互感作用，使L1也產(chǎn)生同頻率的振蕩電流，振蕩電流在開放電路中激發(fā)出無線電波，向四周發(fā)射．
師：發(fā)射電磁波是為了利用它傳遞某種信號.例如無線電報傳遞的是電碼符號，無線電廣播傳遞的是聲音，電視廣播傳遞的不僅有聲音，還有圖像.這就要求發(fā)射的電磁波隨信號而改變.電磁波是怎樣傳遞這些信號的呢？
講解：在電磁波發(fā)射技術中，如果把這種電信號“加”到高頻等幅振蕩電流上，那么，載有信號的高頻振蕩電流產(chǎn)生的電磁波就載著要傳送的信號一起發(fā)射出去.把要傳遞的信號“加”到高頻等幅振蕩電流上，使電磁波隨各種信號而改變的技術叫做調(diào)制.
進行調(diào)制的裝置叫做調(diào)制器.要傳遞的電信號叫做調(diào)制信號.
使高頻振蕩電流的振幅隨調(diào)制信號而改變叫做調(diào)幅（AM）.
使高頻振蕩電流的頻率隨調(diào)制信號而改變叫做調(diào)頻（FM）.
圖3是調(diào)幅裝置的示意圖．接在振蕩器和線圈之間的話筒就是一個最簡單的調(diào)制器，由聲源發(fā)出的聲音振動使話筒里的碳粒發(fā)生時松時緊的變化，它的電阻也發(fā)生時大時小的變化.所以，雖然振蕩器產(chǎn)生的是高頻等幅振蕩電流，但是線圈通過的卻是隨聲音而改變的高頻調(diào)幅電流．由于線圈的互感作用，從開放電路中發(fā)射的也是這種高頻調(diào)幅電流.這種電磁波叫調(diào)幅波.（多媒體演示：調(diào)幅波.）
（用示波器觀察調(diào)幅波形.）
2．無線電波的接收
師：處在電磁波傳播空間中的導體，會產(chǎn)生感應電流，導作中感應電流的頻率與激起它的電磁波頻率相同，因此，利用放在電磁波傳播空間中的導體，就可以接收到電磁波，這樣的導體就是接收天線.
在無線電技術中，用天線和地線組成的接收電路來接收電磁波.
講解：世界上有許許多多的無線電臺、電視臺以及各種無線電通訊設備，它們不斷地向空中發(fā)射不同頻率的電磁波，這些電磁波強弱不等地彌漫在我們周圍.如果不加選擇地把它們都接收下來，那必然是信號一片混亂，分辨不清，達不到我們傳遞信息的目的.所以，接收電磁波時，首先要從諸多的電磁波中把我們需要的選出來，通常叫做選臺.這就要設法使我們需要的電磁波在接收天線中激起的感應電流最強.在無線電技術里，是利用電諧振來達到這個目的的.當接收電路的固有頻率跟接收到的電磁波的頻率相同時，接收電路中產(chǎn)生的振蕩電流最強.這種現(xiàn)象叫做電諧振，相當于機械振動中的共振.
（用示波器觀察電諧振波形.）
師：接收電路產(chǎn)生電諧振的過程叫做調(diào)諧，能夠調(diào)諧的接收電路叫做調(diào)諧電路.
如圖6是收音機的調(diào)諧電路.調(diào)節(jié)可變電容器的電容來改變調(diào)諧電路的頻率，使它跟要接收的電臺發(fā)出的電磁波的頻率相同，這個頻率的電磁波在調(diào)諧電路里激起較強的感應電流，這樣就選出了這個電臺.（演示調(diào)諧過程.）
講解：收音機接收的經(jīng)過調(diào)制的高頻振蕩電流（對應圖講解），這種電流通過收音機的耳機或揚聲器，并不能使它們振動而發(fā)聲，為什么呢，假定某一個半周期電流的作用是使振動片向某個方向運動，下一個半周期電流就以幾乎同樣大的作用使振動片向反方向運動.高頻電流的周期非常短，半周期更短，而振動片的慣性相當大，所以在振動片還沒有來得及在電流的作用下向某個方向運動的時候，就立刻有一個幾乎同樣大的作用要使它向反方向運動，結(jié)果振動片實際上不發(fā)生振動．要聽到聲音，必須從高頻振蕩電流中“檢”出聲音信號，使揚聲器(或耳機)中的動片隨聲音信號振動.
從接收到的高頻振蕩電流中“檢”出所攜帶的調(diào)制信號過程，叫做檢波.檢波是調(diào)制的逆過程，因此也叫解調(diào).由于調(diào)制的方法不同，檢波的方法也不同.檢波之后的信號再經(jīng)過放大、重現(xiàn)，我們就可以聽到或看到了.
下面介紹收音機中對調(diào)幅波的檢波.
圖7是晶體二極管的檢波電路，是利用晶體二極管的單向?qū)щ娦詠磉M行檢波的.調(diào)諧電路中產(chǎn)生的是經(jīng)過調(diào)幅的高頻振蕩電流，L1和L2繞在同一磁棒上，由于互感作用，在L2上產(chǎn)生的是高頻交變電壓．由于二極管的單向?qū)щ娦裕ㄟ^它的是單向脈動電流，這個單向脈動電流既有高頻成分，又有低頻的聲音信號，高頻成分基本從電容器C（復習旁路電容器）通過，剩下的音頻電流通過耳機發(fā)聲.（用示波器觀察檢波過程）實際上就是一個晶體二極管收音機的電路圖.這種收音機聲音很小，只能用開機收聽本地電臺.為了提高收音機的接收性能，需要用放大器把微弱的信號放大.圖8是加有放大器的收音機方框圖.由天線和調(diào)諧電路接收到的高頻調(diào)幅電流，先通過放大器進行高頻放大，然后進行檢波和低頻放大，放大后的音頻電流輸送到喇叭，使它們發(fā)出聲音.
下面我們通過調(diào)幅和調(diào)頻兩種方式，來看看無線電波發(fā)射和接收的全過程.
（1）調(diào)幅發(fā)射和接收.（實驗演示.）
（2）調(diào)頻發(fā)射和接收.（實驗演示.）
比喻：
高頻電流火車 音頻電流貨物
調(diào)制發(fā)射傳播調(diào)諧解調(diào)
裝貨出站運行進站卸貨
師：我們再來看一下無線電波的分段.（投影.）
（三）課堂總結(jié)、點評
本節(jié)課主要學習了以下內(nèi)容：
1.電磁波的產(chǎn)生和發(fā)射條件.
2.開放電路的結(jié)構(gòu)和特點.
3.電磁波的發(fā)射過程和接收過程.
七、課后作業(yè)
完成P92“問題與練習”中的題目.閱讀P91“科學足跡”.
預習下一節(jié)：電磁波的發(fā)射和接收.
八、教學體會
思維方法是解決問題的靈魂，是物理教學的根本；親自實踐參與知識的發(fā)現(xiàn)過程是培養(yǎng)學生能力的關鍵，離開了思維方法和實踐活動，物理教學就成了無源之水、無本之木.學生素質(zhì)的培養(yǎng)就成了鏡中花，水中月.
附：鞏固訓練
1.電磁波的調(diào)制有哪兩種方式？
2.什么叫電諧振？
3.調(diào)諧過程中，若接收同一波段內(nèi)的不同信號，通常是改變電路中哪個元件的值？
4.發(fā)射電磁波為什么要用開放電路？
5.接收電磁波信號時，為什么要調(diào)諧？
6.調(diào)諧電路中可變電容器的動片從完全旋入到完全旋出仍接收不到某較高頻率電臺發(fā)出的電信號，要收到該電臺的信號，應該怎么辦？
A．增加調(diào)諧電路線圈的匝數(shù) B．加大電源電壓
C．減少調(diào)諧電路線圈的匝數(shù) D．減小電源電壓
參考答案：
1.電磁波的調(diào)制有調(diào)幅和調(diào)頻兩種方式.
2.當接收電路的固有頻率跟接收到的電磁波的頻率相同時，接收電路中產(chǎn)生的振蕩電流最強，這種現(xiàn)象叫電諧振.
3.調(diào)諧過程中，通常是改變調(diào)諧電路中電容器的電容.
4.振蕩電路要有效地向外發(fā)射電磁波必須具備兩個條件：（1）有足夠高的振蕩頻率.（2）振蕩電路的電場和磁場要盡量分散到大的空間，只有開放電路才能滿足這兩個條件，因此，發(fā)射電磁波要使用開放電路.
5.在空間里有大量的不同頻率的電磁波傳播.要接收到其中某一頻率的信號，必須使這一信號在接收電路中引起電諧振，因此必須進行調(diào)諧.
0 引言
“電磁場與電磁波”是通信工程專業(yè)、電子工程專業(yè)一門專業(yè)主干課，因為大多電子信息的傳播都是通過電磁場和電磁波來傳遞的，所以電磁波技術不僅廣泛應用于通信技術、廣播電播、電視技術、雷達測試技術、遙測遙控監(jiān)測技術等眾多領域中，同時信息安全技術問題、電磁兼容、電子對抗和電磁屏蔽等技術問題的研究也必須依賴于電磁場理論。一些重要的發(fā)現(xiàn)和發(fā)明都是以電磁場理論的研究為基礎的，如指南針、電話、電報、電動機和發(fā)電機等，特別是無線電技術，完全是在電磁場理論研究的基礎上發(fā)明、發(fā)展起來的。而且，隨著我國信息科學技術的迅速發(fā)展，電磁場理論與微波技術在通信工程專業(yè)、信息工程專業(yè)、信息對抗專業(yè)和信息安全專業(yè)等人才的培養(yǎng)過程中顯得尤為重要。
1 現(xiàn)狀
“電磁場與電磁波”的主要內(nèi)容包括：矢量分析、靜態(tài)場分析、動態(tài)電磁場的概念、原理、分析方法和相關應用，電磁波在無界空間中的傳播，電磁波在有界空間中的傳播，這是是一門難度系數(shù)較大的課程，與前期相關課程聯(lián)系緊密，如求解場的大小和方向時涉及到高等數(shù)學和大學物理學的知識，同時還要求學生具有一定的空間想象能力、抽象思維能力和邏輯推理能力?？偟膩碚f來說其難點主要體現(xiàn)在要求學生具有較高的空間想象力和較強的數(shù)學計算能力。
1.1 學習中的問題
學生在學習中存在的問題主要體現(xiàn)在兩方面：一是，推導和計算難，課程中所涉及的公式多、表達式復雜、數(shù)學要求強。如果再在推導中運用到矢量運算、微積分方程以及復數(shù)運算，過程繁雜，往往顧此失彼，學習吃力。二是，概念抽象，該課程理論性強，概念抽象，對一些定理及概念，比如說惟一性定律、內(nèi)自感、外自感等等概念難理解，物理概念不熟悉，學習難度大。三是，解題困難，很多學生反應上課認真聽講，下課花大量時間推導公式，可遇到習題又像到另外一個世界，完全無從下手。長此以往，失去學習的興趣。
1.2 在教學中中存在的問題
第一電磁場與電磁波課程涉及大量的公式推導，部分教師尤其是青年教師往往注重數(shù)學計算，而忽略了其物理意義，容易使該課程失去其意義。第二，課程系統(tǒng)性強，注重介紹其理論基礎知識，忽略與實際應用的聯(lián)系，容易讓學生產(chǎn)生“學習這門課有何用”的疑惑，不能調(diào)動起學生的學習積極性。第三，由于電磁場與電磁波先修課程高等數(shù)學和大學物理，由于一些原因在電磁場與電磁波的教學中有時會出現(xiàn)知識銜接的問題。
2 改革的思路
電磁系列課程教學內(nèi)容和方法的改革必須從以下幾個方面來進行：教育觀念和理念的更新；專業(yè)技術基礎課地位與內(nèi)涵的再認識；課程體系和教學內(nèi)容的改革；考試制度及方法的改革；網(wǎng)絡課程和雙語教學的初步嘗試。通過這些方面的研究和實踐，以取得較好的改革效果，電磁系列課程教學改革的實踐應該采用全方位、立體化、多視角的教學模式，發(fā)揮教師的主導作用，確定學生的主體地位；想盡一切方法，采取一切手段，努力幫助學生開拓思路，激發(fā)潛能；在教給學生專業(yè)知識和學習方法的同時，全面培養(yǎng)他們的創(chuàng)新意識、實踐能力和綜合素質(zhì)。
提高學生興趣，興趣是最好的老師。比如，在剛開始學習均勻平面波的傳播時，讓學生們自由討論現(xiàn)實生活中遇到的電磁波傳播問題，再向?qū)W生提出幾個應用問題：為什么海水中潛艇之間的通信困難？如何防止室內(nèi)電子設備受外界電磁波干擾？為什么在微波爐中牛肉能熟，而盛牛肉的盤子確不會烤焦？中波廣播天線架設為什么與地面垂直？學生帶著這些問題學習，當遇到這些問題，他們無法解決時，就想盡快知道解決問題的辦法。通過這部分理論知識的講授，學生對這些問題有了較深的認識。經(jīng)過了這樣多次提出問題、解決問題的過程，學生們對本課程的興趣越來越濃厚，學習目的也非常明確了。
3 改革的方法
改變教學重點，對于靜態(tài)場問題，不做大量的講解分析。通信工程專業(yè)在后續(xù)學習中，更多的是應用電磁場的傳播分析問題。大量的靜態(tài)分析不僅耗費大量的時間和精力，而且讓學生一開始就陷入茫然畏難之中，后面更實用的內(nèi)容反而不能取得較好的教學效果。但靜態(tài)場是動態(tài)場的基礎，所以不能直接從教學中劃出，實際教學中采用的辦法是，僅僅討論點電荷的散度，旋度，其他復雜情況不做討論。而麥克斯韋方程不做過多的推導，直接給出結(jié)論，視其為“公理”，后續(xù)內(nèi)容全部從麥克斯韋方程出發(fā)進行分析。
對于一些抽象的現(xiàn)象用Flas播放，對于一些復雜公式則在黑板上板書推導。如講解經(jīng)典的Maxwell方程組時，Maxwell方程組第二方程即法拉第電磁感應定律，借助一個Flas演示發(fā)電機的工作原理，生動形象，Maxwell方程組的第一方程提出了位移電流的假設，如果從理論上講解會比較容易混淆，把Maxwell測試位移電流的實驗用Flas或Ansoft Maxwell軟件演示， 學生一看就明白了，且調(diào)動了學生的學習興趣。
隨著科學技術的不斷發(fā)展，無線電通信技術已經(jīng)得到了人們的廣泛應用，這不僅有利于人類社會經(jīng)濟的發(fā)展，還給人們的生活帶來了許多的便利。而我們在對無線電通信技術進行應用的過程中，主要涉及到的內(nèi)容就是電波的輸送和發(fā)射這兩個方面，然而這兩方面的內(nèi)容都是有無線電通信中的天線來完成的，因此它在其中有著十分重要的意義。下面我們就對無線電通信天線的作用進行簡要的介紹。
一、天線的工作原理
眾所周知，在無線電通信系統(tǒng)運行的過程中，天線主要用于對無線電波的接受和輸送，它是無線電通信系統(tǒng)中不可缺少的部件之一。但是，它是怎樣來接受和發(fā)射無線電波的呢？為此我們就要對天線的工作原理進行詳細的分析。
天線的工作原理主要和磁場的變化有著十分密切的關系，而所謂的磁場變化則是指，有電場引起的，磁場作用于電場所發(fā)生的電磁波變化，其中電磁波的波動具有輻射性，可以用來對信息的傳遞，而天線這是通過對輻射出來的電磁波進行感知，讓電磁波在傳播的過程中，具有一定的方向性，從而滿足電磁波信息接收的相關要求。
二、天線在無線電通信中的作用
目前在社會經(jīng)濟發(fā)展的過程中，無線電通信通信技術已經(jīng)得到了人們的廣泛應用，這不僅有利于社會經(jīng)濟的發(fā)展建設，還給人們的日常生活和社會生產(chǎn)帶來了許多的便利。其中天線在無線電通行中的作用主要表現(xiàn)在以下幾個方面。
1、首先天線在無線電通信的過程中，對無線電電磁波信號有著極強的感知能力，它可以對比較微弱的信號起到一個良好的感知效果，從而對電磁波起到一個良好的定向作用，讓人們對電磁波中的有用信號進行提取。其次，天線對正常使用的過程中，也可以對無線電波中的信號進行分離，這樣就很好的減少了信號干擾，使得無線電通信系統(tǒng)接受信號的能力得到進一步的提升。最后，無線電通信中的天線在實際應用的過程中，也可以和用戶之間建立起無線連接的關系，這就使得無線電通信技術的性能得到進一步的提高。
（2）天線的導體會在實際的使用過程中發(fā)生損耗，這樣的損耗會對無線電信號的準確無誤的傳播發(fā)生影響，導致天線的功率沒辦法完全轉(zhuǎn)換成電磁波。這個時候，天線就可以是一個能量的轉(zhuǎn)換器，它的作用是減少各種原因引起的損耗，然后與饋線匹配，增強輻射的電阻，以此減少信號的損耗，保證信號的轉(zhuǎn)換和傳輸準確。
（3）天線增益，也就是天線的效率和方向系統(tǒng)的乘積。天線增益是用來衡量天線轉(zhuǎn)換成能量的實際效率，是衡量信號轉(zhuǎn)換和傳播的重要參數(shù)，天線的層數(shù)越多，天線增益就越大。天線增益有助于實現(xiàn)系統(tǒng)增益。所謂的系統(tǒng)增益就是使用天線來大幅度地提高輻射的功率，增大效益。
（4）輸入阻抗和輻射阻抗：所謂的輸入阻抗，指的是在饋電端所呈現(xiàn)出來的阻抗，這個阻抗的值是饋電電流和饋電電壓之間的比值。通常來說，這個比值是一個復數(shù)。我們把這個復數(shù)的實數(shù)看做是輸入電阻，虛數(shù)部分看做電抗。當天線回路出現(xiàn)匹配或者協(xié)調(diào)問題的時候，我們就必須了解輸出電阻和輸入電抗的值，所以輸入阻抗是一個重要參數(shù)。在無線電通信系統(tǒng)中，影響輸入阻抗的主要因素是天線的具體構(gòu)造和天線的工作頻率多少，另外天線的工作環(huán)境等相關因素也會對輸入阻抗有所影響。所以，我們在實際的安裝過程中，對天線的尺寸與形狀都要有嚴格的要求，要選擇合理構(gòu)造的天線。另外，選擇輻射電阻較大的天線，能夠有效地保證天線的輸入阻抗與饋線阻抗相匹配起來。
（5）天線陣：天線陣是我們在無線電通信系統(tǒng)的實際工作中，發(fā)明的一種加強電磁波輻射方向性和電磁波輻射強度的方法，是天線在實際的無線電通信中的重要作用之一。具體的做法是：將工作頻率相等的若干個天線，以一定的規(guī)律進行排列和組合，這就形成了我們說的天線陣。當電磁波經(jīng)過的時候，在天線陣的作用下，電磁波就會發(fā)生適量疊加。這樣就能有效地增強電磁波輻射的方向性和輻射強度，對整個無線電通信有著難以估量的巨大增幅作用。
三、天線的選擇和架設
如何選擇理想的天線關系到天線在無線電通信中發(fā)揮的作用，對無線電通信的質(zhì)量有著較大的影響。筆者對天線的選擇和架設條件進行了總結(jié)。
理想的天線應該有有以下的特質(zhì)：設計科學、天線增益強、具有比較好的匹配性、具有比較長的使用壽命、安全系數(shù)高、方便架設。在選好理想的天線之后，還需要對其進行正確的架設：架設的時候，要遠離那些可以吸收和反射電波的導體；不能和電話線、強電線等相關線路平行架設；不同的天線類型要有一定的距離，電臺天線、電話天線、電視天線要分開架設，不能距離太近等。
現(xiàn)代社會是科技高速發(fā)展的社會，人們的生活、學習、工作等方方面面都依賴于高科技。無線電通訊技術的發(fā)明和進一步發(fā)展給人們的生活和工作都帶來了巨大的便利。天線是無線電通信技術中的重要部件，它是對電磁波進行感知、能量轉(zhuǎn)換、接收和發(fā)射的裝置。在使用過程中，天線可以對電磁波信號進行增益、同時在能量轉(zhuǎn)換和傳輸?shù)倪^程中還能減少信號損耗，是所有無線電通訊技術中不可或缺的部件。
文章探討了天線在無線電通訊技術中的重要作用，對天線的選擇和合理架設也提出了自己的意見。隨著科技的日益進步，我們相信無線電通訊技術必將朝著更先進的方向發(fā)展，同時天線技術也會日益完善，更快、更好、更強地為人們的生活和學習帶來幫助。
四、結(jié)束語
總而言之，在當前人類社會發(fā)展的過程中，無線電通信技術應用得到了人們的廣泛應用，這不僅有利于我國社會主義市場經(jīng)濟的發(fā)展建設，還給人們的生活和生產(chǎn)帶來了許多的便利。而天線作為無線電通信系統(tǒng)中重要的組成部分，對其作用的詳細了解也是很重要的，這就有利于無線電系統(tǒng)的安裝施工處理。不過，隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，人們也將許多先進的科學技術應用到其中，這就使得無線電通信技術的應用效果得到進一步的保障，從而促進我國社會主義市場經(jīng)濟的發(fā)展。
參考文獻
中圖分類號：G424 文獻標識碼：A
1 省內(nèi)外相關研究現(xiàn)狀分析
“卓越人才培養(yǎng)計劃”要求學校培養(yǎng)出基礎扎實、知識面寬、創(chuàng)新實踐能力強、具有社會責任感、團隊合作精神和卓越人才培養(yǎng)潛質(zhì)的優(yōu)秀學生。對于我校電信、電科專業(yè)學生而言，最好的平臺之一就是利用好每一年一度的電子設計競賽和物理創(chuàng)新大賽。而要想在各類大型競賽中獲得成績，學生必需要有扎實的理論知識。其中電磁場與電磁波是高等院校通信工程、電子信息工程專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎課。如何上好這門基礎課，給同學們提供扎實的理論指導，是卓越人才培養(yǎng)計劃必然要求。信息化是當今世界經(jīng)濟和社會發(fā)展的大趨勢，當代教育技術的發(fā)展，給電磁場與電磁波課程的學習帶來新的春天。在新的教育理念下，探索信息技術與學科課程整合成為當前教育研究的一個熱點內(nèi)容。研究信息技術與電磁場與電磁波課程整合，對于整體優(yōu)化教學過程，深化高等教育改革，增進學生的專業(yè)知識學習效果，提高學生的信息技術能力，培養(yǎng)學生的合作意識和創(chuàng)新精神具有重大的現(xiàn)實意義。作為一門探究性課程。我們將如何信息技術與電磁場與電磁波課程整合方面進行了初步的探討。將“知識、能力、人格”的培養(yǎng)理念落實到具體教學環(huán)節(jié)中。推行啟發(fā)式、探究式、討論式、小制作等授課方式，將創(chuàng)新實踐能力訓練貫穿于課程教學之中。
2 課程教學改革研究對促進教學工作、提高教學質(zhì)量的作用和意義探究
（1）作為一門探究性課程，電磁場與電磁波課程是通信工程、電子信息工程專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎課。它以麥克斯韋方程為根本基礎構(gòu)建電磁理論的知識體系，它研究自然界中電磁現(xiàn)象和電磁過程。近年來材料、光子晶體等領域的理論研究和材料研發(fā)的突破給經(jīng)典電磁理論帶來了勃勃生機。
（2）另一方面，電磁場與電磁波課程對于學生的動手創(chuàng)造能力的培養(yǎng)遺跡從事相關科學研究都具有基礎性的重要意義，對于學習其它相關專業(yè)（如通信技術、電力系統(tǒng)、電子技術、激光技術、光學工程等）的課程也有重要影響。
（3）以多媒體技術和網(wǎng)絡技術為核心的信息技術在教育領域中的應用是教育信息化的重要標志。通過電磁場與電磁波課程的探究教學與當代信息技術的整合與深化，使學生掌握電磁場與電磁波課程知識所涉及的相關科學方法，有效提高學生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力，提高學生知識拓展能力和自我學習能力。
3 課程教學探究的實施方案
3.1 具體研究對象和內(nèi)容
（1）我們將采用傳統(tǒng)板書、電子課件、網(wǎng)絡和視頻多種手段結(jié)合。課內(nèi)講授與課外討論和制作相結(jié)合、基礎理論教學與學科前沿講座結(jié)合，基本理論訓練與科研實踐訓練相結(jié)合。（2）針對電磁場與電磁波是理論基礎課的特點，課堂教學主要采用探究式課堂教學法：即每節(jié)課突出一個主題，講清論透；每個主題，通過多種形式的師生互動，及時了解學生的疑難問題和創(chuàng)造欲望。（3）鼓勵和指導有能力的學生提早進入科研實踐訓練、參加各類科技競賽。將學生撰寫課程小論文融入教學全過程，從中選出有質(zhì)量的項目進入科研實踐訓練。構(gòu)建多樣化應用型人才，培養(yǎng)應用型、復合型、技能型人才，增強畢業(yè)生就業(yè)能力；完成本課的預期目的。（4）電磁場與電磁波也是一門實踐性很強的課程，其研究對象——場是區(qū)別于實物的物質(zhì)形態(tài)，具有抽象的特征。為避免課程教學的數(shù)學化，我們將充分應用當代信息技術的優(yōu)勢，比如說應用視頻教學資料增強學生的感性認識和動手能力，同時反過來應用于當代信息技術，充分發(fā)展學生的物理思維和物理探究能力。（5）我們將充分利用好點子競賽等創(chuàng)新平臺，促進電磁場與電磁波的教學。
3.2 課堂教學改革研究擬達到的目標
在課堂教學中，突出學生的參與性，使他們主動獲取而不是被動接受科學結(jié)論，強調(diào)思維互動，使學生感覺電磁場與電磁波發(fā)人深思，不難入門。作為電磁理論基礎的麥克斯韋方程是從大量個體電磁實驗總結(jié)而得的“共性”規(guī)律。同時，電磁場與電磁波與其他物理學分支也具有“共性”和“個性”的關系。針對這一特點，教學中注意引導學生“相似性形象思維”，開展“抽象思維”，促成“頓悟思維”。學生感覺電磁場與電磁波思路清晰，容易理解。激發(fā)學生學習興趣，經(jīng)常采用課堂討論，由學生提問，在教師引導下大家討論，總結(jié)得出準確認識。由于分析“電磁場和電磁波”要在多維時空中抽象思維，課堂教學充分使用多媒體，盡力使用圖像和色彩搭配，使學生建立正確的物理圖像。
3.3 課堂教學改革研究擬解決的主要問題
（1）突出科學性和探究性。電磁場與電磁波探究式教學，強調(diào)學生能力的培養(yǎng)。教學中遵循“物理現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)—物理現(xiàn)象的描述—物理過程的分析—結(jié)果驗證與實驗測量”，再現(xiàn)科學研究過程，突出物理學實驗性的特征。教學中注意知識拓展，充分聯(lián)系實際應用和現(xiàn)代科技發(fā)展，提高了學生學習興趣和畢業(yè)生就業(yè)的適應性。（2）重視物理思維和學生能力培養(yǎng)。課程教學中鍛煉“相似性形象思維”，提高“抽象思維”，促成“頓悟思維”。采用多媒體手段、有效使用圖示，幫助學生正確建立物理圖像，認識物理過程。提高學生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力。培養(yǎng)他們的科學創(chuàng)新能力。（3）推進個性化教育。探究式教學可以使具有不同基礎的學生各有所獲。課程網(wǎng)站的建立和電磁場與電磁波論壇的開通，也將有效推動個性化教育的實施。
4 課堂教學改革研究的特色和應用價值及推廣
4.1 特色
（1）通過網(wǎng)絡解答學生的問題，及時了解學生的創(chuàng)造欲望。（2）通過課外閱讀、討論與講座擴展學生視野，引導學生了解學科前沿發(fā)展動態(tài)，將有些問題安排給學生進行課外閱讀和討論，提高學生獨立分析問題的能力。
4.2 創(chuàng)新點
（1）網(wǎng)絡與視頻教學可以擴展學生自主學習空間，有些問題通過播放視頻，讓學生可以直觀地理解電磁現(xiàn)象基本規(guī)律的內(nèi)涵。（2）多種形式的師生互動，可以了解學生的學習與創(chuàng)造欲望。（3）科研實踐訓練培養(yǎng)學生的探索精神和創(chuàng)新能力，從學生課程論文中，挑選有質(zhì)量的項目進入科研實踐訓練。 鼓勵和指導有能力的學生參加各級科研訓練項目與科技競賽。
4.3 應用價值及推廣
（1）當代教育技術中網(wǎng)絡視頻教學提供了傳統(tǒng)教學中所沒有的優(yōu)勢。通過播放演示實驗中的與電磁場與電磁波現(xiàn)象相關的視頻資料，學生可以直觀地理解這些現(xiàn)象及其物理內(nèi)涵。（2）任課教師通過課后答疑和討論、電子郵件、學生QQ群，解答學生的問題，了解學生的創(chuàng)造欲望，指導有能力的學生開展科研實踐訓練、參加各類科技競賽。這種教學方式不僅對提高學生的理解能力、動手能力、創(chuàng)新能力都有相當好的效果，同時也可以促進本課程的教學改進也很有益。（3）同時這種教學模式還可以推廣到其他物理類基礎學科，對于改變傳統(tǒng)的教學模式，增強教學效果以及學生的動手能力和知識理解都有很好的借鑒作用。
電磁場與電磁波是物理學發(fā)展比較成熟的一門學科，從電磁理論發(fā)展史看，章章節(jié)節(jié)中滲透著科學家的成功思想和方法，讓學生了解并學習這一點，對于培養(yǎng)學生學習方法，培養(yǎng)學生的物理直覺和科學素質(zhì)是十分有益的，這也是本課程教學的一個目的。本課程教學的基本要求是：使學生系統(tǒng)而深入地掌握靜電場和靜磁場理論，掌握電磁波的傳播和電磁場輻射規(guī)律，并能夠熟練運用知識分析和解決相關電磁問題。
參考文獻
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[中圖分類號] U459.2 [文獻碼] B [文章編號] 1000-405X（2014）-4-104-1
1工程概況
某高速公路起點樁號為K125+500，終點樁號為K132+550，線路全長共計7.05km，在整個高速公路施工中，設置兩座大橋，四座分離式立交橋。高速公路路徑填筑長度約為6.1km。為保障高速公路運行安全，在高速公路施工過程中，委托專業(yè)公司對該高速公路東橋段擋土墻、西南段滑坡位置段防護結(jié)構(gòu)及其他段擋土墻進行檢測，對高速公路擋土墻及滑坡體進行施工質(zhì)量評估。在該工程擋土墻檢測中，應用地質(zhì)雷達無損檢測技術進行檢測工作。
2地質(zhì)雷達無損檢測技術工作原理
地質(zhì)雷達屬于一種新興的高效淺層地理探測新技術，與傳統(tǒng)探測技術相比，地質(zhì)雷達具備探測速度快，重量輕，便于攜帶，探測精度高，圖像直觀等優(yōu)勢，在混凝土結(jié)構(gòu)、巖土工程及其他領域應用較為廣泛。
在應用地質(zhì)雷達進行擋土墻檢測時，通過雷達主機控制，雷達脈沖源裝置產(chǎn)生周期性毫微秒電磁波信號，并直接將電磁波信號反饋給發(fā)射天線，通過發(fā)射天線耦合到擋土墻信號在傳播路徑中遇到的介質(zhì)非均勻體時，如電磁波信號在傳輸中遇到孔洞、不密實等狀況，會產(chǎn)生電磁波反射波信號，接收天線在接收到電磁波反射信號后傳輸給接收機，應用接收機對接收到的電磁波信號進行整形與放大等處理，經(jīng)由電纜傳輸?shù)嚼走_主機，雷達主機將處理后電磁波信號傳輸給計算機，通過計算機度信號幅度大小進行編碼，并以波形堆積圖、灰色電平圖、彩色電平圖等進行顯示，判斷擋土墻施工質(zhì)量。由此可以看出，地質(zhì)雷達無損檢測技術，是通過對檢測體發(fā)射電磁波，電磁波在進入墻體時，電磁波會產(chǎn)生發(fā)射、折射及繞射等現(xiàn)象，通過對電磁波形、幅度、發(fā)射波走時等進行擋土墻結(jié)構(gòu)及擋土墻幾何形態(tài)判斷。其工作原理可以用圖1來描述。
3地質(zhì)雷達無損檢測技術在高速公路擋土墻質(zhì)量檢測中的應用
根據(jù)該高速公路工程概況，采取地質(zhì)雷達無損檢測技術對該高速公路擋土墻質(zhì)量進行評估與研究。
3.1前期準備工作
準備工作質(zhì)量直接影響著地質(zhì)雷達無損檢測數(shù)據(jù)的準確性，準備工作的主要內(nèi)容包括兩個方面：其一，了解地質(zhì)雷達探測區(qū)域情況。通過安排專業(yè)人員進行現(xiàn)場勘探，獲取該高速公路地質(zhì)雷達探測周邊狀況。在該高速公路擋土墻區(qū)域內(nèi)，地下水位較高，地下水較為豐富，多在擋墻與填土連接位置存在著滲排水現(xiàn)象，部分區(qū)域形成了排水通道，嚴重損壞了擋墻背填土，影響擋土墻安全性；擋土墻在墻底設置有的一排擋土墻泄水孔，擋土墻中部沒有設置泄水孔，泄水孔排水存在著不通暢問題；擋土墻砂漿受到較為嚴重的剝落，砂漿連接力不足；道路排水溝運行狀態(tài)良好；在檢測中沒有發(fā)現(xiàn)擋土墻墻背地面下沉現(xiàn)象。其二，天線選型，在進行隧道襯砌檢測中，需要應用屏蔽天線。頻率低天線發(fā)射雷達波主頻較低，分辨率偏低，精度一般，能量衰減速度慢，探測深度值較大，頻率高天線發(fā)射雷達波主頻較高，分辨率及探測精度較好，能量衰減速度較快，在深度較淺探測中效果突出。如表1為部分頻率天線應用效果表。
為此，天線選型時，需要根據(jù)實際擋土墻厚度進行天線選型，在該高速公路擋土墻檢測中選擇900MHz天線進行探測。
3.2擋土墻檢測數(shù)據(jù)采集
在該高速公路工程中，共設置兩條測量線，分別設置于東橋段擋土墻、西南段滑坡位置段防護結(jié)構(gòu)位置。在地質(zhì)雷達檢測之前，需要設置檢測參數(shù)：將地質(zhì)雷達檢測行走速度控制在5km/h左右，設置900MHz天線記錄長度為15ns，設置512個時間采樣點，綜合實際情況，采取由淺入深性增益，應用連續(xù)檢測方式。
為保證地質(zhì)雷達檢測中，其檢測圖像測點與實際檢測里程對應性，需要進行里程標記設置，在隧道邊墻中以間隔5m的標準進行標記設置，從而方便里程核對。在地質(zhì)雷達檢測中，操作人員需設置雷達參數(shù)，在雷達記錄中間隔5m作一次標記，在探測過程中，保持天線移動速度均勻。在該高速公路擋土墻探測中，以汽車搭載測試平臺，保證測試數(shù)據(jù)穩(wěn)定性與可靠性。
3.3數(shù)據(jù)處理及反饋
在采集探測數(shù)據(jù)后，應用專業(yè)處理軟件進行處理，通過頻譜分析、濾波去噪、增強振幅等措施，提高數(shù)據(jù)可分析性，通過研究異常特征及面層相位特征，對各個檢測段探測結(jié)果進行分析，找出擋土墻中存在的病害，判斷病害類型、深度、范圍及所在里程等。通過雷達圖像研究法發(fā)現(xiàn)擋土墻填土較為疏松，存在著孔洞等質(zhì)量問題，為施工提出意見。
3.4檢測結(jié)果
在該高速公路擋土墻檢測中應用地質(zhì)雷達無損檢測技術，發(fā)現(xiàn)擋土墻厚度滿足設計要求，然而在擋土墻施工中，部分位置存在著松散不密實問題，部分擋土墻存在著連續(xù)孔洞質(zhì)量問題，研究其成因并提出處理建議，提高工程擋土墻質(zhì)量。
4結(jié)語
高速公路擋土墻施工質(zhì)量直接影響著高速公路運行的安全性及整體效益，在進行高速公路擋土墻質(zhì)量檢測時，可以應用地質(zhì)雷達無損檢測技術。地質(zhì)雷達無損檢測技術在應用中探測精度較高，圖像直觀，操作方便，綜合效益較好。結(jié)合實際工程案例，對地質(zhì)雷達擋土墻質(zhì)量檢測及具體應用進行研究。實踐證明，應用地質(zhì)雷達無損檢測技術，可以有效發(fā)現(xiàn)擋土墻中存在質(zhì)量問題，從而提出科學建議，保障高速公路安全運行。
參考文獻
[1]康旺東.基于地質(zhì)雷達無損檢測技術的擋土墻質(zhì)量評定及研究[D].中南大學，2012.
[2]汪貴春.擋墻質(zhì)量無損檢測技術應用研究[D].重慶交通大學，2009.
0引言
探地雷達(Ground Penetrating Radar，簡稱GPR)測試技術是一種利用高頻電磁脈沖電磁波在不同電磁性介質(zhì)中的傳播規(guī)律，探測地下目標體分布形態(tài)及特征的方法。使用探地雷達進行路面檢測具有實時、簡便、高效、準確、連續(xù)、信息豐富等特點，被廣泛應用于路面結(jié)構(gòu)檢測中。
路面結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量的好壞，關系到公路運行的可靠性和長期運行的穩(wěn)定性，因此需要對路面各結(jié)構(gòu)層實際厚度和分層碾壓密實程度進行檢測。本文通過在路面施工過程中，利用探地雷達現(xiàn)場進行檢測分析，并分別在路面各結(jié)構(gòu)分層界面處埋且金屬標定板，用以對比檢測分析，從而得出路面各結(jié)構(gòu)層材料的各種特性參數(shù)和厚度;其次，根據(jù)雷達檢測后剖面顯示的異常特征，進行現(xiàn)場鉆孔驗證，從而得出產(chǎn)生雷達檢測剖面出現(xiàn)異常特征的原因，并對路面施工中出現(xiàn)的缺陷異常進行總結(jié)，為以后公路施工的質(zhì)里檢測提供一定的指導意見。
1探地雷達路面檢測原理
1.1 基本原理
探地雷達在路面結(jié)構(gòu)檢測時，由工作天線向地下發(fā)射高頻電磁脈沖波，當相鄰結(jié)構(gòu)層材料的介電常數(shù)不同時，電磁波在結(jié)構(gòu)層的分層界面處發(fā)生反射和透射，經(jīng)過多層反射和透射后，一部分電磁波能量逐步衰減掉，另一部分電磁波返回地面，并被工作接收天線接收，形成反射界面。
公路路面各結(jié)構(gòu)層相對于探地雷達檢測可認為是水平層狀結(jié)構(gòu)。雖然公路不同結(jié)構(gòu)層的鋪筑材料是不同的，但是同層的鋪筑材料可認為是均勻一致的。盡管是分層碾壓而成，但相對于探地雷達電磁波垂直入射而言，可認為單層介質(zhì)是各向同性的。公路路面各結(jié)構(gòu)層可簡化為各向同性水平層狀介質(zhì)，探地雷達電磁波在路面結(jié)構(gòu)層中的傳播路徑。
路面各結(jié)構(gòu)層分別為表層、瀝青面層、混凝土層和基層，各層的介電常數(shù)分別為、、和，由于各結(jié)構(gòu)層材料的介電性不一樣，入射波到達各結(jié)構(gòu)層的分層界面處分別形成了反射投射，在各層中的傳播時間分別為，， ，當知道電磁波在各結(jié)構(gòu)層中的傳播速度是，就可以利用以下公式計算出各個結(jié)構(gòu)層的厚度。
（1）
式中：光速，。
為了準確測定各結(jié)構(gòu)層的電磁波速度，在公路施工中，預先在路面各結(jié)構(gòu)層之間的分層表面埋里金屬標定板。
1.1 埋置標定板的意義
（1）埋置標定板可明顯地辨別出路面各結(jié)構(gòu)層分層界面在探地雷達檢測剖面圖上的位置，從而比較準確地得出探地雷達電磁波在路面各結(jié)構(gòu)層中的雙程旅行時間。金屬標定板在埋置前，通過標尺準確測出試驗路段各結(jié)構(gòu)層的厚度，通過路面厚度計算公式，可計算出電磁波在各結(jié)構(gòu)層中的傳播速度，以及各結(jié)構(gòu)層厚度和材料的介電常數(shù)。
（2）用各種頻率的雷達檢測天線檢測埋置金屬標定板的路面，通過金屬標定板在探地雷達檢測剖面上的特征顯示，可以得知各種頻率的雷達天線在路面檢測中的有效檢測深度。
（3）通過金屬標定板的顯示定位，可以準確地識別出各結(jié)構(gòu)層的分層界面在探地留達檢測剖面上的顯示特征，判別分層界面處雷達的反射波特征。
2路面雷達的最大探測深度
探地雷達能探測到最深的目標體的深度稱為路面雷達的最大探測深度。探測深度是關系到路面雷達技術能否運用的一個關鍵因素.
探空雷達的探測距離一般可通過雷達方程來確定，因為雷達方程將雷達的作用距離和雷達發(fā)射、接受、天線和環(huán)境等因素聯(lián)系起來。但探地雷達與探空雷達不同，不能直接由雷達方程來確定其探測深度，因為在于探地雷達天線輻射的電磁波在路面結(jié)構(gòu)中傳播特性較為復雜，因介質(zhì)不同會有不同的衰減。對探地雷達，目前還沒有一套比較成熟、嚴格的理論體系來描述探地雷達的工作性能。在此采用修正后的雷達方程來估算探地雷達的探測深度。
用信號能量表示的雷達方程為：
（1）
其中，為雷達的最小可檢測信號的功率，為雷達的最大發(fā)射功率；，其中為接收單元的等效噪聲溫度，為波爾茲曼常數(shù)，為噪聲字數(shù)，為噪聲頻帶寬度；、分別為雷達發(fā)射天線和接受天線的增益；為電磁波的波長；為目標的散射截面積；為雷達的最大探測距離。
3結(jié)語
3. 1探地雷達是一種新型的、先進的公路檢測技術，在有條件的情況下，還應盡可能地與其它公路檢測方法配合開展工作，加強與當前成熟的檢測方法進行對比研究，以充分發(fā)揮各種方法的技術優(yōu)勢，共同促進公路檢測水平的提高。
3. 2如同其它探測方法一樣，探地雷達檢測技術在實際應用中，應當根據(jù)檢測日的等具體情況，選擇合理的測量參數(shù)和適宜的工作方式，以增強探地雷達在公路檢測中的有效性。
3.3 借鑒核了密度儀在公路密實度檢測方面的經(jīng)驗，根據(jù)其它地球物理勘察方法，開展探地宙達檢測在公路密實度檢測方面的應用研究，逐步由定性步入半定量、甚至定量解釋。減少公路有損測試，提高測試效率，充分發(fā)揮探地宙達測試連續(xù)性的優(yōu)勢，使密實度檢測的數(shù)據(jù)采樣更充分，更具有真實性。
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