初中物理 21 信息的传递：电话、电磁波

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一、电话——有线信息传递的基础

电话是人类最早实现远距离有线通信的重要发明，其核心功能是完成“声音信号”与“电信号”的双向转换，实现跨空间的声音传递。完整的电话系统主要由话筒、听筒和通信线路（含交换机）三部分组成，三者协同工作，缺一不可。

（1）电话的核心部件与工作原理

话筒：将声音信号转化为电信号

话筒的核心组件是“碳粒振动结构”或“电磁感应单元”，其工作逻辑围绕“声音振动→物理变化→电流变化”展开。

以常见的碳粒话筒为例：当人说话时，声音的振动带动话筒内的薄金属膜片振动；膜片的振动会挤压或放松内部的碳粒（碳粒是导体，松紧程度会改变电阻）——声音强时，膜片振动幅度大，碳粒被压紧，电阻变小，电路中电流变大；声音弱时，膜片振动幅度小，碳粒变松散，电阻变大，电路中电流变小。最终，随声音变化的振动转化为随声音变化的电信号，电信号通过导线传输。

听筒：将电信号还原为声音信号

听筒的核心组件是“电磁铁+薄铁片（膜片）”，其工作逻辑与话筒相反，围绕“电流变化→磁场变化→机械振动→声音”展开。

当话筒传来的变化电信号通入听筒的电磁铁时，电磁铁的磁性强弱会随电流变化（电流大→磁性强，电流小→磁性弱）；磁性的变化会对听筒内的薄铁片产生不同的吸引力——磁性强时，铁片被吸得更紧，磁性弱时，铁片放松，从而使铁片随电流变化规律振动；铁片的振动带动周围空气振动，最终将电信号还原为与原始声音一致的声音信号，被人耳感知。

交换机：实现多用户的灵活通信

早期电话采用“点对点直连”模式（如A与B通话需单独拉一根导线），当用户数量增多时，导线数量会呈几何级增长，无法实现大规模通信。交换机的出现解决了这一问题：它相当于“通信线路的中转站”，能根据用户拨打的号码，自动将主叫方的线路与被叫方的线路接通，通话结束后断开线路，供其他用户使用。

现代交换机已从早期的“人工接线”升级为“数字自动交换机”，可同时处理成千上万的通话请求，支持语音、视频等多种信息传递，是现代通信网络的核心枢纽。

（2）电话的分类与发展

有线电话：依赖实体导线（如电话线、光纤）传输电信号，信号稳定、抗干扰能力强，但受线路限制，无法移动（如家庭固定电话、办公座机）。

无线电话：无需实体导线，通过电磁波传输信号，灵活性强，可实现移动通信（如手机、对讲机）。无线电话本质是“将有线电话的‘导线传输’替换为‘电磁波传输’”，其话筒和听筒的核心原理与有线电话一致，仅信号传递方式不同。

二、电磁波——无线信息传递的“万能载体”

无论是手机通话、电视广播，还是卫星通信，其核心信息载体都是电磁波。电磁波是一种由变化的电场和变化的磁场相互激发形成的“电磁场波动”，具有“无需介质即可传播、传播速度快、覆盖范围广”的特点，是现代无线通信的基础。

（1）电磁波的产生与基本特性

电磁波的产生：变化的电流是根源

物理学实验证明：只要电路中有变化的电流（无论是方向变化还是大小变化），就会在周围空间激发电磁波。例如：

电台、电视台的发射塔中，高频交变电流通过天线时，会激发周围的电磁场，形成电磁波并向空间传播；

手机通话时，内部电路产生的变化电流通过天线发射电磁波，同时接收基站传来的电磁波，完成信息交互；

即使是简单的“快速通断电路”（如反复按压手电筒开关），也会产生微弱的电磁波，只是频率较低，无法用于通信。

电磁波的三大核心特性：

1. 传播无需介质：这是电磁波与声波的关键区别（声波需空气、水等介质，无法在真空中传播）。电磁波可在真空中、空气中、水中等多种环境中传播，因此能实现“地空通信”（如卫星与地面的通信）。

2. 传播速度恒定：电磁波在真空中的传播速度与光速相同，约为\(c = 3 \times 10^8\ \text{m/s}\)（或\(3 \times 10^5\ \text{km/s}\)）；在空气中的传播速度略小于真空中的速度，实际计算中可近似按\(3 \times 10^8\ \text{m/s}\)处理。

3. 具有波的基本属性：电磁波作为一种波，具有波长（\(\lambda\)）、频率（\(f\)）和波速（\(c\)）三个物理量，三者满足定量关系：

\(c = \lambda f\)

波长（\(\lambda\)）：相邻两个波峰（或波谷）之间的距离，单位为米（m）、毫米（mm）等；

频率（\(f\)）：单位时间内电磁波振动的次数，单位为赫兹（Hz）、千赫（kHz）、兆赫（MHz）（换算关系：\(1\ \text{kHz} = 10^3\ \text{Hz}\)，\(1\ \text{MHz} = 10^6\ \text{Hz}\)）；

关系解读：由于电磁波在真空中的波速\(c\)恒定，波长与频率成反比——频率越高，波长越短；频率越低，波长越长（如手机使用的微波频率高，波长较短；广播使用的无线电波频率低，波长较长）。

（2）电磁波的分类与应用

根据波长（或频率）的不同，电磁波可分为多个波段，不同波段的电磁波因特性差异，应用场景各不相同。初中阶段需重点掌握以下与通信、生活相关的波段：

无线电波（波长较长，频率较低）：是无线通信的核心波段，按波长进一步细分可分为长波、中波、短波、微波。

中波/短波：用于广播（如AM调幅广播、SW短波广播），可绕射或反射，覆盖范围较广；

微波：用于手机通信、卫星通信、雷达（微波波长短，方向性强，适合定向传输）。

红外线（波长比无线电波短，比可见光长）：主要用于“近距离非通信场景”，如电视遥控器（通过红外线传递控制信号）、红外测温仪、红外成像仪。

紫外线（波长比可见光短，比X射线长）：不用于通信，主要用于杀菌消毒（如紫外线消毒柜）、验钞（钞票上的荧光物质在紫外线照射下发光）。

可见光（人眼可感知的波段）：主要用于照明和视觉传递，部分场景也用于短距离通信（如可见光通信技术）。

（3）电磁波的“发射与接收”流程

无线通信的本质是“将信息加载到电磁波上，通过电磁波传输，再从电磁波上提取信息”，具体流程分为“发射”和“接收”两步：

发射过程：信息加载到电磁波上（调制）

1. 信息源产生原始信息信号（如话筒产生的声音电信号、摄像头产生的图像电信号）；

2. 载波发生器产生“高频载波电磁波”（高频电磁波更易通过天线发射，且能携带更多信息）；

3. 调制器将“信息信号”加载到“高频载波电磁波”上（如改变载波的振幅或频率，分别称为“调幅”或“调频”）；

4. 加载信息后的电磁波通过发射天线发射到空间中。

接收过程：从电磁波上提取信息（解调）

1. 接收天线捕捉空间中的电磁波，产生微弱的感应电流；

2. 调谐器（如收音机的“调台旋钮”）通过调节自身频率，选择特定频率的电磁波（过滤掉其他频率的干扰信号）；

3. 解调器从选中的电磁波中提取出原始的信息信号；

4. 放大器将微弱的信息信号放大，再通过听筒（声音）或显示屏（图像）还原为可感知的信息。

三、信息传递的发展趋势与典型应用

从早期的“有线电话”到现代的“5G通信”，信息传递的核心趋势是“无线化、高速化、全球化”，典型应用包括：

卫星通信：利用通信卫星作为“太空中继站”，解决地面通信“无法跨大洋、跨大陆”的问题（电磁波沿直线传播，地面两点距离过远时，需卫星反射信号）。例如国际电话、卫星电视、全球定位系统（GPS）均依赖卫星通信。

光纤通信：虽属于“有线通信”，但本质是“利用激光（一种高频电磁波）在光导纤维中传输信息”，具有“容量大（一根光纤可同时传输数百万路电话）、速度快、抗干扰能力强”的特点，是现代互联网的核心传输方式（如家庭宽带的“光纤入户”）。

移动通信（如5G）：基于微波波段的电磁波，通过基站覆盖实现“随时随地通信”，5G技术相比4G，频率更高、带宽更大，可支持高速数据传输（如4K/8K视频、虚拟现实）和海量设备连接（如物联网）。

例题1：电话话筒的功能题目：电话话筒的主要作用是（）

A. 将电信号转化为声音信号 B. 将声音信号转化为电信号

C. 放大声音信号 D. 接通或断开通话线路

解析：话筒是“声→电”转换部件，通过声音振动改变电路电流，将声音信号转化为电信号；A是听筒的功能，C是放大器的功能，D是交换机或开关的功能。

答案：B

例题2：电磁波的传播特性题目：下列关于电磁波的说法，正确的是（）

A. 电磁波只能在空气中传播 B. 电磁波在真空中的传播速度为\(3 \times 10^8\ \text{m/s}\)

C. 电磁波的传播需要介质 D. 电磁波不能传递信息

解析：电磁波可在真空中传播（无需介质，A、C错误），传播速度与光速相同（\(3 \times 10^8\ \text{m/s}\)，B正确）；电磁波是信息传递的核心载体（如手机、广播均依赖电磁波传递信息，D错误）。

答案：B

例题3：听筒的工作原理题目：电话听筒中，薄铁片（膜片）振动产生声音的原因是（）

A. 声音信号直接带动膜片振动 B. 变化的电流使电磁铁磁性变化，吸引膜片振动

C. 导线中的电流直接推动膜片振动 D. 膜片自身的振动

解析：听筒内的电磁铁磁性随电流变化，磁性变化会对膜片产生不同的吸引力，从而使膜片随电流规律振动；A是话筒的输入过程，C、D不符合听筒的工作逻辑。

答案：B

例题4：电磁波波长与频率的关系题目：某电磁波在真空中的传播速度为\(3 \times 10^8\ \text{m/s}\)，频率为\(100\ \text{MHz}\)（\(1\ \text{MHz} = 10^6\ \text{Hz}\)），则该电磁波的波长为（）

A. 3m B. 30m C. 0.3m D. 300m

解析：根据电磁波波速公式\(c = \lambda f\)，变形得\(\lambda = \frac{c}{f}\)；代入数据：\(c = 3 \times 10^8\ \text{m/s}\)，\(f = 100 \times 10^6\ \text{Hz} = 10^8\ \text{Hz}\)，则\(\lambda = \frac{3 \times 10^8}{10^8} = 3\ \text{m}\)。

答案：A

例题5：交换机的作用题目：现代电话交换机的核心作用是（）

A. 放大电信号，延长通信距离 B. 自动连接不同用户的线路，实现多用户通信

C. 将声音信号转化为电信号 D. 防止电磁波干扰

解析：交换机的本质是“线路中转站”，能根据用户需求自动接通线路，解决“点对点直连”的线路浪费问题；A是信号放大器的功能，C是话筒的功能，D是屏蔽装置的功能。

答案：B

例题6：电磁波与声波的区别题目：下列关于电磁波和声波的说法，错误的是（）

A. 电磁波可在真空中传播，声波不能 B. 电磁波是电磁场波动，声波是机械振动

C. 电磁波和声波的传播速度均为\(3 \times 10^8\ \text{m/s}\) D. 电磁波可传递信息，声波也可传递信息

解析：电磁波在真空中速度为\(3 \times 10^8\ \text{m/s}\)，但声波在空气中的速度约为\(340\ \text{m/s}\)，远小于电磁波速度；A、B、D均为两者的正确区别。

答案：C

例题7：无线电话的信号传递方式题目：手机（无线电话）与固定电话（有线电话）的核心区别是（）

A. 手机能传递声音，固定电话不能 B. 手机通过电磁波传递信号，固定电话通过导线传递信号

C. 手机不需要话筒和听筒，固定电话需要 D. 手机只能通话，固定电话能通话和看电视

解析：两者均能传递声音，且都需要话筒和听筒（A、C错误）；固定电话无法看电视（D错误）；核心区别是信号传递介质：手机用电磁波（无线），固定电话用导线（有线）。

答案：B

例题8：电磁波的产生条件题目：下列情况中，能产生电磁波的是（）

A. 电路中有稳定的直流电 B. 电路中有变化的电流

C. 静止的电荷 D. 一根导线在磁场中静止

解析：稳定直流电产生稳定磁场，无法激发电磁波（A错误）；变化的电流会激发变化的电磁场，从而产生电磁波（B正确）；静止电荷、静止导线均无法产生变化的电磁场（C、D错误）。

答案：B

例题9：调谐器的功能题目：收音机上的“调台旋钮”本质是一个调谐器，其作用是（）

A. 放大接收到的电磁波信号 B. 选择特定频率的电磁波，过滤干扰信号

C. 将电信号转化为声音信号 D. 将电磁波转化为电信号

解析：调谐器通过调节自身频率，与目标电磁波频率“共振”，从而选中特定信号（如不同电台的频率不同，调台就是选择对应频率）；A是放大器的功能，C是听筒的功能，D是接收天线的功能。

答案：B

例题10：光纤通信的载体题目：光纤通信中，传递信息的核心载体是（）

A. 无线电波 B. 激光 C. 红外线 D. 紫外线

解析：光纤通信利用“激光”（一种频率单一、方向性强的电磁波）在光导纤维中传播信息，激光的特性使其适合长距离、大容量传输；A、C、D均不用于光纤通信。

答案：B

例题11：电话通话的完整流程题目：小明用固定电话给小红打电话，下列关于声音信号传递流程的描述，正确的是（）

A. 小明的声音→小明听筒→导线→小红话筒→小红的声音

B. 小明的声音→小明话筒→导线→交换机→导线→小红听筒→小红的声音

C. 小明的声音→小明话筒→交换机→小红话筒→小红的声音

D. 小明的声音→导线→交换机→导线→小红的声音

解析：完整流程需经过“声→电（话筒）→传输（导线+交换机）→电→声（听筒）”，缺一不可；A颠倒了话筒和听筒的位置，C缺少听筒的“电→声”转换，D缺少话筒和听筒的核心转换。

答案：B

例题12：电磁波的应用判断题目：下列设备中，利用电磁波传递信息的是（）

A. 有线电话 B. 手机 C. 声呐 D. 超声波清洗机

解析：手机通过微波（电磁波）传递信息（B正确）；有线电话通过导线传递电信号（A错误）；声呐、超声波清洗机利用超声波（声波），而非电磁波（C、D错误）。

答案：B

例题13：电磁波频率的计算题目：某电磁波在真空中的波长为\(0.5\ \text{m}\)，则该电磁波的频率为多少？

解析：根据\(c = \lambda f\)，变形得\(f = \frac{c}{\lambda}\)；代入数据：\(c = 3 \times 10^8\ \text{m/s}\)，\(\lambda = 0.5\ \text{m}\)，则\(f = \frac{3 \times 10^8}{0.5} = 6 \times 10^8\ \text{Hz} = 600\ \text{MHz}\)。

答案：该电磁波的频率为\(6 \times 10^8\ \text{Hz}\)（或600MHz）。