上天入地顯神通

內(nèi)容概要

在我們生活的世界中，各種各樣形形色色的事物和現(xiàn)象，其中都必定包含著科學(xué)的成分。在這些成分中，有些是你所熟知的，有些是你未知的，有些是你還一知半解的。面對(duì)未知的世界，好奇的你是不是有很多疑惑、不解和期待呢？！“形形色色的科學(xué)”趣味科普叢書，把我們身邊方方面面的科學(xué)知識(shí)活靈活現(xiàn)、生動(dòng)有趣地展示給你，讓你在暢快閱讀中收獲這些鮮活的科學(xué)知識(shí)！
從電視機(jī)到收音機(jī)、手機(jī)、微波爐等，現(xiàn)代人在生活中享受著電波帶來(lái)的種種便捷。本書以圖解的形式講解了電波的入門基礎(chǔ)知識(shí)，對(duì)于想了解電波知識(shí)的初學(xué)者來(lái)說(shuō)，是一本形式新穎、易讀易記的讀物。從產(chǎn)生原理到使用方法，就讓這本書逐一解開你心中對(duì)電波的困惑和疑問(wèn)吧！
本書適合青少年讀者、科學(xué)愛好者以及大眾讀者閱讀。

作者簡(jiǎn)介

井上伸雄
1936年出生，1959年畢業(yè)于名古屋大學(xué)工學(xué)部電氣工程系。畢業(yè)后進(jìn)入日本電報(bào)電話公司（現(xiàn)在的NTT公司）研究所，開始從事數(shù)字網(wǎng)絡(luò)的研究開發(fā)，現(xiàn)任多摩大學(xué)客座教授。著作有《通信基礎(chǔ)》（SOFTBANK Creative）、《通信技術(shù)》、《IP網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)》、《通信&網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)明辭典》、《最新通信常識(shí)》、《信息通信快速入門系列叢書》（合著，日經(jīng)BP出版社）、《基礎(chǔ)通信網(wǎng)絡(luò)》（光電子公司）等。
坂本紀(jì)子（Design Studio Palette）
美術(shù)指導(dǎo)。
野邊Hayato
封面繪圖。
保田大介、紅谷桃衣、高山真季子（株式會(huì)社JOLLS）
內(nèi)文插圖。

書籍目錄

第1章 電波是什么001 我們身邊的電波002 看不見摸不著的電波是由正弦波組成的003 電波由振幅、頻率和相位三個(gè)參數(shù)決定004 所有的波都是由各種不同頻率的波復(fù)合而成005 電磁波把電和磁聯(lián)系在一起① 有電流就能產(chǎn)生磁場(chǎng)006 電磁波把電和磁聯(lián)系在一起② 有變化的磁場(chǎng)就能產(chǎn)生電流007 根據(jù)電場(chǎng)的方向可將電波分為水平偏振波、垂直偏振波和圓偏振波008 電波在真空中也能傳播的秘密009 電波的傳播速度與光速相同 30萬(wàn)km/s010 電波在傳播過(guò)程中逐漸減弱011 電波能夠穿透哪些物質(zhì)?電波無(wú)法穿透哪些物質(zhì)?012 電場(chǎng)強(qiáng)度用于表示電波強(qiáng)弱程度013 電波的性質(zhì)由其頻率決定014 電波與電磁波的區(qū)別 光也是一種電磁波015 沒有干擾的情況下,電波在空間以直線傳播016 電波的重要性質(zhì)① 電波的反射與散射017 電波的重要性質(zhì)② 電波的折射、衍射和干涉018 根據(jù)傳播方式可分為地波、對(duì)流層電波與電離層電波019 能夠反射電波的地球電離層020 在電離層發(fā)生的各種異?，F(xiàn)象 德林格爾現(xiàn)象與磁暴021 超視距傳播的超視距通信022 電波的衰落現(xiàn)象(電波的強(qiáng)度發(fā)生變化)023 手機(jī)電波的多途徑傳播現(xiàn)象024 防止電波的多徑衰落現(xiàn)象,可使用分集式天線(diversity antenna)COLUMN 分貝第2章 電波的種類與利用025 在日本,發(fā)射電波必須獲得無(wú)線電臺(tái)的授權(quán)許可證026 電波的頻率及其用途 根據(jù)電波的使用目的決定其用途027 甚長(zhǎng)波與長(zhǎng)波以地波的形式向遠(yuǎn)處傳播028 中波以地波和電離層波的形式傳播到遠(yuǎn)方029 短波被電離層反射到達(dá)地球的背面030 甚高頻波以直達(dá)波、反射波和衍射波的形式傳播031 特高頻波主要用于電視廣播和移動(dòng)通信領(lǐng)域032 超高頻波進(jìn)行視距傳播時(shí)可傳送大量信息033 毫米波主要用于極短距離通信和雷達(dá)技術(shù)034 亞毫米波(太赫茲波)在無(wú)線電天文學(xué)和安全檢查領(lǐng)域的應(yīng)用得到了進(jìn)展035 向通信和傳播以外的領(lǐng)域開放的ISM頻段036 適用于手機(jī)的電波頻率手機(jī)可使用的電波頻率為700MHz~4GHz037 分配給移動(dòng)通信的電波頻率038 用于電視廣播的電波頻率 無(wú)線電廣播用中波和短波,電視廣播用UHF039 用于業(yè)余無(wú)線電的電波頻率短波的使用最早始于業(yè)余無(wú)線電COLUMN 馬可尼的實(shí)驗(yàn)第3章 電波的用途040 電波在手機(jī)中的應(yīng)用方式① 以蜂窩通信的方式高效利用電波頻率041 電波在手機(jī)中的應(yīng)用方式② 蜂窩有多種尺寸042 電波在電視廣播中的應(yīng)用方式① 數(shù)字電視廣播可使用所有的頻道043 電波在電視廣播中的應(yīng)用方式② 在相鄰的區(qū)域也能使用頻率相同的電波044 電波在衛(wèi)星廣播中的應(yīng)用方式區(qū)別使用右旋圓偏振波和 左旋圓偏振波045 用電波連接10m以內(nèi)的超短距離 藍(lán)牙與UWB046 電波在電子標(biāo)簽與數(shù)據(jù)傳輸中的應(yīng)用047 利用電波提供電功率 非接觸型IC卡的構(gòu)造048 如何產(chǎn)生頻率精確的電波 原子振動(dòng)產(chǎn)生頻率精確的電波049 電波鐘通過(guò)接收標(biāo)準(zhǔn)電波信號(hào)進(jìn)行高精度計(jì)時(shí)050 船舶救援信號(hào) 從SOS到GMDSS051 利用電波測(cè)定船舶和飛機(jī)的位置052 船舶無(wú)線電領(lǐng)航法 利用雙曲線測(cè)定位置的羅蘭C導(dǎo)航系統(tǒng)053 為飛機(jī)的安全航行服務(wù)的電波 VOR、DME、ILS等054 GPS利用衛(wèi)星發(fā)射的電波測(cè)定位置 GPS用于汽車導(dǎo)航系統(tǒng)和手機(jī)導(dǎo)航055 利用電波測(cè)定物體的方位與距離 雷達(dá)的原理056 活躍在天氣預(yù)報(bào)領(lǐng)域的氣象雷達(dá) 用電波預(yù)測(cè)天氣活動(dòng)057 電波的多普勒效應(yīng) 從頻率的變化測(cè)定物體的移動(dòng)速度058 利用電波測(cè)定物體的速度 測(cè)速器的原理059 利用電磁感應(yīng)對(duì)金屬進(jìn)行加熱 高頻感應(yīng)加熱的原理060 利用電波加熱木材和塑料等物體061 廚房中的電波① 微波爐的原理062 廚房中的電波② 電磁爐的原理COLUMN 寄托于衛(wèi)星通信的科幻作家之夢(mèng)第4章 自然界中的電波063 有溫度就能產(chǎn)生電磁波 溫度與頻率的關(guān)系064 還是可見光的能量大 太陽(yáng)輻射的電磁波①065 由耀斑產(chǎn)生的太陽(yáng)射電爆發(fā) 太陽(yáng)輻射的電磁波②066 宇宙所發(fā)射的電波、紅外線、光、紫外線、X射線和γ射線067 大氣層會(huì)阻擋宇宙中的電磁波 射電窗口和光學(xué)窗口068 無(wú)線電望遠(yuǎn)鏡用于觀測(cè)宇宙所發(fā)射的電波069 利用天體發(fā)射的電波測(cè)量地球觀測(cè)地球表面板塊的活動(dòng)070 雷電放電產(chǎn)生低頻電波071 干擾通信和廣播的雜音電波072 電磁波對(duì)人體產(chǎn)生熱作用和刺激作用073 手機(jī)輻射電波對(duì)心臟起搏器產(chǎn)生干擾COLUMN 無(wú)線電天文學(xué)的起源第5章 天線的基本知識(shí)074 天線的原理 發(fā)射和接收電波075 最基本的半波長(zhǎng)偶極子天線076 單極子天線 垂直于地面的單極子天線077 天線的指向性 向某個(gè)方向發(fā)射較強(qiáng)的電波078 電視的接收天線 指向性強(qiáng)的八木·宇田天線079 拋物面天線 其原理與反射望遠(yuǎn)鏡相同080 衛(wèi)星廣播的接收天線 偏置拋物面天線和平面型天線081 手機(jī)基站的天線① 向扇形蜂窩小區(qū)發(fā)射電波082 手機(jī)基站的天線② 手機(jī)基站使用多個(gè)半波長(zhǎng)偶極子天線083 手機(jī)天線 手機(jī)使用兩根天線防止信號(hào)的衰落084 iPhone 4的天線 iPhone 4外殼的金屬邊框就是其天線COLUMN 八木·宇田天線參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　我們身邊的電波 日常生活中，我們利用電波才能用手機(jī)、用微波加熱食物和看電視。1831年，英國(guó)科學(xué)家法拉第首次發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，人類發(fā)現(xiàn)電波的歷史 就起源于法拉第的這一重大發(fā)現(xiàn)。1854年，另一位英國(guó)科學(xué)家麥克斯韋建立 了電磁波理論。1886年，德國(guó)著名物理學(xué)家赫茲發(fā)現(xiàn)電波，并用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了 電波的存在。大約十年之后的1895年，意大利人馬可尼利用電波進(jìn)行無(wú)線電 通信試驗(yàn)，并獲得了成功，從此開拓了無(wú)線電通信實(shí)用化的道路。一個(gè)多世 紀(jì)之后的今天，電波已經(jīng)成為我們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡囊徊糠?。提到電波，人們?huì)立刻想到手機(jī)和電視廣播等通信與廣播領(lǐng)域的應(yīng)用。實(shí)際上，電波在如下領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用，如要1所示。（1）通信與廣播領(lǐng)域：手機(jī)、電視廣播和微波傳輸電路等。（2）物體探測(cè)與定位領(lǐng)域：雷達(dá)、GPS等。（3）電波能量：微波爐、電磁炊具等。另外，電波（確切地說(shuō)是電磁波）在學(xué)術(shù)領(lǐng)域也得到了非常廣泛的應(yīng)用。以前，人類利用電波的目的是將信號(hào)傳播到盡量遠(yuǎn)的地方。但現(xiàn)在人們 能夠利用電波在極短的距離內(nèi)傳播信號(hào)。以手機(jī)為代表的移動(dòng)通信利用電波 就能連接2～3km的距離。更有甚者，短短數(shù)米的距離也能利用無(wú)線電進(jìn)行聯(lián) 系。電波在多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，并且其重要性日漸凸顯。電波頻率 是一種寶貴且有限的資源，因此我們不能將其白白浪費(fèi)，而是應(yīng)當(dāng)盡量有效 地加以利用?？床灰娒恢碾姴ㄊ怯烧也ńM成的 顧名思義，電波是與電有關(guān)的一種波。由于電波不可見，為便于理解，我們可以看一下湖面的波紋。當(dāng)我們向平靜的湖面投一顆石子，石子落水瞬 間，以石子落水點(diǎn)為中心，水面會(huì)泛起一層層的漣漪，波紋從中心向四面八 方擴(kuò)散，但不久就會(huì)消失。如果以一定的時(shí)間間隔在水面的同一點(diǎn)持續(xù)投石 子，水面上的波紋就不會(huì)消失，而會(huì)以石子的落水點(diǎn)為中心向四面八方形成 一圈圈圓形的波紋（瞬）。波剖面是垂直于波峰線或沿波向線垂直切割波浪的剖面，即圖2a中沿波 向線A-A1垂直于水面的截面，從波剖面上能夠看到規(guī)則的波形，這種波形的 曲線可用三角函數(shù)中的正弦函數(shù)（sin）或者余弦函數(shù)（cos）來(lái)表達(dá)，這種波形 是最基本的波形，稱為正弦波或者余弦波。波長(zhǎng)是波剖面上兩個(gè)波峰之間的 距離。波長(zhǎng)越長(zhǎng)，兩個(gè)波峰之間的距離就越長(zhǎng)。波浪涌來(lái)時(shí)，湖面會(huì)上下波動(dòng)形成波紋。通過(guò)研究水面的高度隨時(shí)間的 變化，可得到如圖2b所示的正弦波。圖2a中的橫軸表示從某點(diǎn)到石子落水點(diǎn) 的距離，如果將橫軸變成時(shí)間，也能得到與圖2b相同的波形。實(shí)際上由于風(fēng) 等因素的存在，水面上不可能形成如此規(guī)則的波紋，但是圖所示的正弦波是 非常重要波的基本形。其實(shí)，聲音也是波的一種（聲波）。水面波是通過(guò)水面有規(guī)律地起伏傳播，而聲波傳播時(shí)，空氣的密度會(huì)隨時(shí)間和空間發(fā)生變化。如果對(duì)空氣密度隨 時(shí)間的變化作圖，可得到與圖2相同的波形（圖3）。唯一的區(qū)別在于，圖3中 的波峰和波谷表示的不是水面高度，而是空氣密度的最高值與最低值。圖2 和圖3表示的都是正弦波，但實(shí)際上大部分聲音波形都非常復(fù)雜。電波由振幅、頻率和相位三個(gè)參數(shù)決定 如（002）中所述，最基本的電波（一般指波）都能用正弦函數(shù)或者余弦函 數(shù)進(jìn)行表達(dá)。那么，如何區(qū)分這些形狀相同的波呢？這時(shí)需要三個(gè)非常重要 的參數(shù)，它們分別是振幅、頻率和相位。波的強(qiáng)度用振幅表示，對(duì)電波來(lái)說(shuō)，其振幅表示電壓或者電功率，振幅 越大，電波的能量越大。一秒鐘內(nèi)完成周期性變化（一個(gè)周期）的次數(shù)稱為頻率，頻率的單位是 Hz（赫茲）。如圖2所示，一個(gè)周期內(nèi)只有一個(gè)波峰和一個(gè)波谷。圖2a中，一 秒鐘內(nèi)完成一個(gè)周期，故波的頻率為1Hz，圖2b中，一秒鐘內(nèi)完成三個(gè)周期，故波的頻率為3Hz。一般來(lái)說(shuō)，由于電波的頻率數(shù)值較大，經(jīng)常在國(guó)際單 位前加上k（千）、M（兆）、G（千兆）、T（太）等接頭詞來(lái)表示，有效避免了數(shù)字 位數(shù)過(guò)多的問(wèn)題。德國(guó)物理學(xué)家赫茲首先用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了無(wú)線電波的存在，因 此為紀(jì)念赫茲，1960年國(guó)際度量衡總會(huì)決定，以德國(guó)物理學(xué)家赫茲的名字命 名頻率的國(guó)際單位制單位（日本從1972年開始全面采用赫茲這個(gè)單位）。在此 之前使用的頻率單位是c／s（周期/秒或者周期）。由于頻率能夠較好地表達(dá) 波的特性，因此一般用頻率區(qū)別各種電波。如圖3所示，相位是描述波形變化的參數(shù)，可用360。角表示波的一個(gè)周 期。振幅和頻率的概念都很好理解，但僅從一列波無(wú)法理解相位的概念。只 有將兩列以上的波進(jìn)行比較，才能理解相位差的概念。以一列波為基準(zhǔn)（相 位為0），利用其他波與基準(zhǔn)波的相位差就能將它們加以區(qū)別。利用這種相位 上的差異，可完成數(shù)字信號(hào)的調(diào)制。兩列以上相位不相同的電波相遇疊加時(shí) 發(fā)生干涉現(xiàn)象，其合成波在某些區(qū)域總加強(qiáng)，在另外一些區(qū)域總減弱，并出 現(xiàn)明暗相間的條紋。所有的電波都是由各種不同頻率的波復(fù)合而成 電波的波形并非總是正弦波形或者余弦波形。其實(shí)，絕大多數(shù)情況下，電波的波形都是以更為復(fù)雜的形式出現(xiàn)。比如，如圖1所示，用于數(shù)字通信 的脈沖波形是方形的波形（矩形波），這種波形是由許多不同頻率的正弦波復(fù) 合而成。在如圖2所示的正弦波a上疊加振幅為原來(lái)的三分之一、頻率為原來(lái)三倍 的正弦波b②之后，得到如b③所示的波形，繼續(xù)在b③上疊加振幅為原來(lái)的 五分之一、頻率為原來(lái)五倍的正弦波c④之后，得到如c⑤所示的波形。與最 初的正弦波a相比，我們可發(fā)現(xiàn)c中的波形⑤與方形的脈沖波形相當(dāng)接近，再 繼續(xù)疊加振幅為原來(lái)的七分之一、頻率為原來(lái)七倍的正弦波，再進(jìn)一步疊加 振幅為原來(lái)的九分之一、頻率為原來(lái)九倍的正弦波，以此類推，最終就能夠 得到方形的脈沖波形。用上述方法，將多個(gè)正弦波進(jìn)行復(fù)合之后，就能得到各種復(fù)雜的波形。這種復(fù)雜波形所包含的正弦波的最高頻率與最低頻率之差被稱為頻譜帶寬。用電波傳送這種復(fù)雜波形時(shí)，必須傳送復(fù)雜波形中所包含的所有頻率的波。一般來(lái)說(shuō)，電波的頻率比所傳送信號(hào)的頻率要大得多。例如，收音機(jī)播 送的聲音和音樂(lè)信號(hào)就屬于復(fù)雜波形，其頻率通常為30Hz～7.5kHz，但這種 頻率范圍的波不能就這樣作為電波使用。例如，日本NHK（東京第一廣播）的 電波頻率為594kHz。這是因?yàn)椋曇艉鸵魳?lè)信號(hào)都需要進(jìn)行調(diào)制處理才能使 用載波進(jìn)行傳播。調(diào)制是指，把原始信號(hào)頻率轉(zhuǎn)變成適于傳輸?shù)男盘?hào)頻率的 一種技術(shù)，利用電波傳輸信息信號(hào)時(shí)，必須對(duì)其進(jìn)行調(diào)制處理。P2-8

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