001 我们身边的电波

日常生活中，我们利用电波才能用手机、用微波加热食物和看电视。1831年，英国科学家法拉第首次发现了电磁感应现象，人类发现电波的历史就起源于法拉第的这一重大发现。1854年，另一位英国科学家麦克斯韦建立了电磁波理论。1886年，德国著名物理学家赫兹发现电波，并用实验证实了电波的存在。大约十年之后的1895年，意大利人马可尼利用电波进行无线电通信试验，并获得了成功，从此开拓了无线电通信实用化的道路。一个多世纪之后的今天，电波已经成为我们日常生活中不可或缺的一部分。

提到电波，人们会立刻想到手机和电视广播等通信与广播领域的应用。实际上，电波在如下领域都得到了广泛应用，如图1所示。

(1)通信与广播领域：手机、电视广播和微波传输电路等。

(2)物体探测与定位领域：雷达、GPS等。

(3)电波能量：微波炉、电磁炊具等。

另外，电波(确切地说是电磁波)在学术领域也得到了非常广泛的应用。

以前，人类利用电波的目的是将信号传播到尽量远的地方。但现在人们能够利用电波在极短的距离内传播信号。以手机为代表的移动通信利用电波就能连接2～3km的距离。更有甚者，短短数米的距离也能利用无线电进行联系。

电波在多个领域得到了广泛的应用，并且其重要性日渐凸显。电波频率是一种宝贵且有限的资源，因此我们不能将其白白浪费，而是应当尽量有效地加以利用。

● 除通信广播领域之外，电波在物体探测与定位领域也得到了广泛的应用。

● 电波本身就是一种能量形式，可作为能源进行利用。

图1 电波树

名词解释

电磁感应 变化的磁场在空间激发电流的现象称为电磁感应现象。

002 看不见摸不着的电波是由正弦波组成的

顾名思义，电波是与电有关的一种波。由于电波不可见，为便于理解，我们可以看一下湖面的波纹。当我们向平静的湖面投一颗石子，石子落水瞬间，以石子落水点为中心，水面会泛起一层层的涟漪，波纹从中心向四面八方扩散，但不久就会消失。如果以一定的时间间隔在水面的同一点持续投石子，水面上的波纹就不会消失，而会以石子的落水点为中心向四面八方形成一圈圈圆形的波纹(图1)。

波剖面是垂直于波峰线或沿波向线垂直切割波浪的剖面，即图2a中沿波向线A-A'垂直于水面的截面，从波剖面上能够看到规则的波形，这种波形的曲线可用三角函数中的正弦函数(sin)或者余弦函数(cos)来表达，这种波形是最基本的波形，称为正弦波或者余弦波。波长是波剖面上两个波峰之间的距离。波长越长，两个波峰之间的距离就越长。

波浪涌来时，湖面会上下波动形成波纹。通过研究水面的高度随时间的变化，可得到如图2b所示的正弦波。图2a中的横轴表示从某点到石子落水点的距离，如果将横轴变成时间，也能得到与图2b相同的波形。

实际上由于风等因素的存在，水面上不可能形成如此规则的波纹，但是图2所示的正弦波是非常重要波的基本形。

其实，声音也是波的一种(声波)。水面波是通过水面有规律地起伏传播，而声波传播时，空气的密度会随时间和空间发生变化。如果对空气密度随时间的变化作图，可得到与图2相同的波形(图3)。的区别在于，图3中的波峰和波谷表示的不是水面高度，而是空气密度的较高值与低值。图2和图3表示的都是正弦波，但实际上大部分声音波形都非常复杂。

● 电波、水面波和声波都是由相同的波组成。

● 波的基本形可用正弦函数或者余弦函数表达式进行表达。

图1 湖面上形成的波纹

图2 湖面上所形成的水面波的高度

图3 声波引起空气压力的变化

名词解释

正弦波 波形能用y=sinx表达的波。

声波 空气中质点的振动方向与声波的传播方向一致，故声波是一种纵波。

003 电波由振幅、频率和相位三个参数决定

如(002)中所述，最基本的电波(一般指波)都能用正弦函数或者余弦函数进行表达。那么，如何区分这些形状相同的波呢？这时需要三个非常重要的参数，它们分别是振幅、频率和相位。

波的强度用振幅表示，对电波来说，其振幅表示电压或者电功率，振幅越大，电波的能量越大。

一秒钟内完成周期性变化(一个周期)的次数称为频率，频率的单位是Hz(赫兹)。如图2所示，一个周期内只有一个波峰和一个波谷。图2a中，一秒钟内完成一个周期，故波的频率为1Hz，图2b中，一秒钟内完成三个周期，故波的频率为3Hz。一般来说，由于电波的频率数值较大，经常在国际单位前加上k(千)、M(兆)、G(千兆)、T(太)等接头词来表示，有效避免了数字位数过多的问题。德国物理学家赫兹首先用实验证实了无线电波的存在，因此为纪念赫兹，1960年国际度量衡总会决定，以德国物理学家赫兹的名字命名频率的国际单位制单位(日本从1972年开始采用赫兹这个单位)。在此之前使用的频率单位是c/s(周期/秒或者周期)。

由于频率能够较好地表达波的特性，因此一般用频率区别各种电波。

如图3所示，相位是描述波形变化的参数，可用360°角表示波的一个周期。振幅和频率的概念都很好理解，但仅从一列波无法理解相位的概念。只有将两列以上的波进行比较，才能理解相位差的概念。以一列波为基准(相位为0)，利用其他波与基准波的相位差就能将它们加以区别。

利用这种相位上的差异，可完成数字信号的调制。两列以上相位不相同的电波相遇叠加时发生干涉现象，其合成波在某些区域总加强，在另外一些区域总减弱，并出现明暗相间的条纹。

● 振幅、频率和相位三个参数用于区分各种电波。

● 电波的频率能够较好地表达其特性。

图1 正弦波的波形、振幅、频率与相位的概念

图2 波的频率

图3 两列波的振幅和频率都相同，那么这两列波的相位一定不相同

名词解释

Ф 希腊字母，是表示相位的符号。

Asin (2πft+Ф) 2π就是指360°。