电磁波是如何传递信息的?
电磁波传递信息的过程,可以类比成“用海浪送信”。
1. 电磁波的本质——无形的“海浪”
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电磁波就像大海里的波浪,但它不需要水,而是由电场和磁场交替变化形成的(想象两根弹簧互相推着振动)。
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关键特性:
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频率:1秒内振动的次数(比如蓝牙用24亿次/秒的“快浪”)。
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振幅:波浪的高度(代表信号强度)。
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波形:波浪的形状(可人为改变来编码信息)。
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2. 信息如何“绑”在电磁波上?——3种调制术
电磁波本身只是载体(就像空白的纸),需要通过以下方式“写上”信息:
① 调幅(AM) —— 控制浪高
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原理:用声音信号控制电磁波的振幅。
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例子:传统广播电台。
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缺点:容易被雷雨干扰(杂波也会改变振幅)。
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信息: "Hi" → 高浪=H,低浪=i 波: ~~~‾‾‾~~~‾‾‾
② 调频(FM) —— 控制浪的快慢
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原理:用声音信号改变电磁波的频率。
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例子:FM收音机、蓝牙音频。
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优点:抗干扰更强(噪声难改频率)。
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信息: "Hi" → 快浪=H,慢浪=i 波: ~~~~‾‾‾‾~~~~‾‾‾‾
③ 调相(PM) —— 控制浪的起跳时机
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原理:通过突然改变波的起始位置传递信息。
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例子:Wi-Fi、5G等高速传输。
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优势:能塞进更多数据。
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信息: "Hi" → 正常起跳=0,延迟起跳=1 波: →/‾‾‾\ →/‾‾‾\(相位突变)
3. 电磁波传信息的全流程
以蓝牙耳机听歌为例:
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编码:手机把音乐转换成二进制(比如
01101011
)。 -
调制:用GFSK(类似调频+调相)把数字信号“刻”到2.4GHz电磁波上。
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发射:天线把电磁波像泼水一样“泼”向空中。
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传播:电磁波以光速穿过空气(遇到墙会衰减或反射)。
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接收:耳机天线“接住”电磁波,反向解调出
01101011
。 -
解码:把二进制变回音乐电流,推动喇叭发声。
4. 为什么电磁波能“隔空”传信息?
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不依赖空气:电磁波本质是电场和磁场的振动,真空中也能传播(太阳光就是电磁波,能穿越太空)。
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穿透性:不同频率穿透能力不同:
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2.4GHz(蓝牙/Wi-Fi):能穿墙但会被水吸收(所以微波炉用这频段加热食物)。
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5GHz(Wi-Fi):速度更快但穿墙差。
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FM收音机(100MHz):能绕射建筑物,传播距离远。
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类比总结:
电磁波通信 | 现实世界类比 |
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电磁波 | 大海里的浪 |
调制(AM/FM/PM) | 用浪高、浪速、浪的起跳时间写信 |
天线发射 | 你用手拍打水面制造波浪 |
天线接收 | 朋友观察波浪猜你写了什么 |
干扰 | 旁边有人同时拍水造成乱浪 |
跳频/加密 | 你们约定每隔几秒换一种浪语 |
附加知识:电磁波谱
不同频率的电磁波用途完全不同:
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低频(<3kHz):潜艇通信(穿透海水)。
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中频(300kHz-3MHz):AM广播。
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高频(3MHz-300MHz):FM广播、对讲机。
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超高频(300MHz-3GHz):手机、蓝牙、Wi-Fi。
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光频(400THz-790THz):可见光(未来可能用LiFi光通信)。
蓝牙/Wi-Fi/手机选择高频段,是因为:
① 能承载更多数据(浪抖得快,信息塞得多)。
② 天线可以做得很小(频率越高,天线越短)。