第12章 电磁波、能源与可持续发展
傍晚，正在视频通话的手机画面忽然停住了。手机明明还有电，为什么对方的声音和图像过不来？几分钟后，小区供电恢复，路由器重新亮起，视频也恢复流畅。这个小插曲把本章的两条线连在了一起：一条是信息怎样被变成信号并传到远方，另一条是支撑通信和整个现代社会的能量从哪里来，又该怎样长期使用。
先别急着把“手机”“网络”“电磁波”当作同一个词。声音、文字、图像是要传递的信息；随时间变化的电流、电压、光的强弱等可以表示信息，是信号；导线、光纤或空间中的电磁波则承担传递。把这三层分开，许多通信题就不再神秘。
一句话怎样到达远方
对着电话说话时，声带振动使空气形成声波。话筒接收到声波，把声音信息转换成随声音变化的电信号；信号经过处理和传输到达接收端；听筒或扬声器再把电信号转换成声音。这里至少发生了两次转换：声音信号→电信号→声音信号。传输途中走的是导线、光纤还是无线空间，不改变“先把信息加载到适合传输的信号上，再在接收端还原”的基本思路。
早期电话常用金属导线直接传送变化的电流。用户越来越多后，需要交换设备按号码接通不同线路。今天的移动通信会把声音、图像等转成数字信号，经过编码、传输和解码再还原。数字信号不是“只由数字构成的声音”，而是用一组离散状态表示信息；它便于处理、存储和抗干扰，但信号严重失真或丢失时，信息仍会受损。
广播和电视也遵循相似链条。发射端把声音、图像转换为电信号，再让高频电信号控制发射出去的电磁波，使电磁波“带着”信息；接收天线取得信号，接收机选择所需频道并还原声音或图像。所谓“调到某个台”，不是天线只接到那一个台的波，而是接收机从同时到达的许多信号中选择目标信号。
这里可以先判断一个常见说法：“手机把人的声音直接送到了基站。”不准确。人声只在说话者附近形成空气振动，话筒先把它转成电信号，无线传输阶段主要依靠携带信息的电磁波。
电磁波从哪里来，又到哪里去
把收音机调到没有电台的频段，附近电器开关动作时有时会听见短促杂音。原因之一是电路中迅速变化的电流会在周围产生电磁波，并可能干扰接收。初中阶段抓住这个现象结论即可：迅速变化的电流能够在周围空间产生电磁波。发射天线的任务，就是让合适的高频电流在天线上变化，把电磁波有效地发射出去。
电磁波和声波有一个关键差别。声波的传播需要介质，真空中不能传声；电磁波不需要物质介质，在真空中也能传播。宇航员在月球表面隔着真空不能直接听见同伴讲话，却能通过无线电设备联系，正是因为无线电波属于电磁波。
在真空中，电磁波传播速度约为
波传播一个完整起伏所占的距离叫波长，用 表示；单位时间内振动的次数叫频率，用 表示。对同一种传播条件，有
因此在真空中，频率越高的电磁波波长越短。无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线和γ射线都是电磁波家族成员，只是频率和波长范围不同，作用和用途也不同。不要把“电磁波”等同于“无线电波”：无线电波只是电磁波中的一部分，可见光同样是电磁波。
电磁波可以在真空中传播，不代表它穿过任何物体都不会减弱。建筑结构、地形、材料和距离都会影响接收效果；电梯内信号较弱，通常是电磁波传播受到金属结构遮挡和反射，并不是手机突然“停止产生电”。
广播、移动通信、卫星和光纤
不同通信方式会选择不同频段和路径。无线电广播的发射台把电磁波发向广阔区域，许多接收机可以同时收听；移动电话先与附近基站双向通信，再由通信网络把信号送往目标；卫星通信利用位于太空的卫星转发电磁波，适合跨越海洋、山区或服务大范围区域。基站不是“制造手机内容”的地方，它承担接收、转送和发射等任务。
电视节目中的画面比单纯声音包含更多信息，高清视频、实时会议等对传输能力的要求更高。通信中的带宽本来表示信号占用或系统允许通过的频率范围；在其他条件相近时，更宽的带宽通常能支持更高的数据传输能力。日常所说的网络更快，通常意味着系统能更高效地传送数据，而不是电磁波在真空中的基本传播速度被提高了。
光纤通信让激光在透明纤维中沿着特定路径传播。光也是电磁波，光纤传递的是经过编码的光信号。光纤传输容量大、抗电磁干扰能力强，但仍需要发射、接收和中继等设备。网络还常把光纤、有线线路、基站和卫星组合使用；“有线网络”和“无线网络”不是互相排斥的两套世界，一次手机视频可能在用户与基站之间走无线链路，之后的大段路程却走光纤。
中考情境题常把设备名称换得很新，但判断依据不变：先找信息被转换成哪一种信号，再找传输阶段依靠什么，最后找接收端怎样还原。不要仅凭“有天线”就认定全过程都只靠无线传输。
能源不只是一张名称表
通信设备要用电，电能又来自发电系统。煤炭燃烧、水流冲击水轮机、太阳光照射光伏板，都可能经过装置转化为电能。物理学中，把能够提供能量的物质资源或自然过程称为能源。给能源分类时，必须先说明分类角度；同一种能源在不同问题中可能拥有不止一个标签。
从自然界取得、可以直接利用的能源叫一次能源，例如煤炭、石油、天然气、太阳能、风能、水能、核能。由一次能源经过加工或转换得到的能源叫二次能源，例如电能、汽油、柴油、氢能等。电能使用方便，却不是从自然界直接开采出来的，所以通常属于二次能源。判断时不要看它“常不常见”，要看是否经过了转换。
从能否在自然过程中较短时间内不断得到补充来分，能源又可分为可再生能源和不可再生能源。太阳能、风能、水能、生物质能、地热能等可在自然过程中持续补充；煤炭、石油、天然气和目前核电使用的核燃料形成或补充极慢，属于不可再生能源。
这两套分类不能排成同一条直线。“一次能源”不等于“不可再生能源”，太阳能既是一次能源，又是可再生能源；“二次能源”也不能直接判定是否清洁，因为电能生产阶段可能使用煤，也可能使用风、光、水或核能。评价一种能源，应追踪从获取、转换、输送到使用的完整过程。
“新能源”和“可再生能源”不是完全相同的概念。新能源常带有开发利用方式较新、正在推广的含义；核能常被列入新能源，却因核燃料有限而不属于可再生能源。答题时应使用题目给出的分类标准。
核能：来自原子核内部的能量
原子核发生变化时可能释放巨大的能量，这种能量叫核能。较重的原子核分裂成较轻的原子核，叫核裂变；较轻的原子核在一定条件下结合成较重的原子核，叫核聚变。太阳内部的能量主要来自核聚变。初中阶段认识两种方式和应用即可，不进行核反应的定量计算。
某些重核吸收中子后发生裂变，同时释放能量和新的中子；新中子又可能引起其他原子核裂变，形成链式反应。核电站的反应堆通过控制棒等装置调节中子数量，使链式反应按需要稳定进行。裂变释放的能量先使水等工质获得内能，产生的蒸汽推动汽轮机，再带动发电机发电。因此，核电站的主要能量转化链可概括为
核电运行阶段不靠燃烧化石燃料，发电过程中的温室气体排放较低，并能较稳定地提供大量电力；但核安全、核燃料开采、放射性废物处置和退役管理都必须严格对待。评价核能不能只说“能量大所以最好”，也不能因存在风险就说“完全不能使用”，而应比较效益、风险及其控制条件。
截至2025年，全国核电发电量为4852.3亿千瓦时，约占全国总发电量的4.6%。这组数据只描述当年的实际情况，会随建设与用电变化而改变；它能说明核能已经进入现实能源结构，却不能单独证明某种能源应占多大比例。
太阳给地球送来怎样的能量
太阳内部的核聚变释放能量，其中一部分以光和其他电磁波的形式到达地球。太阳能可以被直接利用：太阳能热水器把太阳能转化为内能，光伏电池把太阳能转化为电能。不要把两者混为“都是把光变成热”；光伏发电的目标产物是电能。
地球上的许多能源还可追溯到太阳。太阳辐射使不同地区受热不均，推动大气运动，形成风能；它驱动水循环，使高处的水具有可利用的机械能；绿色植物通过光合作用把太阳能储存在有机物中，形成生物质能。煤、石油、天然气也与远古生物储存的太阳能有关，但它们形成时间极长，消耗速度远大于自然补充速度，所以仍属不可再生能源。
太阳能资源丰富、使用阶段污染较少，却具有昼夜和天气造成的间歇性；光伏板还涉及制造、占地、回收和并网。解决问题需要多种手段配合，如合理选址、储能、跨区域输电、调节用电时间和多种电源互补。任何能源方案都有条件，物理分析的价值就在于把优点、限制和改进措施一起看清。
从“够不够用”走向可持续发展
人类社会经历了柴薪、化石燃料到多种能源并用的过程。能源推动交通、工业、农业、通信和生活改善，但大量开采和燃烧化石能源也会带来资源压力、空气污染和温室气体排放。可持续发展不是简单地“停止用能”，而是在满足当代合理需要的同时，不损害未来满足需要的能力。
截至2025年底，我国可再生能源总装机约占全国电力总装机的60%，全年可再生能源发电量约占全社会用电量的38.5%。装机容量表示设备能够达到的额定发电能力，发电量表示一段时间内实际发出的电能，两者不能混作同一个比例。数据也提醒我们：能源结构正在变化，但建设电源只是第一步，电网输送、储能调节、稳定供应和节约使用同样重要。
节约能源不等于降低必要的生活质量，而是减少无效消耗并提高利用效率。随手关掉长时间不用的灯和显示器，合理设置空调温度，优先步行、骑行或公共交通，选用高效率设备，做好建筑保温，错峰使用部分电器，都能减少能源转换和输送链上的浪费。对一个家庭，几瓦待机功率似乎很小；乘上每天的时间、设备数量和全年天数，就可能成为不可忽略的电能。
还要分清“能量守恒”和“能源危机”。能量在转移和转化中守恒，并不会凭空消失；但许多能量最终分散成难以再次利用的内能，煤炭等高品质能源也会被消耗。因此，“总能量守恒”不能推出“能源永远够用”。节约的重点，是珍惜能够方便做功、满足需要的能源，减少不必要的转化损失。
面对一个校园能源方案，可以依次追问：本地有什么资源？供能是否稳定？转换效率怎样？全过程会产生什么环境影响？成本和安全能否接受？高峰用能怎样保障？有没有先通过节能降低需求？这组问题比给能源简单贴上“好”或“坏”的标签更接近真实决策。
回到开头：两条线其实连在一起
手机通信把声音和图像转换成信号，利用导线、光纤或电磁波传到接收端；电磁波由迅速变化的电流产生，能在真空中传播，真空中的传播速度约为 。支撑通信系统的电能属于二次能源，它可能由不可再生能源或可再生能源转化而来。核能、太阳能以及风、水等能源各有优势和限制，真正可持续的方案需要安全开发、合理组合、提高效率并减少浪费。
最后做一个自检：如果能解释“手机信号弱不等于电磁波不能在空气中传播”“电能不是一次能源”“核能不是可再生能源”“节能不违背能量守恒”，本章最容易混淆的四个结已经解开了。
练习与应用
3．某无线电信号的频率为 ，电磁波在真空中的速度取 。求它在真空中的波长。
7．一台设备待机功率为 ，每天待机 。若一年按365天计算，取消不必要待机一年可节约多少千瓦时电能？
8．某校准备建设“低碳校园”。当地晴天较多但连续阴雨时光伏输出明显下降；白天教学楼用电高，夜间宿舍仍有需求。请提出一个比“只装更多光伏板”更完整的能源方案，并说明理由。