|
|
Урок Тема урока Излучение и прием электромагнитных волн. Цели обучения
План дистанционного урока
Порядок действий
|
Ресурсы
|
Изучи
|
Здравствуйте.
Мы переходим к разделу «Электромагнитные волны».
Запишите в тетради тему сегодняшнего урока.
«Излучение и прием электромагнитных волн».
Посмотрите видео: https://www.youtube.com/watch?v=FGOk3eXLw20
электромагнитные волны
Учебник п 8 стр 54-58
Сегодня на уроке мы еще раз вспомним понятия вихревое поле,
1. Вихревое поле
Из физики 10 класса при изучении электромагнитной индукции (открытое М. Фарадеем в 1831г.) мы познакомились с полями, меняющимися во времени и выяснили следующее:
любое изменение магнитного поля вызывает появление в окружающем пространстве индукционного (вихревого) электрического поля, иначе переменное МП порождает ЭП с замкнутыми линиями напряженности.
Вихревое поле – это векторное поле, которое имеет замкнутые силовые линии.
При изменении со временем магнитной индукции  возникает электрическое поле, линии напряженности которого охватывают линии магнитной индукции (рис.1). Чем быстрее меняется магнитная индукция, тем больше напряженность ЭП.
В соответствии с правилом Ленца (рис.2) при возрастании магнитной индукции вектор напряженности  образует с вектором магнитной индукции левый винт (  , при уменьшении – правый винт ( 
Изучая свойства электромагнитного поля, Максвелл задался вопросом: если переменное магнитное поле порождает электрическое поле, то не существует ли в природе обратного процесса? Не порождает ли переменное электрическое поле в свою очередь магнитное? Это соображение, диктуемое уверенностью в единстве природы, во внутренней стойкости и гармонии законов природы, составляет основу гипотезы Максвелла.
Максвелл допустил, что такого рода процесс, происходит в природе. Во всех случаях, когда ЭП изменяется со временем, оно порождает МП. Линии магнитной индукции этого поля охватывают линии напряженности электрического поля (рис. 3), подобно
т ому как линии напряженности электрического поля охватывают линии индукции переменного магнитного поля. Но теперь при возрастании напряженности электрического поля (  , направление вектора индукции возникающего МП образует правый винт с направлением вектора 
При убывании напряженности ЭП (  направление вектора магнитной индукции образует с направлением вектора левый винт.
С огласно гипотезе Максвелла магнитное поле, например, при зарядке конденсатора после замыкания ключа создается не только током в проводнике, но и изменяющимся электрическим полем в пространстве между обкладками конденсатора (рис. 4). Причем изменяющееся электрическое поле создает такое же магнитное поле, как если бы между обкладками существовал электрический ток, такой же, как в проводнике. Справедливость гипотезы Максвелла была доказана экспериментальным обнаружением
электромагнитных волн. Электромагнитные волны существуют только потому, что переменное магнитное поле порождает переменное электрическое поле, которое в свою очередь порождает магнитное поле и т. д.
Посмотрите видео:https://www.youtube.com/watch?v=fsZEwOY69Ss вихревое поле Павел Виктор (чтобы открыть ссылку нажмите CTRL и щелкните по ссылке)
2 . Электромагнитное поле.
После открытия взаимосвязи между изменяющимися электрическим и магнитным полями стало ясно, что эти поля не существуют обособленно, независимо одно от другого. Нельзя создать переменное магнитное поле без того, чтобы одновременно в пространстве не возникло и электрическое поле. И наоборот, переменное электрическое поле не может существовать без магнитного.
Не менее важно, что электрическое поле без магнитного или магнитное без электрического могут существовать лишь по отношению к определённой системе отсчета. Так, покоящийся заряд создает только электрическое поле
(рис. 5). Но ведь заряд покоится лишь относительно определенной системы отсчета. Относительно других систем отсчета он может двигаться и, следовательно, создавать и магнитное поле (рис. 6).
Точно, так же в отсчета, связанной с магнитом, обнаруживается лишь магнитное поле. Но движущийся относительно наблюдатель обнаружит и ЭП.
Дело в том, что в системе отсчета, движущейся относительно магнита, магнитное поле будет меняться с течением времени по мере приближения наблюдателя к магниту или удаления от него. Переменное же во времени магнитное поле порождает вихревое электрическое поле (явление электромагнитной индукции).
Значит, утверждение, что в данной точке пространства существует только электрическое или только магнитное поле, бессмысленно, если не сказать, по отношению к какой системе отсчета эти поля рассматриваются. Отсутствие электрического поля в системе отсчета, содержащей покоящийся магнит, совсем не означает, что электрического поля нет вообще. По отношению к любой движущейся относительно магнита системе отсчета это поле может быть обнаружено.
Электрические и магнитные поля - проявление единого целого – электромагнитного поля.
Электромагнитное поле - особая форма материи, осуществляющая взаимодействия между заряженными частицами. Оно существует реально, т.е. независимо от нас, от наших знаний о ней. Но в зависимости от того, в какой системе отсчета рассматриваются электромагнитные процессы, проявляются те или иные стороны целого – электромагнитного поля. Все инерциальные системы отсчета равноправны.
Поэтому ни одному из обнаруживаемых проявлений электромагнитного поля не может быть отдано предпочтение.
3. Электромагнитные волны.
Представьте себе, что электрический заряд не просто сместился из одной точки в другую, а приведен в быстрые колебания вдоль некоторой прямой (подобно телу, подвешенному на пружине), но только колебания его происходят со значительно большой частотой. Тогда ЭП в непосредственной близости от заряда начнет периодически изменяться. Период этих изменений будет равен периоду колебаний заряда. Переменное ЭП будет порождать периодически меняющееся МП, а последнее в свою очередь вызовет появление переменного ЭП уже на большее расстояние и т.д.
П роисходит передача колебаний напряженности электрического поля и индукции магнитного поля из одних точек пространства в другие, создается электромагнитная волна (рис. 7).
В окружающем заряд пространстве, захватывая все большие и большие, области, возникает система взаимно перпендикулярных, периодически изменяющихся электрических и магнитных полей. На рисунке 8 изображен снимок такой системы полей на большом расстоянии от колеблющегося заряда. Образуется так называемая электромагнитная волна, бегущая по всем направлениям от колеблющегося заряда.
Не надо думать, что электромагнитная волна, показанная на рисунке 8, подобно волне на поверхности воды представляет собой возмущение какой-либо среды. На рисунке
изображены в некотором масштабе векторы и в различных точках
п ространства, лежащих на оси OZ, в фиксированный момент времени. Никаких гребней и впадин среды, как в случае механических волн на поверхности воды, здесь нет. В каждой точке пространства электрические и магнитные поля меняются во времени периодически. Чем дальше расположена точка от заряда, тем позднее достигнут ее колебания полей. Следовательно, на разных расстояниях от заряда колебания происходят с различными фазами. Колебания векторов и в любой точке совпадают по фазе. Расстояние между двумя ближайшими точками, в которых колебания происходят в одинаковых фазах, есть длина волны λ. В данный момент времени векторы и меняются периодически в пространстве с периодом λ.
Направления колеблющихся векторов напряженности электрического поля и индукции магнитного поля перпендикулярны к направлению распространения волны. Электромагнитная волна является поперечной. Таким образом, векторы и в электромагнитной волне перпендикулярны друг к другу и перпендикулярны направлению распространения волны. Если вращать буравчик с правой нарезкой от вектора к вектору , то поступательное перемещение буравчика будет совпадать с вектором скорости волн  , (см. рис 8).
4. Излучения электромагнитных волн.
Электромагнитные волны излучаются колеблющимися зарядами. При этом существенно, что скорость движения таких зарядов меняется со временем, т. е. что они движутся с ускорением. Наличие ускорения- главное условие излучения электромагнитных волн.
Электромагнитное поле излучается заметным образом не только при колебаниях заряда,
но, и при любом быстром изменении его скорости. Интенсивность излученной волны тем больше, чем больше ускорение, с которым движется заряд.
Наглядно это можно представить себе так. При движении заряженной частицы с постоянной скоростью созданные ею электрическое и магнитное поля подобно развевающемуся шлейфу сопровождают частицу. При ускорении частицы обнаруживается присущая электромагнитному полю инертность. Поле <<отрывается>> от частицы и начинает самостоятельное существование в форме электромагнитных волн. Энергия электромагнитного поля волны в данный момент времени меняется периодически в пространстве с изменением векторов и . Бегущая волна несет с собой энергию перемещающуюся со скоростью , вдоль направления распространения волны. Благодаря этому энергия электромагнитной волны в любой области пространства меняется периодически со временем.
Максвелл был глубоко убежден в реальности электромагнитных волн. Но он не дожил до их экспериментального обнаружения. Лишь через l0 лет после его смерти электромагнитные волны были экспериментально получены Герцем.
Электромагнитные волны возникают благодаря тому, что переменное электрическое поле порождает переменное магнитное поле. Это переменное магнитное поле в свою очередь порождает переменное электрическое поле.
Напряженность электрического поля меняется при ускоренном движении заряженных частиц, следовательно, переменный ток мог бы стать источником электромагнитной волны. Но стандартная частота колебаний переменного тока 50 Гц недостаточна для создания волны высокой энергии, интенсивность колебаний заряженных частиц ничтожно мала. Одним из необходимых условий для создания электромагнитных волн является высокая частота электромагнитных колебаний, порядка десятка мегагерц. Колебания такой частоты происходят в колебательном контуре, но закрытый колебательный контур не излучает энергию и не создает волну.
Для получения электромагнитных волн Г. Герц использовал простое устройство, называемое сейчас вибратором Герца - высокочастотный искровой разрядник.
 Для создания волны необходимо освободиться от участков цепи с противофазными колебаниями тока в катушке и увеличить расстояние между обкладками конденсатора. Для этого необходимо распрямить витки катушки и раскрыть обкладки конденсатора, т.е. необходимо создать открытый колебательный контур (рис. 9). К открытому контуру можно перейти от закрытого, если постепенно раздвигать пластины конденсатора рис. 9, уменьшая их площадь и одновременно уменьшая число витков в катушке. Емкость и индуктивность вибратора Герца малы, поэтому частота колебаний весьма велика.
При этом условии энергия электромагнитного поля, созданного высокочастотными колебаниями, будет распространяться в окружающем открытый контур пространстве.
В открытом контуре заряды не сосредоточены на концах, а распределены по всему проводнику. Ток в данный момент времени во всех сечениях проводника направлен в одну и ту же сторону, но сила тока неодинакова в различных сечениях проводника. На концах она равна нулю, а посредине достигает максимума. Электромагнитное поле охватывает все пространство возле контура.
Герц получал электромагнитные волны, возбуждая в вибраторе с помощью источника высокого напряжения серию импульсов быстропеременного тока. Колебания электрических зарядов в вибраторе создают электромагнитную волну.
Только колебания в вибраторе совершает не одна заряженная частица, а огромное число электронов, движущихся согласованно. Ц электромагнитной волне векторы и перпендикулярны друг другу. Вектор лежит в плоскости, проходящей через вибратор, а вектор перпендикулярен этой плоскости. Излучение волн происходит с максимальной интенсивностью в направлении, перпендикулярном оси вибратора. Вдоль
оси излучения не происходит. Электромагнитные волны регистрировались Герцем с помощью приемного вибратора (резонатора), представляющего собой такое же
устройство, как и излучающий вибратор. Под действием переменного электрического поля электромагнитной волны в приемном вибраторе возбуждаются колебания тока. Если собственная частота приемного вибратора совпадает с частотой электромагнитной волны, наблюдается резонанс. Колебания в резонаторе происходят с большой амплитудой при расположении его параллельно излучающему вибратору. Герц обнаруживал эти колебания, наблюдая искорки в очень маленьком промежутке между проводниками приемного вибратора.
|
Выполни
|
Пройдите тест: (общий балл -5баллов, каждый вопрос по 0,5 балла)
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
|
Рефлексия
|
А теперь закончи одну из фраз
Теперь я знаю…
Мне было трудно…
Я научился…
Я попробую…
|
У тебя в тетради должны быть выполнены следующие задания:
1. Тезисный конспект (1 балл)
2. Ответьте на вопросы:
1) Почему свободные электрические колебания в открытом контуре затухают быстрее, чем в закрытом контуре? (2 балла)
2) Опишите - из чего состоял вибратор Герца и сам опыт Герца. (2 балла) |
|
|
Скачать 1.69 Mb.