Тема: электромагнитные волны. Тема: электромагнитные волны Как должна двигаться заряженная частица чтобы возникло

Мы ознакомились с механическими волнами. Механические волны распространяются в веществе: газе, жидкости или твердом теле. Существует, однако, еще один вид волн, которые не нуждаются в каком-либо веществе для своего распространения. Это электромагнитные волны. К ним, в частности, относятся радиоволны и свет. Электромагнитное поле может существовать в вакууме, т. е. в пространстве, не содержащем атомов. Несмотря на существенное отличие электромагнитных волн от механических, электромагнитные волны при распространении ведут себя подобно механическим. Механические волны возникают благодаря взаимодействию между частицами вещества. Посмотрим, каким образом образуются волны электромагнитного поля. Как распространяются электромагнитные взаимодействия. Фундаментальные законы природы, к числу которых относятся открытые Максвеллом законы электромагнетизма, замечательны в следующем отношении: они могут дать гораздо больше, чем заключено в тех фактах, на основе которых они получены. Среди бесчисленных, очень интересных и важных следствий, вытекающих из максвелловских законов электромагнитного поля, одно заслуживает особого внимания. Это вывод о том, что электромагнитное взаимодействие распространяется с конечной скоростью. Согласно теории дальнодействия кулоновская сила, действующая на электрический заряд, сразу же изменится, если соседний заряд сдвинуть с места. Действие передается мгновенно. С точки зрения действия на расстоянии иначе быть не может: ведь один заряд непосредственно через пустоту «чувствует» присутствие другого. Согласно же представлению о близкодействии все происходит совершенно иначе и много сложнее. Перемещение заряда меняет электрическое поле вблизи него. Это переменное электрическое поле порождает переменное магнитное поле в соседних областях пространства. Переменное же магнитное поле, в свою очередь, порождает переменное электрическое поле и т. д. Перемещение заряда вызывает, таким образом, «всплеск» электромагнитного поля, который, распространяясь, охватывает все большие и большие области окружающего пространства, перестраивая по дороге то поле, которое существовало до смещения заряда. Наконец, этот «всплеск» достигает другого заряда, что и приводит к изменению действующей на него силы. Но произойдет это не в тот момент времени, когда произошло смещение первого заряда. Процесс распространения электромагнитного возмущения, механизм которого был открыт Максвеллом, протекает с конечной, хотя и очень большой, скоростью. В этом состоит фундаментальное свойство поля, которое не оставляет сомнений в его реальности. Максвелл математически доказал, что скорость распространения этого процесса равна скорости света в вакууме. Электромагнитная волна. Представьте себе, что электрический заряд не просто сместился из одной точки в другую, а приведен в быстрые колебания вдоль некоторой прямой. Заряд движется подобно телу, подвешенному на пружине, но только колебания его происходят со значительно большей частотой. Тогда электрическое поле в непосредственной близости от заряда начнет периодически изменяться. Период этих изменений, очевидно, будет равен периоду колебания заряда. Переменное электрическое поле будет порождать периодически меняющееся магнитное поле, а последнее, в свою очередь, вызовет появление переменного электрического поля уже на большем расстоянии от заряда и т. д. Мы не будем в деталях рассматривать сложный процесс образования электромагнитного поля, порождаемого колеблющимся за-й. Приведем лишь конечный результат. окружающем заряд пространстве, захватывая все большие и большие области, возникает система взаимно перпендикулярных, периодически изменяющихся электрических и магнитных полей QHa рисунке 120 изображен «моментальный 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 120, подобно волне на поверхности воды, представляет собой возмущение какой-либо среды. На рисунке изображены в некотором масштабе векторы Е и В в различных точках пространства, 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 Е и В в любой точке совпадают по фазе. Расстояние между двумя ближайшими точками, в которых колебания происходят в одинаковы фазах, есть длина волны X. В данный момент времени векторы Е и В меняются периодически в пространстве с периодом X. Направления колеблющихся векторов напряженности электрического поля и индукции магнитного поля перпендикулярны направлению распространения волны. Электромагнитная волна является поперечной. Таким образом, векторы? и Б в электромагнитной волне перпендикулярны друг к другу и перпендикулярны направлению распространения волны. Если вращать буравчик с правой нарезкой от вектора Е к вектору В, то поступательное перемещение буравчика будет совпадать с вектором скорости волны с Излучение 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 Е и В. Бегущая волна несет с собой энергию, перемещающуюся со скоростью с 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 10 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. 1. Как ориентированы векторы Е, В и с по отношению друг к другу в электромагнитной волне! 2. Как должна двигаться частица, чтобы она излучала электромагнитные волны!

Английский ученый Дж. Максвелл в 1865 г. опираясь, в частности, на труды М. Фарадея получил систему уравнений, описывающих электромагнитное поле. Из этих уравнений вытекает, что электромагнитное поле может распространяться в вакууме в виде электромагнитной волны с конечной скоростью равной скорости света с=300 тыс. км/с.

В 1887 году немецкий ученый Г. Герц экспериментально обнаружил электромагнитные волны и исследовал их свойства, используя в качестве экспериментальной установки высокочастотный искровой разрядник (вибратор Герца, представляющий собой открытый колебательный контур) и приемный диполь.

Одним из первых, кто занялся в России изучением электромагнитных волн, был А.С. Попов. 7 мая 1895 г. им впервые была продемонстрирована радиотелеграфная связь на заседании Русского физико-химического общества в Петербурге.

Важным шагом в развитие радиосвязи следует считать создание в 1913 г. генератора незатухающих высокочастотных электромагнитных колебаний. Стало возможным осуществление радиотелефонной связи – передача звуковой информации с помощью электромагнитных волн.

В настоящее время электромагнитные воны используются в радиосвязи, радиолокации, телевидение.

для перехода кликнуть левой кнопкой мыши

Опорный конспект по теме “Электромагнитные волны”

Распространение радиоволн

На распространение радиоволн влияют форма и физические свойства земной поверхности, и состояние атмосферы.

Длинные , средние , короткие, ультракороткие волны используются в телеграфии, радиовещании, телевидении, радиолокации и т.д.

Сантиметровые и миллиметровые волны получают в магнетронных, клистронных генераторах и мазерах. Применяются в радиолокации, радиоспектроскопии и радиолокации.

Вопросы для самоконтроля по блоку «Электромагнитные волны»

1. Кто и когда предсказал существование электромагнитных волн, открыл электромагнитные волны, впервые применил электромагнитные волны для радиосвязи?
2. Как должна двигаться заряженная частица, чтобы она излучала электромагнитные волны?
3. Как объяснить излучение волн открытым колебательным контуром?
4. Как ориентированы векторы напряженности электрического поля и индукции магнитного поля по отношению друг к другу в электромагнитной волне?
5. Что называют детектированием колебаний?
6. Для чего нужна модуляция колебаний?
7. Как устроен простейший детекторный радиоприемник?
8. Перечислите известные вам свойства электромагнитных волн.
9. На каких принципах основана работа радиолокационной станции?
10. Что влияет на распространение радиоволн?

РАЗРАБОТКА УРОКА ПО ФИЗИКЕ

В 11 КЛАССЕ

ТЕМА: ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ.

ВЫПОЛНИЛА: учитель физики

ТЕМА: Электромагнитные волны.

УРОК 24/2 Изобретение радио. Принципы радиосвязи.

ТИП УРОКА: Групповая работа (2ч)

ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ УРОКА:

· Продолжить учебную работу по теме.

· Ознакомить учащихся с практическим применением электромагнитных волн, раскрыть физический принцип радиосвязи, рассмотреть устройство простейшего радиоприемника, познакомиться с понятиями модуляция и детектирование.

· Содействовать воспитанию таких качеств как: чувство коллективизма , ответственности за общее дело.

· Продолжить работу по формированию таких умений как: планирование своего ответа, работа с учебником, с радиотехническими схемами.

· Содействовать развитию воли и настойчивости в учении посредством вовлечения учащихся в учебные дискуссии.

Оборудование: карточки - задания для групп, схемы радиоприемников, компьютер с проектором и экраном.

ХОД УРОКА:

1. АКТИВИЗАЦИЯ И ПОВТОРЕНИЕ ЗНАНИЙ УЧАЩИХСЯ:

Фронтально с классом обсуждаются вопросы домашнего задания:

· Что представляет собой электромагнитная волна?

· Как ориентированы векторы Е, В и с по отношению друг к другу в электромагнитной волне?

· Как должна двигаться частица, чтобы она излучала электромагнитные волны?

· Что такое открытый колебательный контур?

· Расскажите об опытах Герца.

· Что такое интенсивность волны?

· Почему переменный ток в осветительной сети практически не излучает электромагнитные волны?

2. Изучение нового учебного материала:

Класс делится на группы, которые получают различные задания, им отводится время на подготовку, в группе имеется сильный ученик, который консультирует и проверяет учебную работу других.

Группы обеспечиваются заданиями:

Задание группа №1

· Изобретение радио.

· Устройство прибора Попова.

2.Решите задачу: Диапазон каких длин волн может принимать радиоприемник, если емкость конденсатора изменяется от 30 до 300пФ, а индуктивность катушки от 40 до 100мкГн?

3. Найдите ошибки в схеме (группе предлагается схема неверного включения колебательного контура в радиоприемнике)

Задание группа №2

1.Подготовьте теоретический материал по следующим вопросам:

· Что представляет собой процесс радиосвязи?

· Дайте объяснение процессу модуляции.

2.Решите задачу: Радиоприемник работает в диапазоне частот от 20 до 40МГц. Емкость конденсатора может изменяться от 50 до 600пФ. Как изменяется индуктивность катушки?

3.Найдите ошибки в схеме. (группе предлагается неверная схема

радиоприемника).

Задание группа №3

1.Подготовьте теоретический материал по следующим вопросам:

· Как осуществляется амплитудная модуляция?

· Что представляет собой процесс детектирования?

2.Решите задачу: Радиопередатчик излучает электромагнитные волны длиной 500м Определите электроемкость конденсатора, включенного в его колебательный контур, если индуктивность последнего 1,5 мГн.

3.Начертите схему радиоприемника. Каково назначение его деталей?

3. Проверка усвоения учебного материала и практических умений учащихся.

· Кандидаты от групп выступают с теоретическими материалами.

· Задачи решаются с комментариями у доски.

· Отредактированные схемы разбираются у доски с помощью

проекций на экран с использованием компьютера.

4.Ответы учащихся анализируются и оцениваются.

Цель: рассмотрим свойства электромагнитных волн.

Ход урока

I. Повторение. Беседа

1. В чем состоит гипотеза Максвелла?

2. Опишите процесс возникновения электромагнитной волны.

3. Что такое электромагнитная волна?

4. От чего зависит скорость электромагнитной волны?

II. Самостоятельная работа

1. Что такое электромагнитные волны?

А. Распространяющееся в пространстве переменное магнитное поле.

Б. Распространяющееся в пространстве переменное электрическое поле.

В. Распространяющееся в пространстве переменное электромагнитное поле.

2. Каковы основные положения теории электромагнитного поля Максвелла?

А. При всяком изменении электрического поля возникает вихревое магнитное поле, распространяющееся со скоростью света.

Б. При всяком изменении магнитного поля возникает переменное вихревое электрическое поле, распространяющееся в окружающем пространстве со скоростью света.

В. При всяком изменении магнитного поля возникает переменное вихревое электрическое поле, у которого вектор напряженности Е: При изменении электрического поля возникает магнитное, у которого вектор индукции распространяется в окружающем пространстве со скоростью света.

3. Как в воздухе изменится длина электромагнитных волн, излучаемых колебательным контуром, если емкость колебательного контура увеличить в 4 раза?

А. Уменьшится в 4 раза.

Б. Увеличится в 2 раза.

В. Увеличится в 4 раза.

4. Какова взаимная ориентация векторов В, Е, V?

А. Все три вектора взаимно перпендикулярны.

Б. Вектор В совпадает с вектором Е и перпендикулярен вектору V.

В. Вектор В совпадает с вектором V, но перпендикулярен вектору Е.

5. Определите частоту колебаний электромагнитных волн, если длина их 2 см.

А. 0,7 · 10 6 Гц.

Б. 6 · 10 6 Гц.

В. 1,5 · 10 6 Гц.

6. Как должна двигаться заряженная частица, чтобы возникло электромагнитное излучение?

А. С постоянной скоростью.

Б. Находиться в покое.

В. Двигаться с ускорением.

7. Можно ли выбрать систему отсчета, в которой обнаружилась бы только магнитная составляющая В?

А. Нельзя.

Б. Можно, если система будет двигаться с такой же скоростью, что и электрон.

В. Можно, если система будет двигаться со скоростью, большей скорости электрона.

Ответы: 1. В. 2. В. 3. Б. 4. А. 5. В. 6. В. 7. А.

III. Изучение нового материала

Электромагнитная волна образуется благодаря взаимной связи переменных электрического и магнитного полей. Чем быстрее меняется со временем магнитная индукция, тем больше напряженность возникающего электрического поля, и наоборот. Для образования интенсивных электромагнитных волн необходимы электромагнитные колебания достаточно высокой частоты. Их можно получить с помощью колебательного контура.

Г. Герц для получения электромагнитных волн использовал устройство, которое сейчас называют вибратором Герца. (Представляет собой открытый колебательный контур.)

Для возбуждения колебаний в таком контуре провод разрезали посередине, оставляя небольшой воздушный промежуток. Обе части провода заряжали до высокой разности потенциалов, когда разность потенциалов превышала некоторое предельное значение, проскакивала искра, цепь замыкалась, и в открытом контуре возникали колебания. Они затухали, так как у контура есть активное сопротивление вибратор излучал электромагнитную волну и терял энергию.

Электромагнитные волны регистрировались с помощью приемного вибратора (резонатор), представляющего собой такое же устройство, как и излучающий вибратор. Под действием переменного электрического поля электромагнитные волны в приемнике возбуждали колебание тока. Если собственная частота приемника совпадала с частотой электромагнитной волны, наблюдался резонанс. Колебания в резонаторе происходили с большой амплитудой при расположении его параллельно излучающему вибратору.

Герц обнаружил эти колебания, наблюдая искорки в очень маленьком промежутке между проводниками приемного вибратора. Герц не только получил электромагнитные волны, но и обнаружил, что они ведут себя подобно другим видам волн.

Демонстрация свойств электромагнитных волн при помощи СВЧ генератора. Электромагнитные волны излучаются рупорной антенной в направлении оси рупора. Приемная антенна в виде такого же рупора улавливает волны, которые распространяются вдоль оси.

Можно продемонстрировать:

1. Поглощение электромагнитных волн.

2. Отражение.

3. Преломление.

4. Поперечность.

Электромагнитные волны обладают рядом важных свойств.

1. Излучаются ускоренно движущимися зарядами, причем Е ~ а.

2. Электромагнитные волны могут распространяться не только в различных средах, но и в вакууме.

3. Скорость в вакууме - совпадает со скоростью света.

4. Скорость электромагнитных волн в веществе ниже, чем скорость в вакууме.

5. При переходе электромагнитной волны из одной среды в другую, частота волны не изменяется.

6. Электромагнитные волны могут поглощаться веществом.

7. Преломляются и отражаются. (Демонстрация.)

8. Электромагнитная волна поперечна. (Демонстрация.)

9. Плотность электрического поля в электромагнитной волне равна плотности магнитного поля.

10. Плотность энергии электромагнитного поля в распространяющейся в вакууме волне пропорциональна квадрату электрической напряженности:

11. Интенсивность электромагнитной волны пропорциональна среднему квадрату напряженности электрического поля в волне.

12. Интенсивность пропорциональна четвертой степени ее частоты. I ~ V 4 .

IV. Закрепление изученного

1. Что является источником электромагнитных волн?

2. Что является измерителем электромагнитных волн?

3. Как устроен вибратор Герца, каков принцип его работы?

4. Какова скорость распространения электромагнитных волн в воздухе?

5. Перечислите основные свойства электромагнитных волн.

Домашнее задание

П. 98 и 99. Задачи 449-451.