Классный урок на «Радио России – Тамбов», эфир 7 мая 2020 года

Сегодня мы с вами рассмотрим тему, имеющую непосредственное отношение к ЕГЭ по физике в 11 классе - электромагнитные волны, свойства электромагнитных волн, различные виды электромагнитных излучений и их применение. Электромагнитное поле – это особый вид материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между электрически заряженными частицами. Электромагнитная волна - это электромагнитные колебания, распространяющееся в пространстве с конечной скоростью. В 1819 г. датский физик Г. Х. Эрстед обнаружил, что проводник, по которому течёт электрический ток, вызывает отклонение стрелки магнитного компаса, расположенного вблизи этого проводника, из чего следовало, что электрические и магнитные явления взаимосвязаны. Французский физик и математик А. Ампер в 1824 г. дал математическое описание взаимодействия проводника тока с магнитным полем (см. Закон Ампера). В 1831 г. английский физик М. Фарадей экспериментально обнаружил и дал математическое описание явления электромагнитной индукции — возникновения электродвижущей силы в проводнике, находящемся под действием изменяющегося магнитного поля. В 1855 году Джеймс Клерк Максвелл опубликовал статью, в которой говориться, что электромагнитные взаимодействия передаются из одной точки пространства в другую не мгновенно, а с конечной скоростью. Для вакуума она равна c=3·10⁸ м/с. Это позволило Максвеллу высказать предположение (впоследствии подтвердившееся), что свет является одним из проявлений электромагнитных волн. В 1864 г. Дж. Максвелл создаёт теорию электромагнитного поля, согласно которой электрическое и магнитное поля существуют как взаимосвязанные составляющие единого целого — электромагнитного поля. Эта теория с единой точки зрения объясняла результаты всех предшествующих исследований в области электродинамики, и, кроме того, из неё вытекало, что любые изменения электромагнитного поля должны порождать электромагнитные волны, распространяющиеся в диэлектрической среде (в том числе, в пустоте) с конечной скоростью. Теория Максвелла уже при своем возникновении разрешила ряд принципиальных проблем электромагнитной теории, предсказав новые эффекты и дав надежную и эффективную математическую основу описанию электромагнитных явлений. Однако при жизни Максвелла наиболее яркое предсказание его теории — предсказание существования электромагнитных волн — не получило прямых экспериментальных подтверждений. Существование электромагнитных волн было предсказано Максвеллом и получило подтверждение в опыте Герца. Рассмотрим, два покоящихся заряда, находящихся на некотором расстоянии друг от друга. Сила их взаимодействия определяется законом Кулона. Шевельнём один из зарядов; согласно закону Кулона сила взаимодействия изменится мгновенно — второй заряд сразу «почувствует» изменение положения первого заряда. Так утверждала теория дальнодействия. Однако в действительности дело обстоит иначе. При шевелении заряда электрическое поле вблизи него меняется и порождает магнитное поле. Это магнитное поле также является переменным и, в свою очередь, порождает переменное электрическое поле, которое опять порождает переменное магнитное поле и т.д. В пространстве начинает распространяться процесс колебаний напряжённости электрического поля и индукции магнитного поля — электромагнитная волна. Спустя некоторое время эта электромагнитная волна достигнет второго заряда; лишь тогда — а не мгновенно! — он и почувствует, что положение первого заряда изменилось. Электромагнитные волны должны быть достаточно интенсивными для того, чтобы можно было их наблюдать в эксперименте. Электромагнитные волны будут тем интенсивнее, чем быстрее меняется положение зарядов, излучающих эти волны. В таком случае электрическое поле вблизи зарядов меняется с большей скоростью и порождает большее магнитное поле; оно, в свою очередь, меняется столь же быстро и порождает большее электрическое поле, и т.д. Интенсивные электромагнитные волны порождаются высокочастотными электромагнитными колебаниями. Электромагнитные колебания создаются в колебательном контуре. Период колебаний заряда и тока в контуре равен:  .  С этим же периодом изменяются векторы E и B в заданной точке пространства. На данном этапе эксперимента возникала проблема: переменное электромагнитное поле, являющееся источником электромагнитных волн, должно занимать достаточно большую область пространства. А в обычном колебательном контуре, переменное электрическое поле почти целиком сосредоточено в малой области внутри конденсатора, а переменное магнитное поле — в малой области внутри катушки. Поэтому даже при достаточно высокой частоте колебаний такой колебательный контур оказался непригоден для излучения электромагнитных волн. Герц 1887 г. собрал открытый колебательный контур. Он уменьшал число витков катушки — от этого её индуктивность уменьшалась. Одновременно уменьшал площадь пластин конденсатора и раздвигал их — это приводило к уменьшению ёмкости конденсатора и к увеличению пространственной области, занимаемой электрическим полем. Катушка ликвидируется вовсе, превращаясь в кусок проводника. Пластины конденсатора раздвигаются максимально далеко и оказываются на концах этого проводника, получится самый обычный прямолинейный стержень.   Идея Герца позволила получить следующие результаты: 1) ёмкость и индуктивность стержня очень малы, поэтому в нём возбуждаются колебания весьма высокой частоты; 2) переменное электромагнитное поле занимает довольно большую область пространства вокруг стержня. Поэтому такой стержень может служить источником достаточно интенсивных электромагнитных волн. Герц разрезал стержень посередине, раздвинул половинки на небольшое расстояние создав разрядный промежуток и подключил их к источнику высокого напряжения. Получился излучающий вибратор (излучатель).   Когда напряжение между шариками превышало напряжение пробоя, в разрядном промежутке проскакивала искра и излучались электромагнитные волны. Герц регистрировал эти волны с помощью приёмного вибратора (приемника) — проводника с шариками на концах разрядного промежутка. Приемник находился на расстоянии от излучателя. Переменное электрическое поле электромагнитной волны возбуждало в приёмнике переменный ток. Если частота этого тока совпадала с собственной частотой приёмника, то возникал резонанс, и в разрядном промежутке проскакивала искра. Наличие этой искры, появляющейся на концах совершенно изолированного проводника, явилось свидетельством существования электромагнитных волн. Герц не увидел практической значимости в использовании электромагнитных волн и даже отрицал их применение. Впервые электромагнитные волны были использованы через несколько лет после опытов Герца. 7 мая 1895 г. преподаватель физики офицерских минных классов А.С. Попов (1859—1906) на заседании Русского физико-химического общества продемонстрировал первый в мире радиоприемник, открывший возможность практического использования электромагнитных волн для беспроволочной связи, преобразившей жизнь человечест­ва. Первая переданная в мире радиограмма содержала лишь два слова: «Генрих Герц». Электромагнитные волны оказались поперечными — колебания векторов напряжённости электрического поля и индукции магнитного поля происходят в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны. Длина электромагнитной волны λ, её частота ν и скорость распространения связаны стандартным для всех волн соотношением: c = λν. Электромагнитным волнам присущи те же основные свойства, что и другим видам волновых процессов.

1. Отражение волн. Явление лежит в основе радиолока­ции.
2. Поглощение волн. Электромагнитные волны частично поглощаются при прохождении сквозь диэлектрик. Явление применяется в метеорологии, астрономии, медицине, радиохимии.
3. Преломление волн. Электромагнитные волны меняют направление распространения на границе двух различных диэлектриков. Явление преломления лежит в основе работы телескопов-рефракторов, объективов фото-, кино- и телекамер, микроскопов, увеличительных стёкол, очков, проекционных приборов, приёмников и передатчиков оптических сигналов и т.п.
4. Интерференция волн. По интерференционной картине можно выявлять и измерять отклонения формы поверхности от заданной.   Интерференционные волны от отдельных излучателей используются при создании сложных излучающих систем(антенн), просветление оптики и получение высокопрозрачных покрытий и оптических фильтров.
5. Дифракция волн. Электромагнитные волны огибают препятствия, размеры которых соизмеримы с длиной волны. Возможна устой­чивая радиосвязь между удаленными пунктами, разделенными между собой выпуклостью Земли.

Спектр электромагнитных волн необычайно широк. Весь этот спектр можно разделить на несколько характерных диапазонов длин волн; внутри каждого диапазона электромагнитные волны обладают более-менее схожими свойствами и способами излучения. Диапазоны плавно переходят друг в друга, чёткой границы между ними нет. Поэтому граничные значения длин волн порой весьма условны. Радиоволны (λ > 1 мм). Источниками радиоволн служат колебания зарядов в проводах, антеннах, колебательных контурах. Радиоволны излучаются также во время гроз.

1. Сверхдлинные волны (λ > 10 км). Хорошо распространяются в воде, поэтому используются для связи с подводными лодками.
2. Длинные волны (1 км < λ < 10 км). Используются в радиосвязи, радиовещании, радионавигации.
3. Средние волны (100 м < λ < 1 км). Радиовещание. Радиосвязь на расстоянии не более 1500 км.
4. Короткие волны (10 м < λ < 100 м). Радиовещание. Хорошо отражаются от ионосферы; в результате многократных отражений от ионосферы и от поверхности Земли могут распространяться вокруг земного шара. Поэтому на коротких волнах можно ловить радиостанции других стран.
5. Метровые волны (1 м < λ < 10 м). Местное радиовещание в УКВ-диапазоне. Используются также в телевидении (федеральные каналы); так, длина волны телеканала «Россия 1» равна примерно 5 м.
6. Дециметровые волны (10 см < λ < 1 м). Телевидение (дециметровые каналы). Это также диапазон мобильной связи; так, стандарт GSM 1800 использует радиоволны с частотой примерно 1800 МГц, т. е. с длиной волны около 17 см. Есть ещё одно хорошо известное вам применение дециметровых волн — это микроволновые печи. Стандартная частота микроволновой печи равна 2450 МГц (это частота, на которой происходит резонансное поглощение электромагнитного излучения молекулами воды). Она отвечает длине волны примерно 12 см. Наконец, в технологиях беспроводной связи Wi-Fi и Bluetooth используется такая же длина волны — 12 см (частота 2400 МГц).
7. Сантиметровые волны (1 см < λ < 10 см). Это — область радиолокации и спутниковых телеканалов. Например, канал НТВ+ ведёт своё телевещание на длинах волн около 2 см.
8. Миллиметровые волны (1 мм < λ < 1 см). Радиолокация, космические линии связи. Здесь мы подходим к длинноволновой границе инфракрасного излучения.

  Инфракрасное излучение (780 нм < λ < 1 мм). Испускается молекулами и атомами нагретых тел. Инфракрасное излучение называется ещё тепловым — когда оно попадает на наше тело, мы чувствуем тепло. Человеческим глазом инфракрасное излучение не воспринимается. Мощнейшим источником инфракрасного излучения служит Солнце. Лампы накаливания излучают наибольшее количество энергии (до 80%) в как раз в инфракрасной области спектра. Инфракрасное излучение имеет широкую область применения: инфракрасные обогреватели, пульты дистанционного управления, приборы ночного видения, сушка лакокрасочных покрытий и многое другое. При повышении температуры тела длина волны инфракрасного излучения уменьшается, смещаясь в сторону видимого света. Засунув гвоздь в пламя горелки, мы можем наблюдать это: в какой-то момент гвоздь «раскаляется докрасна», начиная излучать в видимом диапазоне. Видимый свет (380 нм < λ < 780 нм). Излучение в этом промежутке длин волн воспринимается человеческим глазом. Диапазон видимого света можно разделить на семь интервалов — так называемые спектральные цвета. Красный: 625 нм — 780 нм; • Оранжевый: 590 нм — 625 нм; • Жёлтый: 565 нм — 590 нм; • Зелёный: 500 нм — 565 нм; • Голубой: 485 нм — 500 нм; Синий: 440 нм — 485 нм; Фиолетовый: 380 нм — 440 нм. Глаз имеет максимальную чувствительность к свету в зелёной части спектра. Вот почему школьные доски согласно ГОСТу должны быть зелёными: глядя на них, глаз испытывает меньшее напряжение. Чтобы запомнить порядок цветов видимого спектра, применяют фразу: каждый охотник желает знать, где сидит фазан. Ультрафиолетовое излучение (10 нм < λ < 380 нм). Главным источником ультрафиолетового излучения является Солнце. Именно ультрафиолетовое излучение приводит к появлению загара. Человеческим глазом оно уже не воспринимается. В небольших дозах ультрафиолетовое излучение полезно для человека: оно повышает иммунитет, улучшает обмен веществ, имеет целый ряд других целебных воздействий и потому применяется в физиотерапии. Ультрафиолетовое излучение обладает бактерицидными свойствами. Например, в больницах для дезинфекции операционных в них включаются специальные ультрафиолетовые лампы. Очень опасным является воздействие УФ излучения на сетчатку глаза — при больших дозах ультрафиолета можно получить ожог сетчатки. Некоторые насекомые и птицы способны видеть в ультрафиолете. Например, пчёлы с помощью своего ультрафиолетового зрения находят нектар на цветах. Рентгеновское излучение (5 пм < λ < 10 нм). Возникает в результате торможения быстрых электронов у анода и стенок газоразрядных трубок (тормозное излучение), а также при некоторых переходах электронов внутри атомов с одного уровня на другой (характеристическое излучение). Рентгеновское излучение легко проникает сквозь мягкие ткани человеческого тела, но поглощается кальцием, входящим в состав костей. Рентгеновские снимки. В аэропортах приборы просвечивают рентгеновскими лучами ручную кладь и багаж. Используя рентгеновское излучение можно изучать порядок расположения атомов в кристаллических решётках и сложных молекулах. С помощью рентгеноструктурного анализа было определено устройство ряда сложных органических молекул — например, ДНК и гемоглобина. В больших дозах рентгеновское излучение опасно для человека — оно может вызывать раковые заболевания и лучевую болезнь. Гамма-излучение (λ < 5 пм). Это излучение наиболее высокой энергии. Его проникающая способность намного выше, чем у рентгеновских лучей. Гамма-излучение возникает при переходах атомных ядер из одного состояния в другое, а также при некоторых ядерных реакциях. Источниками гамма-лучей могут быть заряженные частицы, движущиеся со скоростями, близкими к скорости света — в случае, если траектории таких частиц искривлены магнитным полем. В больших дозах гамма-излучение очень опасно для человека: оно вызывает лучевую болезнь и онкологические заболевания. Но в малых дозах оно может подавлять рост раковых опухолей и потому применяется в лучевой терапии. Домашнее задание. Выполнить тест

1. Какое из утверждений верно?

1) волна – колебания, распространяющиеся в пространстве с течением времени; 2) волна переносит вещество; 3) волна переносит энергию; 4) волны бывают поперечные и продольные; 5) электромагнитная волна – продольная волна; 6) электромагнитная волна излучается любыми колеблющимися телами; 2.Какие формулы верны? 1) ; 2) ; 3) ; 4) ; 5) .

3. Какое из утверждений верно о простом открытом колебательном контуре?

1) это вибратор Герца; 2) емкость конденсатора в нем мала; 3) емкость конденсатора в нем велика; 4) индуктивность катушки в нем велика; 5) колебания в нем не затухающие.

4. Что является частью радио Попова?

1) источник питания; 2) радиоволны; 3) звонок; 4) вибратор Герца; 5) когерер; 6) реле; 7) конденсатор; 8) катушка.

5. Для осуществления детектирования необходимо использовать …

1) модулятор; 2) детектор;  3) микрофон;  4) динамик;  5) генератор незатухающих колебаний.

6. Электромагнитные волны могут … 1) поглощаться; 2) отражаться; 3) преломляться; 4) распространяться в вакууме; 5) среди ответов нет верного.
7. Радиоволны бывают …

1) ультрадлинными; 2) длинными; 3) средними; 4) промежуточными; 5) короткими; 6) сверхкороткими; 7) ультракороткими.

8. Сотовые телефоны работают на … волнах?

1) длинных; 2) средних;  3) коротких;  4) ультракоротких; 5) ультрадлинных, 6) метровых, 7) дециметровых.

9. Радиолокатор может использоваться для …

1) определения расстояния до движущегося объекта;2) определения расстояния до неподвижного объекта; 3) определения скорости объекта; 4) определения массы объекта; 5) среди ответов нет верного. 10. Для передачи или приема телевизионного сигнала используют… 1) радиолокатор; 2) спутники связи; 3) УКВ; 4) модулирование; 5) детектирование; 6) СВ.