Давление энергия и импульс электромагнитной волны сообщение
Обновлено: 01.07.2024
- Для учеников 1-11 классов и дошкольников
- Бесплатные сертификаты учителям и участникам
Физика. 11 класс. В.А. Касьянов (базовый уровень), 2014 год
Энергия, давление и импульс электромагнитных волн
Общее количество часов, отведённое на изучение темы
Место урока в системе уроков по теме
Познакомиться с основными количественными характеристиками электромагнитных волн
Обучающие: знать основные количественные характеристик электромагнитных волн и уметь их вычислять.
Развивающие: формирование целостного и системного восприятия окружающего мира и физических явлений происходящих в нем.
Воспитательные: развитие умения работать с текстом учебника, работать в паре с одноклассником и учителем
Знание основных количественных характеристик электромагнитных волн.
Техническое обеспечение урока
Мультимедийный проектор, доска.
Содержание урока
Организационный этап.
Приветствие обучающихся. Проверка явки и готовности обучающихся к уроку.
Постановка цели и задач урока. Мотивация учебной деятельности учащихся.
На предыдущих уроках мы с вами рассмотрели электромагнитные волны, механизм возникновения, принцип и условия распространения в различных средах. Прежде чем перейти к теме нашего урока, предлагаю подумать о природе вещей.
Почему нагревается вода в кастрюле на газовой конфорке? Вопрос не вызывает у большинства затруднений. Все, верно, нам известно с 8 класса, что энергия топлива (газа) при сгорании в виде тепла передается воде, изменяя ее внутреннюю энергию.
А почему нагревается вода в микроволновой печи? Ведь там ничего не горит!?
Значит, волны излучаемые печью тоже переносят энергию.
Сегодня на уроке мы рассмотрим количественные характеристики электромагнитных волн. К таким характеристикам относятся: энергия, давление и импульс.
Актуализация знаний.
Перед изучением новой темы давайте проверим домашнее задание и вспомним особенности распространения электромагнитных волн в различных средах.
Дополним наши устные ответы решение расчетных задач (работа у доски).
Определить на какой длине работают местные радиостанции:
Радио центр = 103,6 МГц
Первичное усвоение новых знаний.
( работа с текстом ). Энергия, переносимая электромагнитными волнами .
Поток энергии электромагнитной волны – энергия электромагнитного излучения, проходящего в единицу времени сквозь поверхность площадью S :
Плотность потока энергии электромагнитной волны – мощность электромагнитного излучения, проходящего сквозь единицу площади поверхности, расположенной перпендикулярно направлению распространения волны:
Интенсивность электромагнитной волны – среднее значение плотности потока энергии электромагнитной волны:
Единица интенсивности волны: ватт/метр 2
Для гармонических электромагнитных колебаний с амплитудой E 0 так же как и для действующего значения переменного тока ,:
Следовательно, интенсивность гармонической электромагнитной волны пропорциональна квадрату амплитуды напряженности электрического поля.
Интенсивность излучения точечного источника убывает обратно пропорционально квадрату расстояния до источника:
Средняя энергия излучаемой электромагнитной волны (и соответственно ее интенсивность) прямо пропорциональна среднему квадрату ускорения излучающей заряженной частицы:
Интенсивность гармонической электромагнитной волны прямо пропорциональна четвертой степени ее частоты:
Давление и импульс электромагнитных волн .
Связь давления электромагнитной волны с ее интенсивностью:
Связь импульса электромагнитной волны с переносимой ею энергией:
Первичное закрепление.
Ответить устно на вопросы после параграфа 49, 50 ( фронтальный опрос ).
Решение расчетных задач на нахождение количественных характеристик электромагнитного излучения ( работа у доски ).
Задача 1. Радиостанция работает на частоте 100 МГц. Считая, что скорость распространения электромагнитных волн в атмосфере равна скорости света в вакууме, найдите соответствующую длину волны. (3 м).
Решение . c = λ·ν, λ = c/ ν = 3·10 8 м/с /1081/с = 3 м.
Задача 2. Колебательный контур состоит из катушки с индуктивностью 1 мкГн и конденсатора, электроёмкость которого может изменяться в пределах от 100 до 400 мкФ. На каком диапазоне волн может быть настроен этот контур? (188,5 – 377 м).
Решение. λ = c/ ν, ν =1/Т, T=2π√LC, λ 1 = c2π√LC 1 = 188,5 м. При увеличении электроёмкости конденсатора в 4 раза, длина волны увеличивается в 2 раза, следовательно λ 2 = 377 м.
Задача 3. Каким может быть максимальное число импульсов, испускаемых радиолокатором в 1 с, при разведывании цели, находящейся в 30 км от него? (5000).
Решение. Для прохождения расстояния до цели и обратно, импульсу электромагнитной волны потребуется время t = S\c = 60000 м/3·10 8 м/с = 2·10 -4 c. Следовательно, в 1с должно быть максимальное количество импульсов 1с/ 2·10 -4 c =5000.
Задача 4. При гармонических электрических колебаниях в колебательном контуре максимальное значение энергии электрического поля конденсатора равно 50 Дж, максимальное значение энергии магнитного поля катушки равно 50 Дж. Как будет изменяться во времени полная энергия электромагнитного поля контура? Как будет изменяться во времени максимальная магнитная энергия катушки? Как буде изменяться энергия катушки в течение периода колебаний?
Решение. Полная энергия электромагнитного поля контура остается постоянной.
Максимальная магнитная энергия катушки остается постоянной.
Энергия катушки, как и энергия конденсатора в течение периода колебаний изменяется от 0 до 50 Дж.
Задача 5 . Контур радиоприёмника настроен на длину волны 50 м. Как нужно изменить индуктивность катушки колебательного контура приёмника, чтобы он был настроен на волну длиной 25 м?
Решение . λ = c2π√LC . При уменьшении длины волны в 2 раза, индуктивность должна уменьшиться в 4 раза.
Задача 6 . Определите отношение плотностей потока излучения электромагнитных волн при одинаковой амплитуде колебаний электрического тока в вибраторе, если частоты колебаний 1 МГц и 10 МГц.
Решение . Интенсивность – среднее значение плотности потока электромагнитной волны. Интенсивность прямо пропорциональна четвёртой степени её частоты I~ω4. Следовательно, при увеличении частоты колебаний в 10 раз, интенсивность, а, значит, и плотность потока излучения увеличится в 10000 раз.
Информация о домашнем задании, инструктаж по его выполнению.
Прочитать параграф 49, 50. Конспект.
1. Рассмотрим четыре случая движения электрона: 1) электрон движется равномерно прямолинейно; 2) электрон движется равномерно по окружности; 3) электрон движется равноускорено; 4) электрон совершает гармонические колебания. В каких случаях происходит излучение электромагнитных волн?
Решение . Во всех случаях, когда ускорение не равно 0, т. е. случаи 2, 3, 4.
2. Радиолокатор работает на волне 15 см и даёт 400 импульсов в секунду. Длительность каждого импульса 2 мкс. Сколько колебаний содержится в каждом импульсе и какова наибольшая глубина разведки локатора? (4000; 375 км).
Решение. ν =с/λ =3·10 8 м/c /0,15 м = 2·10 9 1/c.
В каждом импульсе будет п = t1·ν= 2·10 -6 c·2·10 9 1/c= 4000 колебаний.
Время от импульса до импульса t=1/400с -1 = 25·10 -4 c.
За это время сигнал пройдёт путь 25·10 -4 c ·3·10 8 м/c =750 км, а до цели – половина этого пути = 375 км.
Рефлексия (подведение итогов).
Вихревым электрическим полем называется поле, силовые линии которого нигде не начинаются и не заканчиваются, представляют собой замкнутые линии.
Электромагнитное поле – особая форма материи, осуществляющая электромагнитное взаимодействие.
Электромагнитные волны – это электромагнитные колебания, распространяющееся в пространстве с конечной скоростью.
Точечный источник излучения – это источник, размеры которого много меньше расстояния, на котором оценивается его действие, и он посылает электромагнитные волны по всем направлениям с одинаковой интенсивностью.
Плотностью потока электромагнитного излучения называют отношение электромагнитной энергии переносимой волной за время через перпендикулярную лучам поверхность площадью S, к произведению площади на время.
Основная и дополнительная литература по теме урока:
Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н.. Физика.10 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2016. – С. 140-150
Рымкевич А.П. Сборник задач по физике. 10-11 класс.-М.:Дрофа,2009.- С.20-22
Основное содержание урока
Вселенная-это океан электромагнитных излучений. Человек живет в нем, не замечая волн, проникающих в окружающее пространство. Включив лампочку или греясь у камина, человек заставляет источник этих волн работать, не задумываясь об их свойствах. Открытие природы электромагнитного излучения, позволило человечеству в течение XX века освоить и ввести в эксплуатацию различные его виды.
Сегодня мы поговорим об электромагнитных волнах, что это? Каковы его характеристики?
Когда мы слышим слово "волна", что вы себе представляете? Волны на море, на реке, волна в ванной комнате, и т.д. это механические волны. Механика переводится как движение. Мы их видим и способны определить его характеристики. Вспомним, какие величины характеризуют механические волны.
Период – это время, за которое совершается одно колебание. Период обозначается буквой Т, измеряется в секундах. Определяется по формуле:
Частота – это число колебаний в единицу времени. Частота - обозначается буквой ν (ню), измеряется в герцах Гц и определяется по формуле:
Амплитуда – это наибольшее отклонение от положения равновесия. Амплитуда – обозначается буквой А, измеряется в метрах.
Длина волны - это кратчайшее расстояние между точками, колеблющимися в одинаковых фазах. Обозначается буквой лямбда λ, измеряется в метрах м,
Механические волны имеют много общего с электромагнитными волнами, но есть и существенные различия. Они распространяются в твердой, жидкой, газообразной среде, можем ли мы обнаружить их нашими чувствами? Да, в твердых средах-это могут быть землетрясения, колебания струн музыкальных инструментов. В жидкости - волны в море, в газах-это распространение звуков. С электромагнитными волнами не все так просто. Мы не чувствуем и не осознаем, сколько электромагнитных волн пронизывает наше пространство. Радиоволны, телевизионные волны, солнечный свет, Wi-Fi, излучение мобильного телефона и многое другое являются примерами электромагнитного излучения. Если бы мы могли видеть их, мы не смогли бы видеть друг друга за столькими электромагнитными волнами. Электромагнитные волны играют огромную роль в жизни современного человека - с их помощью мы передаем информацию, общаемся, обмениваемся данными, изучаем окружающий мир и многое другое. Сегодня мы должны понять понятие электромагнитных волн, выяснить, как получить электромагнитные волны и какими свойствами они обладают.
Какова история открытия электромагнитных волн? В 1820 году Эрстед обнаружил действие электрического тока на магнитную стрелку, что привело к возникновению новой области физики - электромагнетизма. В 1831 году Фарадей открыл явление электромагнитной индукции: переменное магнитное поле создает переменный электрический ток. В 1864 году Максвелл предположил, что при изменении электрического поля возникает вихревое магнитное поле. В 1887 году Герц экспериментально подтвердил гипотезу Максвелла о существовании электромагнитного поля.
Для подтверждения гипотезы Максвелла о существовании электромагнитного поля необходимо было экспериментально открыть электромагнитные волны. Это сделал немецкий физик Генрих Герц, который использовал устройство, названное в его честь вибратором Герца-открытый колебательный контур.
Простейшая система, в которой возникают электромагнитные колебания, называется колебательным контуром.
Для того, чтобы иметь колебания в цепи, необходимо зарядить конденсатор. В результате периодической перезарядки конденсатора в цепи возникают колебания. Между обкладками конденсатора возникает переменное электрическое поле. А вокруг него переменное магнитное поле, вихрь и вихрь переменного электрического поля и др. Таким образом, в пространстве электромагнитное поле распространяется в виде электромагнитных волн. Генри Герц измерил частоту ν гармонических колебаний в цепи и длину λ электромагнитной волны и определил скорость электромагнитной волны:
Значение скорости электромагнитной волны, полученное в эксперименте Герца, совпало со значением скорости электромагнитной волны по гипотезе Максвелла с = 299 792 458 м = 300 000 км/с. Чтобы сделать излучение более интенсивным, необходимо увеличить циклическую частоту. По формуле: ω=1/√(L∙C) частота зависит от индуктивности катушки и емкости конденсатора. Так, необходимо уменьшить индуктивность L и электрическую емкость C. для этого необходимо уменьшить количество витков катушки и раздвинуть обкладки конденсатора. Закрытый колебательный контур превращается в открытый – прямой проводник. Проводник был разрезан, оставляя зазор, чтобы поставить шары и зарядить до высокой разности потенциалов. В результате между шариками проскакивала искра. Возбуждая в вибраторе с помощью источника высокого напряжения, серии импульсов быстроизменяющегося тока, Герц получал электромагнитные волны высокой частоты. Электромагнитные волны регистрировались Герцем с помощью приемного вибратора (резонатора), который является тем же устройством, что и излучающий вибратор
Итак, процесс взаимного порождения электрического поля переменным магнитным полем и изменение магнитного поля электрическое поле может продолжать распространяться, захватывая новые области пространства. Переменные электрическое и магнитное поля, распространяющиеся в пространстве и генерирующие друг друга, называются электромагнитной волной.
Электромагнитное поле-особая форма материи, осуществляющая электромагнитное взаимодействие. И это поле имеет совершенно иную природу, чем электростатическое. Линии натяжения не имеют начала и конца, они замкнуты. Отсюда и название вихревого поля. Вихревое электрическое поле-это поле, силовые линии которого не начинаются и не заканчиваются нигде, а являются замкнутыми линиями.
Чем быстрее меняется магнитная индукция, тем больше напряженность электрического поля. Сила, действующая на заряд со стороны вихревого электрического поля, равна:
Но, в отличие от электростатического поля, работа вихревого электрического поля на замкнутой линии не равна нулю. Так как при перемещении заряда вдоль замкнутой линии напряженности электрического поля работа на всех участках пути имеет один и тот же знак, потому, что сила и перемещение совпадают по направлению.
Согласно теории Максвелла, электромагнитная волна переносит энергию. Энергия электромагнитного поля волны в данный момент времени меняется периодически в пространстве с изменением векторов и Электрическое и магнитное поля в электромагнитной волне перпендикулярны друг к другу, причем каждое из них перпендикулярно к направлению распространения волны:
Таким образом, электромагнитная волна является поперечной волной. Электромагнитная волна излучается колеблющимися зарядами, при этом важно, чтобы заряды двигались с ускорением. Электромагнитная волна, как и механическая, характеризуется периодом и частотой колебаний, длиной волны и скоростью распространения. Период Т – это время одного колебания. Частота ν – это число колебаний за одну секунду. Длина волны λ — это расстояние, на которое распространяется электромагнитная волна за время одного периода. В вакууме для электромагнитной волны период Т и частота ν и длина волны λ связаны соотношениями:
Герц не только открыл электромагнитные волны, но и показал, что они ведут себя подобно другим волнам. Они поглощаются, отражаются, преломляются, наблюдаются явления интерференции и дифракции волн. Вычисленная на основании гипотезы Максвелла скорость электромагнитной волны совпала с наблюдаемой в опытах скоростью света. Это совпадение позволило предположить, что свет является одним из видов электромагнитных волн.
Свойства электромагнитных волн:
Отражение электромагнитных волн: волны хорошо отражаются от металлического листа, причем угол падения равен углу отражения;
Поглощение волн: электромагнитные волны частично поглощаются при переходе через диэлектрик;
Преломление волн: электромагнитные волны меняют свое направление при переходе из воздуха в диэлектрик;
Интерференция волн: сложение волн от когерентных источников;
Дифракция волн: отгибание волнами препятствий.
Фронтом волны называется геометрическое место точек, до которых дошли возмущения в данный момент времени. Поверхность равной фазы называется волновой поверхностью. Плоской волной называется волна, у которой волновая поверхность - плоскость. Линия, перпендикулярная волновой поверхности, называется лучом. Электромагнитная волна, как мы уже сказали, переносит энергию. Луч указывает направление, в котором волна переносит энергию. Тогда для плоской электромагнитной волны скорость, которой перпендикулярна поверхности площадью s, то можно ввести понятие плотность потока излучения. Плотностью потока электромагнитного излучения называют отношение электромагнитной энергии переносимой волной за время через перпендикулярную лучам поверхность площадью S, к произведению площади на время.
Иногда ее называют интенсивностью волны. Плотностью потока электромагнитного излучения пропорциональна четвертой степени циклической частоты.
Источники излучения электромагнитных волн разнообразны, но самым простым является точечный источник. Точечный источник излучения – это источник, размеры которого много меньше расстояния, на котором оценивается его действие, и он посылает электромагнитные волны по всем направлениям с одинаковой интенсивностью (например, звёзды).
Длина электромагнитных волн различна: от значений порядка 10 13 м (низкочастотные колебания) до 10 -10 м (γ-лучи). Свет составляет ничтожную часть широкого спектра электромагнитных волн. Принято выделять низкочастотное излучение, радиоволны, инфракрасное излучение, видимое излучение, ультрафиолетовое излучение, рентгеновское излучение, -излучение. Атомные ядра испускают самое коротковолновое -излучение. Особого различия между отдельными излучениями нет. Излучения различной длины волны отличаются друг от друга по способу их получения (излучение антенны, тепловое излучение, излучение при торможении быстрых электронов и др.) и методам регистрации. Электромагнитные волны обнаруживаются, в конечном счете, по их действию на заряженные частицы. В вакууме излучение любой длины волны распространяется со скоростью 300 000 км/с. Если мысленно разложить эти виды по возрастанию частоты или убыванию длины волны, то получится широкий непрерывный спектр – шкала электромагнитных излучений.
Сегодня мы знаем, что к опасным видам излучения относятся: гамма-излучение, рентгеновские лучи и ультрафиолетовое излучение, остальные – безопасны. Распределение электромагнитных излучений по диапазонам условное и резкой границы между областями нет. Вся шкала электромагнитных волн является подтверждением того, что все излучения обладают одновременно квантовыми и волновыми свойствами.
В зависимости от своей частоты или длины волны электромагнитные волны имеют различное применение. Они несут людям пользу и вред. Бытовые обогревательные приборы, приборы для приготовления еды, телефоны, компьютеры, вышки сотовой связи и телебашни, электропровода излучают электромагнитные волны. Больше других источников электромагнитные волны у нас дома излучают мобильные телефоны, микроволновые печи, холодильники, электрические кухонные плиты. Самым мощным источником излучения являются линии электропередач, и строить жилые дома под ними, воспрещено. Антенны радиопередатчиков нельзя устанавливать на сооружениях, в которых живут люди. Эмбрионы и ткани, находящиеся в стадии роста, больше всего подвержены влиянию волн, воздействуют электромагнитное поле на центральную нервную систему и мышцы тела. Это влияние становится причиной бессонницы и дисфункций в неврологической области, нарушения частоты биений сердца и скачков давления. Но есть, и полезные свойства электромагнитных волн. Их используют в физиотерапевтическом лечении некоторых болезней так как они способствуют быстрому заживлению тканей, останавливает развитие воспалительных процессов. Мы сегодня исключить полностью общение с электромагнитными волнами не можем, но чтобы обезопасить себя дома, надо грамотно устанавливать бытовые устройства в комнатах.
Итак, свойства электромагнитных волн:
1. Электромагнитная волна представляет собой распространение в пространстве с течением времени переменных (вихревых) электрических и магнитных полей.
2. Электромагнитные волны излучаются зарядами, которые движутся с ускорением, например, при колебаниях. Причем, чем больше ускорение колеблющихся зарядов, тем больше интенсивность излучения волны.
3. Векторы и в электромагнитной волне перпендикулярны друг другу и перпендикулярны направлению распространения волны.
4.Электромагнитная волна является поперечной.
Разбор тренировочного задания
1. Определить, на какой частоте работает передатчик, если длина излучаемых им волн равна 200 м.
Частоту выражаем через длину волны и скорость.
Ответ:
2. Ёмкость конденсатора колебательного контура Какова индуктивность катушки контура, если идет прием станции, работающей на длине волны 1000 метров?
Формула Томсона для периода колебаний:
Период колебаний выражаем через длину волны и скорость:
Ответ:
Цели обучения: ввести и сформировать понятия интенсивности, давления и импульса электромагнитной волны; теоретически и экспериментально обосновать эти понятия.
Цели развития: совершенствовать критичность мышления, умения рассуждать по аналогии; способности применять теоретические знания для объяснения физических явлений.
Цели воспитания: развивать волевые, мотивационные и толерантные характеристики личности.
5.1. Введение
Учитель. Сегодня мы продолжим знакомство с важнейшими характеристиками электромагнитной волны как материального объекта. Перенос энергии волной характеризуется специальной величиной, которая называется интенсивностью. Электромагнитная волна, падая на препятствие, оказывает на него давление. При этом препятствие приобретает импульс, следовательно, импульсом обладает само электромагнитное излучение. Давление и импульс доступной нам электромагнитной волны ничтожно малы, поэтому мы не сможем измерить их в учебных опытах. Однако мы сумеем объяснить их существование и оценить значения соответствующих величин.
5.2. Интенсивность электромагнитной волны
Учитель. Вспомните, как математически записывается гармоническая волна и как выражается её энергия.
Учащиеся. Уравнение для напряжённости электрического поля в гармонической электромагнитной волне имеет вид где
а плотность её энергии:
Учитель. Произведение плотности энергии на скорость волны называется поверхностной плотностью потока энергии j = ωυ.
Учащиеся. Неужели мы должны запомнить этот длинный термин?!
Учащиеся. Тогда нужно по крайней мере понять, откуда он взялся.
Учитель. Волна, проходящая по нормали через площадку S за время t, занимает объём V = sυt (рис. 5.1). Так как плотность энергии равна энергии в единице объёма: ω = W/V, – то поверхностную плотность потока энергии можно записать в виде:
Отношение энергии волны W ко времени t, в течение которого она проходит через поверхность, называется потоком энергии. А отношение потока энергии к площади поверхности, через которую он проходит, естественно назвать поверхностной плотностью потока энергии.
Учащиеся. Теперь понятно, что это просто энергия, переносимая волной за единицу времени через единицу площади, или мощность излучения, проходящая через единицу площади.
Учитель. Выясните, как зависит поверхностная плотность потока энергии электромагнитной волны от её частоты.
Учащиеся. Из формул (5.1), (5.2) и (5.3) получаем:
Так как косинус здесь получился в квадрате, то поверхностная плотность потока энергии электромагнитной волны колеблется с частотой, в два раза превышающей частоту волны. Как измерить эту величину?
Учитель. Измеряют не мгновенное, а среднее по времени значение плотности потока энергии, которое называют интенсивностью волны. Вы хорошо знаете, что среднее значение квадрата косинуса равно 1/2. Подставляя его в предыдущую формулу и учитывая выражения для Em (5.1) и для после небольших преобразований можно получить, что интенсивность гармонической волны равна
где K – постоянный коэффициент. Проанализируйте этот результат.
Учащиеся. Из формулы (5.4) следует, что интенсивность электромагнитной волны, испускаемой гармоническим осциллятором, при прочих равных условиях пропорциональна четвёртой степени её частоты и обратно пропорциональна квадрату расстояния, пройденного волной.
Учитель. Дайте ещё один вариант определения интенсивности волны и качественно объясните, почему интенсивность электромагнитной волны пропорциональна четвёртой степени её частоты.
Учащиеся. Интенсивность волны есть средняя по времени энергия Wcр, проходящая через единицу площади за единицу времени:
Значит, интенсивность пропорциональна энергии волны J ~ Wcр. А энергия пропорциональна квадрату напряжённости электрического поля Wcр ~Em 2 . В свою очередь напряжённость электрического поля пропорциональна ускорению излучающего волну заряда Em ~ am, а ускорение пропорционально квадрату частоты колебаний заряда am ~ ω 2 . Отсюда следует, что интенсивность пропорциональна четвёртой степени частоты:
Учитель. Уточните, какие значения напряжённости и ускорения вы имеете в виду.
Учащиеся. Мы говорим об амплитуде напряжённости электрического поля Em электромагнитной волны и амплитуде ускорения am гармонически колеблющегося заряда.
Учитель. А почему интенсивность обратно пропорциональна квадрату расстояния?
Учащиеся. Потому, что напряжённость электрического поля электромагнитной волны, созданной колеблющимся зарядом, обратно пропорциональна расстоянию до заряда, а интенсивность волны пропорциональна квадрату напряжённости.
5.3. Экспериментальное исследование излучения диполя
Учитель. На опыте исследуем зависимость интенсивности электромагнитной волны от расстояния до излучающего вибратора. Для этого рядом с лампой приёмного диполя (2,5 В; 0,15 А) расположим точно такую же лампу накаливания, через амперметр подключим её к регулируемому источнику постоянного напряжения и параллельно этой эталонной лампе включим вольтметр. Установим расстояние между излучающим и приёмным диполями 10 см и, регулируя напряжение источника, добьёмся, чтобы яркость эталонной лампы стала равна яркости приёмной (рис. 5.2, а). Тогда можно утверждать, что в эталонной лампе выделяется та же мощность, что и в приёмной. Вычислите её.
Учащиеся. Приборы показывают, что сила тока и напряжение на эталонной лампе соответственно равны I1 = 0,111 А и U1 = 1,8 В, значит, искомая мощность P1 = U1 I1 = 0,20 Вт.
Учитель. Теперь удалим приёмный диполь на расстояние 20 см от излучающего, повторим измерения и сделаем выводы.
Учащиеся. Получилось I2 = 0,087 А и U2 = 1,2 В (рис. 5.2, б), поэтому P2 = U2 I2 = 0,10 Вт. Отношение P1 / P2 равно двум, а не четырём, как следовало ожидать! Неужели в теории ошибка?
Учитель. Прежде чем менять теорию, посмотрим соответствуют ли её исходным данным условия эксперимента. Вспомним, при рассмотрении распространения энергии от излучающего диполя мы молчаливо предполагали, что она во все стороны излучается одинаково. Иначе говоря, мы допускали, что диполь является изотропным источником. В таком случае электромагнитная энергия равномерно распределяется по сферической поверхности. Так как площадь сферы S = 4πr 2 пропорциональна квадрату её радиуса, то мощность, приходящаяся на единицу площади, т.е. интенсивность волны, обратно пропорциональна квадрату расстояния.
Учащиеся. Нужно исследовать, как излучает диполь по разным направлениям, и тогда сделать вывод об интенсивности излучения.
Учитель. Параллельно излучающему диполю располагаю приёмный так, чтобы яркость его лампы стала максимальной, и перемещаю его по окружности с центром в центре излучающего диполя (рис. 5.3). Сделайте вывод из результата эксперимента.
Учащиеся. Во всех точках окружности лампа приёмного диполя горит с одинаковым накалом. Значит, во всех направлениях, перпендикулярных излучающему диполю, интенсивность электромагнитной волны одинакова.
Учитель. Теперь я перемещаю и поворачиваю приёмный диполь в плоскости, проходящей через излучающий диполь (рис. 5.4). Делаю это так, чтобы приёмный диполь, двигаясь по окружности с центром в излучающем диполе, был направлен по касательной к этой окружности. Что вы наблюдаете и к какому выводу приходите?
Учащиеся. Лампа горит всё слабее по мере того, как приёмный диполь поворачивается относительно излучающего. Значит, соединённый с генератором диполь даёт максимум излучения в направлении, перпендикулярном диполю, и совершенно не излучает в направлении самого диполя.
Учитель. Если в полярной системе координат построить график зависимости интенсивности электромагнитной волны от угла между диполем и направлением излучения, то получится диаграмма направленности полуволнового диполя, подобная показанной на рис. 5.4 (длина стрелок пропорциональна интенсивности). Вернитесь теперь к опыту, в котором мы измеряли зависимость интенсивности электромагнитной волны от расстояния, и попробуйте объяснить его результат.
Учащиеся. Проделанный только что опыт показывает, что диполь не является изотропным источником электромагнитной волны: излучение распространяется в основном в плоскости, перпендикулярной излучающему диполю и проходящей через его центр. Значит, излучаемая энергия вблизи диполя приходится не на сферическую, а на цилиндрическую поверхность. Площадь боковой поверхности цилиндра пропорциональна его радиусу. Поэтому и интенсивность излучения диполя обратно пропорциональна не квадрату расстояния, а просто расстоянию до источника.
Учитель. Заметьте, что и приёмник не является изотропным: его чувствительность также зависит от направления, под которым на него падает волна. В теоретической модели мы полагали источник и приёмник точечными и изотропными. Нетрудно сообразить, что условия этой модели будут выполнены, если расстояние между источником и приёмником значительно превышает их размеры.
5.4. Давление и импульс электромагнитной волны
Учитель. Опыты показывают, что электромагнитная волна переносит энергию, значит, падая на препятствия, она должна оказывать на них давление. Корректно вывести соответствующую формулу довольно сложно, поэтому воспользуемся гидродинамической аналогией. Представьте, что по трубе, площадь сечения которой S со скоростью u течёт вода (рис. 5.5). Плотность энергии в движущейся воде очевидно равна ω = W/V = mu 2 /(2V) = ρu 2 /2, где ρ – плотность воды. Внезапно отверстие трубы перекрывают заслонкой. Что при этом происходит?
Учащиеся. Вода возле заслонки останавливается и сжимается. Фронт сжатия распространяется со скоростью перемещения упругой деформации υ навстречу движущейся воде. Скорость υ – это скорость упругой волны или скорость звука в воде.
Учитель. Верно. Применим к рассматриваемому явлению закон сохранения импульса. За небольшое время τ заслонкой останавливается объём воды Sυτ массой ρSυτ, который передаёт заслонке импульс ρSυτu. При этом на заслонку действует сила F, импульс которой равен Fτ. Приравнивая два последних выражения, после сокращения на время τ получаем равенство ρSυu = F. Отсюда давление внезапно остановленного потока воды равно P = F/S = ρuυ.
Учащиеся. Но скорость звука в воде равна 1500 м/с, неужели так сильно растёт давление?
Учитель. Именно так, и это явление называется гидродинамическим ударом. К слову сказать, его теорию создал наш соотечественник Н.Е.Жуковский. Но не будем отвлекаться. Допустим, что вода в трубе течёт со скоростью упругой волны u = υ. Что отсюда следует?
Учащиеся. Тогда возникающее давление равно P = ρuυ = ρu 2 . Так как плотность энергии в текущей воде ω = ρu 2 /2, то мы должны заключить, что давление при внезапной остановке воды составляет P = 2ω.
Учитель. Вы только что нашли формулу для давления, которое оказывает на полностью отражающее препятствие падающая на него нормально упругая волна. Но если эта формула справедлива для упругих волн, то почему бы не предположить, что она будет справедлива и для электромагнитных?
Учащиеся. Тогда можно считать, что электромагнитная волна оказывает на отражающее её препятствие или зеркало давление, равное удвоенной плотности энергии падающей волны. Если волна распространяется в вакууме, то её скорость υ = c и с учётом выражения для интенсивности J = ωcрυ = ωcрс. (5.5) имеем:
Учитель. Поскольку электромагнитная волна оказывает давление, она должна обладать импульсом. Попробуйте найти формулу для импульса электромагнитного излучения. Для этого рассмотрите отражение короткого всплеска электромагнитного излучения от зеркала.
Учащиеся. Если импульс электромагнитной волны p, то при полном отражении её от зеркала за время t изменение импульса составляет 2p. Зеркало за то же время t получает импульс Ft = PSt = 2p. Так как давление P = 2J/c (5.7), то, подставляя это выражение в предыдущую формулу, получаем, что импульс электромагнитной волны p = J/c · St.
Учитель. Ещё раз вспоминая выражение для интенсивности J = Wcр / St (5.5), получаем
Таким образом, импульс электромагнитной волны, распространяющейся в вакууме, равен средней по времени энергии волны, делённой на скорость света в вакууме.
5.5. Почему электромагнитная волна оказывает давление?
Учитель. Нам теперь нужно установить физическую причину, по которой электромагнитная волна оказывает давление. Напротив излучающего диполя я располагаю приёмный с лампой накаливания. Докажите, что в электромагнитном поле на диполь действует сила в направлении распространения волны.
Учащиеся. Под действием электрического поля волны электроны в приёмном диполе приходят в колебательное движение. При этом по диполю идёт переменный электрический ток, о чём свидетельствует свечение лампы. Но откуда берётся сила?
Учитель. Не забывайте, что в электромагнитной волне помимо электрического имеется магнитное поле.
Учащиеся. Тогда понятно! На ток в проводнике со стороны магнитного поля действует сила Ампера (рис. 5.6). Чтобы определить её направление, применим правило левой руки. Получается, что сила F на диполь действует в направлении распространения электромагнитной волны. В следующий полупериод переменного тока в диполе направление индукции сменится на противоположное, но направление силы Ампера не изменится.
Учитель. Вычисления, которые мы проводить не будем, показывают, что среднее по времени значение действующей на электроны силы Лоренца, которая приходится на единицу площади отражающего проводника, в точности совпадает с выражением (5.7). Поэтому гидродинамическая аналогия (рис. 5.5), использованная нами в теоретической модели, вполне уместна.
5.6. Заключение
Учитель. Что нового вы узнали на этом уроке? Чему вы научились? Что произвело на вас наибольшее впечатление?
Учащиеся. Мы узнали, что такое интенсивность, давление и импульс электромагнитной волны, а также, как они связаны друг с другом. Выяснили, как интенсивность зависит от частоты и расстояния, проходимого волной. Научились экспериментально определять интенсивность электромагнитного излучения. Очень интересна аналогия между течением воды и распространением волны. Убедительны опыты, в которых определяется пространственное распределение интенсивности электромагнитного излучения диполя.
Учитель. Как обычно, домашнее задание даётся тем, кому интересно его выполнять, или тем, кто хочет повторить пройденное, узнать новое, углубить свои знания и умения. Материал для выполнения задания вы найдёте в учебниках физики и в электронной версии опорного конспекта урока.
Радио, Wi-Fi и вышки 5G — все это электромагнитные волны. Разбираемся, что это такое и рушим мифы про это странное явление.
О чем эта статья:
11 класс, ЕГЭ/ОГЭ
Волны: что это и какими бывают
Давайте сначала разберемся, что такое волна.
Волна — это распространение колебаний в пространстве.
Волны бывают механическими и электромагнитными.
Главные герои этой статьи — электромагнитные волны. Немного удовлетворим ваше любопытство и скажем, что это те волны, которые мы потрогать не можем. Но все остальное чуть позже. Главное — терпение.
Механические волны — это те волны, колебания которых можно почувствовать физически, потому что они распространяются в упругой среде.
Представьте, что вы стоите на железнодорожных путях. Нет, вы не Анна Каренина, вы — экспериментатор.
Если к вам приближается поезд, вы рано или поздно его услышите. Вернее, услышите, как только звуковая волна со скоростью 𝑣 = 330 м/с достигнет ваших ушей.
Если приложить ухо к рельсу, то это произойдет значительно быстрее, потому что скорость звука в твердом теле больше, чем в воздухе. Кстати, под водой скорость звука больше, чем в воздухе, но меньше, чем в твердых телах.
Если вы когда-нибудь трогали музыкальную колонку, то знаете, что звук чувствуется и на ощупь.
Волны также принято делить на продольные и поперечные:
Продольные — это те волны, у которых колебание происходит вдоль направления распространения волны.
- Дрожание окон во время грома или сейсмические волны (землетрясения) — это пример продольных волн.
Поперечные — волны, у которых колебание происходит поперек направления распространения волны.
- Представьте, что вы запустили волну из людей на стадионе — она будет поперечной.
- Видимый свет и дрожание гитарной струны — тоже поперечные волны.
Морская волна — продольная или поперечная?
На самом деле в ней есть и продольная, и поперечная составляющие, поэтому ее нельзя отнести к конкретному типу.
Электромагнитные волны
Увы, мы не можем потрогать руками электромагнитные волны. Осталось разобраться, как это так: волна есть, а возможности пощупать ее — нет.
Электромагнитная волна появляется благодаря электромагнитному полю.
Вот есть электрическое поле — его создает любой электрический заряд. Есть магнитное поле — оно возникает из-за движущегося заряда. А их взаимодействие — это электромагнитное поле.
Если совсем честно, то электрическое и магнитное поле не могут существовать в отдельности, потому что частицы всегда есть электрическое поле и она всегда худо-бедно да движется. Рассмотрение в отдельности электрических и магнитных полей может быть только в теоретической физике. В реальных инженерных задачах рассматривается обязательно электромагнитное поле.
Электромагнитная волна — это распространение электромагнитного поля. А если конкретнее, то электрическое поле колеблется (меняет свое значение и направление вектор напряженности электрического поля), магнитное поле колеблется (меняет значение и направление вектор магнитной индукции), эти колебания распространяются, и получается электромагнитная волна.
К электромагнитным волнам относятся радио, Wi-Fi и даже свет.
Разве свет не из частиц состоит?
Ничего от вас не скроешь. Дело в том, что свет — это как Гермиона с маховиком времени в двух местах сразу — одновременно и частица и волна.
Можете перечитать фразу выше, чтобы с ней смириться. Это не шутка. Экспериментально давно обнаружено, что свет в одних экспериментах ведет себя, как частица, а в других, как волна.
Все это безумство называется корпускулярно-волновым дуализмом. И это работает не только со светом, но и с другими волнами. В общем, у физики тоже бывает раздвоение личности.
Характеристики электромагнитной волны
Чтобы изучать любое явление, его нужно как-то охарактеризовать.
Длина волны
Обозначается эта величина буквой λ и измеряется в метрах.
Еще длиной волны можно назвать расстояние, пройденное волной, за один период колебания.
Период
Период — это время, за которое происходит одно колебание. То есть, если дано время распространения волны и количество колебаний, можно рассчитать период.
Формула периода колебания волны
T = t/N
N — количество колебаний [-]
Для электромагнитных волн есть целая шкала длин волн. Она показывает длину волны и частоту для разных типов электромагнитных волн.
Частота
Частота — это величина, обратно пропорциональная периоду. Она определяет, сколько колебаний в единицу времени совершила волна.
Формула частоты колебания волны
υ = N/t = 1/T
N — количество колебаний [-]
Скорость
Также важной характеристикой распространения волны является ее скорость.
Чтобы вывести формулу скорости через длину волны, нужно вспомнить формулу скорости из кинематики — это раздел физики, в котором изучают движение тел без учета внешнего воздействия.
Формула скорости
𝑣 = S/t
Переходя к волнам, можно провести следующие аналогии:
А для скорости даже аналогия не нужна — скорость и Африке скорость.
Формула скорости волны
𝑣 = λ/T
λ — длина волны [м]
Для электромагнитной волны скорость равна скорости света — 𝑣 = 3*10^8 м/с. Поэтому формулу скорости чаще всего используют для нахождения из нее длины волны или периода.
Задачка
Определить цвет освещения, проходящий расстояние, в 1000 раз больше его длины волны за 2 пс.
Решение:
Для начала переведем 2 пикасекунды в секунды — это 2*10^-12 с.
Теперь возьмем формулу скорости
По условию S = 1000λ
Выражаем длину волны
Подставляем значения скорости света и известного нам времени:
λ = 3*108* 2*10-121000 =600 нм
И соотносим со шкалой видимого света
Из шкалы видно, что длине волны в 600 нм соответствует оранжевый цвет излучения.
Ответ: цвет освещения при заданных условиях будет оранжевым.
Попробуйте онлайн-курс подготовки к ЕГЭ по физике с опытным преподавателем в Skysmart!
А теперь давайте немного о распространенных заблуждениях. Присаживайтесь поудобнее — этот разговор, к сожалению, не на пару минут.
Миф 1. Вышки 5G вредны для нашего здоровья
Одна из теорий против 5G гласит, что новый тип связи может стать причиной раковых заболеваний. Справедливости ради — такие же обвинения не раз поступали в адрес 2G, 3G, 4G и более ранних поколений беспроводных сетей.
Стандарт 5G может использовать разные частотные диапазоны. Как правило, это низкий диапазон 600 МГц, а также средние частоты 2,5 ГГц, 3,5 ГГц и 3,7–4,2 ГГц.
Диапазон от 30 ГГц (миллиметровые волны) относится к так называемому спектру крайне высоких частот — и именно он вызывает большинство опасений по поводу вреда 5G для здоровья человека. Все еще недостаточно исследований, которые изучают влияние высоких частот на организм.
Тем не менее, известно, что даже в верхнем диапазоне излучение 5G не обладает достаточной энергией для разрушения человеческой ДНК или влияния на клетки. А значит, не может вызвать рак и не представляет опасность для нашего организма. По этой же причине нельзя верить в теорию, что 5G убивает птиц — этому излучению просто не хватит сил, чтобы кого-то убить.
К опасному излучению относятся волны, распространяемые на частотах от 30 ПГц (петагерц) — утрафиолетовые, рентгеновские и гамма-лучи. Они могут влиять на атомную структуру клеток и разрывать химические связи в ДНК. Именно поэтому, например, врачи советуют избегать долгого пребывания на солнце.
Миф 2. Шапочки из фольги защищают от вредного излучения
Кстати, они наоборот любую электромагнитную волну усиливают. Это доказали студенты из MIT (Массачусетский технологический институт), которые исследовали это опытным путем.
Ребята установили антенну в четырех частях от головы добровольцев: на лбу, затылке, висках и в районе мозга. И сравнивали показатели радиосигнала в шапочке для фольги и без нее. Оказалось, что сигнал не ослабляется, а усиливается. Так что шапочка вас не спасет от вредного излучения, а наоборот — только усилит сигнал.
Миф 3. Микроволновки убивают еду, и она становится неживой
Электромагнитный фон возле СВЧ-печей выше больше, чем природный более, чем в миллион раз, но вреда человеку не наносит. Санитарные требования к этим приборам очень жёсткие, поэтому опасности микроволновка не представляет. Например, благодаря системе блокировки дверцы генерация микроволнового излучения прекращается, когда дверца открыта. Также в микроволновке обязательно должна быть система защиты от утечки излучения. Гораздо опаснее электромагнитные излучения от солнца или солярия, потому что там есть ультрафиолет, который легко повреждает клетки кожи человека.
Продукты становятся теплее за счёт нагревания в них воды. И когда мы их греем, могут образовываться радикалы — но это происходит при любом способе теплового воздействия. Например, при жарке могут образовываться ещё и канцерогены.
Читайте также: