какие соотношения между длиной волны ее скоростью периодом и частотой колебаний справедливы для

Какие соотношения между длиной волны ее скоростью периодом и частотой колебаний справедливы для

1. Какие выводы относительно электромагнитных волн вытекали из теории Максвелла?

Быстропеременное электромагнитное поле должно распространяться в пространстве в виде поперечных волн.
Электромагнитные волны могут существовать не только в веществе, но и в вакууме.
Электромагнитные волны должны распространяться в вакууме со скоростью с = 300 000 км/с, т. е. со скоростью света..

Что представляет собой электромагнитная волна?

Электромагнитная волна представляет собой систему порождающих друг друга и распространяющихся в пространстве переменных электрических и магнитных полей.

2. Какие физические величины периодически меняются в электромагнитной волне?

В электромагнитной волне векторы индукции магнитного поля (В) и напряженности электрического поля (Е) периодически меняются по модулю и по направлению, т. е. колеблются.

Модель электромагнитной волны:

Это как бы «моментальный снимок» волны, распространяющейся в направлении оси Z со скоростью света.
Плоскость, проведённая через векторы В и Е в любой точке, перпендикулярна направлению распространения волны, что говорит о поперечности волны.

3. Какие соотношения между длиной волны, ее скоростью, периодом и частотой колебаний справедливы для электромагнитных волн?

За время, равное периоду колебаний, волна переместится вдоль оси Z на расстояние, равное длине волны.
Для электромагнитных волн справедливы те же соотношения между длиной волны, её скоростью, периодом и частотой колебаний, что и для механических волн:

4. При каком условии волна будет достаточно интенсивной для того, чтобы ее можно было зарегистрировать?

Для создания интенсивной электромагнитной волны, которую можно было бы зарегистрировать приборами на некотором расстоянии от источника, необходимо, чтобы колебания векторов Е и В происходили с достаточно высокой частотой (порядка 100 000 колебаний в секунду и больше).

5. Когда и кем были впервые получены электромагнитные волны?

В 1888 г. немецкому учёному Генриху Герцу удалось получить и зарегистрировать электромагнитные волны.
В результате опытов Герца были также обнаружены все свойства электромагнитных волн, теоретически предсказанные Максвеллом.

6. На какие диапазоны подразделяются электромагнитные волны?

Все электромагнитные волны разделены по длинам волн (и соответственно по частотам) на основные диапазоны:

Границы диапазонов условны, поэтому соседние диапазоны несколько перекрывают друг друга.

7. Как электромагнитные волны воздействовуют на живые организмы?

Электромагнитные волны разных частот различаются:
— проникающей способностью,
— скоростью распространения в веществе,
— видимостью,
— цветностью и другими свойствами.

Они могут оказывать как положительное, так и отрицательное воздействие на живые организмы.

Инфракрасное (тепловое) излучение поддерживает жизнь, создавая комфортную температуру на Земле.

Видимый свет даёт возможность ориентироваться в пространстве.
Он необходим для фотосинтеза в растениях, в результате чего выделяется кислород.

Ультрафиолетовое излучение в допустимых дозах повышает сопротивляемость организмов к заболеваниям, в частности инфекционным.
Превышение допустимой дозы вызвает ожоги, развитие онкологических заболеваний, ослабление иммунитета.

Рентгеновское излучение применяется в медицине для выявления заболеваний.

Источник

Электромагнитные волны

Из созданной Максвеллом теории можно сделать вывод о том, что быстропеременное электромагнитное поле должно распространяться в пространстве в виде поперечных волн. Причём эти волны могут существовать не только в веществе, но и в вакууме. Опираясь исключительно на теоретические выводы, Максвелл определил также, что электромагнитные волны должны распространяться в вакууме со скоростью 300 000 км/с, т. е. со скоростью света (скорость света, как известно, была измерена задолго до этого).

Вы уже знаете, что в механических волнах, например в звуковых, энергия передаётся от одних частиц среды к другим. При этом частицы приходят в колебательное движение, т. е. их смещение от положения равновесия периодически меняется. Для передачи звука обязательно нужна вещественная среда.

Напомним, что количественной характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции .

Основной количественной характеристикой электрического поля служит векторная величина, называемая напряжённостью электрического поля, которая обозначается символом . Напряжённость электрического поля в какой-либо его точке равна отношению силы , с которой поле действует на точечный положительный заряд, помещённый в эту точку, к значению этого заряда q.

Когда говорят, что магнитное и электрическое поля меняются, то это означает, что меняются соответственно вектор индукции магнитного поля и вектор напряжённости электрического поля .

В электромагнитной волне именно векторы и периодически меняются по модулю и по направлению, т. е. колеблются.

На рисунке 135 изображены вектор напряжённости электрического поля и вектор индукции магнитного поля электромагнитной волны в один и тот же момент времени. Это как бы «моментальный снимок» волны, распространяющейся в направлении оси Z. Плоскость, проведённая через векторы и в любой точке, перпендикулярна направлению распространения волны, что говорит о поперечности волны.

За время, равное периоду колебаний, волна переместится вдоль оси Z на расстояние, равное длине волны. Для электромагнитных волн справедливы те же соотношения между длиной волны λ, её скоростью с, периодом Т и частотой ν колебаний, что и для механических волн:

Максвелл не только научно обосновал возможность существования электромагнитных волн, но и указал, что для создания интенсивной электромагнитной волны, которую можно было бы зарегистрировать приборами на некотором расстоянии от источника, необходимо, чтобы колебания векторов и происходили с достаточно высокой частотой (порядка 100 000 колебаний в секунду и больше).

В 1888 г. немецкому учёному Генриху Герцу удалось получить и зарегистрировать электромагнитные волны. В результате опытов Герца были также обнаружены все свойства электромагнитных волн, теоретически предсказанные Максвеллом.

Всё окружающее нас пространство буквально пронизано электромагнитными волнами различных частот. В настоящее время все электромагнитные волны разделены по длинам волн (и соответственно по частотам) на шесть основных диапазонов, которые представлены на рисунке 136.

Границы диапазонов весьма условны, поэтому, как видно из рисунка, в большинстве случаев соседние диапазоны несколько перекрывают друг друга.

Электромагнитные волны разных частот отличаются друг от друга проникающей способностью, скоростью распространения в веществе, видимостью, цветностью и некоторыми другими свойствами.

Они могут оказывать как положительное, так и отрицательное воздействие на живые организмы. Например, инфракрасное, т. е. тепловое, излучение играет определяющую роль в поддержании жизни на Земле, поскольку люди, животные и растения могут существовать и нормально функционировать только при определённых температурах.

Видимый свет даёт нам информацию об окружающем мире и возможность ориентироваться в пространстве. Он необходим также для протекания процесса фотосинтеза в растениях, в результате чего выделяется кислород, необходимый для дыхания живых организмов.

Влияние на человека ультрафиолетового излучения (вызывающего загар) в большой степени определяется интенсивностью и продолжительностью облучения. В допустимых дозах оно повышает сопротивляемость организма человека к различным заболеваниям, в частности инфекционным. Превышение допустимой дозы может вызвать ожоги кожи, развитие онкологических заболеваний, ослабление иммунитета, повреждение сетчатки глаз. Глаза можно защитить с помощью стеклянных очков (как тёмных, так и прозрачных, но не пластиковых), так как стекло поглощает значительную часть ультрафиолетовых лучей.

Вы знакомы и с рентгеновским излучением, в частности с его широким применением в медицине — флюорографическое обследование или рентгеновский снимок наверняка делали каждому из вас. Но слишком большие дозы или частые обследования с помощью рентгеновских лучей могут вызвать серьёзные заболевания.

Получение электромагнитных волн имеет огромное научное и практическое значение. В этом можно убедиться на примере всего лишь одного диапазона — радиоволн, применяемых для телевизионной и радиосвязи, в радиолокации (т. е. для обнаружения объектов и измерения расстояния до них), в радиоастрономии и других сферах деятельности.

Вопросы

1. Какие выводы относительно электромагнитных волн можно сделать из теории Максвелла?
2. Какие физические величины периодически меняются в электромагнитной волне?
3. Какие соотношения между длиной волны, её скоростью, периодом и частотой колебаний справедливы для электромагнитных волн?
4. При каком условии волна будет достаточно интенсивной для того, чтобы её можно было зарегистрировать?
5. Когда и кем были впервые получены электромагнитные волны?
6. Приведите примеры применения разных диапазонов электромагнитных волн и их воздействия на живые организмы.

Упражнение 41

1. На какой частоте суда передают сигнал бедствия SOS, если по международному соглашению длина радиоволны должна быть 600 м?

2. Радиосигнал, посланный с Земли на Луну, может отразиться от поверхности Луны и вернуться на Землю. Предложите способ измерения расстояния между Землёй и Луной с помощью радиосигнала.

У к а з а н и е: задача решается таким же методом, каким измеряется глубина моря с помощью эхолокации (см. § 30).

3. Можно ли измерить расстояние между Землёй и Луной с помощью звуковой или ультразвуковой волны? Ответ обоснуйте.

Источник

Вопросы.

1. Какие выводы относительно электромагнитных волн вытекали из теории Максвелла?

Задолго до того, как удалось получить и зарегистрировать электромагнитные волны Максвеллом были предсказаны некоторые их свойства: волны могут распространяться не только в веществе, но и в вакууме; их скорость в вакууме равна скорости света; быстропеременное электромагнитное поле должно распространяться в пространстве в виде поперечных волн.

2. Какие физические величины периодически меняются в электромагнитной волне?

В электромагнитной волне меняются вектор индукции магнитного поля В и вектор напряженности электрического поля Е.

3. Какие соотношения между длиной волны, ее скоростью, периодом и частотой колебаний справедливы для электромагнитных волн?

4. При каком условии волна будет достаточно интенсивной для того, чтобы ее можно было зарегистрировать?

При частоте порядка 100 000 колебаний в секунду.

5. Когда и кем были впервые получены электромагнитные волны?

Электромагнитные волны были впервые получены в 1888 г. немецким ученым Генрихом Герцем.

6. Приведите примеры 2—3 диапазонов электромагнитных волн.

7. Приведите примеры применения электромагнитных волн и их воздействия на живые организмы.

Радиоволны используются человеком для теле- и радиовещания. Инфракрасное излучение от Солнца поддерживает жизнь на Земле. Электромагнитное излучение в видимом диапазоне позволяет людям и животным получать информацию об окружающей среде, а растениям осуществлять процесс фотосинтеза. Ультрафиолетовое излучение может оказывать негативное действие на организм человека. Рентгеновское излучение используют в медицине.

Упражнения.

1. На какой частоте суда передают сигнал бедствия SOS, если по международному соглашению длина радиоволны должна быть 600 м?

2. Радиосигнал, посланный с Земли на Луну, может отразиться от поверхности Луны и вернуться на Землю. Предложите способ измерения расстояния между Землей и Луной с помощью радиосигнала.
Указание: задача решается таким же методом, каким измеряется глубина моря с помощью эхолокации (см. §34).

3. Можно ли измерить расстояние между Землей и Луной с помощью звуковой или ультразвуковой волны? Ответ обоснуйте.

Нет нельзя. Вакуум неупругая среда и поэтому звуковые волны в нем не распространяются.

Источник

Электромагнитная волна. Свойства электромагнитных волн

Урок 18. Физика 11 класс

В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобрев в каталоге.

Получите невероятные возможности

Конспект урока «Электромагнитная волна. Свойства электромагнитных волн»

«Без естественных наук нет спасения

современному человеку, без этой здоровой пищи,

без этого строгого воспитания мысли фактами,

без этой близости к окружающей нас жизни»

Данная тема посвящена изучению электромагнитных волн и их свойств.

Для успешного усвоения данного материала, необходимо вспомнить некоторые определения и понятия, пройденные в курсе физики 9 класса.

Механическая волна — это распространение колебаний частиц вещества в пространстве. В физике различают продольные и поперечные волны. Волна называется продольной, если частицы среды совершают колебания в направлении распространения волны; а поперечной называется волна, когда частицы среды совершают колебания в направлении, перпендикулярном направлению распространения волны.

Какие величины характеризуют волну? Это длина волны, скорость ее распространения, период и частота колебаний.

Длина волны — это расстояние между двумя ближайшими точками, колеблющимися в одинаковых фазах. При этом длина волны равна тому расстоянию, на которое распространяется фронт волны за время, равное периоду колебаний источника волн.

Механические волны не могут распространяться в вакууме, т.е. для их существования необходимо наличие упругой среды: газа, жидкости или твердого тела.

В отличии от них, существуют волны и не нуждаются в наличии какого-либо вещества. То есть, они могут существовать и в вакууме. Такие волны называются электромагнитными волнами.

Впервые гипотезу о существовании электромагнитных волн высказал шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл в 1864 году. В своих работах он показал, что источниками электрического поля могут быть как электрические заряды, так и магнитные поля, изменяющиеся со временем.

В свою очередь магнитные поля могут возбуждаться либо движущимися электрическими зарядами (т.е. электрическим током), либо переменными электрическими полями.

Получается замкнутый круг: поля могут попеременно воспроизводить друг друга даже в вакууме, и этот процесс может повторяться до бесконечности.

Совокупность связанных друг с другом периодически изменяющихся электрического и магнитного полей называют электромагнитным полем.

Из теории электромагнитного поля Максвелла вытекает, что по своей природе электромагнитное поле не может быть локализовано в месте зарождения, а распространяется в пространстве. При этом данный процесс распространяется в пространстве по всем направлениям.

Так вот, распространяющееся в пространстве периодически изменяющееся электромагнитное поле и представляет собой электромагнитную волну.

В связи с тем, что электромагнитные волны распространяются не только в веществе, но и в вакууме, возникает вопрос: что совершает колебания в электромагнитной волне, иными словами, какие физические величины периодически меняются в ней?

Известно, что количественной характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции,а количественной характеристикой электрического поля служит его напряженность. Поэтому, когда говорится о том, что магнитное и электрическое поля меняются, то понимается, что меняются соответственно вектор индукции магнитного поля и вектор напряженности электрического поля.

Теперь давайте посмотрим, какими свойствами обладает электромагнитная волна.

Первое самое важное свойство, электромагнитных волн непосредственно вытекает из открытых Максвеллом законов электромагнетизма — это вывод о конечности скорости распространения электромагнитных волн. Т.е. если в какой-либо малой области пространства будет периодически изменять электрическое и магнитное поля, то эти изменения будут повторяться и в других точках пространства, причем в каждой последующей несколько позже, чем в предыдущей.

Максвелл чисто математически показал, что скорость такого распространения в вакууме зависит только от диэлектрической и магнитной постоянных, т.е. равна скорости света.

А в среде эта скорость меньше и зависит как от диэлектрической, так и от магнитной проницаемостей среды.

Вот что по этому поводу писал сам Максвелл в письме Уильяму Томсону: «Скорость поперечных волновых колебаний в нашей гипотетической среде, вычисленная из электромагнитных опытов Кольрауша и Вебера, столь точно совпадает со скоростью света, вычисленной из оптических опытов Физо, что мы едва ли может отказаться от вывода, что свет состоит из поперечных колебаний той же самой среды, которая является причиной электрических и магнитных явлений».

Под периодическими изменениями электрического и магнитного полей понимают колебания векторов напряженности электрического поля и индукции магнитного поля. Так вот, оказывается, что колебания этих векторов происходят перпендикулярно вектору скорости распространения электромагнитной волны. Отсюда, мы можем сделать вывод о том, что электромагнитная волна — это поперечная волна. Это и есть второе свойство электромагнитной волны.

Третье свойство непосредственно вытекает из второго. Так как электромагнитная волна является поперечной, то колебания векторов напряженности электрического поля и индукции магнитного поля в каждой точке электромагнитной волны происходят в одинаковых фазах и по двум взаимно перпендикулярным направлениям.

Помимо выше сказанного, вектора напряженности электрического поля и индукции магнитного поля образуют с вектором скорости распространения, так называемую, правовинтовую систему. Т.е. если расположить головку правого винта в плоскости векторов напряженности электрического поля и индукции магнитного поля и будем ее поворачивать по кратчайшему пути в направлении от вектора к вектору , то поступательное движение острия винта укажет нам направление вектора скорости в данный момент времени. Это есть четвертое свойство электромагнитной волны.

Пятое свойство говорит о том, что период электромагнитной волны равен периоду колебаний источника электромагнитных волн. Для электромагнитных волн справедливы те же соотношения между длиной волны, ее скоростью, периодом и частотой колебаний, что и для механических волн. Т.е. справедливы соотношения:

Электромагнитная волна, как и упругая, является носителем энергии, причем перенос энергии совершается в направлении распространения волны — это шестое свойство.

Энергию электромагнитной волны можно рассчитать по формуле

где V —объем среды, в котором сосредоточена электромагнитная волна.

При этом переносимая электромагнитной волной энергия пропорциональна четвертой степени частоты. В связи с этим, источником интенсивных электромагнитных волн, т.е. волн, способных переносить энергию на большие расстояния, должны быть электромагнитные колебания с частотой порядка 10 6 Гц. Однако никакие современные генераторы не могут создать переменный ток такой частоты, так как в этом случае якорь генератора должен совершать миллион оборотов в секунду. Поэтому источником интенсивных электромагнитных волн такой частоты может быть только колебательный контур, циклическая частота колебаний которого, согласно формуле, будет тем больше, чем меньше индуктивность и емкость контура.

Седьмое свойство говорит о том, что электромагнитные волны в однородной среде распространяются прямолинейно, при переходе из одной среды в другую испытывают преломление и отражаются от преград.

В свое время все эти работы Максвелла вызвали шок среди ученых. Сам Фарадей с удивлением писал: «Сначала я даже испугался, когда увидел такую математическую силу, примененную к вопросу, но потом удивился, видя, что вопрос выдерживает это столь хорошо».

К сожалению, Максвелл не дожил до надежного экспериментального подтверждения своих расчетов.Международное научное мнение изменилось в результате опытов Генриха Герца, который только через 20 лет в серии своих экспериментов продемонстрировал генерацию и прием электромагнитных волн.

Он разработал удачную конструкцию генератора электромагнитных колебаний (вибратор Герца) и метод их обнаружения способом резонанса. Это устройство представляет собой открытый колебательный контур, который можно получить из закрытого путем раздвижения пластин конденсатора и уменьшением их площади до тех пор, пока не получится просто прямой провод.

В таком открытом контуре заряды не сосредоточены на его концах, а распределяются по всему проводнику, при этом ток в данный момент времени во всех сечениях проводника будет направлен в одну и ту же сторону. Однако сила тока в различных сечениях проводника неодинакова — на концах она равна нулю, а в центре — максимальная.

Для возбуждения колебаний в таком открытом контуре, во времена Герца, поступали следующим образом: провод разрезали посредине так, чтобы оставался небольшой промежуток. При подаче от индукционной катушки высокого напряжения в промежутке проскакивала искра, которая и закорачивала его. За время горения искры, в контуре совершалось большое количество колебаний. Приемник (его еще называют резонатор) также состоял из проволоки с искровым промежутком. Наличие резонанса выражалось в возникновении искр в искровом промежутке резонатора в ответ на искру, возникающую в вибраторе.

В результате проделанных Герцем опытов были также обнаружены все свойства электромагнитных волн, теоретически предсказанные Максвеллом. Однако сам Герц считал, что полученные им электромагнитные волны невозможно использовать в больших масштабах и тем более передавать с их помощью какую-либо информацию.

Таким образом, Генрих Герц завершил огромный труд, начатый Фарадеем. Максвелл преобразовал представления Фарадея в математические формулы, а Герц превратил математические образы в видимые и слышимые нами электромагнитные волны. Слушая радио, просматривая телевизионные передачи, все должны помнить об этом человеке. Не случайно единица частоты колебаний названа в честь Герца, и совсем не случайно первыми словами, переданными русским физиком А.С. Поповым с помощью беспроводной связи, были «Генрих Герц», зашифрованные азбукой Морзе.

Любопытно, но за семь лет до Герца, в 1879 году английский физик Дэвид Эдвард Хьюз также продемонстрировал перед крупными учеными эффект распространения электромагнитных волн в воздухе. Однако, в результате многочисленных обсуждений, ученые решили, что видят явление электромагнитной индукции Фарадея. Хьюз расстроился, не поверил самому себе и опубликовал результаты лишь в 1899 году, когда теория Максвелла-Герца уже стала общепринятой.

На данный момент известно, что буквально всё пространство вокруг нас пронизано электромагнитными волнами различных частот. В настоящее время все электромагнитные волны разделены по длинам волн (и, соответственно, по частотам) на шесть основных диапазонов.

Границы этих диапазонов весьма условны, потому как в большинстве случаев соседние диапазоны несколько перекрывают друг друга.

Электромагнитные волны разных частот отличаются друг от друга проникающей способностью, скоростью распространения в веществе, видимостью, цветностью и некоторыми другими свойствами.

В настоящее время электромагнитные волны находят широкое применение в науке и технике:

– плавка и закалка металлов, изготовление постоянных магнитов;

– телевидение и радиосвязь;

– мобильная связь и радиолокация;

– сварка, резка и плавка металлов лазерами, приборы ночного видения;

– освещение и голография;

– люминесценция в газоразрядных лампах и закаливание живых организмов;

– дефектоскопия и исследование внутренней структуры атомов;

– и многое-многое другое.

– Распространяющееся в пространстве периодически изменяющееся электромагнитное поле называется электромагнитной волной.

– Электромагнитные взаимодействия в природе не происходят мгновенно – они распространяются с конечной скоростью, которая зависит от свойств среды.

– Для излучения электромагнитных волн необходимо иметь открытый колебательный контур, в котором будут генерироваться электромагнитные колебания высокой частоты.

Источник