Открытие электромагнитных волн - Электромагнитные волны - Колебания и волны

Цель: рассмотреть свойства электромагнитных волн.

Ход урока

I. Организационный момент

II. Повторение изученного

- В чем состоит гипотеза Максвелла?

- Опишите процесс возникновения электромагнитной волны.

- Что такое электромагнитная волна?

- От чего зависит скорость электромагнитной волны?

III. Проведение самостоятельной работы

1. Что такое электромагнитные волны?

A. Распространяющееся в пространстве переменное магнитное поле.

Б. Распространяющееся в пространстве переменное электрическое поле.

B. Распространяющееся в пространстве переменное электромагнитное поле.

2. Каковы основные положения теории электромагнитного поля Максвелла?

A. 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.

B. При всяком изменении магнитного поля возникает вихревое электрическое поле, у которого вектор напряженности:

При изменении электрического поля возникает магнитное поле, 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:

A. Уменьшится в 4 раза.

Б. Увеличится в 2 раза.

B. Увеличится в 4 раза.

4. Какова взаимная ориентация векторов , , ?

A. Все три вектора взаимно перпендикулярны.

Б. Вектор совпадает с вектором и перпендикулярен вектору .

B. Вектор совпадает с вектором , но перпендикулярен вектору .

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

A. 0,7 · 10⁶ Гц.

Б. 6 · 10⁶ Гц.

B. 1,5 · 10⁶ Гц.

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

A. С постоянной скоростью.

Б. Находиться в покое.

B. Двигаться с ускорением.

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

A. Нельзя.

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

B. 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.)

IV. Изучение нового материала

1. Рассказ учителя.

Электромагнитная волна образуется благодаря взаимной связи переменных электрических и магнитных колебаний. 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 построения электромагнитных волн использовал устройство, которое сейчас называют вибратором Герца. (Представляет собой открытый колебательный контур.)

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

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

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

2. 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 ≈ v⁴.

V. Вопросы для закрепления

- Что является источником электромагнитных волн?

- Что является излучателем электромагнитных волн?

- Как устроен вибратор Герца, каков принцип его работы?

- Какова скорость распространения электромагнитных волн в воздухе?

- Перечислите основные свойства электромагнитных волн.

VI. Подведение итогов урока

Домашнее задание

п. 49, 50.

Р - 986.

Дополнительный материал

Генрих Рудольф Герц

Генрих Рудольф Герц (1857-1894) родился 22 февраля в Гамбурге, в семье адвоката, ставшего позднее сенатором. Учился Герц прекрасно и был непревзойденным по сообразительности учеником. Он любил все предметы, любил писать стихи и работать на токарном станке. К сожалению, всю жизнь Герцу мешало слабое здоровье.

В 1875 году после окончания гимназии Герц поступает в Дрезденское, а затем в Мюнхенское высшее техническое училище. Дело шло хорошо до тех пор, пока изучались предметы общего характера. Но как только началась специализация, Герц изменил свое решение. Он более не желает быть узким специалистом, он рвется к научной работе и поступает в Берлинский университет. Герцу повезло: его непосредственным наставником оказался Гельмгольц. Хотя знаменитый физик был приверженцем теории дальнодействия, но как истинный ученый он безоговорочно признавал, что идеи Фарадея - Максвелла о близкодействии и физическое поле дают прекрасное согласие с экспериментом.

Попав в Берлинский университет, Герц с большим желанием стремится к занятиям в физических лабораториях. Но к работе в лабораториях допускались лишь те студенты, которые занимались решением конкурсных задач. Гельмгольц предложил Герцу задачу из области электродинамики: обладает ли ток кинетической энергией? Гельмгольц хотел направить силы Герца в область электродинамики, считая ее наиболее запутанной.

Герц принимается за решение поставленной задачи, рассчитанной на 9 месяцев. Он сам изготовляет приборы и отлаживает их. При работе над первой проблемой сразу же выяснились заложенные в Герце черты исследователя: упорство, редкое трудолюбие и искусство экспериментатора. Задача была решена за 3 месяца. Результат, как и ожидалось, был отрицательным. (Сейчас нам ясно, что электрический ток, представляющий собой направленное движение электрических зарядов (электронов, протонов), обладает кинетической энергией. Для того чтобы Герц мог обнаружить это, надо было повысить точность его эксперимента в тысячи раз.) Полученный результат совпал с точкой зрения Гельмгольца, хотя и ошибочной, но в способностях молодого Герца он не ошибся. «Я увидел, что имел дело с учеником совершенно необычного дарования» - отмечал он позднее. Работа Герца была удостоена премии.

Вернувшись после летних каникул 1879 года, Герц добился разрешения работать над другой темой: «Об индукции во вращающихся телах», взятой в качестве докторской диссертации. Он предполагал завершить ее за 2-3 месяца, защитить и поскорее получить звание доктора, хотя университет еще не был закончен. Работая с большим подъемом и воодушевлением, Герц быстро закончил исследование. Защита прошла успешно, и ему присудили степень доктора «с отличием» - явление исключительно редкое, тем более для студента.

С 1883 по 1885 год Герц заведовал кафедрой теоретической физики в провинциальном городке Киле, где совсем не было физической лаборатории. Герц решил заниматься здесь теоретическими вопросами. Он корректирует систему уравнения электродинамики одного из ярких представителей дальнодействия Неймана. В результате этой работы Герц написал свою систему уравнений, из которой легко получалось уравнение Максвелла. Герц разочарован, ведь он пытался доказать универсальность электродинамической теории представителей дальнодействия, а не теории Максвелла. «Данный вывод нельзя считать доказательством максвелловской системы как единственно возможной», - делает он для себя, по существу, успокаивающий вывод.

В 1855 году Герц принимает приглашение технической школы в Карлсруэ, где будут проведены его замечательные опыты по распространению электрической силы. Еще в 1879 году Берлинская академия наук поставила задачу: «Показать экспериментальное наличие какой-нибудь связи между электродинамическими силами и диэлектрической поляризацией диэлектриков». Предварительные подсчеты Герца показали, что ожидаемый эффект будет очень мал даже при самых благоприятных условиях. Поэтому, видимо, он и отказался от этой работы осенью 1879 года. Однако он не переставал думать о возможных путях ее решения и пришел к выводу, что для этого нужны высокочастотные электрические колебания.

Герц тщательно изучил все, что было известно к этому времени об электротехнических колебаниях и в теоретическом, и в экспериментальном планах. Найдя в физическом кабинете технической школы пару индукционных катушек, и проводя с ними лекционные демонстрации, Герц обнаружил, что с их помощью можно было получить быстрые электрические колебания с периодом 10^-8 с. В результате экспериментов Герц создал не только высокочастотный генератор (источник высокочастотных колебаний), но и резонатор - приемник этих колебаний.

Генератор Герца состоял из индукционной катушки и присоединенных к ней проводов, образующих разрядный промежуток, резонатор - из провода прямоугольной формы и двух шариков на его концах, также образующих разрядный промежуток. В результате проведенных опытов Герц обнаружил, что если в генераторе будут происходить высокочастотные колебания (в его разрядном промежутке проскакивала искра), то в разрядном промежутке резонатора, удаленном от генератора даже на 3 метра, тоже будут проскакивать маленькие искры. Таким образом, искра во второй цепи возникала без всякого непосредственного контакта с первой цепью. Каков же механизм ее передачи? Или это электрическая индукция, согласно теории Максвелла? В 1887 году Герц пока ничего еще не говорит об электрических волнах, хотя уже и заметил, что явление генератора на приемник особенно сильно в случае резонанса (частота колебаний генератора совпадает с собственной частотой резонатора).

Проведя многочисленные опыты при различных взаимных положениях генератора и приемника, Герц приходит к выводу о существовании электромагнитных волн, распространяющихся с конечной скоростью. Будет ли волна вести себя как свет? И Герц проводит тщательную проверку этого предположения. После изучения законов отражения и преломления, после установления поляризации и измерения скорости электромагнитных волн он доказал их полную аналогичность со световыми. Все это было изложено в работе «О лучах электрической силы», вышедшей в декабре 1888 года. Этот год считается годом открытия электромагнитных волн и экспериментального подтверждения теории Максвелла. В 1889 году, выступая на съезде немецких естествоиспытателей, Герц говорил: « Все эти опыты очень просты в принципе, тем не менее, они влекут за собой важнейшие исследования. Они рушат всякую теорию, которая считает, что электрические силы перепрыгивают пространство мгновенно. Они означают блестящую победу теории Максвелла. Насколько маловероятным казалось ранее ее воззрение на сущность света, настолько трудно теперь не разделить это воззрение».

Напряженная работа Герца не прошла безнаказанно для его и без того слабого здоровья. Началось общее заражение крови, от которого и скончался знаменитый уже в свои 37 лет ученый Генрих Герц.

Герц завершил огромный труд, начатый Фарадеем. Если Максвелл образовал представления Фарадея в Математические образы, то Герц превратил эти образы в видимые и слышимые электромагнитные волны, ставшие ему вечным памятником. Мы помним Г. Герца, когда слушаем радио, смотрим телевизор. И не случайно первыми словами, переданными русским физиком А. С. Поповым по первой беспроволочной связи были: «Генрих Герц».