Конспект урока "Волновые явления. Электромагнитные волны"
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ
Волновые явления. Электромагнитные волны.
Цель:
1. Дать понятие переменного электромагнитного поля и процесса его
распространения.
2. Изучить условия возбуждения, излучения и распространения
электромагнитных волн.
3. Закрепить и расширить знания учащихся о природе и свойствах
электромагнитного поля. На примере излучения и приема электромагнитных
волн соответствующими устройствами показать реальность существования
электромагнитного поля и электромагнитных волн.
Основные знания и умения
1. Знать сущность электромагнитной теории Максвелла, определение
электромагнитного поля, электромагнитных волн и их свойств.
2. Уметь графически изображать схему электромагнитной волны и
определять по заданным условиям направление ее распространения.
3. Уметь применять формулы, связывающие длину волны с частотой
(периодом) и скоростью распространения волн, при решении задач.
План урока
1. Организационный момент.
2. Итоги и анализ контрольной работы.
3. Изучение нового материала
1. Понятие волны, типы волн, характеристики волнового движения.
2. Связь между переменным электрическим полем и перемен6ным
магнитным полем.
3. Понятие электромагнитной волны. Условия возбуждения и
распространения электромагнитных волн.
4. Экспериментальное обнаружение электромагнитных волн.
Открытый колебательный контур. Свойства электромагнитных
волн.
4. Закрепление нового материала.
Изучение нового материала.
1. Понятие волны, типы волн, характеристики волнового движения
Волной называется процесс распространения колебаний в пространстве с
течением времени.
Типы волн:
Поперечные волны – волны, в которых колебания частиц среды
происходит перпендикулярно направлению распространения волны.
Они возникают в твердых телах и на поверхности воды.
Продольные волны - волны, колебания в которых происходят вдоль
распространения волны.
Возникают в газах, жидкостях и твердых телах.
направление колебаний
направление
распространения
Характеристики волнового движения
1) Длина волны – это расстояние между ближайшими друг к другу
точками, колеблющимися в одной фазе.
[] = м
2) Период - время одного полного колебания
[T] = с
3) Частота – число полных колебаний в единицу времени
[] = Гц
4) Скорость распространения волны [] = м/с
т.к. , то
Скорость распространения волны зависит:
✓ от вида вещества;
✓ от его состояния
Скорость распространения волны не зависит:
• от длины волны
• от частоты
Скорость распространения волн любой природы – конечна.
Решить задачу:
На какой частоте работает передающая радиостанция, которая излучает
волны длиной 50 м? (
=6 Мгц)
Т
=
1
=Т
=
Х
0
х
t
Т
2. Связь между переменным электрическим полем и переменным
магнитным полем.
Механические волны могут распространяться только в непрерывной среде, в
твердых телах, жидкостях или газах. В вакууме механические волны
распространяться не могут.
Но в природе существуют волны, которые могут распространяться и в
вакууме.
На основе экспериментальных работ Майкла Фарадея 1834 года по
электричеству и магнетизму в 1864 году Дж Максвелл высказал гипотезу о
существовании в природе волн, способных распространяться в вакууме и
назвал их электромагнитными.
Переменное магнитное поле порождает
электрическое поле с замкнутыми силовыми
линиями . Чем быстрее меняется магнитная
индукция, тем больше напряженность
электрического поля. При возрастании магнитной
индукции направление напряженности
образует левый винт с направлением вектора .
→
Е
0
t
B
→
Е
→
В
Магнитное поле порождает
электрическое. Но может ли переменное
электрическое поле в свою очередь порождать
магнитное?
Максвелл допустил, что такой процесс
реально происходит. Когда электрическое
поле изменяется со временем, оно порождает
магнитное поле. Но только при возрастании
напряженности электрического поля
направление вектора индукции
возникающего магнитного поля образует
правый винт с направлением вектора .
То есть
1. Переменное магнитное поле создает вихревое электрическое поле
2. Переменное электрическое поле создает вихревое магнитное поле.
Электромагнитное поле - особая форма материи – совокупность
электрического и магнитного полей
Отсюда Максвелл заключил, что в природе могут существовать
электромагнитные волны.
0
t
Е
→
B
→
Е
3. Понятие электромагнитной волны. Условия возбуждения и
распространения электромагнитных волн.
Если в проводнике изменить силу тока, индукция магнитного поля
изменяется. Переменное магнитное поле создает изменяющееся
электрическое. Электрическое поле порождает переменное магнитное поле,
которое, в свою очередь, снова порождает электрическое и т.д. Возникает
система взаимно перпендикулярных изменяющихся электрических и
магнитных полей, захватывающих все большие и большие области
пространства.
Распространяющиеся в пространстве возмущения
электромагнитного поля называют электромагнитными волнами.
Скорость, с которой распространяется возмущение электромагнитного
поля, называется скоростью электромагнитной волны:
, в вакууме скорость распространения С=3
10
8
м/с
Электромагнитные волны излучаются колеблющимися зарядами. При
этом скорость движения этих зарядов меняется со временем, т.е они
движутся с ускорением.
Главное условие излучения электромагнитных волн – ускоренное
движение электрических зарядов.
Векторы и в электромагнитной волне перпендикулярны друг другу
и перпендикулярны направлению распространения. Электромагнитная
волна поперечна.
=
→
Е
→
B
Максвелл был глубоко убежден в реальности электромагнитных волн, но
он не дожил до их экспериментального обнаружения. Лишь через 10 лет
после его смерти электромагнитные волны были экспериментально получены
Герцем.
4. Экспериментальное обнаружение электромагнитных волн. Открытый
колебательный контур. Свойства электромагнитных волн.
Любая теория, насколько бы полной и стройной она ни была,
переживает свой настоящий триумф после подтверждения её на практике.
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.
На рисунке представлен колебательный контур, который не излучает
электромагнитные волны вне контура.
Г. Герц для построения электромагнитных волн использовал
устройство, которое сейчас называют вибратором Герца (он представляет
собой открытый колебательный контур).
Для возбуждения колебаний в таком контуре провод разрезают по
середине, 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 двум видам волн.
В результате опытов было установлено, что электромагнитные волны
обладают следующими свойствами:
1. Излучаются ускоренно движущимися зарядами, причем Еа.
2. Электромагнитные волны могут распространяться не только в
различных средах, но и в вакууме.
3. Скорость распространения в вакууме:
вак
=3
10
8
м/с – 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.(Демонстрация)
7. Преломляются и отражаются (Демонстрация)
8. Электромагнитная волна поперечна. (Демонстрация)
9. Интерференция
10. Дифракция
=
Вопросы на закрепление:
1. Что является источником электромагнитных волн?
2. Что называют электромагнитной волной?
3. Какова скорость распространения электромагнитных волн в
воздухе?
4. Как ориентированы векторы и в электромагнитной волне?
5. Перечислите основные свойства электромагнитных волн.
Индивидуальные задания:
1. Определить частоту электромагнитных волн, длина которых равна
300м. (
=1 МГц)
2. Что такое электромагнитные волны?
A. Распространяющееся в пространстве переменное магнитное поле.
B. Распространяющееся в пространстве переменное электрическое
поле
C. Распространяющееся в пространстве переменное
электромагнитное поле.
3. Каковы основные положения теории электромагнитного поля
Максвелла?
A. При всяком изменении электрического поля возникает вихревое
магнитное поле, распространяющееся со скоростью света.
B. При всяком изменении магнитного поля возникает переменное
вихревое электрическое поле, распространяющееся в
окружающем пространстве со скоростью света.
C. 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.
4. Как в воздухе изменится длина электромагнитных волн, излучаемых
колебательным контуром, если емкость колебательного контура
увеличить в 4 раза:
A. Уменьшится в 4 раза.
B. Увеличится в 2раза
C. Увеличится в 4 раза
5. Какова взаимная ориентация векторов , и ?
A. Все три вектора взаимно перпендикулярны.
B. Вектор совпадает с вектором и перпендикулярен вектору .
→
Е
→
B
t
В
Е
=
→
→
t
Е
В
=
→
→
→
Е
→
B
→
→
B
→
Е
→
C. Вектор совпадает с вектором , но перпендикулярен вектору
.
6. Определите частоту колебаний электромагнитных волн в вакууме, если
длина их равна 2 см.
A. 0,7∙10
6
Гц
B. 610
6
Гц
C. 1,510
6
Гц.
7. Как должна двигаться заряженная частица, чтобы возникало
электромагнитное излучение?
A. С постоянной скоростью.
B. Находиться в покое.
C. Двигаться с ускорением.
Подведение итогов урока.
1. Перечислить, рассмотренные вопросы.
2. Сказать, достигнута ли цель урока и поставить цели на следующее
занятие.
3. Дать домашнее задание.
4. Рефлексия
→
B
→
→
Е
Максвелл (Maxwell) Джеймс Клерк (1831–79)
Английский физик, создатель классической электродинамики, один из основоположников
статистической физики, организатор и первый директор (с 1871) Кавендишской
лаборатории. Развивая идеи М. Фарадея, создал теорию электромагнитного поля
(уравнения Максвелла); ввел понятие о токе смещения, предсказал существование
электромагнитных волн, выдвинул идею электромагнитной природы света. Установил
статистическое распределение, названное его именем. Исследовал вязкость, диффузию и
теплопроводность газов. Показал, что кольца Сатурна состоят из отдельных тел. Труды по
цветному зрению и колориметрии (диск Максвелла), оптике (эффект Максвелла), теории
упругости (теорема Максвелла, диаграмма Максвелла – Кремоны), термодинамике,
истории физики и др.
О роли Максвелла в развитии науки превосходно сказал американский физик Р. Фейнман:
«В истории человечества (если посмотреть на нее, скажем, через десять тысяч лет) самым
значительным событием XIX столетия, несомненно, будет открытие Максвеллом законов
электродинамики. На фоне этого важного научного открытия гражданская война в
Америке в том же десятилетии будет выглядеть провинциальным происшествием».
Генрих Герц
Герц (Hertz) Генрих (22.II.1857–1.I.1894)
Немецкий физик, один из основателей электродинамики. Исходя
из уравнений Максвелла, Герц в 1886–89 экспериментально
доказал существование электромагнитных волн и исследовал их
свойства (отражение от зеркал, преломление в призмах и т. д.).
Электромагнитные волны Герц получал с помощью изобретенного
им вибратора. Герц подтвердил выводы максвелловской теории о
том, что скорость распространения электромагнитных волн в
воздухе равна скорости света, установил тождественность
основных свойств электромагнитных и световых волн. Герц изучал
также распространение электромагнитных волн в проводнике и
указал способ измерения скорости их распространения. Развивая
теорию Максвелла, Герц придал уравнениям электродинамики
симметричную форму, которая хорошо обнаруживает полную взаимосвязь между
электрическими и магнитными явлениями. Построил электродинамику движущихся тел,
исходя из гипотезы о том, что эфир увлекается движущимися телами. Однако его
электродинамика оказалась в противоречии с опытом и позднее уступила место
электронной теории Х. Лоренца. Работы Герца по электродинамике сыграли огромную
роль в развитии науки и техники и обусловили возникновение беспроволочной
телеграфии, радиосвязи, телевидения, радиолокации и т. д.
Генрих Герц.
В 1886–87 Герц впервые наблюдал и дал описание внешнего фотоэффекта. Герц
разрабатывал теорию резонаторного контура, изучал свойства катодных лучей,
исследовал влияние ультрафиолетовых лучей на электрический разряд. В ряде работ по
механике дал теорию удара упругих шаров, рассчитал время соударения и т. д. Именем
Герца названа единица частоты колебаний.
