УСІ УРОКИ ФІЗИКИ
11 КЛАС

ЕЛЕКТРОДИНАМІКА

2-й семестр

Коливання й хвилі

УРОК 11/33

Тема. Електромагнітні хвилі

Мета уроку: пояснити механізм виникнення електромагнітних хвиль.

Тип уроку: урок вивчення нового матеріалу.

ПЛАН УРОКУ

ВИВЧЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ

1. Випромінювання енергії електричним зарядом

Електричний заряд, що рухається в порожнечі рівномірно, не випромінює енергії. Це очевидно із принципу відносності, згідно з яким всі інерційні системи відліку рівноправні. У системі, що рухається із зарядом, він нерухомий, а нерухомі заряди не випромінюють.

Інша картина виникає в тому випадку, коли заряд під дією зовнішніх сил рухається із прискоренням. Поле, що володіє енергією, а значить і масою, образно кажучи, відривається від заряду й випромінюється в простір зі швидкістю світла. Випромінювання відбувається доти, поки на заряд діє зовнішня сила, що передає йому прискорення.

Тільки заряди, що рухаються із прискоренням, можуть передавати енергію за посередництвом створюваного ними електромагнітного поля.

2. Відкритий коливальний контур

Під час електромагнітних коливань у контурі заряд пластин конденсатора періодично то збільшується, то зменшується. Отже, електричне поле, що існує між його пластинами, періодично змінюється: то посилюється, то слабшає. З такою ж частотою, як і зміна заряду на пластинах конденсатора, змінюється й магнітне поле навколо котушки індуктивності.

Джеймс Клерк Максвелл

1864 р. англійський учений Дж. Максвелл створив теорію, яка стверджувала, що електричне й магнітне поля спостерігаються «окремо одне від одного» лише в тому випадку, якщо кожне з них не змінюється із часом. А оскільки електричне й магнітне поля контуру непостійні, то в просторі навколо контуру існує змінне електромагнітне поле і воно швидко слабшає у разі віддалення від контуру.

Оскільки ми вивчаємо випромінювання й прийом електромагнітних хвиль, то важливо, щоб електромагнітне поле контуру «вийшло» у навколишній простір на значну відстань. Розглянемо, як цього досягти.

Уявімо, що пластини конденсатора поступово відсувають одну від одної (див. рисунок). При цьому змінне електромагнітне поле, що існує між пластинами, виявляється зовні коливального контуру й поширюється в просторі у вигляді електромагнітних хвиль.

Пластини конденсатора тепер можна взагалі забрати. Зробивши проводи досить довгими, ми одержимо антену — пристрій для випромінювання електромагнітних хвиль.

Щойно ми розглянули так званий відкритий коливальний контур. Зрозуміло, у такому «контурі» вільні коливання будуть загасати дуже швидко, тому що енергія буде постійно відноситися хвилями в навколишній простір. Тому для створення в антені незатухаючих електричних коливань використовують спеціальний пристрій — генератор струму високої частоти.

3. Електромагнітна хвиля

Отже, відповідно до теорії Максвелла, змінне магнітне поле породжує вихрове електричне, а змінне електричне поле — вихрове магнітне. Звідси Максвелл зробив припущення, що в природі можуть існувати електромагнітні хвилі.

Змінне магнітне поле створює змінне електричне поле. Це електричне поле породжує змінне магнітне поле. Те, у свою чергу, знову електричне й т. ін. Виникає система змінних електричних і магнітних полів, що захоплюють дедалі більші області простору.

Ø  Електромагнітна хвиля — це процес поширення в просторі із часом вільного електромагнітного поля.

Максвелл зміг навіть теоретично обчислити швидкість електромагнітних хвиль, причому йому для цього знадобилися тільки дані про взаємодію електричних зарядів і електричних струмів. Отриманий «на кінчику пера» результат уразив самого Максвелла: швидкість електромагнітних хвиль виявилася рівною 300 000 км/с, тобто збіглася із уже виміряною на той час швидкістю світла.

ПИТАННЯ ДО УЧНІВ У ХОДІ ВИКЛАДУ НОВОГО МАТЕРІАЛУ

Перший рівень

1. Як повинна рухатися частинка, щоб вона випромінювала електромагнітні хвилі?

2. Чому закритий коливальний контур погано випромінює енергію?

3. Що являє собою електромагнітна хвиля?

Другий рівень

1. У якому коливальному контурі (закритому чи відкритому) коливання швидше загасають?

2. Під час яких природних явищ випромінюють електромагнітні хвилі?

ЗАКРІПЛЕННЯ ВИВЧЕНОГО МАТЕРІАЛУ

1). Якісні питання

1. Які фізичні величини періодично змінюються в електромагнітній хвилі?

2. Які фізичні процеси можуть правити за джерела електромагнітних хвиль?

2). Навчаємося розв'язувати задачі

1. За якої частоти коливань радіопередавач випромінює електромагнітні хвилі завдовжки 200 м?

2. Визначте частоту й довжину хвилі радіопередавача, якщо період його електромагнітних коливань 10-5 с.

3. Електромагнітна хвиля поширюється у вакуумі. Визначте частоту цієї хвилі, якщо довжина хвилі 15 м.

ЩО МИ ДІЗНАЛИСЯ НА УРОЦІ

·       Тільки заряди, що рухаються із прискоренням, можуть передавати енергію за посередництвом створюваного ними електромагнітного поля.

·       Контур, що не випромінює в простір електричну енергію, називають закритим.

·       Електромагнітна хвиля — це процес поширення в просторі із часом вільного електромагнітного поля.

Домашнє завдання

1. Підр.: § 22.

2. 3б.: № 11.1; 11.9; 11.11; 11.12.