УСІ УРОКИ ФІЗИКИ
11 КЛАС

ЕЛЕКТРОДИНАМІКА

2-й семестр

Коливання й хвилі

УРОК 12/34

Тема. Дослідне підтвердження існування електромагнітних хвиль

Мета уроку: ознайомити учнів з експериментальним свідченням існування електромагнітних хвиль.

Тип уроку: урок вивчення нового матеріалу.

ПЛАН УРОКУ

ВИВЧЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ

1. Поширення електромагнітних хвиль

Між моментом, коли «джерело» випроменило хвилю, і моментом, коли «приймач» її прийняв, минає якийсь час. Виникає питання: де ж перебуває в цей час та енергія, яку «джерело» хвиль уже випроменило, але «приймач» ще не прийняв?

Відповідно до теорії Максвелла цю енергію несе електромагнітна хвиля. Енергія електромагнітного поля хвилі в цей момент часу змінюється періодично в просторі відповідно до зміни векторів  і . Електричне й магнітне поля в електромагнітній хвилі перпендикулярні одне до одного, причому кожне з них перпендикулярно до напрямку поширення хвилі.

На рисунку схематично зображена залежність від координат вектора напруженості електричного поля й вектора індукції магнітного поля в електромагнітній хвилі в певний момент часу. У кожній точці простору, крізь який рухається електромагнітна хвиля, модуль вектора напруженості електричного поля пропорційний вектору індукції магнітного поля, а напрямлені ці вектори завжди під прямим кутом один до одного. Гребені хвилі переміщаються в просторі зі швидкістю світла с.

У кожній точці електромагнітної хвилі електричне й магнітне поля періодично змінюються з часом. Частота всіх таких коливань однакова. Натомість амплітуди й фази коливань відрізняються. Для електромагнітної хвилі у вакуумі період Т, частота v й довжина хвилі λ пов’язані співвідношеннями  Протягом одного періоду хвиля проходить відстань, що дорівнює довжині хвилі.

2. Вібратор Герца

Багато вчених піддавали сумніву правильність теорії електромагнітного поля Максвелла. Однією з основних причин виникнення сумнівів було уявлення про хвилі, для поширення яких не потрібне середовище.

1886 р. Генріх Герц вирішив поставити дослід з метою спростувати теорію Максвелла. Дослід полягав у тому, що у вузькому проміжку незамкнутого контуру під дією високої напруги збуджувалася іскра.

Вібратор Герца випромінював електромагнітні хвилі переважно в напрямку, перпендикулярному до провідника. Вектор   цієї хвилі коливається паралельно до вібратора, а вектор   — перпендикулярно до вібратора. У напрямку осі вібратора випромінювання не відбувається.

Необхідно було знайти спосіб виявлення й дослідження електромагнітних хвиль. Герц використав для цього другий (приймальний) вібратор.

Цей вібратор не приєднували до будь-якого джерела високої напруги. Тому коливання в ньому могли виникнути тільки під дією електромагнітної хвилі. Про виникнення коливань могли свідчити малюсінькі іскри в іскровому проміжку приймального вібратора. Щоб збільшити амплітуду коливань у цьому вібраторі, було використане явище резонансу: власна частота коливань у приймальному вібраторі збіглася із власною частотою коливань у вібраторі-випромінювачі.

Виявлені хвилі Герців назвав «променями електричної сили».

3. Результати дослідів

Першим результатом дослідів Герца було спостереження іскор у приймальному вібраторі за відстані між вібраторами в кілька метрів. Найбільші іскри виникали, коли приймальний вібратор був розташований паралельно до вібратора-випромінювача, як і повинно було бути відповідно до теорії Максвелла.

Герц спостерігав відбиття від поверхні метала й заломлення електромагнітних хвиль на межі повітря й діелектрика. Спостерігалися й інші явища:

·       дифракція;

·       інтерференція;

·       поляризація.

Вирішальним, очевидно, було вимірювання швидкості отриманих у досліді хвиль. Герц зміг визначити швидкість електромагнітної хвилі за формулою:

 = λv,

де , λ і v — швидкість, довжина й частота хвилі. Таким чином, досліди Герца підтвердили справедливість висновків теорії Максвелла.

Відповідно до сучасних уявлень, електромагнітні хвилі можуть поширюватися як у середовищі, так і у вакуумі, причому у вакуумі швидкість електромагнітних хвиль найбільша (300000 км/с). Це істотно відрізняє їх від звукових хвиль, для поширення яких необхідне матеріальне середовище.

ЗАКРІПЛЕННЯ ВИВЧЕНОГО МАТЕРІАЛУ

1). Якісні питання

1. Чи залежить швидкість електромагнітних хвиль у вакуумі від частоти коливань?

2. Горизонтальний провідник, у якому протікає змінний струм високої частоти, розташований уздовж паралелі. У яких напрямках (переважно) поширюються електромагнітні хвилі від цього провідника?

3. Передавальні й приймальний вібратори розташовані взаємно перпендикулярно. Чи виникнуть коливання в приймальному вібраторі?

2). Навчаємося розв'язувати задачі

1. У деякій точці простору індукція магнітного поля електромагнітної хвилі змінюється від нуля до максимального значення за 2 мкс. Чому дорівнює довжина хвилі?

2. Довжина радіохвилі у вакуумі дорівнює 60 м. За який час напруженість електричного поля хвилі зменшиться від максимуму до нуля?

ЩО МИ ДІЗНАЛИСЯ НА УРОЦІ

·       Існування електромагнітних хвиль було передбачено Максвеллом. Для перевірки цієї теорії Г. Герц використав відкритий коливальний контур (вібратор), що дозволило переконатися в правильності висновків теорії.

·       Герц зміг визначити швидкість електромагнітної хвилі за формулою:

 = λv.

·       Для електромагнітної хвилі у вакуумі період Т, частота v й довжина хвилі λ пов’язані співвідношеннями:

Домашнє завдання

Підр.: § 22.