Номер 2, страница 128 - гдз по физике 11 класс учебник Касьянов

Творческие задания. § 36. Радиотелефонная связь, радиовещание. Глава 4. Излучение и приём электромагнитных волн радио и СВЧ - диапазона - номер 2, страница 128.

2. Подготовьте презентацию «Спектр электромагнитных волн».

Введение: Что такое электромагнитные волны?

Электромагнитные волны (ЭМВ) — это распространяющиеся в пространстве возмущения электромагнитного поля. Они состоят из колеблющихся электрического и магнитного полей, которые перпендикулярны друг другу и направлению распространения волны. В вакууме все электромагнитные волны распространяются с одинаковой скоростью — скоростью света, обозначаемой как $c$, которая примерно равна $3 \times 10^8$ м/с.

Основные характеристики волны — это длина волны ($\lambda$), частота ($\nu$) и энергия фотона ($E$). Они связаны между собой фундаментальными соотношениями:

Скорость света: $c = \lambda \cdot \nu$

Энергия фотона (кванта излучения): $E = h \cdot \nu$, где $h$ — постоянная Планка ($ \approx 6.626 \times 10^{-34} \text{ Дж} \cdot \text{с}$).

Из этих формул следует, что чем выше частота волны, тем короче ее длина и больше энергия.

Ответ: Электромагнитные волны представляют собой колебания электромагнитного поля, характеризующиеся длиной волны, частотой и энергией, и распространяющиеся со скоростью света.

Спектр электромагнитных волн: Общий обзор

Спектр электромагнитных волн (или шкала электромагнитных волн) — это непрерывная последовательность всех возможных частот и длин электромагнитных волн. Весь спектр условно делят на несколько диапазонов, хотя четких границ между ними не существует. Классификация основана на длине волны (или частоте) и, как следствие, на способах генерации, регистрации и взаимодействия этих волн с веществом.

Диапазоны перечислены в порядке увеличения длины волны и, соответственно, уменьшения частоты и энергии:

• Гамма-излучение
• Рентгеновское излучение
• Ультрафиолетовое излучение
• Видимый свет
• Инфракрасное излучение
• Микроволны
• Радиоволны

Ответ: Электромагнитный спектр — это полная шкала электромагнитных излучений, упорядоченная по длине волны или частоте, и разделенная на условные диапазоны с различными свойствами и применениями.

Радиоволны

Радиоволны имеют наибольшую длину волны в спектре (от 1 мм до сотен километров) и наименьшую частоту.

Источники: радиопередатчики, молнии, астрономические объекты (пульсары, галактики).

Применение:

• Радиовещание (AM, FM) и телевидение.
• Мобильная связь и передача данных (Wi-Fi, Bluetooth).
• Радиолокация (радары) для обнаружения самолетов, кораблей и метеорологических явлений.
• Радионавигация (GPS).
• Радиоастрономия для изучения Вселенной.

Ответ: Радиоволны — это длинноволновое излучение, которое является основой для современных систем связи, навигации и радиолокации.

Микроволны

Микроволны (или сверхвысокочастотное, СВЧ-излучение) занимают диапазон между радиоволнами и инфракрасным излучением. Длина волны от 1 мм до 1 м.

Источники: магнетроны, клистроны, диоды Ганна, реликтовое излучение Вселенной.

Применение:

• Микроволновые печи для разогрева пищи (волны заставляют молекулы воды колебаться, выделяя тепло).
• Спутниковая связь и телевидение.
• Системы беспроводной передачи данных, включая Wi-Fi на частотах 2.4 ГГц и 5 ГГц.
• Радары высокой точности.

Ответ: Микроволны находят широкое применение как в быту (микроволновые печи), так и в технологиях высокоскоростной передачи данных и спутниковой связи.

Инфракрасное излучение (ИК)

Инфракрасное излучение, часто называемое тепловым, имеет длину волны от 740 нм до 1-2 мм. Любое тело, имеющее температуру выше абсолютного нуля, излучает в этом диапазоне.

Источники: Солнце, лампы накаливания, любые нагретые объекты, включая живые организмы.

Применение:

• Тепловизоры и приборы ночного видения, которые "видят" тепло.
• Пульты дистанционного управления (телевизоры, кондиционеры).
• Физиотерапия и обогрев.
• Инфракрасная астрономия для наблюдения за холодными объектами и областями звездообразования.
• Сушка лакокрасочных покрытий.

Ответ: Инфракрасное излучение, являясь по сути тепловым, используется для видения в темноте, дистанционного управления и в различных промышленных и медицинских процессах.

Видимый свет

Это очень узкий участок электромагнитного спектра, который воспринимается человеческим глазом. Длины волн лежат в диапазоне примерно от 380 нм (фиолетовый) до 740 нм (красный).

Разные длины волн в этом диапазоне воспринимаются нами как разные цвета. При прохождении через призму белый свет разлагается в спектр: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый.

Источники: Солнце, звезды, лампы, светодиоды, экраны.

Применение:

• Зрение — наш основной способ восприятия мира.
• Фотография и видеосъемка.
• Освещение.
• Оптические приборы (микроскопы, телескопы).
• Оптоволоконная связь.

Ответ: Видимый свет — это единственный диапазон электромагнитных волн, воспринимаемый человеческим глазом, и он играет центральную роль в нашей жизни и технологиях, связанных с оптикой и освещением.

Ультрафиолетовое излучение (УФ)

Ультрафиолетовое излучение имеет более короткую длину волны (от 10 нм до 380 нм) и большую энергию, чем видимый свет.

Источники: Солнце, специальные УФ-лампы, электрические дуги.

Влияние и применение:

• В малых дозах способствует выработке витамина D в коже человека и вызывает загар.
• В больших дозах может вызывать ожоги кожи, повреждение ДНК и рак кожи. Озоновый слой Земли защищает нас от большей части жесткого УФ-излучения.
• Используется для стерилизации и дезинфекции воды, воздуха и поверхностей в медицине и пищевой промышленности.
• Применяется в криминалистике для обнаружения следов и в люминесцентных лампах.

Ответ: Ультрафиолетовое излучение обладает высокой химической и биологической активностью, что делает его как полезным (синтез витамина D, стерилизация), так и опасным (повреждение клеток).

Рентгеновское излучение

Рентгеновские лучи — это высокоэнергетическое излучение с длиной волны от 0.01 нм до 10 нм. Они обладают высокой проникающей способностью.

Источники: рентгеновские трубки, синхротроны, космические объекты (черные дыры, нейтронные звезды).

Применение:

• Медицинская диагностика (рентгенография, компьютерная томография) для визуализации костей и внутренних органов.
• Системы безопасности в аэропортах для досмотра багажа.
• Материаловедение и кристаллография для изучения структуры веществ на атомном уровне.
• Рентгеновская астрономия для изучения высокотемпературных процессов во Вселенной.

Ответ: Благодаря высокой проникающей способности, рентгеновское излучение незаменимо в медицине для диагностики, в системах безопасности и в научных исследованиях структуры вещества.

Гамма-излучение ($\gamma$-излучение)

Гамма-лучи имеют самую короткую длину волны (менее 0.01 нм) и самую высокую энергию и проникающую способность в электромагнитном спектре.

Источники: радиоактивный распад атомных ядер, ядерные реакции (в реакторах и при взрывах), космические явления, такие как взрывы сверхновых и гамма-всплески.

Применение:

• Лучевая терапия (радиотерапия) для уничтожения раковых клеток.
• Стерилизация медицинского оборудования и пищевых продуктов.
• Гамма-дефектоскопия для обнаружения дефектов в толстых металлических изделиях.
• Гамма-астрономия для изучения самых энергичных и экстремальных явлений во Вселенной.

Ответ: Гамма-излучение, обладая максимальной энергией, используется в областях, требующих высокой проникающей и разрушающей способности, таких как лечение рака и промышленная дефектоскопия.

Заключение: Единство и разнообразие спектра

Все виды электромагнитного излучения — от радиоволн до гамма-лучей — имеют единую физическую природу. Это электромагнитные волны, распространяющиеся со скоростью света. Однако их взаимодействие с веществом кардинально различается в зависимости от длины волны и энергии.

Длинные волны (радио) легко огибают препятствия, в то время как короткие (рентген, гамма) обладают высокой проникающей способностью. Это разнообразие свойств определяет широчайший спектр их применения в науке, технике, медицине и повседневной жизни. Изучение всего спектра позволяет нам глубже понять устройство мира, от радиосигналов далеких галактик до структуры атомов.

Ответ: Электромагнитный спектр демонстрирует, как одно и то же физическое явление, проявляясь при разных энергиях, порождает огромное разнообразие взаимодействий и применений, формирующих современный технологический мир.