Страница 121 - гдз по физике 11 класс учебник Касьянов

В О П Р О С Ы

1. В каких устройствах и приборах возникают колебания заряженных частиц?

В каких устройствах и приборах возникают колебания заряженных частиц?

Колебания заряженных частиц, как правило, электронов, представляют собой фундаментальный физический процесс, который лежит в основе функционирования широкого спектра устройств и приборов. В первую очередь, это касается тех, которые генерируют, излучают, принимают или обрабатывают электромагнитные волны. К таким устройствам относятся:

• Колебательный контур: Это базовая электрическая цепь, состоящая из катушки индуктивности (L) и конденсатора (C). В нем возникают свободные электромагнитные колебания: заряженные частицы (электроны) перемещаются от обкладок конденсатора через катушку и обратно. При этом происходит периодическое превращение энергии электрического поля конденсатора в энергию магнитного поля катушки. Колебательные контуры — неотъемлемая часть радиоприемников, передатчиков и генераторов частот.
• Антенны: В передающей антенне под действием переменного напряжения от генератора электроны совершают вынужденные колебания. Ускоренное движение этих зарядов приводит к излучению электромагнитных волн (радиоволн, ТВ-сигналов, сигналов сотовой связи). В приемной антенне, наоборот, падающая электромагнитная волна вызывает колебания электронов, создавая слабый переменный ток, который затем усиливается.
• Электровакуумные приборы СВЧ (сверхвысоких частот):
  • Магнетрон: Используется для генерации мощных микроволн (например, в микроволновых печах и радарах). Электроны в нем движутся в скрещенных постоянном магнитном и электрическом полях, образуя вращающиеся сгустки заряда, которые индуцируют сильные колебания в системе резонаторов.
  • Клистрон: Используется для усиления или генерации СВЧ-колебаний. Поток электронов модулируется по скорости, что приводит к их группировке в сгустки. Эти сгустки, пролетая через резонаторы, возбуждают в них электромагнитные колебания.
• Полупроводниковые генераторы: В современной электронике для генерации колебаний используются схемы на основе транзисторов, туннельных диодов или диодов Ганна. За счет механизма положительной обратной связи в схеме возникают и поддерживаются незатухающие колебания тока и напряжения, что соответствует колебательному движению носителей заряда (электронов и дырок) в полупроводнике. Такие генераторы являются "сердцем" компьютеров (тактовый генератор), мобильных телефонов, Wi-Fi роутеров и другой цифровой техники.
• Устройства, излучающие свет (лазеры, светодиоды): На микроуровне колебания заряженных частиц приводят к излучению света. В атомах или полупроводниковых структурах электроны переходят с более высокого энергетического уровня на более низкий, испуская при этом фотон — квант электромагнитной волны. Этот процесс является основой работы лазеров, светодиодов (LED), люминесцентных ламп.
• Ускорители заряженных частиц: В циклических ускорителях (например, в синхротроне) заряженные частицы движутся с огромной скоростью по криволинейной траектории. Любое движение по кривой является движением с ускорением. Согласно классической электродинамике, ускоренно движущийся заряд излучает электромагнитные волны. Это так называемое синхротронное излучение, которое представляет собой мощный поток электромагнитных волн, возникающий из-за "колебаний" направления вектора скорости частиц.

Ответ: Колебания заряженных частиц происходят в широком классе устройств, включая колебательные контуры, антенны радио- и телекоммуникационных систем, электровакуумные приборы (магнетроны, клистроны), полупроводниковые генераторы (в компьютерах, телефонах), источники света (лазеры, светодиоды) и ускорители заряженных частиц.

2. Перечислите восемь основных диапазонов длин волн (частот) в спектре электромагнитных волн в порядке возрастания частоты излучения и укажите границы этих диапазонов.

Решение

Спектр электромагнитных волн представляет собой непрерывную последовательность частот и длин волн. Его принято делить на несколько диапазонов, хотя границы между ними условны и в разных классификациях могут незначительно отличаться. Ниже перечислены восемь основных диапазонов в порядке возрастания частоты излучения (и, соответственно, убывания длины волны).

1. Радиоволны

   Диапазон частот: до $300$ МГц. Диапазон длин волн: свыше $1$ м. Этот широкий диапазон включает в себя сверхдлинные, длинные, средние, короткие и часть ультракоротких волн (УКВ). Используются для радиосвязи, теле- и радиовещания, радиолокации.

2. Микроволновое (СВЧ) излучение

   Диапазон частот: от $300$ МГц до $300$ ГГц. Диапазон длин волн: от $1$ мм до $1$ м. Используется в микроволновых печах, для сотовой связи, в сетях Wi-Fi и Bluetooth, в спутниковой связи и современной радиолокации.

3. Терагерцовое (ТГц) излучение

   Диапазон частот: от $300$ ГГц до $3$ ТГц. Диапазон длин волн: от $100$ мкм до $1$ мм. Этот диапазон, также известный как субмиллиметровый, является переходным между микроволновым и инфракрасным. Находит применение в системах безопасности (сканеры в аэропортах), медицинской диагностике и научных исследованиях.

4. Инфракрасное (ИК) излучение

   Диапазон частот: от $3$ ТГц до $430$ ТГц. Диапазон длин волн: от $700$ нм до $100$ мкм. Это тепловое излучение, испускаемое любым нагретым телом. Используется в пультах дистанционного управления, тепловизорах, системах ночного видения, для обогрева и в оптоволоконной связи.

5. Видимое излучение (свет)

   Диапазон частот: от $430$ ТГц до $790$ ТГц. Диапазон длин волн: от $380$ нм до $700$ нм. Единственный диапазон электромагнитного спектра, непосредственно воспринимаемый человеческим глазом. Включает в себя все цвета от красного (наименьшая частота) до фиолетового (наибольшая частота).

6. Ультрафиолетовое (УФ) излучение

   Диапазон частот: от $790$ ТГц до $30$ ПГц ($3 \cdot 10^{16}$ Гц). Диапазон длин волн: от $10$ нм до $380$ нм. Обладает высокой химической и биологической активностью. Солнечное УФ-излучение вызывает загар, но в больших дозах опасно. Применяется для дезинфекции, в криминалистике, для люминесцентного анализа и в соляриях.

7. Рентгеновское излучение

   Диапазон частот: от $30$ ПГц ($3 \cdot 10^{16}$ Гц) до $30$ ЭГц ($3 \cdot 10^{19}$ Гц). Диапазон длин волн: от $10$ пм до $10$ нм. Обладает высокой энергией и проникающей способностью. Применяется в медицине для диагностики (рентгенография, компьютерная томография), в системах контроля и безопасности, дефектоскопии и для изучения структуры кристаллов.

8. Гамма-излучение

   Диапазон частот: свыше $30$ ЭГц ($3 \cdot 10^{19}$ Гц). Диапазон длин волн: менее $10$ пм. Обладает самой высокой частотой, энергией фотонов и проникающей способностью в спектре. Возникает при ядерных реакциях, радиоактивном распаде и в космосе. Применяется в лучевой терапии для лечения онкологических заболеваний, в гамма-дефектоскопии и для стерилизации медицинских инструментов и продуктов питания.

Связь между частотой $\nu$ и длиной волны $\lambda$ в вакууме выражается формулой $\lambda = \frac{c}{\nu}$, где $c$ - скорость света в вакууме ($c \approx 3 \cdot 10^8$ м/с).

Ответ:

Восемь основных диапазонов электромагнитного спектра в порядке возрастания частоты: радиоволны (частота до $300$ МГц), микроволновое излучение ($300$ МГц – $300$ ГГц), терагерцовое излучение ($300$ ГГц – $3$ ТГц), инфракрасное излучение ($3$ ТГц – $430$ ТГц), видимый свет ($430$ ТГц – $790$ ТГц), ультрафиолетовое излучение ($790$ ТГц – $30$ ПГц), рентгеновское излучение ($30$ ПГц – $30$ ЭГц) и гамма-излучение (свыше $30$ ЭГц).

3. Назовите основные источники излучения волн звуковой частоты, радиоволн, СВЧ- и ИК-излучения.

Источники излучения волн звуковой частоты:Волны звуковой частоты (звук) представляют собой механические колебания, распространяющиеся в упругой среде (воздухе, воде, твердых телах). Источником звука является любое вибрирующее тело, которое создает в окружающей среде области сжатия и разрежения. Эти источники можно разделить на природные и искусственные. Природные источники — это голосовые связки людей и животных, шелест листьев от ветра, шум прибоя, раскаты грома, пение птиц. Искусственные (техногенные) источники включают в себя музыкальные инструменты (например, колеблющиеся струны гитары или мембрана барабана), диффузоры громкоговорителей (динамиков), сирены, работающие двигатели и различные механизмы.

Ответ: Основными источниками являются колеблющиеся тела: природные (голосовые связки, ветер, волны) и искусственные (музыкальные инструменты, динамики, двигатели).

Источники радиоволн:Радиоволны — это разновидность электромагнитного излучения, которое генерируется при ускоренном движении электрических зарядов, например, при протекании переменного электрического тока в проводнике (антенне). Природными источниками радиоволн являются космические объекты (Солнце, звезды, галактики, квазары), а также атмосферные явления, такие как разряды молний. Искусственные источники гораздо более распространены в нашей повседневной жизни. К ним относятся радио- и телевизионные передающие станции, базовые станции сотовой связи, радары, мобильные телефоны, Wi-Fi роутеры и другие устройства беспроводной связи.

Ответ: Природные источники (Солнце, космические объекты, молнии) и искусственные (радио- и телепередатчики, радары, мобильные телефоны, Wi-Fi роутеры).

Источники СВЧ-излучения:СВЧ (сверхвысокочастотное) излучение, или микроволны, является частью диапазона радиоволн. Его источники также связаны с движением заряженных частиц, но в более высокочастотном режиме. Природным источником СВЧ-излучения является реликтовое излучение — электромагнитный фон, оставшийся после Большого взрыва и равномерно заполняющий Вселенную. Также СВЧ-излучение испускает Солнце. Искусственные источники широко применяются в технике и быту. Главный пример — магнетрон в микроволновой печи. Также к ним относятся радары (авиационные, метеорологические), системы спутникового телевидения и связи, оборудование для сотовой связи и сетей Wi-Fi (работающие на частотах 2,4 ГГц и 5 ГГц).

Ответ: Реликтовое излучение Вселенной, Солнце, а также искусственные устройства, такие как магнетроны в микроволновых печах, радары и системы беспроводной связи (спутниковой, сотовой, Wi-Fi).

Источники ИК-излучения:Инфракрасное (ИК) излучение, также известное как тепловое, — это электромагнитное излучение, испускаемое любым телом, температура которого выше абсолютного нуля ($T > 0 \text{ К}$). Интенсивность и спектр этого излучения зависят от температуры тела. Природными источниками являются абсолютно все объекты вокруг нас, но основными можно считать Солнце, огонь, Землю, а также живые организмы, включая человека, тело которого постоянно излучает тепло. Искусственные источники — это любые нагревательные приборы (электрические и газовые печи, радиаторы отопления, ИК-обогреватели), лампы накаливания (значительная часть их энергии преобразуется в тепло), а также специальные устройства, такие как светодиоды в пультах дистанционного управления и инфракрасные лазеры.

Ответ: Любые нагретые тела: природные (Солнце, огонь, живые организмы) и искусственные (нагревательные приборы, лампы накаливания, ИК-светодиоды).

4. Охарактеризуйте источники видимого света, диапазоны длин волн, соответствующие определённому цвету, а также роль видимого света для жизни на Земле.

Источники видимого света

Источники видимого света — это объекты, которые испускают электромагнитные волны в видимом для человеческого глаза диапазоне. Их можно разделить на естественные (природные) и искусственные (созданные человеком).

• Естественные источники:
  • Солнце — главный источник света и тепла для Земли, представляющий собой раскаленный газовый шар, в котором происходят термоядерные реакции.
  • Звёзды — далёкие солнца, свет которых мы видим на ночном небе.
  • Молния — гигантский электрический разряд в атмосфере.
  • Биолюминесценция — свечение живых организмов (светлячки, некоторые рыбы, грибы) в результате химических реакций.
  • Полярные сияния — свечение верхних слоёв атмосферы при их взаимодействии с заряженными частицами солнечного ветра.
• Искусственные источники:
  • Лампы накаливания — свет возникает при нагревании вольфрамовой нити электрическим током до высокой температуры.
  • Люминесцентные лампы — свечение создается газовым разрядом, который вызывает свечение нанесенного на стенки колбы люминофора.
  • Светодиодные (LED) лампы — излучение света происходит при прохождении электрического тока через полупроводниковый кристалл.
  • Лазеры — генерируют когерентное, монохроматическое и узконаправленное излучение.
  • Пламя (костёр, свеча) — свечение раскалённых частиц углерода в процессе горения.

Ответ: Источники света делятся на естественные (Солнце, звёзды, молнии, биолюминесценция) и искусственные (лампы накаливания, светодиодные лампы, лазеры, пламя). Они излучают свет за счет различных физических и химических процессов, таких как тепловое излучение, электролюминесценция, химические реакции и газовый разряд.

Диапазоны длин волн, соответствующие определённому цвету

Видимый свет представляет собой узкий участок спектра электромагнитного излучения, который человеческий глаз способен воспринимать. Каждый цвет в спектре соответствует определённому диапазону длин волн ($ \lambda $). Общепринятое разделение непрерывного спектра на цвета (в порядке убывания длины волны) выглядит следующим образом:

• Красный: $ \lambda \approx 780-625 $ нм
• Оранжевый: $ \lambda \approx 625-590 $ нм
• Жёлтый: $ \lambda \approx 590-565 $ нм
• Зелёный: $ \lambda \approx 565-500 $ нм
• Голубой: $ \lambda \approx 500-485 $ нм
• Синий: $ \lambda \approx 485-440 $ нм
• Фиолетовый: $ \lambda \approx 440-380 $ нм

Белый свет, например, солнечный, является суммой всех волн видимого диапазона.

Ответ: Видимый свет охватывает диапазон длин волн примерно от 380 нм до 780 нм. Каждому цвету соответствует свой диапазон: красный ($ \approx 780-625 $ нм), оранжевый ($ \approx 625-590 $ нм), жёлтый ($ \approx 590-565 $ нм), зелёный ($ \approx 565-500 $ нм), голубой ($ \approx 500-485 $ нм), синий ($ \approx 485-440 $ нм), фиолетовый ($ \approx 440-380 $ нм).

Роль видимого света для жизни на Земле

Видимый свет играет фундаментальную, незаменимую роль в существовании и развитии жизни на нашей планете. Ключевые аспекты его влияния:

• Фотосинтез: Это основной процесс, обеспечивающий энергией почти все экосистемы. Растения, водоросли и цианобактерии используют энергию солнечного света для синтеза органических веществ (глюкозы) из неорганических (углекислый газ и вода). Побочным продуктом является кислород, которым дышит большинство живых организмов. Таким образом, свет является первичным источником энергии для жизни и поддерживает состав атмосферы.
• Зрение: Для большинства животных, включая человека, зрение — главный способ получения информации об окружающем мире. Свет, отражаясь от объектов, попадает в глаза и формирует изображение, что позволяет ориентироваться в пространстве, находить пищу, избегать хищников и общаться с сородичами.
• Регуляция суточных (циркадных) ритмов: Смена дня и ночи, обусловленная вращением Земли и наличием солнечного света, синхронизирует внутренние биологические часы живых организмов. Эти ритмы управляют циклами сна и бодрствования, температурой тела, выработкой гормонов, метаболизмом и поведением.
• Тепло и климат: Солнечное излучение, включающее видимый свет, нагревает поверхность Земли, океаны и атмосферу. Эта энергия является движущей силой для погодных явлений, океанических течений, ветров и круговорота воды в природе, создавая климатические условия, пригодные для жизни.

Ответ: Роль видимого света для жизни на Земле огромна: он служит основным источником энергии для фотосинтеза (основа пищевых цепей и источник кислорода), обеспечивает возможность зрения для ориентации в пространстве, регулирует суточные биоритмы живых организмов и является ключевым фактором, формирующим климат и погоду на планете.

5. Назовите основные источники ультрафиолетового, рентгеновского и $\gamma$-излучения. Охарактеризуйте основные особенности электромагнитного излучения в этих диапазонах электромагнитного спектра.

Ультрафиолетовое излучение

Источники:

• Естественные: основным естественным источником является Солнце. Также УФ-лучи испускают горячие звезды и газовые туманности.
• Искусственные: создаются с помощью газоразрядных ламп (ртутно-кварцевых, ксеноновых), электрической дуги и лазеров.

Особенности:

• Занимает в электромагнитном спектре диапазон между видимым светом и рентгеновским излучением. Длина волны $\lambda$ составляет от 10 нм до 400 нм.
• Обладает высокой химической активностью, способно инициировать фотохимические реакции (например, вызывать загар или выцветание красок).
• Оказывает сильное биологическое воздействие. В малых дозах способствует выработке витамина D и обладает бактерицидными свойствами. В больших дозах может привести к ожогам кожи, повреждению ДНК и развитию онкологических заболеваний.
• Невидимо для человеческого глаза, но вызывает флуоресценцию (свечение) некоторых веществ.
• Имеет низкую проникающую способность, поглощается обычным стеклом и эффективно задерживается озоновым слоем атмосферы.

Ответ: Основные источники УФ-излучения — Солнце и газоразрядные лампы. Ключевые особенности — высокая химическая и биологическая активность, невидимость для глаза, слабая проникающая способность и способность вызывать люминесценцию. Длина волны — 10-400 нм.

Рентгеновское излучение

Источники:

• Естественные: различные астрономические объекты, такие как нейтронные звезды, черные дыры (их аккреционные диски), квазары и галактические скопления.
• Искусственные: главным образом, рентгеновские трубки. В них излучение генерируется при резком торможении разогнанных электронов о специальную мишень (анод). Различают тормозное и характеристическое рентгеновское излучение. Также источниками служат ускорители частиц (синхротроны).

Особенности:

• Расположено в спектре между ультрафиолетовым и гамма-излучением. Длины волн $\lambda$ лежат в диапазоне примерно от $10^{-4}$ нм до 10 нм.
• Обладает высокой проникающей способностью, которая обратно пропорциональна плотности вещества. Это позволяет использовать его в медицине (рентгенография, КТ) для "просвечивания" тела и в промышленности (дефектоскопия) для контроля целостности материалов.
• Является ионизирующим излучением, способно отрывать электроны от атомов и молекул, что делает его опасным для живых тканей при длительном воздействии.
• Способно дифрагировать на кристаллических решетках, что используется в рентгеноструктурном анализе для изучения строения кристаллов.

Ответ: Основной искусственный источник — рентгеновская трубка. Ключевые особенности — очень высокая проникающая способность (основа применения в медицине), ионизирующее действие и способность к дифракции на кристаллах. Длина волны — $10^{-4}$-10 нм.

Гамма-излучение (γ-излучение)

Источники:

• Естественные: возникает в ходе ядерных реакций и радиоактивного распада атомных ядер. Космические источники включают гамма-всплески (самые мощные электромагнитные события во Вселенной), пульсары, квазары.
• Искусственные: ядерные реакторы, ядерные взрывы, ускорители заряженных частиц и искусственные радиоактивные изотопы.

Особенности:

• Представляет собой самую коротковолновую ($\lambda < 10^{-11}$ м) и высокоэнергетическую часть электромагнитного спектра.
• Основное отличие от рентгеновского излучения — механизм возникновения. Гамма-кванты испускаются ядром атома при переходе из возбужденного состояния в основное, в то время как рентгеновское излучение связано с процессами в электронных оболочках атома.
• Обладает наивысшей проникающей способностью. Для защиты требуются толстые экраны из плотных материалов (свинец, бетон).
• Имеет очень сильное ионизирующее действие, что делает его наиболее опасным видом излучения для биологических организмов.
• Применяется в лучевой терапии для уничтожения раковых клеток (гамма-нож), для стерилизации медицинских инструментов и пищевых продуктов, в промышленной дефектоскопии.

Ответ: Источниками γ-излучения служат ядерные процессы (радиоактивный распад, реакции в ядерных реакторах). Ключевые особенности — ядерное происхождение, самая высокая энергия фотонов и проникающая способность, сильное ионизирующее действие. Длина волны — менее $10^{-11}$ м.