Эксперимент 1, страница 120 - гдз по физике 11 класс учебник Закирова, Аширов

Эксперимент 1

Соберите установку для наблюдения свойств электромагнитных волн. Разместите между рупорными антеннами металлическую решетку (рис. 139). Выясните, как влияет на интенсивность звукового сигнала увеличение угла наклона стержней решетки от вертикали.

Как убедиться в поперечности электромагнитных волн без использования металлической решетки?

Рис. 139. Наблюдение поляризации электромагнитных волн

Выясните, как влияет на интенсивность звукового сигнала увеличение угла наклона стержней решетки от вертикали.

Рупорные антенны в эксперименте создают и принимают линейно поляризованные электромагнитные волны. Судя по их ориентации на рисунке, волны поляризованы вертикально, то есть вектор напряженности электрического поля $\vec{E}$ колеблется в вертикальной плоскости. Металлическая решетка, состоящая из параллельных проводящих стержней, взаимодействует с электрическим полем волны.

Когда стержни решетки расположены вертикально, они параллельны вектору $\vec{E}$ падающей волны. Переменное электрическое поле волны возбуждает в проводящих стержнях индукционные токи. Эти токи, в свою очередь, излучают вторичные волны, которые гасят (за счет интерференции) проходящую волну. В результате волна почти полностью отражается или поглощается решеткой, и приемник не регистрирует сигнал, что на рисунке обозначено как «Нет приема».

При повороте решетки на угол $\theta$ от вертикали, только составляющая электрического поля, параллельная стержням, будет эффективно возбуждать в них токи. Эта составляющая равна $E_{\parallel} = E \cos\theta$. Проходящая же составляющая поля, перпендикулярная стержням, будет равна $E_{\perp} = E \sin\theta$. Интенсивность электромагнитной волны пропорциональна квадрату амплитуды напряженности электрического поля. Следовательно, интенсивность прошедшей через решетку волны $I_{прош}$ будет пропорциональна $E_{\perp}^2$:

$I_{прош} \propto (E \sin\theta)^2$, или $I_{прош} = I_0 \sin^2\theta$, где $I_0$ - интенсивность падающей волны.

Интенсивность звукового сигнала на выходе приемника прямо пропорциональна интенсивности принимаемой электромагнитной волны. Таким образом, при увеличении угла наклона $\theta$ от $0^\circ$ до $90^\circ$, множитель $\sin^2\theta$ возрастает от 0 до 1. Это означает, что интенсивность звукового сигнала будет увеличиваться от нуля (когда стержни вертикальны) до максимума (когда стержни горизонтальны, то есть перпендикулярны вектору $\vec{E}$).

Ответ: При увеличении угла наклона стержней решетки от вертикали интенсивность звукового сигнала будет возрастать, достигая максимального значения, когда стержни решетки будут расположены горизонтально (угол наклона $90^\circ$).

Как убедиться в поперечности электромагнитных волн без использования металлической решетки?

Поперечность волн означает, что колебания происходят в плоскости, перпендикулярной направлению их распространения. Прямым следствием поперечности является свойство поляризации. Убедиться в поперечности электромагнитных волн можно, продемонстрировав их поляризацию с помощью самих антенн, без использования решетки.

Для этого необходимо выполнить следующие действия:

1. Убрать металлическую решетку из установки.

2. Расположить передающую и приемную антенны соосно (на одной прямой) и с одинаковой ориентацией (например, обе вертикально). В этом положении приемник будет регистрировать сигнал максимальной интенсивности, так как он настроен на ту же поляризацию, которую излучает передатчик.

3. Вращать приемную антенну вокруг оси, совпадающей с линией распространения волны (линией, соединяющей центры антенн).

При вращении приемной антенны будет наблюдаться ослабление принимаемого сигнала. Когда приемная антенна будет повернута на $90^\circ$ относительно передающей (например, станет горизонтальной при вертикальной передающей), интенсивность сигнала упадет до минимума (в идеале — до нуля). Это происходит потому, что вектор напряженности электрического поля $\vec{E}$ волны оказывается перпендикулярен чувствительному элементу приемной антенны, и ток в ней не возбуждается.

Такая зависимость интенсивности принимаемого сигнала от взаимной ориентации приемника и передатчика доказывает, что электромагнитная волна имеет определенную плоскость колебаний вектора $\vec{E}$, то есть является поляризованной. Способностью к поляризации обладают только поперечные волны. Продольные волны (например, звуковые) не могут быть поляризованы, и вращение приемника не привело бы к изменению интенсивности сигнала.

Ответ: Следует убрать решетку и вращать приемную антенну вокруг оси распространения волны. Наблюдение изменения интенсивности сигнала от максимума до минимума (нуля) при повороте приемной антенны на $90^\circ$ относительно передающей доказывает поляризацию волн, что является свойством исключительно поперечных волн.