Эксперимент, страница 58 - гдз по физике 11 класс учебник Закирова, Аширов

Эксперимент

1. Повторите опыты, изображенные на рисунках 55 а, б, в. Сформулируйте законы отражения и преломления для электромагнитных волн. Как с помощью рупорной антенны П (рис. 55 в) доказать, что волны от генератора Г, отраженные двумя металлическими пластинами создают интерференционную картину?

2. Продумайте постановку эксперимента для наблюдения дифракции волн и доказательства их поперечности.

а) Отражение

б) Преломление

в) Интерференция

Рис. 55. Свойства электромагнитных волн

1. Для демонстрации законов отражения и преломления электромагнитных волн используются установки, показанные на рисунках 55 а и 55 б. Установка состоит из генератора высокочастотных электромагнитных колебаний с рупорной антенной (излучатель Г), приёмной рупорной антенны (приёмник П) и различных объектов.

Закон отражения: Для наблюдения отражения (рис. 55 а) между излучателем и приёмником размещают плоскую металлическую пластину. Перемещая приёмник, находят положение, в котором принимаемый сигнал максимален. Измерения показывают, что:
1. Падающий луч, отражённый луч и перпендикуляр, восстановленный в точке падения луча к поверхности, лежат в одной плоскости.
2. Угол отражения $\alpha_r$ равен углу падения $\alpha_i$: $\alpha_i = \alpha_r$.

Закон преломления: Для наблюдения преломления (рис. 55 б) на пути волн ставят трёхгранную призму из диэлектрика (например, парафина или асбеста). Электромагнитная волна, проходя через границу раздела двух сред (воздух-призма), изменяет своё направление. При выходе из призмы в воздух она преломляется ещё раз. Измерения показывают, что:
1. Падающий луч, преломлённый луч и перпендикуляр, восстановленный в точке падения луча к границе раздела сред, лежат в одной плоскости.
2. Отношение синуса угла падения $\alpha$ к синусу угла преломления $\beta$ есть величина постоянная для двух данных сред, равная относительному показателю преломления: $\frac{\sin\alpha}{\sin\beta} = n$.

Доказательство интерференции: В установке, показанной на рис. 55 в, волны от генератора Г направляются на две близко расположенные металлические пластины. Эти пластины действуют как два вторичных когерентных источника волн (по аналогии с опытом Юнга для света). Отражённые от пластин волны накладываются друг на друга. Чтобы доказать, что они создают интерференционную картину, необходимо с помощью приёмной рупорной антенны П исследовать распределение интенсивности волн в пространстве. Для этого нужно перемещать антенну П вдоль некоторой линии (например, по дуге окружности, как показано на рисунке). В тех точках, где разность хода волн от двух пластин равна целому числу длин волн ($\Delta d = k\lambda$), будет наблюдаться усиление сигнала (конструктивная интерференция, максимумы). В точках, где разность хода равна полуцелому числу длин волн ($\Delta d = (2k+1)\frac{\lambda}{2}$), будет наблюдаться ослабление сигнала (деструктивная интерференция, минимумы). Обнаружение этого чередования максимумов и минимумов сигнала при перемещении приёмника П и будет доказательством создания интерференционной картины.

Ответ: Законы отражения и преломления для электромагнитных волн аналогичны законам геометрической оптики: угол падения равен углу отражения, а отношение синусов углов падения и преломления постоянно. Для доказательства интерференции нужно перемещать приёмную антенну П и зафиксировать чередование максимумов и минимумов интенсивности сигнала, создаваемое в результате наложения волн, отражённых от двух пластин.

2. Эксперимент для наблюдения дифракции волн:
Для наблюдения дифракции электромагнитных волн необходимы излучатель (генератор Г), приёмник (антенна П) и препятствие, размеры которого сопоставимы с длиной волны излучения.
Постановка эксперимента: Между излучателем Г и приёмником П размещают непрозрачный для электромагнитных волн экран (например, лист металла) с узкой щелью. Ширина щели должна быть порядка длины волны $\lambda$, генерируемой источником. Если перемещать приёмную антенну П в области за экраном, то можно обнаружить, что электромагнитные волны регистрируются не только строго напротив щели, но и в области геометрической тени. Это явление огибания волнами препятствий и есть дифракция. При более детальном исследовании можно обнаружить дифракционную картину — систему чередующихся максимумов и минимумов интенсивности, аналогичную той, что наблюдается для света.

Эксперимент для доказательства поперечности волн:
Доказательством поперечности электромагнитных волн является их способность к поляризации. Продольные волны (например, звуковые в воздухе) поляризовать нельзя.
Постановка эксперимента: Для эксперимента потребуются излучатель Г, приёмник П и два поляризующих устройства. В качестве поляризатора для СВЧ-волн может выступать решётка из параллельных металлических стержней, расстояние между которыми значительно меньше длины волны. Такая решётка эффективно поглощает (отражает) составляющую электрического поля волны, параллельную стержням, и пропускает составляющую, перпендикулярную стержням.
1. Между излучателем и приёмником помещают первую решётку (поляризатор). Вращая её вокруг оси, можно найти положение, при котором сигнал на приёмнике будет максимальным. Это означает, что плоскость поляризации волны перпендикулярна стержням решётки.
2. Не меняя положения первой решётки, между ней и приёмником помещают вторую такую же решётку (анализатор).
3. Если стержни анализатора параллельны стержням поляризатора, то сигнал на приёмнике останется максимальным.
4. Если анализатор повернуть на 90° так, чтобы его стержни стали перпендикулярны стержням поляризатора, то сигнал на приёмнике упадёт практически до нуля. Это происходит потому, что вторая решётка поглощает волну, пропущенную первой.
Такая зависимость интенсивности прошедшей волны от взаимной ориентации поляризатора и анализатора однозначно доказывает, что колебания вектора напряжённости электрического поля происходят в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны, то есть электромагнитные волны являются поперечными.

Ответ: Для наблюдения дифракции нужно направить волны на щель, соизмеримую с длиной волны, и зафиксировать проникновение волн в область геометрической тени. Для доказательства поперечности нужно использовать два поляризатора (например, две металлические решётки) и показать, что при их скрещивании (повороте на 90° друг относительно друга) волна не проходит через систему, что возможно только для поперечных волн.