Вопросы, страница 125 - гдз по физике 8 класс учебник Кабардин

Вопросы

1. Какую гипотезу высказал Максвелл при создании теории электромагнетизма?

2. Какой эксперимент послужил доказательством правильности теории близкодействия?

3. Как Герц измерил скорость электромагнитной волны?

4. Какой факт является доказательством того, что свет — электромагнитная волна?

1. Какую гипотезу высказал Максвелл при создании теории электромагнетизма?

При создании своей теории электромагнетизма Джеймс Клерк Максвелл высказал фундаментальную гипотезу о том, что любое переменное во времени электрическое поле порождает в окружающем пространстве вихревое магнитное поле. Это положение стало симметричным дополнением к закону электромагнитной индукции Фарадея, согласно которому переменное магнитное поле, в свою очередь, порождает вихревое электрическое поле.

Максвелл ввёл понятие тока смещения. В отличие от обычного тока (тока проводимости), который представляет собой упорядоченное движение заряженных частиц, ток смещения может существовать даже в вакууме или идеальном диэлектрике, где нет свободных носителей заряда. Плотность тока смещения $J_D$ пропорциональна скорости изменения напряжённости электрического поля $\text{E}$: $J_D = \varepsilon\varepsilon_0 \frac{dE}{dt}$.

Именно эта гипотеза позволила замкнуть систему уравнений электродинамики, объединив все известные на тот момент законы электричества и магнетизма, и теоретически предсказать существование электромагнитных волн, распространяющихся в пространстве с конечной скоростью.

Ответ: Максвелл выдвинул гипотезу о том, что изменяющееся во времени электрическое поле порождает магнитное поле.

2. Какой эксперимент послужил доказательством правильности теории близкодействия?

Доказательством правильности теории близкодействия, согласно которой взаимодействия передаются в пространстве с конечной скоростью через материальный посредник (поле), послужили опыты немецкого физика Генриха Герца, проведённые в 1886-1889 годах. Эти опыты опровергли господствовавшую ранее теорию дальнодействия, которая предполагала мгновенную передачу сил на расстояние без какой-либо среды.

Герц экспериментально сгенерировал и обнаружил электромагнитные волны, существование которых было предсказано теорией Максвелла. В своих экспериментах он:

1. Создал источник (вибратор Герца) и приёмник (резонатор) электромагнитных волн.

2. Доказал, что взаимодействие между ними распространяется не мгновенно, а с конечной скоростью.

3. Показал, что эти волны обладают всеми волновыми свойствами: они отражаются, преломляются, интерферируют и поляризуются.

Обнаружение конечной скорости распространения взаимодействия стало решающим аргументом в пользу теории близкодействия.

Ответ: Эксперименты Генриха Герца по генерации, приёму и исследованию свойств электромагнитных волн, которые подтвердили их распространение в пространстве с конечной скоростью.

3. Как Герц измерил скорость электромагнитной волны?

Генрих Герц измерил скорость электромагнитной волны косвенным методом, основываясь на фундаментальном соотношении для любой волны: $v = \lambda \cdot f$, где $\text{v}$ — скорость волны, $\lambda$ — её длина, а $\text{f}$ — частота.

1. Определение частоты ($\text{f}$): Частоту генерируемых электромагнитных колебаний Герц не измерял напрямую, а вычислял. Она определялась электрическими параметрами его генератора (вибратора) — индуктивностью $\text{L}$ и ёмкостью $\text{C}$ — по формуле Томсона для колебательного контура: $f = \frac{1}{2\pi\sqrt{LC}}$.

2. Измерение длины волны ($\lambda$): Для измерения длины волны Герц применил метод, основанный на интерференции. Он создал стоячую электромагнитную волну, отражая волны от генератора большой металлической пластиной. В результате сложения падающей и отражённой волн в пространстве образовались чередующиеся области максимумов (пучности) и минимумов (узлы) напряжённости поля. Перемещая свой приёмник-резонатор между генератором и пластиной, Герц находил положения узлов и пучностей. Расстояние между двумя соседними узлами (или пучностями) равно половине длины волны ($\lambda/2$). Измерив это расстояние рулеткой, он легко вычислял саму длину волны $\lambda$.

3. Расчёт скорости ($\text{v}$): Зная частоту и измерив длину волны, Герц вычислил их произведение и получил значение скорости распространения электромагнитных волн. Его результат оказался очень близок к скорости света, что стало блестящим подтверждением теории Максвелла.

Ответ: Герц измерил скорость электромагнитной волны, определив её длину волны ($\lambda$) из эксперимента по наблюдению стоячих волн и рассчитав частоту ($\text{f}$) по параметрам своего генератора, после чего вычислил скорость по формуле $v = \lambda \cdot f$.

4. Какой факт является доказательством того, что свет — электромагнитная волна?

Ключевым доказательством того, что свет является электромагнитной волной, является численное совпадение скорости света, измеренной экспериментально, и скорости электромагнитных волн, предсказанной теоретически Максвеллом.

1. Теоретический расчёт Максвелла: Решая свои уравнения для свободного пространства (вакуума), Максвелл получил, что скорость распространения электромагнитных волн $\text{c}$ должна определяться только двумя фундаментальными константами — электрической постоянной $\varepsilon_0$ и магнитной постоянной $\mu_0$: $c = \frac{1}{\sqrt{\varepsilon_0\mu_0}}$. Значения этих постоянных были уже известны из электростатических и магнитостатических экспериментов. Подстановка этих значений в формулу дала результат, поразительно близкий к $300\,000$ км/с.

2. Экспериментальное измерение скорости света: К тому времени скорость света была уже достаточно точно измерена как астрономическими, так и лабораторными методами (опыты Физо, Фуко), и её значение также составляло примерно $300\,000$ км/с.

Это совпадение позволило Максвеллу выдвинуть гипотезу о том, что свет — это электромагнитная волна видимого диапазона. Все последующие исследования свойств света (поляризация, дифракция, интерференция) и электромагнитных волн других диапазонов (радиоволны, рентгеновские лучи) полностью подтвердили их единую природу.

Ответ: Совпадение теоретически рассчитанной из уравнений Максвелла скорости распространения электромагнитных волн и экспериментально измеренной скорости света.