Номер 3, страница 297 - гдз по физике 9 класс учебник Хижнякова, Синявина

Примерные темы учебных проектов. I. История развития физики - номер 3, страница 297.

Условие.

Экспериментальное открытие электромагнитных волн.

Решение.

Экспериментальное открытие электромагнитных волн.

Существование электромагнитных волн было теоретически предсказано английским физиком Джеймсом Клерком Максвеллом в 1860-х годах. Обобщив все известные на тот момент законы электричества и магнетизма, он создал единую теорию электромагнитного поля, выраженную системой из четырех уравнений (уравнения Максвелла). Из этих уравнений следовало, что переменное во времени электрическое поле порождает переменное магнитное поле, которое, в свою очередь, порождает переменное электрическое поле. Этот процесс взаимного порождения полей распространяется в пространстве в виде электромагнитной волны. Максвелл также вычислил скорость этих волн в вакууме, которая оказалась равной скорости света ($c = 1/\sqrt{\epsilon_0 \mu_0}$, где $\epsilon_0$ — электрическая постоянная, а $\mu_0$ — магнитная постоянная). Это позволило ему сделать гениальный вывод о том, что свет является частным случаем электромагнитных волн.

Экспериментальное подтверждение теории Максвелла было получено немецким физиком Генрихом Герцем в 1886–1888 годах. Для генерации электромагнитных волн Герц использовал устройство, названное вибратором Герца. Оно состояло из двух медных стержней с металлическими шариками на концах, разделенных небольшим искровым промежутком. С помощью катушки Румкорфа в промежутке создавалось высокое напряжение, что приводило к проскакиванию искры — быстропеременному электрическому току. Эти ускоренно движущиеся заряды и становились источником электромагнитных волн.

Для обнаружения (приема) волн Герц использовал простейший резонатор — проволочную рамку с очень маленьким искровым промежутком. Когда электромагнитная волна от вибратора достигала резонатора, она возбуждала в нем переменный ток, и в его искровом промежутке проскакивала крошечная искра. Это убедительно доказывало, что энергия передается от источника к приемнику без проводов.

Герц провел серию опытов, чтобы доказать волновую природу этого излучения:

1. Отражение: Он установил, что волны отражаются от металлического листа, следуя закону отражения (угол падения равен углу отражения).

2. Преломление: Используя большую призму из асфальта, он продемонстрировал преломление электромагнитных волн.

3. Поляризация: Вращая приемник-резонатор относительно вибратора, Герц обнаружил, что интенсивность искры в приемнике зависит от их взаимной ориентации. Искра была максимальной, когда проводники вибратора и резонатора были параллельны, и исчезала при их перпендикулярном расположении. Это доказывало поперечность электромагнитных волн.

4. Интерференция и измерение длины волны: Отражая волны от металлического экрана, Герц получил стоячие волны. Перемещая приемник между экраном и источником, он находил точки, где искра пропадала (узлы) и где была максимальной (пучности). Расстояние между соседними узлами позволило ему измерить длину волны ($\lambda$).

Зная частоту колебаний ($\text{f}$) в своем передатчике и измерив длину волны, Герц смог вычислить скорость распространения волн по формуле $v = f \lambda$. Полученное им значение было очень близко к скорости света. Таким образом, опыты Герца блестяще подтвердили теорию Максвелла и открыли путь к эпохе беспроводной связи.

Ответ: Экспериментальное открытие электромагнитных волн было совершено Генрихом Герцем в 1886–1888 гг. Он смог сгенерировать волны с помощью искрового передатчика (вибратора) и зафиксировать их приемником (резонатором), доказав их существование. В ходе дальнейших опытов Герц установил, что эти волны обладают всеми свойствами волн (отражение, преломление, интерференция, поляризация) и распространяются со скоростью света, что стало неопровержимым подтверждением электромагнитной теории Максвелла.

Из истории изобретения радио.

Изобретение радио не было единовременным актом, а стало результатом работы многих ученых и инженеров в разных странах мира. Фундаментальной основой послужили теоретические работы Джеймса Максвелла и экспериментальные доказательства существования электромагнитных волн Генрихом Герцем. Сам Герц не видел практического применения своим открытиям, но они вдохновили других исследователей.

Ключевыми шагами на пути к созданию радио были:

1. Создание чувствительного приемника: В 1890 году французский физик Эдуард Бранли изобрел «когерер» — прибор, представлявший собой стеклянную трубку с металлическими опилками. Под действием электромагнитной волны сопротивление опилок резко падало, что позволяло зафиксировать ее приход. Когерер был значительно чувствительнее, чем резонатор Герца.

2. Первые демонстрации: Английский ученый Оливер Лодж в 1894 году усовершенствовал когерер и публично продемонстрировал передачу сигналов азбукой Морзе на небольшое расстояние. В Индии Джагадиш Чандра Боше проводил успешные опыты по передаче миллиметровых волн, но, как и Лодж, не ставил целью создание системы связи и не патентовал свои устройства.

3. Александр Степанович Попов: В России физик Александр Попов, работая над созданием прибора для регистрации грозовых разрядов, сконструировал высокочувствительный приемник. Его аппарат состоял из антенны, когерера, электромагнитного реле и электрического звонка. Важным нововведением Попова была схема автоматического «встряхивания» когерера молоточком звонка после приема сигнала, что возвращало прибор в исходное состояние и делало его готовым к приему следующего сигнала. 7 мая 1895 года Попов продемонстрировал свой «грозоотметчик» на заседании Русского физико-химического общества, что считается днем рождения радио в России. 24 марта 1896 года он осуществил первую в мире передачу осмысленного текста — радиограммы «ГЕНРИХ ГЕРЦ» — на расстояние около 250 метров.

4. Гульельмо Маркони: Практически одновременно с Поповым в Италии молодой инженер Гульельмо Маркони проводил свои опыты. В отличие от ученых-физиков, Маркони сразу увидел коммерческий потенциал беспроводной связи. Он систематически совершенствовал аппаратуру, добиваясь увеличения дальности передачи. Его ключевым нововведением стало использование заземления для передатчика и приемника, а также применение длинных вертикальных антенн, что позволило кардинально увеличить дальность связи. Не найдя поддержки в Италии, Маркони переехал в Великобританию, где 2 июня 1896 года подал заявку и получил первый в мире патент на «усовершенствования в передаче электрических импульсов и сигналов и в аппаратуре для этого». Он основал свою компанию и добился впечатляющих успехов, венцом которых стала первая трансатлантическая радиопередача в 1901 году.

Таким образом, вклад в изобретение радио внесли многие люди. Попов первым создал и продемонстрировал целостную систему для беспроводной передачи сообщений, а Маркони первым запатентовал, коммерциализировал и развил эту технологию до глобального масштаба.

Ответ: Изобретение радио является результатом трудов многих ученых. После открытия электромагнитных волн Герцем, ключевые вклады внесли Э. Бранли (создание когерера), А. С. Попов (создание в 1895 г. первого радиоприемника, пригодного для надежного приема сигналов, и осуществление первой радиопередачи текста в 1896 г.) и Г. Маркони (получение в 1896 г. патента на систему беспроводной связи и ее успешная коммерциализация, приведшая к широкому распространению радио). Вклад каждого из них был решающим на определенном этапе становления новой технологии.