Страница 214 - гдз по физике 9 класс учебник Пёрышкин, Гутник

1. Для чего электромагнитные волны подаются в антенну?

1. Данный вопрос, скорее всего, относится к работе передающей антенны и подразумевает, для чего высокочастотный электрический сигнал (который является ведомой электромагнитной волной, распространяющейся по кабелю) подается на антенну.

Основная задача передающей антенны — это преобразование подводимого к ней электрического сигнала в свободно распространяющуюся в пространстве электромагнитную волну (например, радиоволну). Этот процесс является ключевым для любой системы беспроводной связи.

Процесс излучения можно описать следующими шагами:

1. От передающего устройства (например, радиопередатчика или Wi-Fi роутера) по специальному кабелю (фидеру) к антенне подводится переменный электрический ток высокой частоты. Этот ток модулирован, то есть несет в себе закодированную информацию (голос, видео, пакеты данных).
2. Попадая в антенну, этот переменный ток заставляет свободные электроны в ее проводниках совершать колебательные движения с той же частотой. Поскольку скорость электронов постоянно меняется по величине и направлению, их движение является ускоренным.
3. Согласно законам классической электродинамики, любой ускоренно движущийся электрический заряд является источником электромагнитного излучения. Он создает в окружающем пространстве переменное электромагнитное поле.
4. Это поле, состоящее из изменяющихся и взаимно порождающих друг друга электрической ($ \vec{E} $) и магнитной ($ \vec{B} $) составляющих, отрывается от поверхности антенны и распространяется в пространстве со скоростью света, унося с собой энергию и информацию.

Таким образом, антенна выступает в роли преобразователя, который эффективно излучает энергию из замкнутой электрической цепи в открытое пространство.

Важно отметить, что антенна — устройство обратимое. Приемная антенна выполняет обратную функцию: она улавливает электромагнитную волну из пространства и преобразует ее энергию обратно в переменный электрический ток, который затем усиливается и обрабатывается приемником.

Ответ: Электромагнитные волны (в форме высокочастотного электрического тока) подаются в антенну для того, чтобы она преобразовала их энергию в энергию свободно распространяющихся в пространстве электромагнитных волн, обеспечивая тем самым беспроводную передачу информации.

2. Почему в радиовещании используются электромагнитные волны высокой частоты?

1. Для чего электромагнитные волны подаются в антенну?

Этот вопрос, вероятнее всего, касается процесса радиопередачи. В этом случае в передающую антенну подаются не сами электромагнитные волны, а высокочастотные электрические колебания от генератора передатчика. Антенна представляет собой открытый колебательный контур. Её основная задача — преобразовать эти электрические колебания в электромагнитные волны и эффективно излучить их в окружающее пространство. Переменный ток высокой частоты, протекающий по проводнику антенны, создает вокруг себя быстро меняющееся электромагнитное поле, которое отрывается от антенны и распространяется в виде электромагнитной волны.

Если же речь идет о приемной антенне, то ее функция обратная. Она улавливает (принимает) электромагнитные волны, приходящие от передатчика. Под действием переменного электрического поля волны в проводнике антенны возбуждаются слабые электрические колебания (индуцируется ЭДС), которые затем поступают в радиоприемник для усиления, детектирования и преобразования в звук или другую информацию.

Ответ: Электрические колебания высокой частоты подаются в передающую антенну для их преобразования в электромагнитные волны и последующего излучения в пространство. Приемная антенна служит для обратного процесса: преобразования энергии электромагнитной волны в электрические колебания.

2. Почему в радиовещании используются электромагнитные волны высокой частоты?

Использование электромагнитных волн высокой частоты (ВЧ) в радиовещании обусловлено несколькими фундаментальными физическими причинами:

• Эффективность излучения. Мощность, излучаемая антенной, прямо пропорциональна четвертой степени частоты колебаний ($P \propto \nu^4$). Это означает, что волны высокой частоты излучаются гораздо эффективнее, чем низкочастотные. Излучить волну звуковой частоты (например, 1 кГц) практически невозможно, так как мощность излучения будет ничтожно малой.
• Размеры антенны. Для эффективной работы размеры антенны должны быть сопоставимы с длиной волны ($\lambda$). Оптимальный размер простой антенны (полуволнового вибратора) равен половине длины волны. Длина волны обратно пропорциональна частоте ($\lambda = c/\nu$, где $c$ — скорость света). Для волн высокой частоты (например, FM-диапазон, ~100 МГц) длина волны составляет около 3 метров, что позволяет создавать антенны удобного размера (~1.5 м). Для низких частот потребовались бы антенны длиной в километры.
• Информационная ёмкость. Для передачи полезного сигнала (речи, музыки) несущую волну высокой частоты модулируют, то есть изменяют ее параметры (амплитуду, частоту) в соответствии с передаваемым сигналом. Этот процесс требует определенной полосы частот. Чем выше несущая частота, тем шире полосу можно выделить для передачи качественного сигнала и тем больше каналов (радиостанций) можно разместить в радиоэфире, не создавая взаимных помех.

Ответ: Волны высокой частоты используются в радиовещании, потому что они эффективно излучаются, позволяют конструировать антенны практичных размеров, а также обеспечивают необходимую ширину полосы для передачи качественного сигнала и одновременной работы множества радиостанций.

3. Что представляет собой колебательный контур?

Колебательный контур (или LC-контур) — это простейшая электрическая цепь, способная совершать свободные электромагнитные колебания. В идеальном случае он состоит из двух элементов: катушки индуктивности ($L$) и конденсатора ($C$).

Принцип работы заключается в периодическом обмене энергией между электрическим полем конденсатора и магнитным полем катушки. Если зарядить конденсатор и замкнуть его на катушку, он начнет разряжаться, создавая в катушке ток. Этот ток порождает магнитное поле, в котором запасается энергия. Когда конденсатор полностью разрядится, энергия электрического поля станет равной нулю, а энергия магнитного поля достигнет максимума. После этого магнитное поле начнет убывать, индуцируя в контуре ток, который перезаряжает конденсатор в обратной полярности. Затем процесс повторяется в обратном направлении.

Эти колебания происходят на определенной собственной (резонансной) частоте, которая зависит от параметров контура — его индуктивности и ёмкости. Эта частота определяется формулой Томсона: $\nu = \frac{1}{2\pi\sqrt{LC}}$

В реальных контурах всегда присутствует активное сопротивление ($R$), из-за которого часть энергии расходуется на нагрев проводников, и колебания постепенно затухают.

Ответ: Колебательный контур — это электрическая цепь, состоящая, как минимум, из катушки индуктивности и конденсатора, в которой могут происходить свободные электромагнитные колебания за счет периодического превращения энергии электрического поля конденсатора в энергию магнитного поля катушки и обратно.

4. Расска...

Вопрос номер 4 в предоставленном изображении является неполным, поэтому дать на него ответ невозможно.

3. Что представляет собой колебательный контур?

3. Колебательный контур (или LC-контур) — это простейшая электрическая цепь, в которой могут возникать и поддерживаться свободные электромагнитные колебания. В своей идеализированной форме он состоит из двух пассивных элементов: катушки индуктивности (индуктивность $L$) и конденсатора (ёмкость $C$).

Принцип действия колебательного контура заключается в периодическом обмене энергией между электрическим полем конденсатора и магнитным полем катушки. Этот процесс можно описать по шагам:

1. Предположим, в начальный момент времени конденсатор полностью заряжен, и разность потенциалов на его обкладках максимальна ($U_{max}$). Вся энергия системы сосредоточена в электрическом поле конденсатора и равна $W_E = \frac{CU_{max}^2}{2}$. Ток в цепи отсутствует.
2. Конденсатор начинает разряжаться через катушку. В цепи возникает электрический ток, который постепенно нарастает. По мере уменьшения заряда на конденсаторе энергия его электрического поля убывает, а энергия магнитного поля катушки, создаваемого током ($W_M = \frac{LI^2}{2}$), возрастает.
3. Когда конденсатор полностью разрядится (напряжение на нём станет равно нулю), сила тока в катушке достигнет своего максимального значения ($I_{max}$). В этот момент вся энергия контура переходит в энергию магнитного поля катушки: $W_M = \frac{LI_{max}^2}{2}$.
4. Из-за явления самоиндукции ток в катушке не может прекратиться мгновенно. Убывающее магнитное поле индуцирует ЭДС, которая поддерживает ток в прежнем направлении. Этот ток начинает перезаряжать конденсатор, но с противоположной полярностью обкладок. Энергия магнитного поля катушки преобразуется обратно в энергию электрического поля конденсатора.
5. Когда ток в цепи спадает до нуля, конденсатор оказывается полностью перезаряженным, а напряжение на нём вновь достигает максимального значения, но с обратным знаком. Весь запас энергии снова сосредоточен в электрическом поле.
6. После этого процесс повторяется в обратном направлении, завершая один полный цикл колебаний.

В идеальном колебательном контуре, где активное сопротивление проводов и катушки равно нулю ($R=0$), энергия не теряется, и колебания являются гармоническими и незатухающими. Период таких свободных колебаний определяется знаменитой формулой Томсона:

$T = 2\pi\sqrt{LC}$

В реальном колебательном контуре всегда присутствует некоторое активное сопротивление ($R > 0$). На этом сопротивлении происходит выделение теплоты по закону Джоуля-Ленца, что приводит к диссипации (рассеиванию) электромагнитной энергии. В результате свободные колебания в реальном контуре являются затухающими — их амплитуда со временем уменьшается.

Ответ: Колебательный контур — это электрическая цепь, состоящая как минимум из конденсатора и катушки индуктивности, способная к свободным электромагнитным колебаниям. Эти колебания возникают за счёт периодического превращения энергии электрического поля заряженного конденсатора в энергию магнитного поля катушки с током и обратно. Период собственных колебаний идеального контура (без сопротивления) определяется его индуктивностью $L$ и ёмкостью $C$ по формуле Томсона: $T = 2\pi\sqrt{LC}$. В реальных контурах из-за наличия сопротивления колебания являются затухающими.

4. Расскажите о цели, ходе и наблюдаемом результате опыта, изображённого на рисунке 156. Каким образом гальванометр мог регистрировать происходящие в этом контуре колебания?

3. Что представляет собой колебательный контур?

Колебательный контур — это электрическая цепь, состоящая из катушки индуктивности (L) и конденсатора (C), соединенных друг с другом. В такой цепи могут возникать и поддерживаться электромагнитные колебания.

Процесс колебаний представляет собой периодическое преобразование энергии. Если зарядить конденсатор и замкнуть его на катушку, то энергия электрического поля, запасенная в конденсаторе, начнет переходить в энергию магнитного поля, создаваемого током в катушке. Когда конденсатор полностью разрядится, ток и энергия магнитного поля достигнут максимума. После этого магнитное поле начнет убывать, индуцируя ЭДС самоиндукции, которая будет поддерживать ток в том же направлении и перезаряжать конденсатор в обратной полярности. Затем процесс повторится в обратном направлении, и энергия магнитного поля снова перейдет в энергию электрического поля.

В идеальном колебательном контуре (без активного сопротивления) этот процесс происходит без потерь энергии, и колебания являются незатухающими. Период этих свободных колебаний определяется формулой Томсона: $ T = 2\pi\sqrt{LC} $ где $L$ — индуктивность катушки, а $C$ — ёмкость конденсатора.

В любом реальном контуре всегда присутствует активное сопротивление, на котором часть энергии рассеивается в виде тепла. Из-за этого реальные свободные колебания в контуре являются затухающими.

Ответ: Колебательный контур — это цепь, содержащая катушку индуктивности и конденсатор, в которой могут возникать свободные электромагнитные колебания, представляющие собой периодический процесс превращения энергии электрического поля конденсатора в энергию магнитного поля катушки и обратно.

4. Расскажите о цели, ходе и наблюдаемом результате опыта, изображённого на рисунке 156. Каким образом гальванометр мог регистрировать происходящие в этом контуре колебания?

(Поскольку рисунок 156 отсутствует, ответ основан на реконструкции типичного опыта по демонстрации электромагнитных колебаний в контуре).

Цель опыта: Обнаружить и продемонстрировать наличие быстрых электромагнитных колебаний в LC-контуре.

Ход опыта:

1. Собирается установка, включающая колебательный контур (катушка индуктивности L и конденсатор C), источник постоянного тока и двухпозиционный переключатель.

2. С помощью переключателя конденсатор подключается к источнику тока и заряжается до некоторого напряжения. В конденсаторе запасается энергия электрического поля.

3. Затем переключателем конденсатор отключается от источника и замыкается на катушку индуктивности. В образовавшемся замкнутом LC-контуре возникают свободные электромагнитные колебания.

Наблюдаемый результат:

Прямое подключение чувствительного гальванометра в разрыв колебательного контура не даст результата — его стрелка не отклонится. Это происходит потому, что частота колебаний в контуре обычно очень высока, и стрелка прибора из-за своей инертности не успевает реагировать на быстрые изменения направления тока. Среднее значение переменного тока за период равно нулю, поэтому суммарного отклоняющего действия не возникает.

Для регистрации колебаний применяется более сложная схема. Рядом с катушкой основного контура (L1) размещают вторую катушку (L2), которую подключают к гальванометру через детектор (например, полупроводниковый диод). При возникновении колебаний в контуре стрелка гальванометра отклоняется, а затем возвращается к нулю. Это отклонение и свидетельствует о наличии кратковременного процесса колебаний.

Каким образом гальванометр мог регистрировать колебания:

Гальванометр регистрирует колебания косвенным методом, основанным на явлении электромагнитной индукции и детектировании (выпрямлении) переменного тока.

1. Индуктивная связь: Быстропеременный ток в катушке L1 создает вокруг нее переменное магнитное поле. Это переменное магнитное поле пронизывает витки второй катушки L2 и по закону электромагнитной индукции создает в ней переменную ЭДС. В цепи катушки L2 возникает переменный ток той же высокой частоты.

2. Детектирование (выпрямление): Переменный ток из катушки L2 проходит через детектор (диод), который обладает односторонней проводимостью. Он пропускает ток преимущественно в одном направлении, "срезая" отрицательные полуволны тока. В результате синусоидальный переменный ток преобразуется в пульсирующий ток одного направления.

3. Регистрация гальванометром: Пульсирующий ток, в отличие от переменного, имеет ненулевое среднее значение. Инертная стрелка гальванометра реагирует именно на это среднее значение, отклоняясь на угол, пропорциональный ему. Таким образом, отклонение стрелки гальванометра доказывает, что в первом контуре действительно существуют высокочастотные колебания, хотя и невидимые при прямом измерении.

Ответ: Цель опыта — демонстрация электромагнитных колебаний. В ходе опыта заряженный конденсатор замыкается на катушку. Гальванометр регистрирует колебания не напрямую, а через вторую катушку, связанную с первой индуктивно. Переменный ток, наведенный во второй катушке, выпрямляется диодом, и гальванометр показывает наличие постоянной составляющей этого тока, что подтверждает существование высокочастотных колебаний в исходном контуре.