Номер 5, страница 256 - гдз по физике 9 класс учебник Пёрышкин, Гутник

Глава 3. Световые явления. Электромагнитные волны. Параграф 52. Электромагнитное поле. Электромагнитные волны. Ответь на вопросы - номер 5, страница 256.

Условие.

5. Какие выводы относительно электромагнитных волн можно сделать из теории Максвелла?

Решение.

Решение 2.

Теория электромагнетизма, созданная Джеймсом Клерком Максвеллом в середине XIX века, представляет собой систему из четырех фундаментальных уравнений. Эти уравнения не только обобщили все известные на тот момент законы электричества и магнетизма, но и привели к ряду важнейших выводов о природе электромагнитных волн. Основные из них:

• 1. Существование электромагнитных волн и их источник

  Главный вывод теории Максвелла — это теоретическое предсказание самого факта существования электромагнитных волн. Согласно его уравнениям, переменное во времени электрическое поле ($\frac{\partial \vec{E}}{\partial t}$) порождает вихревое магнитное поле ($\nabla \times \vec{B}$), а переменное во времени магнитное поле ($\frac{\partial \vec{B}}{\partial t}$) порождает вихревое электрическое поле ($\nabla \times \vec{E}$). Эти два процесса неразрывно связаны и поддерживают друг друга. В результате в пространстве может распространяться единый процесс — электромагнитная волна, представляющая собой распространяющиеся в пространстве и времени колебания векторов напряженности электрического поля $\vec{E}$ и индукции магнитного поля $\vec{B}$. Источником таких волн, согласно теории, являются ускоренно движущиеся электрические заряды.

  Ответ: Теория Максвелла предсказывает существование электромагнитных волн как процесса взаимного порождения переменных электрического и магнитного полей, распространяющегося в пространстве. Источником этих волн служат заряды, движущиеся с ускорением.

• 2. Скорость распространения электромагнитных волн

  Из своих уравнений Максвелл вывел формулу для скорости распространения электромагнитных волн в вакууме. Эта скорость ($c$) оказалась связана с двумя фундаментальными физическими константами: электрической постоянной $\varepsilon_0$ и магнитной постоянной $\mu_0$.

  $c = \frac{1}{\sqrt{\varepsilon_0 \mu_0}}$

  Подстановка численных значений этих констант дала величину, поразительно близкую к экспериментально измеренной скорости света (около 300 000 км/с). Это позволило Максвеллу сделать гениальное предположение, что свет является частным случаем электромагнитных волн.

  Ответ: Электромагнитные волны в вакууме распространяются с конечной скоростью, равной скорости света, которая определяется фундаментальными электрической и магнитной постоянными ($c = 1/\sqrt{\varepsilon_0 \mu_0}$).

• 3. Поперечность электромагнитных волн

  Решение уравнений Максвелла для волнового процесса показывает, что колебания векторов напряженности электрического поля ($\vec{E}$) и индукции магнитного поля ($\vec{B}$) происходят в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны. Кроме того, векторы $\vec{E}$ и $\vec{B}$ всегда перпендикулярны друг другу. Таким образом, электромагнитные волны являются поперечными. Тройка векторов ($\vec{E}$, $\vec{B}$, вектор скорости $\vec{v}$) образует правую тройку, то есть они ориентированы так же, как оси x, y, z в правой системе координат.

  Ответ: Электромагнитные волны являются поперечными: векторы электрического ($\vec{E}$) и магнитного ($\vec{B}$) полей перпендикулярны друг другу и направлению распространения волны.

• 4. Перенос энергии и импульса

  Теория показывает, что электромагнитные волны переносят энергию. Плотность потока энергии, то есть количество энергии, переносимое волной через единичную площадку за единицу времени, описывается вектором Пойнтинга $\vec{S}$:

  $\vec{S} = \frac{1}{\mu_0} [\vec{E} \times \vec{B}]$

  Направление вектора $\vec{S}$ совпадает с направлением распространения волны. Помимо энергии, электромагнитные волны переносят и импульс. Это означает, что при поглощении или отражении волны на тело действует сила — сила светового давления. Существование этой силы также было предсказано Максвеллом.

  Ответ: Электромагнитные волны переносят энергию и импульс, что проявляется, в частности, в способности света оказывать давление на объекты.

• 5. Существование широкого спектра электромагнитных волн

  Из теории Максвелла не следует никаких ограничений на возможные частоты (и, соответственно, длины волн) электромагнитных колебаний. Это означало, что видимый свет — это лишь узкая часть огромного спектра электромагнитных волн. Теория предсказала существование волн с частотами как ниже, так и выше частот видимого света. Это предсказание блестяще подтвердилось последующими открытиями радиоволн (Г. Герц), рентгеновских лучей (В. Рентген), гамма-излучения и других видов электромагнитного излучения.

  Ответ: Теория Максвелла предсказала существование непрерывного спектра электромагнитных волн, различающихся по частоте и длине волны, частью которого является видимый свет.