Страница 260 - гдз по физике 9 класс учебник Пёрышкин, Гутник

1. Когда и кем были впервые получены электромагнитные волны?

Электромагнитные волны были впервые экспериментально получены и зарегистрированы немецким физиком Генрихом Рудольфом Герцем в период с 1886 по 1888 год. Существование таких волн было теоретически предсказано Джеймсом Клерком Максвеллом в 1860-х годах как следствие его уравнений электродинамики, но именно Герц смог экспериментально доказать их реальность.

Для генерации волн Герц использовал специальное устройство, известное как вибратор Герца или искровой передатчик. Он состоял из двух стержней с металлическими шарами на концах, разделенных небольшим искровым промежутком. При подаче на стержни высокого напряжения от индукционной катушки в промежутке возникал электрический разряд (искра). Этот разряд создавал в системе быстропеременные (колебательные) электрические токи, которые, согласно теории Максвелла, должны были излучать в пространство электромагнитные волны.

Для обнаружения этих невидимых волн Герц использовал приёмник — резонатор. Это была простая проволочная петля, также имевшая небольшой искровой промежуток. Когда электромагнитная волна от передатчика достигала приёмника, она индуцировала в нём переменный ток. Если частота волны совпадала с собственной частотой колебаний резонатора, возникал резонанс, и в искровом промежутке приёмника проскакивала очень слабая, едва заметная искра. Это и служило подтверждением того, что волна была принята.

В серии своих экспериментов Герц не только сгенерировал и обнаружил электромагнитные волны, но и исследовал их свойства. Он продемонстрировал, что они могут отражаться, преломляться, интерферировать и поляризоваться, подобно световым волнам. Также он измерил скорость их распространения, которая оказалась примерно равной скорости света. Эти опыты стали блестящим подтверждением электромагнитной теории Максвелла и заложили основы для развития радиотехники.

Ответ: Электромагнитные волны были впервые экспериментально получены немецким физиком Генрихом Герцем в 1886-1888 годах.

2. Как продемонстрировать отражение электромагнитных волн?

Электромагнитные волны были впервые экспериментально получены и зарегистрированы немецким физиком Генрихом Герцем в период с 1886 по 1888 год. Существование этих волн было теоретически предсказано Джеймсом Максвеллом в 1860-х годах в рамках его теории электромагнетизма, но именно Герц смог доказать их реальность.

Для генерации волн Герц использовал устройство, названное позже "вибратором Герца". Оно представляло собой искровой передатчик: два медных стержня с металлическими шарами на внутренних концах, образующими искровой промежуток, и сферами на внешних. При подаче на стержни высокого напряжения от индукционной катушки в промежутке проскакивала искра. Этот быстрый электрический разряд создавал в окружающем пространстве высокочастотные затухающие электромагнитные колебания.

Для обнаружения (приема) этих волн Герц использовал простое устройство — резонатор. Это была проволочная петля (часто прямоугольная или круглая) с очень маленьким искровым промежутком. Когда электромагнитная волна от передатчика достигала резонатора, она индуцировала в нем переменный ток. Если частота собственных колебаний резонатора совпадала с частотой волны (резонанс), напряжение в искровом промежутке становилось достаточным для пробоя, и в нем наблюдалась крошечная искра. Перемещая резонатор в пространстве, Герц смог не только обнаружить волны, но и изучить их свойства: отражение, преломление, интерференцию и поляризацию, подтвердив их волновую природу.

Ответ: Электромагнитные волны были впервые получены немецким физиком Генрихом Герцем в 1886–1888 годах.

2. Продемонстрировать отражение электромагнитных волн можно с помощью эксперимента, схема которого во многом повторяет опыты самого Герца. Для этого потребуется источник электромагнитных волн, отражающая поверхность и приемник.

Оборудование:

• Источник волн: Генератор УВЧ (ультравысоких частот) с рупорной антенной или классический вибратор Герца.
• Отражающая поверхность: Большой лист металла (например, стальной, алюминиевый или цинковый), который является хорошим проводником.
• Приемник волн: Приемная антенна, аналогичная передающей, подключенная к индикатору (осциллографу, гальванометру или просто неоновой лампочке, которая будет вспыхивать при достаточной интенсивности волны).

Ход эксперимента:

1. Источник волн и металлический лист располагают друг напротив друга на некотором расстоянии. Излучение направляют перпендикулярно листу.
2. Приемник помещают на линию, соединяющую источник и центр листа, и начинают медленно перемещать его вдоль этой линии.
3. В ходе перемещения приемника наблюдают, что показания индикатора (например, амплитуда на осциллографе или яркость лампочки) будут периодически достигать максимума (пучности) и падать практически до нуля (узлы).

Объяснение: Наличие четко выраженных максимумов и минимумов сигнала свидетельствует об образовании стоячей волны. Стоячая волна возникает в результате интерференции (сложения) двух волн, распространяющихся навстречу друг другу: падающей (от источника к листу) и отраженной (от листа к источнику). В точках, где фазы волн совпадают, происходит усиление (пучность), а где они в противофазе — ослабление (узел). Сам факт образования стоячей волны является неопровержимым доказательством отражения электромагнитных волн от проводящей поверхности.

Также можно продемонстрировать выполнение закона отражения: угол падения равен углу отражения. Для этого нужно направить волну на лист под некоторым углом и, перемещая приемник, найти направление, в котором интенсивность отраженной волны максимальна. Измерения покажут, что это направление симметрично падающему относительно перпендикуляра к поверхности.

Ответ: Для демонстрации отражения электромагнитных волн необходимо направить их от источника на большой металлический лист и с помощью приемника зафиксировать образование стоячей волны (чередование максимумов и минимумов сигнала) в пространстве между источником и листом, что доказывает факт отражения.

3. Как продемонстрировать преломление электромагнитных волн?

Для демонстрации преломления электромагнитных волн можно провести эксперимент, который наглядно покажет изменение направления распространения волн при их переходе из одной среды в другую. Этот опыт аналогичен классическому оптическому опыту с преломлением света в стеклянной призме, но проводится с волнами радиодиапазона.

Необходимое оборудование:

1. Источник (генератор) электромагнитных волн, например, СВЧ-генератор с рупорной антенной, создающий направленный пучок волн.

2. Приёмник электромагнитных волн с такой же антенной, подключённый к индикатору (например, гальванометру или осциллографу) для измерения интенсивности сигнала.

3. Преломляющий объект — большая трёхгранная призма из диэлектрического материала, например, парафина, плексигласа или эбонита. Показатель преломления этого материала должен отличаться от показателя преломления воздуха.

4. Поворотный столик с нанесённой угломерной шкалой (гониометр) для установки призмы и измерения углов.

Порядок проведения демонстрации:

1. Генератор и приёмник устанавливают на одной прямой друг напротив друга. Находят положение приёмника, в котором сигнал максимален. Это определяет первоначальное направление распространения волн.

2. На пути распространения волн на поворотный столик помещают диэлектрическую призму. В результате сигнал на приёмнике резко ослабевает или исчезает, так как волны, проходя через призму, отклонились от своего первоначального пути.

3. Не изменяя положения генератора и призмы, перемещают приёмник по дуге до тех пор, пока снова не будет найден максимум сигнала. Новое положение приёмника будет смещено относительно прямой, соединяющей его первоначальное положение и генератор.

4. Это смещение наглядно доказывает, что электромагнитные волны преломились, то есть изменили направление своего распространения при переходе через границы сред "воздух-призма" и "призма-воздух".

Физическая причина преломления заключается в изменении скорости распространения электромагнитных волн при переходе из одной среды в другую. Это явление подчиняется закону преломления Снеллиуса: $ \frac{\sin \alpha}{\sin \beta} = \frac{n_2}{n_1} $ где $\alpha$ — угол падения, $\beta$ — угол преломления, а $n_1$ и $n_2$ — абсолютные показатели преломления первой и второй сред соответственно. Измерив углы падения и преломления (или угол отклонения луча призмой), можно экспериментально подтвердить справедливость этого закона для электромагнитных волн.

Ответ: Преломление электромагнитных волн демонстрируют, пропуская направленный пучок радиоволн через диэлектрическую призму (например, из парафина). Изменение направления распространения пучка после прохождения через призму, которое фиксируется приёмником, является доказательством явления преломления.

4. Какой опыт позволяет наблюдать интерференцию электромагнитных волн?

Интерференция — это фундаментальное волновое явление, заключающееся в перераспределении интенсивности волн в пространстве в результате их наложения. Для демонстрации интерференции электромагнитных волн существует несколько классических опытов, наиболее известным из которых является опыт Юнга.

Опыт Юнга (опыт с двумя щелями)

Этот эксперимент, впервые поставленный английским учёным Томасом Юнгом в 1801 году, стал решающим доказательством волновой природы света (который является частным случаем электромагнитных волн).

Схема установки:

1. На пути пучка монохроматического света (света одной длины волны $\lambda$) размещают непрозрачный экран.
2. В этом экране сделаны две очень узкие и близко расположенные друг к другу параллельные щели ($S_1$ и $S_2$). Проходя через них, свет дифрагирует, и, согласно принципу Гюйгенса, каждая щель становится источником вторичных волн. Так как эти волны порождены одним и тем же исходным пучком света, они являются когерентными (имеют постоянную разность фаз).
3. На некотором расстоянии за экраном со щелями располагают второй экран, на котором наблюдается результат наложения этих двух волн.

Наблюдаемый результат:

На втором экране вместо двух отдельных светлых полос появляется сложная картина из чередующихся светлых и тёмных полос. Эта картина называется интерференционной.

• Светлые полосы (максимумы) образуются в тех точках экрана, куда волны от обеих щелей приходят в одинаковой фазе, усиливая друг друга (конструктивная интерференция). Условие возникновения максимума: разность хода лучей $\Delta d$ от щелей до точки на экране должна быть равна целому числу длин волн.

  $ \Delta d = k \cdot \lambda $, где $k = 0, \pm 1, \pm 2, \dots $

• Тёмные полосы (минимумы) образуются в точках, куда волны приходят в противофазе и гасят друг друга (деструктивная интерференция). Условие возникновения минимума: разность хода лучей должна быть равна полуцелому числу длин волн.

  $ \Delta d = (k + \frac{1}{2}) \cdot \lambda $, где $k = 0, \pm 1, \pm 2, \dots $

Помимо опыта Юнга, интерференцию электромагнитных волн можно наблюдать и в других экспериментах и явлениях:

• Интерференция в тонких плёнках: радужные цвета на поверхности мыльных пузырей или в тонком слое масла на воде.
• Кольца Ньютона: интерференционная картина в виде концентрических колец, возникающая при отражении света в зазоре между плоскопараллельной пластинкой и соприкасающейся с ней плоско-выпуклой линзой.
• Эксперименты с радиоволнами: используя две когерентные антенны-излучателя и перемещая приёмник, можно зафиксировать пространственное чередование максимумов и минимумов интенсивности сигнала.

Ответ: Классическим опытом, который позволяет наблюдать интерференцию электромагнитных волн, является опыт Юнга с двумя щелями. Также это явление демонстрируется при наблюдении интерференции в тонких плёнках (например, кольца Ньютона или мыльные пузыри) и в экспериментах с когерентными источниками радиоволн.

Казалось бы, получить электромагнитные волны можно было проще, чем это делал Герц. Подвесим заряженное тело на пружине и заставим его совершать колебания. Тело будет двигаться с ускорением и должно излучать электромагнитные волны. Как вы думаете, в чём причина того, что при такой постановке опыта обнаружить волны не удаётся?

Несмотря на то, что ускоренно движущийся заряд (каким и является колеблющееся на пружине заряженное тело) действительно должен излучать электромагнитные волны, в предложенном опыте их обнаружить не удается. Это связано с характеристиками механических колебаний, которые делают излучение практически незаметным. Существуют две главные, взаимосвязанные причины.

Первая причина — чрезвычайно малая мощность излучения. Мощность $P$ электромагнитного излучения, создаваемого колеблющимся зарядом, очень сильно зависит от частоты колебаний. Теория электродинамики показывает, что эта мощность пропорциональна квадрату ускорения заряда ($P \sim a^2$). В свою очередь, ускорение тела при гармонических колебаниях пропорционально квадрату циклической частоты ($a \sim \omega^2$), где $\omega = 2\pi\nu$. В результате мощность излучения оказывается пропорциональна четвертой степени частоты: $P \sim \nu^4$.

Частота $\nu$ колебаний маятника на пружине очень мала — обычно это несколько герц (Гц). В то же время в опытах Генриха Герца использовались высокочастотные электрические колебания в искровом разряднике, частота которых достигала десятков и сотен мегагерц (МГц, $10^6$ Гц). Разница в частотах в миллионы раз приводит к тому, что мощность излучения в опыте с пружиной будет в колоссальное число раз меньше, чем в установке Герца. Например, если частота в опыте Герца была 100 МГц, а частота маятника 1 Гц, то отношение мощностей будет $(100 \cdot 10^6 / 1)^4 = 10^{32}$ раз. Такая ничтожно малая мощность лежит далеко за пределами чувствительности любых современных детекторов.

Вторая причина — огромная длина волны. Длина излучаемой электромагнитной волны $\lambda$ обратно пропорциональна ее частоте $\nu$ по формуле $\lambda = c/\nu$, где $c$ — скорость света (примерно $3 \cdot 10^8$ м/с). Для волны, излучаемой маятником с частотой, например, $\nu = 1$ Гц, длина волны составит:

$\lambda = \frac{3 \cdot 10^8 \text{ м/с}}{1 \text{ Гц}} = 300\;000\;000 \text{ м} = 300\;000 \text{ км}$

Это гигантская длина волны, в несколько раз превышающая диаметр Земли. Для эффективного излучения и приема (детектирования) электромагнитных волн необходимы антенны, размеры которых сопоставимы с длиной волны (например, $\lambda/2$ или $\lambda/4$). Создать антенну размером в десятки тысяч километров для такого эксперимента невозможно. Для сравнения, в опытах Герца длина волны составляла несколько метров, что позволяло использовать приемники и передатчики разумных, лабораторных размеров.

Ответ: Причина, по которой не удается обнаружить электромагнитные волны от заряженного тела на пружине, заключается в том, что частота механических колебаний очень низка. Это приводит к двум ключевым проблемам: 1) мощность излучаемых волн оказывается чрезвычайно малой и недостаточной для регистрации приборами; 2) длина излучаемых волн оказывается огромной (сотни тысяч километров), что делает невозможным их детектирование с помощью антенн разумных размеров.