Что такое электромагнитная волна 9 класс физика
Перейти к содержимому

Что такое электромагнитная волна 9 класс физика

  • автор:

Что такое электромагнитная волна 9 класс физика

Физика

Электродинамика

Магнитное поле

Механические колебания

Электромагнитные колебания

Механические волны

Электромагнитные волны

Оптика

Геометрическая оптика

Задачи на сферическое зеркало

Линза

Волновая оптика

Основы теории относительности

Основы квантовой физики

Излучения и спектры

Световые кванты

Атомная физика

Ядерная физика

Физика элементарных частиц

Открытие позитрона. Античастицы

Современная физическая картина мира

Современная физическая картина мира

Строение Вселенной

Строение Вселенной

Звёзды и источники их энергии. Современные представления о происхождении и эволюции Солнца и звёзд

Наша галактика и другие галактики

Пространственные масштабы наблюдаемой Вселенной

Применимость законов физики для объяснения природы космических объектов

«Красное смещение» в спектрах галактик

Современные взгляды на строение и эволюцию Вселенной

Наблюдение солнечных пятен, звёздных скоплений, туманностей и галактик

Медиаматериалы

Электромагнитные волны

Электромагнитная волна – система порождающих друг друга и распространяющихся в пространстве переменных электрического и магнитного полей.

Электромагнитные волны являются поперечными – колебания векторов напряжённости электрического поля �� → и индукции магнитного поля �� → в них происходят в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны.

Электромагнитные волны распространяются в вакууме со скоростью света:

Длина электромагнитной волны зависит от её частоты ν и скорости так же, как и для механической волны:

В 1888 г. немецкому учёному Г. Герцу впервые удалось получить и зарегистрировать электромагнитные волны.

Электромагнитные волны

Мы продолжаем беседу об электромагнитных полях.
Вспомним, что нам уже известно о них. Переменное магнитное поле вызывает появление вихревого электрического поля. При этом замкнутый контур позволяет лишь обнаружить это поле по действию индуцированного тока в этом контуре, электромагнитное поле будет существовать независимо от наличия проводников. Максвелл предположил, что переменное магнитное поле и электрическое поле равноправны, и изменение одного из поле будет вызывать появление другого. Количественной характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции В . Предположим, что в пространстве существует изменяющееся магнитное поле, тогда это вызовет появление вихревого электрического поля. Характеризовать вихревое эклектическое поле мы будем с помощью векторной величины, которая получила название напряженность электрического поля. Обозначают ее буквой ( Е ) «е» со знаком вектора. Единица измерения этой величины Ньютон деленое на Кулон, так как напряженность в какой-либо точке этого поля можно определить как отношение силы F «эф», с которой поле действует на точечный положительный заряд q «кью», помещенный в данную точку поля, к величине этого заряда. Вектор напряженности направлен по касательной к силовым линиям вихревого электрического поля. Вихревое и магнитное поля можно образно представить в виде сложной цепочки, состоящей из колец. Причем эта цепочка удлиняется на наших глазах, демонстрируя распространение электромагнитных полей. Система порождающих друг друга и распространяющихся в пространстве переменных электрического и магнитного полей представляет собой электромагнитную волну. Электромагнитная волна будет распространяться в пространстве во всех направлениях Изменение магнитного поля и электрического означает изменение их основных характеристик: вектора магнитной индукции и вектора напряженности. В электромагнитной волне векторы Е и В периодически изменяются по модулю и направлению, т.е. колеблются. За время, равное периоду колебаний, волна переместится вдоль оси на расстояние, равное длине волны. Соотношения между длиной волны, ее периодом, скоростью и частотой колебаний справедливы как для механических, так и для электромагнитных волн. С понятием электромагнитных волн, пожалуй, знаком каждый человек. Ведь вокруг нас столько передающих и принимающих приборов: это и сотовые телефоны, модемы, телевизоры и многие другие, ставшие уже привычными нам, приборы. Работа всех этих приборов основана на принципе передачи и приема электромагнитных волн. Впервые удалось получить и зарегистрировать электромагнитную волну в 1888 году немецкому ученому Генриху Герцу, который, проводил свои опыты, пытаясь опровергнуть теорию Максвелла о существовании электромагнитных полей. Как оказалось, электромагнитные волны наполняют все существующее пространство. Для удобства, их разделили по длинам волн, а значит и по соответствующим частотам. Эти волны отличаются своим проявлением: проникающей способностью, цветностью, скоростью распространения в среде и так далее. Видимое излучение позволяет человеку познавать мир вокруг и является неотъемлемым компонентом при фотосинтезе кислорода в клетках растений.
Инфракрасное излучение — это тепловое излучение. И очевидно, что без необходимой доли теплового излучения, которое мы получаем, в первую очередь от Солнца, жизнь на Земле была бы не возможна.

Остались вопросы по теме? Наши педагоги готовы помочь!

  • Подготовим к ЕГЭ, ОГЭ и другим экзаменам
  • Найдём слабые места по предмету и разберём ошибки
  • Повысим успеваемость по школьным предметам
  • Поможем подготовиться к поступлению в любой ВУЗ

Электромагнитная волна. Свойства электромагнитных волн

Из этого урока мы узнаем, что такое электромагнитная волна и познакомимся с ее основными свойствами. Узнаем, почему, Генрих Герц, получив способ генерирования электромагнитных волн, отказался от их дальнейшего исследования, и кто из русских ученых опроверг данное заявление Герца.

В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет.

Получите невероятные возможности

1. Откройте доступ ко всем видеоурокам комплекта.

2. Раздавайте видеоуроки в личные кабинеты ученикам.

3. Смотрите статистику просмотра видеоуроков учениками.
Получить доступ

Конспект урока «Электромагнитная волна. Свойства электромагнитных волн»

«Без естественных наук нет спасения

современному человеку, без этой здоровой пищи,

без этого строгого воспитания мысли фактами,

без этой близости к окружающей нас жизни»

Данная тема посвящена изучению электромагнитных волн и их свойств.

Для успешного усвоения данного материала, необходимо вспомнить некоторые определения и понятия, пройденные в курсе физики 9 класса.

Механическая волна — это распространение колебаний частиц вещества в пространстве. В физике различают продольные и поперечные волны. Волна называется продольной, если частицы среды совершают колебания в направлении распространения волны; а поперечной называется волна, когда частицы среды совершают колебания в направлении, перпендикулярном направлению распространения волны.

Какие величины характеризуют волну? Это длина волны, скорость ее распространения, период и частота колебаний.

Длина волны — это расстояние между двумя ближайшими точками, колеблющимися в одинаковых фазах. При этом длина волны равна тому расстоянию, на которое распространяется фронт волны за время, равное периоду колебаний источника волн.

Механические волны не могут распространяться в вакууме, т.е. для их существования необходимо наличие упругой среды: газа, жидкости или твердого тела.

В отличии от них, существуют волны и не нуждаются в наличии какого-либо вещества. То есть, они могут существовать и в вакууме. Такие волны называются электромагнитными волнами.

Впервые гипотезу о существовании электромагнитных волн высказал шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл в 1864 году. В своих работах он показал, что источниками электрического поля могут быть как электрические заряды, так и магнитные поля, изменяющиеся со временем.

В свою очередь магнитные поля могут возбуждаться либо движущимися электрическими зарядами (т.е. электрическим током), либо переменными электрическими полями.

Получается замкнутый круг: поля могут попеременно воспроизводить друг друга даже в вакууме, и этот процесс может повторяться до бесконечности.

Совокупность связанных друг с другом периодически изменяющихся электрического и магнитного полей называют электромагнитным полем.

Из теории электромагнитного поля Максвелла вытекает, что по своей природе электромагнитное поле не может быть локализовано в месте зарождения, а распространяется в пространстве. При этом данный процесс распространяется в пространстве по всем направлениям.

Так вот, распространяющееся в пространстве периодически изменяющееся электромагнитное поле и представляет собой электромагнитную волну.

В связи с тем, что электромагнитные волны распространяются не только в веществе, но и в вакууме, возникает вопрос: что совершает колебания в электромагнитной волне, иными словами, какие физические величины периодически меняются в ней?

Известно, что количественной характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции,а количественной характеристикой электрического поля служит его напряженность. Поэтому, когда говорится о том, что магнитное и электрическое поля меняются, то понимается, что меняются соответственно вектор индукции магнитного поля и вектор напряженности электрического поля.

Теперь давайте посмотрим, какими свойствами обладает электромагнитная волна.

Первое самое важное свойство, электромагнитных волн непосредственно вытекает из открытых Максвеллом законов электромагнетизма — это вывод о конечности скорости распространения электромагнитных волн. Т.е. если в какой-либо малой области пространства будет периодически изменять электрическое и магнитное поля, то эти изменения будут повторяться и в других точках пространства, причем в каждой последующей несколько позже, чем в предыдущей.

Максвелл чисто математически показал, что скорость такого распространения в вакууме зависит только от диэлектрической и магнитной постоянных, т.е. равна скорости света.

А в среде эта скорость меньше и зависит как от диэлектрической, так и от магнитной проницаемостей среды.

Вот что по этому поводу писал сам Максвелл в письме Уильяму Томсону: «Скорость поперечных волновых колебаний в нашей гипотетической среде, вычисленная из электромагнитных опытов Кольрауша и Вебера, столь точно совпадает со скоростью света, вычисленной из оптических опытов Физо, что мы едва ли может отказаться от вывода, что свет состоит из поперечных колебаний той же самой среды, которая является причиной электрических и магнитных явлений».

Под периодическими изменениями электрического и магнитного полей понимают колебания векторов напряженности электрического поля и индукции магнитного поля. Так вот, оказывается, что колебания этих векторов происходят перпендикулярно вектору скорости распространения электромагнитной волны. Отсюда, мы можем сделать вывод о том, что электромагнитная волна — это поперечная волна. Это и есть второе свойство электромагнитной волны.

Третье свойство непосредственно вытекает из второго. Так как электромагнитная волна является поперечной, то колебания векторов напряженности электрического поля и индукции магнитного поля в каждой точке электромагнитной волны происходят в одинаковых фазах и по двум взаимно перпендикулярным направлениям.

Помимо выше сказанного, вектора напряженности электрического поля и индукции магнитного поля образуют с вектором скорости распространения, так называемую, правовинтовую систему. Т.е. если расположить головку правого винта в плоскости векторов напряженности электрического поля и индукции магнитного поля и будем ее поворачивать по кратчайшему пути в направлении от вектора к вектору , то поступательное движение острия винта укажет нам направление вектора скорости в данный момент времени. Это есть четвертое свойство электромагнитной волны.

Пятое свойство говорит о том, что период электромагнитной волны равен периоду колебаний источника электромагнитных волн. Для электромагнитных волн справедливы те же соотношения между длиной волны, ее скоростью, периодом и частотой колебаний, что и для механических волн. Т.е. справедливы соотношения:

Электромагнитная волна, как и упругая, является носителем энергии, причем перенос энергии совершается в направлении распространения волны — это шестое свойство.

Энергию электромагнитной волны можно рассчитать по формуле

где V —объем среды, в котором сосредоточена электромагнитная волна.

При этом переносимая электромагнитной волной энергия пропорциональна четвертой степени частоты. В связи с этим, источником интенсивных электромагнитных волн, т.е. волн, способных переносить энергию на большие расстояния, должны быть электромагнитные колебания с частотой порядка 10 6 Гц. Однако никакие современные генераторы не могут создать переменный ток такой частоты, так как в этом случае якорь генератора должен совершать миллион оборотов в секунду. Поэтому источником интенсивных электромагнитных волн такой частоты может быть только колебательный контур, циклическая частота колебаний которого, согласно формуле, будет тем больше, чем меньше индуктивность и емкость контура.

Седьмое свойство говорит о том, что электромагнитные волны в однородной среде распространяются прямолинейно, при переходе из одной среды в другую испытывают преломление и отражаются от преград.

В свое время все эти работы Максвелла вызвали шок среди ученых. Сам Фарадей с удивлением писал: «Сначала я даже испугался, когда увидел такую математическую силу, примененную к вопросу, но потом удивился, видя, что вопрос выдерживает это столь хорошо».

К сожалению, Максвелл не дожил до надежного экспериментального подтверждения своих расчетов.Международное научное мнение изменилось в результате опытов Генриха Герца, который только через 20 лет в серии своих экспериментов продемонстрировал генерацию и прием электромагнитных волн.

Он разработал удачную конструкцию генератора электромагнитных колебаний (вибратор Герца) и метод их обнаружения способом резонанса. Это устройство представляет собой открытый колебательный контур, который можно получить из закрытого путем раздвижения пластин конденсатора и уменьшением их площади до тех пор, пока не получится просто прямой провод.

В таком открытом контуре заряды не сосредоточены на его концах, а распределяются по всему проводнику, при этом ток в данный момент времени во всех сечениях проводника будет направлен в одну и ту же сторону. Однако сила тока в различных сечениях проводника неодинакова — на концах она равна нулю, а в центре — максимальная.

Для возбуждения колебаний в таком открытом контуре, во времена Герца, поступали следующим образом: провод разрезали посредине так, чтобы оставался небольшой промежуток. При подаче от индукционной катушки высокого напряжения в промежутке проскакивала искра, которая и закорачивала его. За время горения искры, в контуре совершалось большое количество колебаний. Приемник (его еще называют резонатор) также состоял из проволоки с искровым промежутком. Наличие резонанса выражалось в возникновении искр в искровом промежутке резонатора в ответ на искру, возникающую в вибраторе.

В результате проделанных Герцем опытов были также обнаружены все свойства электромагнитных волн, теоретически предсказанные Максвеллом. Однако сам Герц считал, что полученные им электромагнитные волны невозможно использовать в больших масштабах и тем более передавать с их помощью какую-либо информацию.

Таким образом, Генрих Герц завершил огромный труд, начатый Фарадеем. Максвелл преобразовал представления Фарадея в математические формулы, а Герц превратил математические образы в видимые и слышимые нами электромагнитные волны. Слушая радио, просматривая телевизионные передачи, все должны помнить об этом человеке. Не случайно единица частоты колебаний названа в честь Герца, и совсем не случайно первыми словами, переданными русским физиком А.С. Поповым с помощью беспроводной связи, были «Генрих Герц», зашифрованные азбукой Морзе.

Любопытно, но за семь лет до Герца, в 1879 году английский физик Дэвид Эдвард Хьюз также продемонстрировал перед крупными учеными эффект распространения электромагнитных волн в воздухе. Однако, в результате многочисленных обсуждений, ученые решили, что видят явление электромагнитной индукции Фарадея. Хьюз расстроился, не поверил самому себе и опубликовал результаты лишь в 1899 году, когда теория Максвелла-Герца уже стала общепринятой.

На данный момент известно, что буквально всё пространство вокруг нас пронизано электромагнитными волнами различных частот. В настоящее время все электромагнитные волны разделены по длинам волн (и, соответственно, по частотам) на шесть основных диапазонов.

Границы этих диапазонов весьма условны, потому как в большинстве случаев соседние диапазоны несколько перекрывают друг друга.

Электромагнитные волны разных частот отличаются друг от друга проникающей способностью, скоростью распространения в веществе, видимостью, цветностью и некоторыми другими свойствами.

В настоящее время электромагнитные волны находят широкое применение в науке и технике:

– плавка и закалка металлов, изготовление постоянных магнитов;

– телевидение и радиосвязь;

– мобильная связь и радиолокация;

– сварка, резка и плавка металлов лазерами, приборы ночного видения;

– освещение и голография;

– люминесценция в газоразрядных лампах и закаливание живых организмов;

– дефектоскопия и исследование внутренней структуры атомов;

– и многое-многое другое.

Основные выводы:

– Распространяющееся в пространстве периодически изменяющееся электромагнитное поле называется электромагнитной волной.

Электромагнитные взаимодействия в природе не происходят мгновенно – они распространяются с конечной скоростью, которая зависит от свойств среды.

– Для излучения электромагнитных волн необходимо иметь открытый колебательный контур, в котором будут генерироваться электромагнитные колебания высокой частоты.

Физика

Переоценить значение электромагнитных волн в плане их применения в работе современной техники практически невозможно.

  • Радиопередача
  • Телевещание
  • Мобильная связь
  • Wi-fi и Bluetooth
  • Микроволновая печь

Этот список можно было продолжать, однако в этом нет особой необходимости, ведь даже ту гамму красок, которую мы видим вокруг нас, наши глаза воспринимают благодаря чувствительности к определенному диапазону электромагнитных волн, которые принято называть видимым светом.

Стоит отметить, что, несмотря на всепоглощающее использование передачи электромагнитных волн, эта технология вошла в жизнь человечества не так давно (по меркам классической науки).

Генрих Герц в 1888 году экспериментально доказал наличие электромагнитных волн, хотя до этого оно было предсказано теоретически Джеймсом Максвеллом.

Из теории Максвелла следовало, что изменяющееся электромагнитное поле должно распространяться в пространстве в виде электромагнитной волны.

Волны – возмущения, которые распространяются в пространстве, удаляясь от места их возникновения.

Основные положения теории Максвелла

  1. Они могут распространяться без наличия какой-либо среды, т. е. в вакууме.
  2. В вакууме они распространяются со скоростью света: с= 300 000 км/с.
  3. Электромагнитная волна является поперечной.

Прокомментируем

1. Что касается распространения в вакууме – это принципиально отличает электромагнитные волны от механических. Например, для распространения звуковых волн обязательно необходима какая-либо среда.

Принцип распространения звуковых волн

При распространении звука механические колебания передаются от одних частиц к другим. А что же может создавать колебания при отсутствии какой-либо среды?

Положительная полуволна создает уплотнение частиц среды, а отрицательная – разрежение (рис. 1).

Рис. 1. Уплотнение и разрежение среды

Электромагнитная волна – система порождающих друг друга и распространяющихся в пространстве переменных электрического и магнитного полей.

Силовые характеристики электрического и магнитного полей

Магнитная индукция, силовая характеристика магнитного поля.

[B]= Тл =

Напряжённость эл. поля, силовая характеристика электрического поля.

Показывает так же, как и магнитная индукция, с какой силой поле действует на заряд (при условии, что заряд не покоящийся).

[Е]= =

Изменение векторов силовых характеристик электромагнитной волны

Под тем, что в электромагнитной волне меняются электрическое и магнитное поля, следует понимать, что изменяется по значению и направления вектора напряженности и индукции .

Рис. 2. Векторы, характеризующие магнитную волну

2. Что касается положения о скорости распространения электромагнитных волн, стоит отметить, что измерена она была еще задолго до выдвижения гипотез Максвелла. Однако на то время было известно, что это только скорость света.

3. Поперечная волна – волна, направление распространения которой перпендикулярно направлению колебаний.

Электромагнитная волна

Исходя из всех положений теории Максвелла, можно увидеть на рисунке условное обозначение векторов, задающих любую электромагнитную волну.

Он показывает направление ее распространения в пространстве (рис. 3).

Рис. 3. Вектор скорости волны

Обратите внимание, что направление колебаний векторов и перпендикулярно, что легко доказывается взаимным расположением линии переменного магнитного поля и линией вихревого электрического поля (рис. 4).

Рис. 4. Расположение линий магнитного и электрического поля

Посмотрим на изображение и убедимся, что они перпендикулярны (рис. 5)

Рис. 5. Перпендикулярность силовых линий

Перпендикулярность векторов индукции и напряженности к вектору скорости показывает, что электромагнитная волна действительно является поперечной (рис. 6).

Рис. 6. Поперечная электромагнитная волна

Еще раз отметим, что колебания определяют векторы и , а скорость волны при этом не изменяется.

Как для механических, так и для электромагнитных волн имеет смысл такой параметр, как длина волны.

Длина волны

Длина волны – это расстояние, которое проходит волна за время, равное периоду колебаний (рис. 7).

Рис. 7. Длина волны

Вычисление длины волны

= с =

с – скорость света в вакууме, с

Т – период колебаний электромагнитной волны

v частота колебаний электромагнитной волны

Задача на работу с формулой вычисления волны

Рассмотрим практическую задачу вычисления двух взаимосвязанных параметров электромагнитной волны – частоты и длины волны.

На какой частоте суда передают сигнал бедствия SOS, если по международному соглашению длина радиоволны должна быть 600 м?

Решение: = v =

Вспомним, что речь идет об электромагнитной волне и нам известна ее скорость в вакууме с . Отметим, что в воздухе она примерно равна значению в вакууме.

v = = 0,5 * Гц = 0,5 МГц

Частота и длина волны являются взаимосвязанными величинами и одновременно самыми применимыми параметрами для описания электромагнитных волн в технике.

Принцип радиолокации

Самыми известными сферами применения электромагнитных волн в технике являются радиопередача и радиолокация.

Радиолокация – определение расстояния до преграды или какого-нибудь тела, основанное на явлении отражения электромагнитной волны от поверхности.

В радиолокации используется явление отражения радиоволн от металлических объектов, которые больше длины волны излучения.

Например: военные таким образом производят радиолокацию самолетов противника (рис. 8).

Рис. 8. Радиолокация самолетов

Учитывая, что скорость электромагнитных волн известна и постоянна и то, что мы можем замерять время между ее отправкой и получением после отображения от объекта, мы можем записать формулу определения расстояния до этого объекта в следующем виде: , где

с (как мы знаем, это скорость света в вакууме, которая примерно такая же, как и в воздухе).

(время между отправкой и получением электромагнитной волны).

Деление на 2 обозначает, что радиоволна проходит расстояние до объекта и обратно.

Рис. 9. Частота в радиоприемнике

Например: настройка частоты в радиоприемнике (рис. 9).

Вибратор Герца

Между тем, как Максвелл вывел свою теорию об электромагнитных волнах и тем, что Герц доказал это на практике, прошло более 20 лет.

Герц использовал прибор, который впоследствии получил название вибратор Герца (рис. 10).

Рис. 10. Вибратор Герца

Он представлял собой обыкновенную антенну, разделенную пополам, на которую подавалось высокое напряжение. В результате электрического пробоя между двумя частями антенны в ней возникали высокочастотные магнитные колебания, которые излучали в пространство электромагнитные волны. Они регистрировались аналогично устроенной антенной в виде такого же электрического пробоя между ее частями. Эксперимент доказал наличие электромагнитной волны в пространстве (рис. 11).

Рис. 11. Иллюстрация к эксперименту

Шкала электромагнитных волн

Рис. 12. Шкала электромагнитных волн

Каждый из этих диапазонов характеризируется своими свойствами и сферой технического применения (рис. 13).

Рис. 13. Свойства и сфера технического применения волн

Шкала электромагнитных излучений и свойства её диапазонов

Радиоволны являются самым низкочастотным излучением из всех диапазонов и используются для передачи информации, т. е. в радио, телевидении и мобильной связи.

Инфракрасное излучение является тепловым излучением. В технике на принципе улавливания инфракрасного излучения предметов основан принцип работы приборов ночного видения и тепловизора.

Видимое излучение – это то излучение, свет которого ощущают наш органы зрения (т. е. глаза). Чувствительность наших глаз позволяет разделять видимый свет на различные цвета в зависимости от его частоты.

Ультрафиолетовое излучение – отношение влияния на человека является неоднозначным и зависит от его интенсивности. В малых дозах оно является полезным: из-за него возникает загар и в коже вырабатывается витамин D. Однако известно, что при избыточном пребывании под летним солнцем возникают опасности ожогов кожи и развития ее заболевания. В технике ультрафиолетовое излучение используется при определении подлинности ценных бумаг и денег, а также в технологиях обеззараживания воды и воздуха.

Рентгеновское излучение. На его излучении основаны методики диагностики организма, такие как рентгенография и флюорография. Известный факт, что относительно безопасным такое излучение является только в малых дозах. Поэтому количество рентгеновских обследований в год отслеживается в медкарте.

y -излучение является продуктом протекания некоторых ядерных реакций. Такое излучение крайне опасно для живых организмов и может вызвать у человека развитие лучевой болезни при излишнем облучении.

Заключение

На сегодняшнем уроке мы рассмотрели теоретические предположения о природе и свойствах электромагнитных волн. Узнали о возможностях графического представления электромагнитных волн и их классификации.

Список литературы

  1. Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования.
  2. Яворский Б. М., Пинский А. А., Основы физики, т. 2., – М. Физматлит., 2003.
  3. Элементарный учебник физики. Под ред. Г. С. Ландсберга, Т. 3. – М., 1974.

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

  1. Интернет-портал «physics.ru» (Источник)
  2. Интернет-портал «femto.com.ua» (Источник)
  3. Интернет-портал «b-i-o-n.ru» (Источник)

Домашнее задание

  1. Что такое волна? При каком условии возможно распространение волны?
  2. В каких средах могут возникать и распространяться поперечные волны?
  3. Как связаны между собой скорость, длина волны и период колебаний частиц в волне?

Электромагнитные волны физика 9 класс

Электромагнитные сигналы

Изучаем.
1. Электромагнитное поле – это
порождающие друг друга переменное
магнитное и постоянное электрическое
переменное
поле.
2. Источник электромагнитного поля –
ускоренно движущиеся электрические
заряды.
10

4.

Изучаем.
3. Вокруг зарядов движущихся с постоянной
скоростью создается постоянное магнитное
поле.
4. Между электростатическим полем и
вихревым электрическим полем нет
отличии.
11

5.

Изучаем.
5. Волны в которых колебания происходят
вдоль направления распространения
движения, называются поперечными.
продольными
6. Поперечные волны могут
распространяться в жидкостях, газах,
твердых телах. в твердых телах.
12

6.

Изучаем.
— напряженность электрического поля.
— вектор магнитной индукции.
14

7.

Постоянное электрическое поле.
15

8.

Вихревое электрическое поле.
16

9.

Электромагнитная волна.
17

10.

Свойства электромагнитных волн
1. Электромагнитные волны возникают при
ускоренном движении электрических
зарядов.
2. Электромагнитные волны могут
распространяться не только в веществе
(газе, жидкости, твердом теле) но и
вакууме.
3. Электромагнитная волна является
поперечной.
18

11.

Свойства электромагнитных волн
4. Скорость электромагнитных волн в
вакууме равна 3*108 м/c. В веществе
скорость электромагнитных волн меньше,
чем в вакууме.
19

12.

Свойства электромагнитных волн
5. Электромагнитная волна переносит
энергию.
20

13.

Условие передачи ЭМВ
Для создания интенсивной электромагнитной
волны необходимо, чтобы колебания
векторов и происходили с достаточно
высокой частотой (порядка 100000 в с.).
21

14.

Получение электромагнитных волн
В 1888 г. немецкому
ученому Генриху Герцу
удалось получить и
зарегистрировать
электромагнитные волны.
Были обнаружены все
свойства
электромагнитных волн,
теоретически
предсказанные
Максвеллом.
22

15.

Диапазоны электромагнитных волн.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Радиоволны от 10000 м до 0,005 м.
Инфракрасное излучение от 0,005 м до 1 мкм.
Видимый свет от 770 нм до 380 нм.
Ультрафиолетовое излучение от 10 до 400 нм.
Рентгеновское излучение от 10−12 до 10−8 м.
Гамма-излучение менее 2·10−10 м.
23

16.

Закрепление изученного материала.
4. Радиостанция работает на частоте 60 МГц.
Найдите длину электромагнитных волн,
излучаемых антенной радиостанции. Скорость
распространения электромагнитных волн
с= 3*108 м/c.
25

17.

Запись условия и решения задачи
ДАНО:
ν= 60 МГц
СИ:
60*106
Решение:
Гц
Запишем формулу для длины
волны:
с= 3*108 м/c
λ=
с
ν
=сT
3*108 м/c
λ-?
м
Вот так просто можно
решать задачи по
физике !
λ=
=5м
60*106 Гц
Ответ: λ=5 м
26

18.

Закрепление изученного материала.
5. На рисунке показан график колебаний силы тока в
колебательном контуре с антенной. Определите длину
волны, излучаемой антенной. Скорость распространения
электромагнитных волн с= 3*108 м/c.
27

§ 19. Электромагнитное поле и электромагнитные волны

Читали ли вы в детстве сказки? Вспомните: «катится золотое яблочко по серебряному блюдечку», и герой сказки видит «горы высокие, моря глубокие» и многое другое, что происходит за «семью морями и семью горами». Что вам напоминает это сказочное устройство? Наверное, в том числе и мобильный Интернет. О том, какие открытия в физике позволили изобрести такую «сказочную» вещь, пойдет речь в этом параграфе.

1. Узнаём об электромагнитном поле

Напомним: существуют два вида материи — вещество и поле. Оба существуют реально, а не представляют собой некую «модель», предназначенную для объяснения тех или иных физических явлений.

В прошлом учебном году вы узнали об электрическом поле, в этом году — о магнитном поле. Вы также выяснили, что изменяющееся магнитное поле не только действует на движущиеся заряженные частицы и намагниченные тела, но и создает электрическое поле. К такому выводу пришел в свое время Майкл Фарадей.

Руководствуясь принципом симметрии, Джеймс Максвелл (рис. 19.1) выдвинул подтвержденную со временем гипотезу о том, что не только изменяющееся магнитное поле создает электрическое поле, а и изменяющееся электрическое поле создает магнитное. Согласно этой гипотезе электрические и магнитные поля всегда существуют вместе и нет смысла рассматривать их как отдельные объекты. То есть существует единое электромагнитное поле, а электрическое и магнитное поля — это две составляющие (две формы проявления) электромагнитного поля.

Рис. 19.1. Джеймс Клерк Максвелл (1831-1879) — английский физик и математик, творец классической электродинамики, один из основателей статистической физики

Электромагнитное поле — вид материи, с помощью которого осуществляется взаимодействие между заряженными телами и частицами и намагниченными телами.

Кто-то может не согласиться с выводом Максвелла, вспомнив, что, например, вблизи неподвижного заряженного тела существует только электрическое поле, а вблизи неподвижного постоянного магнита — только магнитное поле. Но ведь движение и покой зависят от выбора системы отсчета!

Представьте: держа в руках заряженный шарик, вы идете к своему товарищу. Если бы человек мог «видеть» электромагнитное поле, в данном случае вы «видели» бы только одну его составляющую — электрическое поле, так как относительно вас заряд неподвижен. В то же время ваш товарищ «видел» бы и электрическое поле, и магнитное, потому что относительно него заряд движется и электрическое поле изменяется (см. рис. 19.2).

Рис. 19.2. В системе отсчета, связанной с мальчиком, обнаруживается только электрическая составляющая электромагнитного поля. В системе отсчета, связанной с девочкой, обнаруживаются обе составляющие — и электрическая, и магнитная

Если ваш товарищ возьмет магнит и будет удаляться от вас (см. рис. 19.3), кто «обнаружит» только магнитное поле, а кто — и магнитное, и электрическое?

Рис. 19.3. К вопросу в § 19

Таким образом, утверждение, что в данной точке существует только электрическое (или только магнитное) поле, не имеет смысла, ведь не указана система отсчета. Вместе с тем мы никогда не найдем систему отсчета, относительно которой «исчезли» бы обе составляющие электромагнитного поля, ведь электромагнитное поле материально.

2. Создаем электромагнитные волны

Проанализировав все известные законы электродинамики, Дж. Максвелл исключительно математически получил фантастический на то время вывод: в природе должны существовать электромагнитные волны.

Электромагнитная волна — это распространение в пространстве переменного электромагнитного поля.

Попробуем представить, как образуется и распространяется электромагнитная волна. Возьмем проводник, в котором течет переменный ток (рис. 19.4). Как известно, вблизи любого проводника с током существует магнитное поле. Магнитное поле, созданное переменным током, тоже является переменным. Согласно теории Максвелла переменное магнитное поле должно создать электрическое поле, которое тоже будет переменным. Переменное электрическое поле создаст переменное магнитное поле и т. д. Таким образом получим распространение колебаний электромагнитного поля — электромагнитную волну (рис. 19.5). Частота этой волны равна частоте, с которой изменяется сила тока в проводнике, а проводник с переменным током является источником электромагнитной волны.

Рис. 19.4. Переменный ток — это ток, сила которого периодически изменяется: со временем значение силы тока то увеличивается, то уменьшается; изменяется и направление тока

Рис. 19.5. Схематическое изображение механизма распространения электромагнитной волны

Электромагнитная волна, как и механическая (вспомните распространение волны от брошенного в воду камешка), может оторваться от своего источника и начать самостоятельно распространяться в пространстве. Интересно, что некоторые электромагнитные волны «путешествуют» во Вселенной почти с начала ее существования!

По теории Максвелла, источником электромагнитной волны может быть любая заряженная частица, движущаяся с ускорением (то есть частица, которая все время изменяет скорость своего движения или по значению, или по направлению, или одновременно и по значению, и по направлению). Если же частица неподвижна или движется с неизменной скоростью, вблизи этой частицы существует электромагнитное поле, однако электромагнитную волну она не излучает.

Излучением электромагнитных волн сопровождаются и некоторые процессы, происходящие внутри молекул, атомов, ядер атомов (теория таких процессов — квантовая теория — была создана в XX в.).

3. Характеризуем электромагнитную волну

Электромагнитная волна, как и механическая, характеризуется частотой (ν), длиной (λ) и скоростью распространения (v). Так же, как в случае с механическими волнами, данные величины связаны формулой волны:

В отличие от механических волн, для распространения электромагнитных волн среда не нужна. Наоборот, лучше и быстрее всего электромагнитные волны распространяются в вакууме. Дж. Максвелл теоретически вычислил скорость распространения электромагнитной волны в вакууме и с удивлением обнаружил, что полученное значение совпадает со значением скорости света в вакууме (к тому времени оно уже было измерено экспериментально):

ν = с = 3 • 10 8 м/с

Дж. Максвелл выдвинул правильное и смелое на то время предположение: свет является разновидностью электромагнитных волн (рис. 19.6). Ученый не только установил природу света, но и предугадал существование и свойства разных видов электромагнитных волн.

Рис. 19.6. Свет — это электромагнитные волны. Частота этих волн изменяется примерно от 410 14 Гц (красный цвет) до 7,510 14 Гц (фиолетовый цвет)

В вакууме — и только в нем — все электромагнитные волны распространяются с одинаковой скоростью (с), поэтому для вакуума длина и частота электромагнитной волны связаны формулой:

При переходе из одной среды в другую скорость распространения электромагнитной волны изменяется, изменяется и длина волны, а вот частота остается неизменной. В воздухе скорость распространения электромагнитных волн почти такая же, как в вакууме.

Рис. 19.7. Генрих Рудольф Герц (1857-1894) — немецкий физик, один из основателей электродинамики

Теория электромагнитного поля Максвелла была подтверждена экспериментально через 15 лет после создания: Генрих Герц (рис. 19.7) продемонстрировал излучение и прием электромагнитных волн. Получив электромагнитные волны, Г. Герц изучил их свойства. Он, в частности, установил, что электромагнитные волны:

  • отражаются от проводящих предметов (угол отражения равен углу падения);
  • преломляются на границе с диэлектриком;
  • частично поглощаются веществом и частично рассеиваются им.

Все эти явления обусловлены действием электромагнитного поля на заряженные частицы в веществе. Так, если электромагнитная волна падает на поверхность металла, то на свободные электроны действует переменное электрическое поле (электрическая составляющая электромагнитной волны). В результате в поверхностном слое металла возникают переменные электрические токи, которые и излучают отраженную электромагнитную волну.

Подводим итоги

Взаимодействие заряженных тел и частиц осуществляется при помощи электромагнитного поля. Электромагнитное поле имеет две составляющие (две формы проявления) — электрическую (электрическое поле) и магнитную (магнитное поле): изменяющееся магнитное поле создает электрическое поле, а изменяющееся электрическое поле создает магнитное поле.

Распространение в пространстве переменного электромагнитного поля называют электромагнитной волной. Скорость распространения волны, ее длина и частота связаны формулой волны: ν = λν. Лучше и быстрее всего электромагнитные волны распространяются в вакууме. Скорость распространения электромагнитных волн в вакууме одинакова для любых электромагнитных волн и равна скорости света: с = 3 • 10 8 м/с. Свет тоже является электромагнитной волной. Для вакуума формула волны имеет вид: c = λν.

Контрольные вопросы

1. В чем заключается гипотеза Дж. Максвелла? 2. Дайте определение электромагнитного поля, назовите его составляющие. 3. Приведите примеры подтверждающие относительность электрического и магнитного полей. 4. Как образуется электромагнитная волна? Какие объекты могут ее излучать? 5. Какие физические величины характеризуют электромагнитную волну? Как они связаны? 6. Какие свойства электромагнитных волн установил Г. Герц?

Упражнение № 19

1. Выберите правильные ответы из предложенных.

Электромагнит подъемного крана работает от постоянного тока. Определите:

  • 1) когда электромагнит создает для оператора крана и электрическое, и магнитное поля;
  • 2) когда электромагнит излучает электромагнитные волны.

а) в момент замыкания цепи; б) в момент размыкания цепи; в) когда электромагнит, двигаясь равномерно, переносит груз; г) когда неподвижный электромагнит держит груз.

2. Дополните таблицу, считая, что волны распространяются в воздухе.

Источник волны

Длина

Частота

Скорость

Электромагнитные волны | Конспект

Cart ocenka

Существование электромагнитных волн предсказано и описано Джейсом Максвелом. Согласно его теории, переменное эл. поле является источником переменного магнитного поля и наоборот. Скорость распространения электромагнитных волн приблизительно равна 3 · 10 8 м/с и называется скоростью света.

Е – напряженность \(\lbrack\frac\) ];

Самая большая скорость электромагнитных волн в вакууме.

Шкала электромагнитных волн

В зависимости от частоты электромагнитные волны делятся на диапазоны:

2) Инфракрасное излучение;

3) Видимое излучение;

4) Ультрафиолетовое излучение;

5) Рентгеновское излучение;

С ростом частоты увеличивается проникающая способность.

Электромагнитная волна представляет собой систему порождающих друг друга и распространяющихся в пространстве переменных электрического и магнитного полей.

A picture containing text Description automatically generated

B = \(\frac>\) – магнитная индукция

E = \(\frac\) – напряжённость электрического поля

V = C = 3 • 10 8 м/с – скорость света в вакууме

λ = С • T – длина электромагнитных волн

[λ] = м, длина волны

Таблица электромагнитных волн

5 • 10 • 5 – 1010 (Гц)

4 • 1014 – 8 • 1014 Гц

Отражение света

A picture containing diagram Description automatically generated

Преломление света

Chart, line chart Description automatically generated

n = \(\frac\) – абсолютный показатель преломления

Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для данных двух сред, равная отношению скоростей света в этих средах: \(\frac\) = n21 = \(\frac>>\) .

Относительным показателем преломления второй среды относительно первой называют физическую величину, равную отношению скоростей света в этих средах: n21 = \(\frac>>\) .

Абсолютным показателем преломления среды называют физическую величину, равную отношению скорости света в вакууме к скорости света в данной среде: n = \(\frac\) .

Электромагнитные волны

Волновые процессы – одни из самых распространенных в природе, они могут иметь совершенно разный вид, однако, у них есть многие общие черты. Одним из видов волн являются электромагнитные. Рассмотрим это явление подробнее.

Дальнодействие и близкодействие

Первые опыты показывали, что в основе взаимодействия зарядов лежит принцип дальнодействия. Получалось, что один заряд «чувствует» присутствие другого заряда непосредственно, через любые пространства.

Однако, уравнения электродинамики, разработанные Дж. Максвеллом, предсказывали, что электрическое взаимодействие распространяется с конечной (хотя, и очень высокой) скоростью. Если с зарядом что-то произойдет (например, он исчезнет), то кулоновская сила, которая действовала на другие заряды, еще некоторое время не будет меняться. Теория Максвелла подтверждала принцип близкодействия.

Дальнодействие и близкодействие зарядов

Любое событие, происходящее с зарядом, сперва создает локальное изменение электрического поля, и затем это изменение распространяется все дальше и дальше, пока не достигает других зарядов, взаимодействующих с первым.

Наиболее интересные явления происходят, если скорость изменений, происходящим с зарядом, будет также меняться (если заряд будет двигаться с ускорением). В этом случае распространяющиеся изменения электрического поля вдали от заряда будут «не успевать» за изменением скорости движения заряда, электрическое поле «оторвется» от заряда, и будет распространяться независимо. В пространстве появится электромагнитная волна.

Распространение электромагнитной волны

Самым простым движением, включающим в себя ускорение, является колебание заряда по гармоническому закону. Такое колебание заряда порождает колебание электрического поля вокруг заряда, вектор $\overrightarrow E$ которого параллелен вектору перемещения заряда.

А согласно закону электромагнитной индукции, изменение электрического поля порождает вихревое магнитное поле, вектор $\overrightarrow B$ которого перпендикулярен изменению вектора электрического поля $\overrightarrow E$.

Возникшее изменяющееся вихревое магнитное поле, в свою очередь, порождает вихревое изменяющееся электрическое поле, вектор которого $\overrightarrow E$ перпендикулярен вектору породившего его магнитного поля $\overrightarrow B$.

Таким образом, по мере удаления от колеблющегося заряда, возникает структура электрических и магнитных вихревых полей, поддерживающих друг друга, вектора которых взаимно перпендикулярны.

Распространение порождающих друг друга вихревых электрического и магнитного полей во все стороны от заряда, называется электромагнитной волной. Колебания напряженности поля происходят в направлении, перпендикулярном распространению, то есть, электромагнитные волны являются поперечными.

При этом порождение магнитного поля электрическим требует некоторой энергии (и наоборот). Таким образом, электромагнитные волны, распространяясь, переносят энергию.

Если выписать в таблицу фазы векторов $\overrightarrow E$ и $\overrightarrow B$ с соответствующими расстояниями, то можно видеть, что на различном расстоянии фазы различны. Минимальное расстояние между точками с одинаковой фазой векторов, называется длиной волны $\lambda$.

Длина волны

Энергия такого «самоподдерживающегося» распространения волны падает гораздо медленнее, чем энергия породившего его поля. Именно поэтому мы можем видеть свет далеких звезд, хотя ни электрические ни магнитные поля от них до нас не доходят.

Что мы узнали

Кратко об электромагнитных волнах можно сказать, что это система распространяющихся вихревых электрического и магнитного полей, взаимно порождающих друг друга. Электромагнитные волны является поперечными, и при своем распространении переносят энергию.

Что такое электромагнитная волна 9 класс физика

Вам уже известно, что электрическое поле возникает благодаря электрически заряженным телам, а магнитное поле создается вокруг проводника с движущимися электрическими зарядами. Основываясь на данных экспериментальных фактах:

·электрический ток порождает магнитное поле (по опытам Эрстеда),

·изменяющееся магнитное поле порождает электрический ток (по опытам Фарадея),

физик Джеймс Клерк Максвелл создал теорию электромагнитных волн.

Джеймс Клерк Максвелл (1831-1879).

Британский физик, математик и механик. Шотландец по происхождению.

Член Лондонского королевского общества.

Максвелл является основоположником современной классической электродинамики, создателем теории электромагнитных волн.

По Максвеллу: переменное магнитное поле порождает вихревое электрическое (явление электромагнитной индукции), а переменное электрическое поле порождает вихревое магнитное (магнитоэлектрическая индукция). В результате в соседних областях пространства возникает единое электромагнитное поле.

Электромагнитное поле в пространстве характеризуется напряженностью электрического поля Е и индукцией магнитного поля В.

Джеймс Максвелл показал совместное существование электрических и магнитных полей, причем совершенно изолированно от какого-либо вещества. Если вспомнить звуковые волны, то они могут возникнуть только в какой-либо среде, как все механические волны. Что же касается электромагнитного поля, то оно может существовать даже там, где никакого вещества нет, нет никаких частиц, т.е. электромагнитное полесуществует в вакууме. Это означает, что если создать при определенных условиях общее электромагнитное возмущение в пространстве, то оно может распространяться по всем направлениям, именно это и будет электромагнитной волной.

Электромагнитная волна представляет собой систему порождающих друг друга и распространяющихся в пространстве переменных электрического и магнитного полей.

Теория Максвелла показала, что электромагнитные волны являются поперечными: вектор напряженности электрического поля E и индукции магнитного поля B перпендикулярны друг другу и находятся в плоскости, которая перпендикулярна направлению распространения волны; характеризуются длиной, частотой, скоростью распространения. Отметим, что скорость распространения электромагнитных волн в вакууме приблизительно равна 300 000 км/с. Модель электромагнитной волны представлена на рисунке:

За период Т колебаний электромагнитная волна сместится вдоль оси z на расстояние, равное длине волны. Соотношения между длиной волны, ее скоростью c, периодом T и частотой колебаний такие же, как и для механических волн:

Образование электромагнитной волны можно объяснить следующим образом: в некоторой части пространства происходят колебания электрического заряда (например, между контактами электрической цепи проскакивает искра). Это вызовет колебания вектора напряженности Е: его модуль и направление станут периодически меняться. По теории Максвелла, здесь же будут иметь место колебания вектора магнитной индукции В. Данные колебания породят электромагнитные волны, которые распространятся в пространстве.

Впервые экспериментальное подтверждение теории Максвелла произошло в опытах немецкого физика Генриха Герца в 1888 г. Используя искровой разрядник и соответствующий приемник, Г. Герц обнаружил и зарегистрировал электромагнитные волны. Он опытным путем доказал существование электромагнитных волн и впервые начал исследовать их свойства: поглощение, преломление и отражение в различных средах. Экспериментально Генрих Герц определил длину волны и скорость ее распространения, которая оказалась примерно равной скорости света.

Через 7 лет после экспериментов Герца электромагнитные волны были впервые использованы в беспроводной связи в России Александром Степановичем Поповым в 1895 г.

Классификация электромагнитных волн осуществляется по длине волны (или связанной с ней частоте волны).

Полоса частот электромагнитных волн, существующих в природе, называется спектром.

Спектр электромагнитного излучения составляют (рисунок 3):

Различные участки электромагнитного спектра отличаются по виду излучения и приёма волн, соответствующих той или иной части спектра. Поэтому между разными участками электромагнитного спектра нет резких границ, но каждый диапазон имеет свои особенности.

Электромагнитные волны обладают общими свойствами независимо от природы. На скорость и особенности распространения электромагнитных волн главным образом влияет среда: неоднородность среды, наличие проводников или поверхностей, на которых может происходить изменение ее электрических и магнитных свойств и т.п.

Теория электромагнитных волн имеет важное научное и практическое значение. Каждый из диапазонов волн сейчас находит применение, например, радиоволны, которые нашли применение во всех областях деятельности человека (связь, телевидение, радиолокация и радионавигация, радиоастрономия и т.п.), инфракрасное излучение (медицина, технические средства охраны, дистанционное зондирование поверхности) и т.д.

§ 2 Важно запомнить

Переменное магнитное поле порождает вихревое электрическое, а переменное электрическое поле порождает вихревое магнитное. В результате в пространстве возникает единое электромагнитное поле.

Электромагнитная волна представляет собой систему порождающих друг друга и распространяющихся в пространстве переменных электрического и магнитного полей.

Скорость распространения электромагнитных волн в вакууме примерно равна 300 000 км/с. Электромагнитные волны классифицируются по длине волны (или связанной с ней частоте волны). Электромагнитные волны обладают общими свойствами независимо от природы. На скорость и особенности распространения электромагнитных волн главным образом влияет среда.

Список использованной литературы:

  1. Физика. Большой энциклопедический словарь / Гл. ред. А.М. Прохоров. — 4-е изд. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1999. — С. 293—295.
  2. Иродов И.Е. Механика. Основные законы / И.Е. Иродов. – 5-е изд., испр.–М.: Лаборатория базовых знаний, 2000. — С. 205–223.
  3. Иродов И.Е. Механика колебательных систем / И.Е. Иродов. – 3-е изд., испр.– М.: Лаборатория базовых знаний, 2000. — С. 311–320.
  4. Перышкин А.В. Физика. 9 класс: учебник / А.В. Перышкин, Е.М. Гутник. – М.: Дрофа, 2014. – 319с.
  5. Сборник тестовых заданий по физике, 9 класс. / Е.А. Марон, А.Е. Марон. Издательство «Просвещение», Москва, 2007.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *