Головна ⇒ 📌Плани-конспекти уроків по фізиці ⇒ Дослідне підтвердження існування електромагнітних хвиль

Дослідне підтвердження існування електромагнітних хвиль

ЕЛЕКТРОДИНАМІКА

2-й семестр

Коливання й хвилі

УРОК 12/34

Тема. Дослідне підтвердження існування електромагнітних хвиль

Мета уроку: ознайомити учнів з експериментальним свідченням існування електромагнітних хвиль.

Тип уроку: урок вивчення нового матеріалу.

ПЛАН УРОКУ

Контроль знань	4 хв.	1. Випромінювання енергії електричним зарядом. 2. Відкритий коливальний контур. 3. Електромагнітна хвиля
Демонстрації	3 хв.	Схема досліду Герца з виявлення електромагнітних хвиль
Вивчення нового матеріалу	28 хв.	1. Поширення електромагнітних хвиль. 2. Вібратор Герца. 3. Результати дослідів
Закріплення вивченого матеріалу	10 хв.	1. Якісні питання. 2. Навчаємося розв’язувати задачі

ВИВЧЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ

1. Поширення електромагнітних хвиль

Між моментом, коли “джерело” випроменило хвилю, і моментом, коли “приймач” її прийняв, минає якийсь час. Виникає питання: де ж перебуває в цей час та енергія, яку “джерело” хвиль уже випроменило,

але “приймач” ще не прийняв?

Відповідно до теорії Максвелла цю енергію несе електромагнітна хвиля. Енергія електромагнітного поля хвилі в цей момент часу змінюється періодично в просторі відповідно до зміни векторів і . Електричне й магнітне поля в електромагнітній хвилі перпендикулярні одне до одного, причому кожне з них перпендикулярно до напрямку поширення хвилі.

На рисунку схематично зображена залежність від координат вектора напруженості електричного поля й вектора індукції магнітного поля в електромагнітній хвилі в певний момент часу. У кожній точці простору, крізь який рухається електромагнітна хвиля, модуль вектора напруженості електричного поля пропорційний вектору індукції магнітного поля, а напрямлені ці вектори завжди під прямим кутом один до одного. Гребені хвилі переміщаються в просторі зі швидкістю світла с.

У кожній точці електромагнітної хвилі електричне й магнітне поля періодично змінюються з часом. Частота всіх таких коливань однакова. Натомість амплітуди й фази коливань відрізняються. Для електромагнітної хвилі у вакуумі період Т, частота v й довжина хвилі? пов’язані співвідношеннями Протягом одного періоду хвиля проходить відстань, що дорівнює довжині хвилі.

2. Вібратор Герца

Багато вчених піддавали сумніву правильність теорії електромагнітного поля Максвелла. Однією з основних причин виникнення сумнівів було уявлення про хвилі, для поширення яких не потрібне середовище.

1886 р. Генріх Герц вирішив поставити дослід з метою спростувати теорію Максвелла. Дослід полягав у тому, що у вузькому проміжку незамкнутого контуру під дією високої напруги збуджувалася іскра.

Вібратор Герца випромінював електромагнітні хвилі переважно в напрямку, перпендикулярному до провідника. Вектор цієї хвилі коливається паралельно до вібратора, а вектор – перпендикулярно до вібратора. У напрямку осі вібратора випромінювання не відбувається.

Необхідно було знайти спосіб виявлення й дослідження електромагнітних хвиль. Герц використав для цього другий (приймальний) вібратор.

Цей вібратор не приєднували до будь-якого джерела високої напруги. Тому коливання в ньому могли виникнути тільки під дією електромагнітної хвилі. Про виникнення коливань могли свідчити малюсінькі іскри в іскровому проміжку приймального вібратора. Щоб збільшити амплітуду коливань у цьому вібраторі, було використане явище резонансу: власна частота коливань у приймальному вібраторі збіглася із власною частотою коливань у вібраторі-випромінювачі.

Виявлені хвилі Герців назвав “променями електричної сили”.

3. Результати дослідів

Першим результатом дослідів Герца було спостереження іскор у приймальному вібраторі за відстані між вібраторами в кілька метрів. Найбільші іскри виникали, коли приймальний вібратор був розташований паралельно до вібратора-випромінювача, як і повинно було бути відповідно до теорії Максвелла.

Герц спостерігав відбиття від поверхні метала й заломлення електромагнітних хвиль на межі повітря й діелектрика. Спостерігалися й інші явища:

– дифракція;

– інтерференція;

– поляризація.

Вирішальним, очевидно, було вимірювання швидкості отриманих у досліді хвиль. Герц зміг визначити швидкість електромагнітної хвилі за формулою:

= ?v,

Де , ? і v – швидкість, довжина й частота хвилі. Таким чином, досліди Герца підтвердили справедливість висновків теорії Максвелла.

Відповідно до сучасних уявлень, електромагнітні хвилі можуть поширюватися як у середовищі, так і у вакуумі, причому у вакуумі швидкість електромагнітних хвиль найбільша (300000 км/с). Це істотно відрізняє їх від звукових хвиль, для поширення яких необхідне матеріальне середовище.

ЗАКРІПЛЕННЯ ВИВЧЕНОГО МАТЕРІАЛУ

1). Якісні питання

1. Чи залежить швидкість електромагнітних хвиль у вакуумі від частоти коливань?

2. Горизонтальний провідник, у якому протікає змінний струм високої частоти, розташований уздовж паралелі. У яких напрямках (переважно) поширюються електромагнітні хвилі від цього провідника?

3. Передавальні й приймальний вібратори розташовані взаємно перпендикулярно. Чи виникнуть коливання в приймальному вібраторі?

2). Навчаємося розв’язувати задачі

1. У деякій точці простору індукція магнітного поля електромагнітної хвилі змінюється від нуля до максимального значення за 2 мкс. Чому дорівнює довжина хвилі?

2. Довжина радіохвилі у вакуумі дорівнює 60 м. За який час напруженість електричного поля хвилі зменшиться від максимуму до нуля?

ЩО МИ ДІЗНАЛИСЯ НА УРОЦІ

– Існування електромагнітних хвиль було передбачено Максвеллом. Для перевірки цієї теорії Г. Герц використав відкритий коливальний контур (вібратор), що дозволило переконатися в правильності висновків теорії.

– Герц зміг визначити швидкість електромагнітної хвилі за формулою:

= ?v.

– Для електромагнітної хвилі у вакуумі період Т, частота v й довжина хвилі? пов’язані співвідношеннями: