Конкурс "Я иду на урок"

Открытый колебательный контур

Цели урока: вместе с учащимися обосновать существование магнитного поля тока смещения; изучить дипольный индикатор переменного электрического поля; исследовать открытый колебательный контур; визуализировать электрическое поле излучающего диполя.

Цели развития: совершенствовать умения выдвигать гипотезы и обосновывать их известными фактами; развивать умения построения теоретической модели явления и вывода из неё следствий; формировать умения доказательных и эвристических рассуждений, умения обнаруживать симметрию физических явлений.

Цели воспитания: формировать убеждённость в интернациональности физической науки; воспитывать восхищение научным подвигом Фарадея, Максвелла и Герца.

Дидактические средства:

1. Мякишев Г.Я. Физика: Учеб. для 11 кл. общеобразоват. учреждений / Г.Я.Мякишев, Б.Б.Буховцев. – М.: Просвещение, 2004.
2. Касьянов В.А. Физика. 11 кл.: Учебн. для 11 кл. общеобразоват. учеб. заведений. – М.: Дрофа, 2002.
3. Электронная версия опорного конспекта урока; видеофрагменты демонстрационных опытов.
4. Комплект для изучения электромагнитных волн (выпускается ЗАО НПК «Компьютерлинк»); генератор звуковой частоты (например, типа ФГ-100); два сферических кондуктора на диэлектрических подставках, гальванический элемент на 1,5 В, конденсатор постоянной ёмкости 1 мкФ, цилиндрическая люминесцентная лампа.

2.1. Введение

Учитель. На сегодняшнем уроке вы должны убедиться главным образом в том, что ток высокой частоты принципиально ничем не отличается от привычного вам переменного электрического тока, но обладает интересными особенностями. Ток высокой частоты, как и любой другой ток, может идти по проводам, но он проходит и через диэлектрики, т.е. там, где не может пройти ни постоянный, ни переменный ток низкой частоты. Эти удивительные свойства переменного тока высокой частоты мы пронаблюдаем и исследуем в серии демонстрационных экспериментов.

2.2. Магнитное поле тока смещения

Учитель. На предыдущем уроке мы исследовали колебательный контур, катушка которого состояла из одного витка, а конденсатор представлял собой две рядом расположенные металлические пластины. Несколько изменим условия этого опыта, а именно, будем раздвигать пластины конденсатора.

Вы наблюдаете, что лампа индикатора магнитного поля продолжает гореть. Чтобы лучше понять, что происходит, я рисую схему опыта (рис. 2.1). Вы видите, что по витку контура 1 течёт ток проводимости, а между пластинами конденсатора – равный ему ток смещения. Несмотря на то, что между пластинами конденсатора нет тока проводимости, т.е. отсутствует направленное движение зарядов, индикатор 2 показывает наличие такого же магнитного поля, как если бы виток полностью был проводящим. Какой вывод отсюда следует?

Учащиеся. Опыт показывает, что ток смещения создаёт такое же магнитное поле, как и ток проводимости!

Учитель. Верно. Первым, кто об этом догадался, был великий английский физик Дж.-К.Максвелл. В те времена, конечно, не было источников электрического тока высокой частоты, и Максвелл просто не мог поставить опыты, подобные нашим. Суть построенной им теоретической модели заключается примерно в следующем.

Поскольку существует явление электромагнитной индукции, то можно допустить, что должно быть и симметричное ему явление магнитоэлектрической индукции (рис. 2.2). Так как изменяющееся магнитное поле порождает вихревое электрическое, напряжённость которого пропорциональна скорости изменения магнитного потока, то изменяющееся электрическое поле должно порождать вихревое магнитное, индукция которого пропорциональна скорости изменения электрического потока.

Допустив, что ток смещения даёт точно такое же магнитное поле, что и ток проводимости, Максвелл предсказал существование электромагнитного излучения, которое должно иметь волновой характер и распространяться в вакууме с такой же скоростью, что и свет.

Экспериментально доказал существование электромагнитных волн немецкий физик Г.Герц. Теория Максвелла опирается на несколько простых уравнений, из которых выводятся все соотношения классической электродинамики. Однако эта теория громозд­ка, поэтому на наших уроках мы используем лишь идеи теории Максвелла и опытов Герца.

Учащиеся. Давайте раздвинем пластины конденсатора ещё больше и посмотрим, будет ли идти ток смещения и возникнет ли вокруг него магнитное поле.

2.3. Индикатор переменного электрического поля

Учитель. Чтобы на опыте обнаружить ток смещения, нужен индикатор переменного электрического поля. В руках у меня лампа накаливания, с выводами которой соединены два одинаковых металлических стержня. Получается, что лампа включена в разрыв прямого проводника посередине. Концы этого проводника я соединяю с полюсами гальванического элемента (рис. 2.3, а). Дайте объяснение происходящему явлению.

Учащиеся. Лампа загорается, значит, через её нить проходит постоянный электрический ток. Он идёт потому, что в проводнике имеется стационарное электрическое поле. Это поле возникло из электростатического поля между разомкнутыми полюсами источника после соединения их с проводником.

Учитель. Теперь я повторяю опыт, но лампу соединяю с источником через конденсатор (рис. 2.3, б).

Учащиеся. Лампа не горит, потому что через конденсатор постоянный ток не проходит.

Учитель. Хорошо. Вместо источника постоянного напряжения возьмём генератор переменного напряжения звуковой частоты, повторим первые два опыта и сделаем из всей серии опытов общий вывод.

Учащиеся. При использовании переменного тока лампа горит независимо от того, разорвана цепь конденсатором или нет (рис. 2.4). Свечение лампы всегда свидетельствует о том, что через неё идёт ток. Но ток в проводнике возникает за счёт постоянного или переменного электрического поля, направленного вдоль проводника. Поэтому включённая в разрыв проводника лампа может служить индикатором электрического поля.

Учитель. Теперь давайте разберёмся с переменным электрическим полем высокой частоты. Я соединяю генератор УВЧ с двумя сферическими электродами. Затем ввожу между ними проводник с лампой и поворачиваю его. Объясните наблюдаемые явления.

Учащиеся. Между сферическими электродами имеется переменное электрическое поле. Когда проводник с лампой расположен вдоль прямой, соединяющей электроды, лампа горит (рис. 2.5, а), при повороте проводника в перпендикулярное положение лампа гаснет (рис. 2.5, б). Опыт показывает, что по проводнику с лампой идёт электрический ток лишь в случае, когда внешнее электрическое поле направлено вдоль проводника. Значит, проводник, посередине которого включена лампа, может показывать не только наличие переменного электрического поля, но и его направление.

2.4. Открытый колебательный контур

Учитель. Вы ещё не забыли, что предлагали раздвинуть пластины конденсатора колебательного контура? Настало время исследовать, что происходит, когда закрытый колебательный контур превращается в открытый. Для этого рядом с колебательным контуром я помещаю индикатор электрического поля, – его лампа не горит (рис. 2.6, а). Постепенно раскрываю контур, и вы наблюдаете, что лампа индикатора загорается (рис. 2.6, б). В чём причина этого явления?

Учащиеся. Электрическое поле теперь не сосредоточено между пластинами конденсатора, его силовые линии идут от одной пластины к другой через открытое пространство.

Учитель. Это кардинально меняет ситуацию: открытый колебательный контур излучает энергию в пространство! Интересно, а куда делось магнитное поле?

Учащиеся. Чтобы узнать это, нужно взять магнитный индикатор и покрутить его возле открытого контура.

Учитель. Правильно. Но, прежде чем начать делать это, мы открытый колебательный контур заменим излучающим диполем, или электрическим вибратором. Понятно, что электрическое и магнитное поля диполя, состоящего из двух одинаковых прямых отрезков проводов, значительно проще, чем у открытого колебательного контура, провода которого изогнуты и на концах снабжены пластинами.

Подношу к излучающему диполю параллельно ему индикатор электрического поля, который является приёмным диполем, и вы видите, что лампа индикатора загорается (рис. 2.7, а). Поворачиваю приёмный диполь перпендикулярно излучающему, и лампа гаснет (рис. 2.7, б). Что отсюда следует?

Учащиеся. Из опыта следует, что вектор напряжённости электрического поля параллелен излучающему диполю.

Учитель. Теперь вблизи излучающего диполя располагаю индикатор магнитного поля, поворачиваю его во всех направлениях и ввожу в него ферритовый сердечник. Что вы наблюдаете (рис. 2.8)? Для чего нужен ферритовый сердечник? Сделайте общий вывод из двух последних опытов.

Учащиеся. Лампа индикатора магнитного поля горит, когда его плоскость проходит через излучающий диполь. С помощью ферритового сердечника мы доказываем, что индикатор реагирует именно на магнитное поле, иначе можно подумать, что ток в витке индикатора возбуждается электрическим полем. Проделанные опыты показывают, что вблизи излучающего диполя имеются переменные электрическое и магнитное поля. Значит, соединённый с генератором УВЧ диполь даёт электромагнитное излучение.

Учитель. Как ориентированы в пространстве электрическое и магнитное поля этого излучения?

Учащиеся. Опыт показывает, что в любой точке, через которую проходит электромагнитное излучение, вектор напряжённости электрического поля параллелен излучающему диполю, а вектор индукции магнитного поля перпендикулярен ему.

2.5. Электрическое поле излучающего диполя

Учитель. Электрическое поле излучающего диполя можно сделать видимым, используя люминесцентную лампу. Но, чтобы понимать суть опыта, нужно вспомнить принцип действия такой лампы.

Учащиеся. Внутри баллона лампы имеются пары ртути при низком давлении. Когда лампа включается для освещения, по ней идёт ток, и электроны, сталкиваясь с атомами ртути, вызывают испускание ими ультрафиолетового излучения, которое возбуждает свечение люминофора, нанесённого изнутри на стенку лампы.

Учитель. Беру люминесцентную лампу и располагаю её параллельно диполю, подключённому к генератору УВЧ. Далее натираю пластину пенопласта шерстью, провожу наэлектризованным пенопластом возле лампы и поджигаю её. Вы видите характерное свечение лампы (рис.  2.9). Чем оно объясняется?

Учащиеся. Если лампу пронизывает электромагнитное излучение, то можно предположить, что его электрическое поле вызывает колебания свободных электронов, которые появляются за счёт ионизации газа в лампе наэлектризованным пенопластом. Колеблющиеся электроны возбуждают атомы ртути, поэтому лампа светится в тех местах, где напряжённость электрического поля электромагнитной волны максимальна.

Учитель. Сделайте вывод из проделанного эксперимента.

Учащиеся. Опыт показывает, что напряжённость электрического поля плавно изменяется вдоль излучающего диполя, причём на его концах она максимальна, а в центре близка к нулю.

Учитель. Вы могли сами заметить, что в целом распределение вдоль диполя напряжённости электрического поля и индукции магнитного поля напоминает стоячую волну (рис. 2.10). Случайно ли это?

2.6. Заключение

Учитель. Что нового вы узнали на этом уроке? Чему вы научились? Что произвело на вас наибольшее впечатление?

Учащиеся. Мы узнали, что ток смещения даёт такое же магнитное поле, как обычный ток проводимости; что в качестве индикатора переменного электрического поля можно использовать диполь с лампой накаливания; научились превращать закрытый колебательный контур в открытый; на опыте убедились, что открытый контур излучает значительно сильнее, чем закрытый. Пожалуй, наиболее интересен опыт, в котором светится люминесцентная лампа, расположенная рядом с излучающим диполем.

Учитель. Как обычно, домашнее задание даётся тем, кому интересно его выполнять, или тем, кто хочет повторить пройденное, узнать новое, углубить свои знания и умения. Материал для выполнения задания вы найдёте в учебниках физики и в электронной версии опорного конспекта урока.

1. Что такое ток смещения, каким выражением он определяется? Что понимают под магнитоэлектрической индукцией? (Г.Я.Мякишев, § 17; В.А.Касьянов, § 40.)

2. Как на опыте убедиться, что ток смещения создаёт такое же магнитное поле, как ток проводимости? Насколько доказателен поставленный на уроке эксперимент? (Опорный конспект.)

3. Что представляет собой индикатор переменного электрического поля? Каков принцип действия этого прибора? (Опорный конспект.)

4. Что нужно сделать, чтобы энергия контура излучалась в окружающее пространство? Как исследовать это излучение? Как в электромагнитном излучении направлены электрическое и магнитное поля? (Г.Я.Мякишев, § 49; В.А.Касьянов, § 40.)

5. Как можно исследовать электрическое поле излучающего диполя? Каковы условия и результат соответствующего эксперимента? (Опорный конспект.)

6. Последовательно с лампой накаливания, расчитанной на напряжение 2,5 В и ток 0,068 А, включён конденсатор ёмкостью 1 мкФ. Каково должно быть напряжение генератора частотой 4 кГц, чтобы лампа горела полным накалом? (Опорный конспект.)

7. Переменное магнитное поле частотой 430 МГц и индукцией 3 · 10⁸ Тл пронизывает виток диаметром 0,12 м. Найдите ЭДС индукции, возникающей в этом витке.

---

Вторая статья из восьми по теме «Электромагнитные волны». Первую статью см. в № 24/08