Конкурс "Я иду на урок"

Физические свойства электромагнитных волн

Урок 6-й из серии уроков на тему «Электромагнитные волны». См. № 24/08; 2, 4, 6, 8/09

Цели обучения: вместе с учащимися исследовать явления излучения, распространения, отражения, преломления, интерференции, дифракции и поляризации электромагнитных волн.

Цели развития: совершенствовать умения предлагать условия экспериментов, наблюдать результаты, проводить анализ и обобщение полученных результатов; формировать общее представление об электромагнитном излучении как волновом процессе.

Цели воспитания: воспитывать такие качества личности, как наблюдательность, готовность объяснять новое, смелость в выдвижении гипотез, осторожность в постановке опытов, гибкость в анализе их результатов, широту и глубину восприятия субъективно новых явлений.

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»), кювета из оргстекла, пластиковая бутылка, люминесцентная лампа, поваренная соль.

6.1. Введение

Учитель. Этот урок посвящён более детальному исследованию явлений, связанных с электромагнитным излучением. Фактически мы докажем существование для электромагнитного излучения основных физических явлений, которые характерны для волн любой природы. Эти явления хорошо вам знакомы по изученным ранее звуковым волнам. Поэтому на уроке полезно вспоминать явления акустики, аналогичные тем, которые вы будете наблюдать в опытах с электромагнитными волнами.

6.2. Распространение, перенос энергии и поглощение электромагнитной волны

Учитель. Любая реальная волна распространяется в пространстве, переносит энергию из точки в точку и поглощается веществом. Предложите опыты, доказывающие существование этих явлений для электромагнитной волны.

Учащиеся. Включим генератор УВЧ с излучающим диполем и на некотором расстоянии от него расположим приёмный диполь с лампой. Так как лампа горит, то в её нити выделяется энергия. Эта энергия переносится от генератора электромагнитной волной. Действительно, при выключении генератора лампа приёмного диполя гаснет.

Учитель. А как экспериментально доказать, что электромагнитная волна поглощается веществом?

Учащиеся. Чтобы показать, что существует явление поглощения электромагнитных волн, нужно ввести между излучающим и приёмным диполями пластину из какого-нибудь вещества. Лампа приёмного диполя будет гореть слабее, значит, энергия проходящей через пластину волны уменьшается, а это свидетельствует о поглощении.

Учитель. Совсем не обязательно. Энергия волны может уменьшаться и за счёт отражения излучения поверхностями пластины.

Учащиеся. Тогда нужно брать пластины из одного материала, но разной толщины и последовательно вводить их между излучающим и приёмным диполями.

Учитель. Посмотрите, я беру листы из картона, дерева, гетинакса, оргстекла, алюминия, железа и помещаю их перед приёмным диполем. Что вы наблюдаете?

Учащиеся. Электромагнитная волна свободно проходит через диэлектрики (рис. 6.1, а, б) и не проходит через проводники (рис. 6.1, в).

Учитель. Как всё-таки доказать, что электромагнитная волна поглощается веществом?

Учащиеся. Нужно взять такое вещество, которое является слабым проводником, например воду, и растворить в ней немного поваренной соли.

Учитель. Попробуем. Над приёмным диполем я ставлю кювету из оргстекла и наливаю в неё немного воды (рис. 6.2, а). Затем сыплю в воду поваренную соль (рис. 6.2, б) и добавляю в кювету воду (рис. 6.2, в). Что происходит?

Учащиеся. Лампа приёмного диполя горит тем слабее, чем толще слой раствора поваренной соли в воде. Так как условия отражения волны от границ раздела сред не меняются, мы действительно наблюдаем поглощение электромагнитной волны. А вот доказать, что электромагнитная волна распространяется, очень трудно. Для этого нужно включить генератор и измерить время прихода излучения в точки, отстоящие на разные расстояния от антенны. Но это время очень мало, т.к. скорость электромагнитной волны очень велика.

6.3. Отражение, интерференция и преломление электромагнитных волн

Учитель. Не так-то уж это и трудно. Но начнём с отражения. Предложите опыт, который показывал бы не только существование отражения, но и доказывал справедливость закона отражения.

Учащиеся. Нужно расположить излучающий и приёмный диполи так, чтобы они были параллельны, и между ними вставить металлическую перегородку, чтобы лампа приёмного диполя погасла. Затем надо взять металлический лист и поворачивать его над перегородкой до тех пор, пока лампа приёмного диполя не загорится (рис. 6.3). Тогда видно, что угол отражения равен углу падения.

Учитель. На одном из прошлых уроков мы поставили опыт по интерференции двух волн, распространяющихся навстречу. Предложите простой опыт по интерференции, в котором электромагнитные волны накладываются, распространяясь под произвольным углом друг к другу.

Учащиеся. Перед излучающим диполем параллельно ему поместим приёмный диполь с лампой накаливания. Возьмём металлический лист, который будет выполнять роль отражающего зеркала, и будем перемещать его так, чтобы волна от излучающего диполя отразилась на приёмный. Тогда на приёмный диполь будут одновременно падать две волны: идущая непосредственно от излучателя и отражённая зеркалом. При этом в зависимости от разности хода между волнами, падающими на приёмный диполь, увидим, что его лампа либо горит, либо не горит (рис. 6.4).

Учитель. Любой опыт по интерференции, в том числе и поставленный сейчас, доказывает, что электромагнитная волна распространяется в пространстве. Поясните, как именно.

Учащиеся. При интерференции на приёмный диполь падает волна, идущая непосредственно от генератора УВЧ, и волна, отражённая зеркалом. При перемещении зеркала меняются максимумы и минимумы интенсивности. Этого не было бы, если бы волна от генератора не распространялась за определённое время до зеркала и после отражения – до приёмного диполя. Таким образом, опыт по интерференции действительно доказывает, что электромагнитная волна распространяется, проходя определённое расстояние за определённое время.

Учитель. Доказать, что электромагнитная волна преломляется, непросто потому, что использованные в наших опытах волны имеют большую длину и для демонстрации преломления нужно делать призмы больших размеров. Но выход из этого положения есть. Посмотрите, у меня в руках пластиковая бутылка, которая фокусирует свет за счёт преломления (рис. 6.5). Не будет ли примерно так же преломляться электромагнитная волна?

Учащиеся. Давайте попробуем расположить бутылку с водой параллельно приёмному диполю. Лампа действительно горит немного ярче!

Учитель. Это не очень убедительно, свет фокусируется гораздо сильнее. Кто догадается, в чём тут дело?

Учащиеся. Может быть, причина том, что показатель преломления воды для волн дециметрового диапазона (n = 9) значительно больше, чем для света (n = 1,33)? Тогда передняя цилиндрическая поверхность фокусирует электромагнитную волну внутри бутылки с водой, а дальше происходит расфокусировка?

Учитель. Это правильная догадка. Смотрите, я выливаю три четверти воды из бутылки и помещаю бутылку горизонтально – так, чтобы получилась плосковыпуклая цилиндрическая линза. Теперь приближаю её к приёмному диполю – его лампа ярко загорается (рис. 6.6)!

6.4. Дифракция и поляризация электромагнитных волн

Учитель. Придумайте и поставьте эксперимент, доказывающий, что существует явление дифракции электромагнитных волн.

Учащиеся. Дифракция – это огибание волной препятствия. Надо между излучающим и приёмным диполями поставить препятствие, не пропускающее электромагнитную волну, и убедиться, что лампа приёмного диполя горит.

Учитель. Я беру узкую металлическую полоску, длина которой превышает длину приёмного диполя, чтобы исключить явление резонанса. Помещаю эту полоску вплотную к приёмному диполю, и вы видите, что его лампа гаснет. Постепенно приближаю полоску к излучающему диполю – и лампа начинает гореть (рис. 6.7). Объясните явление.

Учащиеся. Сразу за полоской образуется тень, куда электромагнитное излучение не проникает. Чем дальше от полоски, тем сильнее проникает волна в область геометрической тени. При достаточно большом расстоянии от препятствия тень от него практически исчезает.

Учитель. У меня в руках решётка из трёх тонких металлических стержней. Я ввожу её в пространство между излучающим и приёмным диполями и поворачиваю вокруг направления распространения электромагнитной волны. Что вы наблюдаете?

Учащиеся. Когда стержни решётки параллельны излучающему диполю, волна сквозь неё не проходит, и лампа приёмного диполя гаснет. Волна проходит через решётку, когда её стержни перпендикулярны излучающему диполю (рис. 6.8, а, б).

Учитель. Теперь я поворачиваю решётку на угол примерно 45°, и яркость лампы приёмного диполя уменьшается. Но если повернуть приёмный диполь в ту же сторону на тот же угол, то лампа вновь загорается, хотя и слабее (рис. 6.9, а). Поворачиваю приёмный диполь так, чтобы он стал параллелен стержням решётки – и лампа гаснет (рис. 6.9, б). Объясните явление.

Учащиеся. Через решётку всегда проходит электромагнитная волна, в которой вектор напряжённости электрического поля перпендикулярен стержням решётки. Когда решётка повернута относительно излучающего диполя, через неё проходит соответствующая составляющая падающей волны.

Учитель. Такая решётка называется поляризатором. Электромагнитная волна, вектор напряжённости электрического поля которой колеблется в определённом направлении, называется линейно поляризованной. Генератор УВЧ с дипольной излучающей антенной даёт линейно поляризованную волну. Но, скажем, естественные источники света дают неполяризованную волну. Вектор напряжённости электрического поля такой волны колеблется, беспорядочно меняя направление в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны. Для получения линейно поляризованного света нужно использовать специальные поляризаторы, которые в принципе работают так же, как наш стержневой поляризатор.

6.5. Электромагнитная волна в двухпроводной линии

Учитель. К генератору УВЧ подключаю два параллельных провода и кладу на них люминесцентную лампу. Включаю генератор, натираю шерстью кусок пенопласта, провожу над лампой и... Что вы наблюдаете?

Учащиеся. Лампа горит в отдельных участках, отстоящих друг от друга на одинаковые расстояния, которые равны половине длины волны электромагнитного излучения (рис. 6.10). Очевидно, возле проводов возникает стоячая электромагнитная волна.

Учитель. Два провода, на которых лежит люминесцентная лампа, называются двухпроводной линией. Конец нашей линии разомкнут, и возле него свечение лампы максимально. Значит, возле этого конца находится пучность напряжённости электрического поля стоячей волны. Используя индикаторы электрического и магнитного полей, мы без труда убеждаемся, что в стоячей электромагнитной волне пучностям электрического поля соответствуют узлы магнитного поля, и наоборот (рис. 6.11).

Если конец линии замкнуть накоротко, то возле него образуются узел электрического поля и пучность магнитного (рис. 6.12). Как вы думаете, что нужно сделать, чтобы в двухпроводной линии получить бегущую волну?

Учащиеся. Так как сопротивление разомкнутой линии равно бесконечности, а короткозамкнутой – нулю, то нужно попытаться нагрузить линию на какой-то резистор, сопротивление которого конечно.

Учитель. Делаю это, замкнув конец двухпроводной линии постоянным резистором, сопротивление которого подобрано так, что отражения волны от конца линии не происходит. Вы видите, что в этом случае лампа светится слабо и равномерно (рис. 6.13), т.е. в двухпроводной линии имеется только бегущая от генератора к нагрузке волна.

6.6. Заключение

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

Учащиеся. Мы узнали, что для электромагнитного излучения характерны такие же явления, как для любых других волн: распространение, перенос энергии, поглощение, отражение, преломление, интерференция, дифракция, поляризация, дисперсия. Мы научились экспериментально доказывать существование всех этих явлений для электромагнитного излучения. Все опыты интересны, но больше всего понравились опыт по фокусировке и опыты с двухпроводной линией.

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 представляет собой полный спектр электромагнитного излучения? Какие диапазоны электромагнитных волн принято выделять? [Г.Я.Мякишев, § 87; В.А.Касьянов, § 51.]
2. Какие свойства электромагнитного излучения можно продемонстрировать в сантиметровом диапазоне? [Г.Я.Мякишев, § 54.]
3. Почему в дециметровом диапазоне трудно пронаблюдать явление преломления электромагнитных волн? [Опорный конспект.]
4. Двухпроводную лини ю часто используют для соединения генератора высокой частоты с антенной. Почему двухпроводная линия излучает электромагнитную волну плохо, а антенна – хорошо? [Опорный конспект.]
5. Каков принцип действия поляризатора электромагнитного излучения? Куда девается энергия электромагнитной волны, не прошедшей через поляризатор? Подробно проанализируйте опыты по поляризации, проделанные на уроке. [Опорный конспект.]
6. Генератор УВЧ излучает электромагнитную волну частотой 500 МГц, которая падает нормально на плоский металлический лист. На какое минимальное расстояние нужно передвинуть этот лист, чтобы максимум интенсивности в некоторой точке изменился на минимум?
7. Найдите частоту генератора, если подключённый к нему вибратор излучает максимальную мощность, когда его длина равна 30 см.

Продолжение следует