11кл_Электромагнитные волны

Тема урока: Электромагнитные волны и их свойства. Шкала электромагнитных волн

Цели урока:

1. Образовательные - ознакомить с понятием электромагнитной волны, рассмотреть механизм ее образования, изучить эксперименты по открытию электромагнитных волн, их свойства и шкалу диапазонов. Познакомить с применением электромагнитных волн.

2. Развивающие – развивать познавательный интерес, развивать у школьников умения выделять главное, существенное в изучаемом материале, сравнивать, обобщать, логически излагать свои мысли; развивать самостоятельность и волю школьников, используя для этого творческие, экспериментальные задания; развивать эмоции учащихся, создавая на уроке ситуации занимательности; формировать потребность в дополнительном, после учебном познавательном труде; способствовать обогащению словарного запаса, прививать культуру умственного труда.

3. Воспитательные – приучать детей к аккуратному ведению записей в тетради, к доброжелательному общению, взаимопомощи, к самоконтролю; воспитывать чувство сопереживания за товарищей, формировать познавательный интерес к физике.

Тип урока: изучение нового материала, применение и совершенствование полученных знаний.

Материалы и оборудование:

План урока

1. Организационный момент

2. Подготовка к усвоению нового материала

3. Освоение нового материала

4. Закрепление материала

5. Домашнее задание

Ход урока

1. Этап начальной организации урока.

Задача: подготовить учащихся к работе на уроке.

Содержание: взаимное приветствие учителя и учащихся, определить отсутствующих, проверить готовность учащихся к уроку, организовать внимание учащихся, проверить готовность оборудования.

2. Этап подготовки учащихся к активному и сознательному усвоению нового материала. Постановка проблемных вопросов.

Слайд 1 Когда мы изучали, как распространяются механические колебания, то мы выяснили, что распространение колебаний означает передачу колебаний от одних частиц среды к другим. Для того чтобы механические колебания распространились в пространстве, необходимо, чтобы колеблющееся тело находилось в упругой среде. Упругой средой мы называем среду, частицы которой связаны между собой силами упругости (газ, жидкость, твердое тело). Процесс распространения колебаний в пространстве называется волной.

Механические волновые явления имеют огромное значение для повседневной жизни. К этим явлениям относится распространение звуковых колебаний, обусловленное упругостью окружающего нас воздуха. Благодаря упругим волнам мы можем слышать на расстоянии. Круги, разбегающиеся на поверхности воды от брошенного камня, мелкая рябь на поверхности озера и огромные океанские волны — это тоже механические волны, хотя и иного типа.

Огромную роль играют и волновые явления совершенно иной природы, а именно электромагнитные волны.

Слайд 2 Запишите тему урока «Электромагнитные волны и их свойства. Шкала электромагнитных волн».

3. Этап изучения нового материала.

Задача: дать определение электромагнитной волны, рассмотреть механизм ее образования, свойства и шкалу диапазонов.

Содержание.

Слайд 3 Мы знаем, что электрическое поле создается электрически заряженными телами, если электрические заряды неподвижны, то и создаваемое ими электрическое поле остается все время одним и тем же, т.е. не меняется.

Рассмотрим два покоящихся заряда, находящихся на некотором расстоянии друг от друга. Сила их взаимодействия определяется законом Кулона. Шевельнём один из зарядов. Согласно закону Кулона сила взаимодействия изменится мгновенно — второй заряд сразу «почувствует» изменение положения первого заряда. Однако в действительности дело обстоит иначе. При шевелении заряда электрическое поле вблизи него начнет меняться, изменяющееся электрическое поле порождает магнитное поле, которое также будет переменным и оно, в свою очередь, породит переменное электрическое поле, которое опять породит переменное магнитное поле и т. д. В пространстве начинает распространяться процесс колебаний напряжённости электрического поля и индукции магнитного поля — электромагнитная волна. Спустя некоторое время эта электромагнитная волна достигнет второго заряда; лишь тогда — а не мгновенно! — он и «почувствует», что положение первого заряда изменилось.

Слайд 4 Электромагнитная волна— это распространяющееся в пространстве возмущение электромагнитного поля, представляющее собой взаимосвязанные колебания электрического и магнитного полей.

Слайд 5 Впервые гипотезу о существовании электромагнитных волн высказал в 1864 г. английский физик Джеймс Максвелл. К тому времени Фарадеем уже было открыто явление электромагнитной индукции, т.е. возникновение электрического поля в результате изменения магнитного поля.

Обратное же явление — возникновение магнитного поля при всяком изменении электрического — было теоретически предсказано Максвеллом. Он предположил, что будет верным и обратное - всякое изменяющееся во времени электрическое поле создает изменяющееся магнитное поле. Слайд 6 Следовательно, думал Максвелл, при всяком изменении электромагнитного поля должны возникать взаимосвязанные колебания электрического и магнитного полей, т.е. электромагнитные волны.

Теоретическое предположение Максвелла требовало проверки на опыте.

Казалось бы, получить электромагнитную волну весьма просто. Можно, например, заставить заряженное тело совершать колебательное движение, в этом случае вокруг него возникнет переменное электрическое поле, которое породит переменное магнитное, а дальше поля смогут попеременно воспроизводить друг друга, и должна будет возникнуть электромагнитная волна. Однако при такой постановке опыта мы не получим доступных наблюдению волновых явлений.

Слайд 7 Оказывается, электромагнитные волны должны быть достаточно интенсивными для того, чтобы можно было их наблюдать в эксперименте. Электромагнитные волны будут тем интенсивнее, чем быстрее меняется положение зарядов, излучающих эти волны. Действительно, в таком случае электрическое поле вблизи зарядов меняется с большей скоростью и порождает большее магнитное поле; оно, в свою очередь, меняется столь же быстро и порождает большее электрическое поле и т. д. Положение здесь такое же, как и в явлении электромагнитной индукции: чем быстрее изменение тока, тем большее возникает магнитное поле.

Таким образом, необходимым условием образования интенсивных электромагнитных волн является достаточно высокая частота электрических колебаний. Для успеха опытов частота тока 50 Гц совершенно недостаточна. Необходимы гораздо более высокие частоты электрических колебаний.

Опыт Герца

Слайд 8 Электромагнитные волны были зарегистрированы через 9 лет после смерти Максвелла немецким физиком Генрихом Герцем, Ему удалось получить электромагнитные колебания большой частоты, добиться излучения электромагнитных волн и зарегистрировать их прием. Герц исследовал свойства электромагнитных волн и определил скорость их распространения. Его данные подтвердили расчеты Максвелла. Между тем, как Максвелл вывел свою теорию об электромагнитных волнах и доказательством этой теории на практике прошло более 20 лет.

Слайд 9 Какие же принципы лежали в основе эксперимента Герца?

Для излучения электромагнитной волны требуется достаточно быстро и ускоренно движущийся электрический заряд. Г. Герц в своих опытах установил: чтобы получить довольно ощутимую электромагнитную волну, движущийся электрический заряд должен осуществлять колебания с высокой частотой, порядка нескольких десятков тысяч герц. Если такое колебание происходит, то вокруг этого заряда будет формироваться переменное электромагнитное поле и распространяться во все стороны. Это и будет электромагнитная волна.

В спомним, что электромагнитные колебания возникают в LC –контуре. В цепи такого контура возникают колебания заряда на обкладках конденсатора, которые происходят по гармоническому закону косинуса или синуса: q= q₀sinɷt.

На обкладках конденсатора создается переменное электрическое поле. Это поле порождает периодически изменяющееся с той же частотой магнитное поле. Оно, в свою очередь, порождает периодически изменяющееся с той же частотой электрическое и т.д. Такие последовательные порождения друг другом периодически изменяющихся с одинаковой частотой электрических и магнитных полей приводят к тому, что с течением времени в пространстве распространяются возмущения электромагнитного поля –электромагнитная волна.

Достигая контура 2, электромагнитная волна возбуждает в нем электромагнитные колебания, которые можно наблюдать на экране осциллографа. Амплитуда колебаний в контуре 2 будет максимальной, если собственная частота этого контура совпадет с частотой вынужденных колебаний в контуре 1.

Таков механизм возникновения и распространения электромагнитной волны. Однако на практике мы не сможем наблюдать в данном колебательном контуре описанные волновые явления. Все дело в том, что таком контуре переменное электрическое поле почти целиком сосредоточено в малой области внутри конденсатора, а переменное магнитное поле — в малой области внутри катушки. Эти поля оказываются как бы заключенными внутри такой цепи, и вырваться наружу не могут, т.е. их распространение наружу не происходит. Поэтому даже при достаточно высокой частоте колебаний такой колебательный контур оказался непригоден для излучения электромагнитных волн.

Эксперименты показали, что для образования интенсивных электромагнитных волн одной лишь высокой частоты колебаний недостаточно. Существенным оказывается ещё один фактор: переменное электромагнитное поле, являющееся источником электромагнитных волн, должно занимать достаточно большую область пространства.

Слайд 10 Значит, предстояло решить 2 задачи: обеспечить высокую частоту колебаний и увеличить область, занимаемую электромагнитным полем.

Слайд 11 Герц нашёл красивое и гениально простое решение — открытый колебательный контур.

Как видим, идея Герца об открытом колебательном контуре позволила «убить двух зайцев»: 1) ёмкость и индуктивность стержня очень малы, можно получить колебания весьма высокой частоты; 2) переменное электромагнитное поле занимает довольно большую область пространства вокруг стержня. Поэтому такой стержень может служить источником достаточно интенсивных электромагнитных волн.

Однако мы получили прямолинейный проводник, по которому пройдет ток, но колебания не возникнут.

И гениальность Герца заключалась в том, что он догадался разрезать проводник. Герц разрезал стержень посередине, раздвинул половинки на небольшое расстояние (создав так называемый разрядный промежуток) и подключил их к источнику высокого напряжения. Концы провода в разрядном промежутке снабжались небольшими шариками. Данный излучатель впоследствии получил название вибратор Герца.

К огда напряжение между шариками превышало напряжение пробоя, в разрядном промежутке проскакивала искра. Во время существования искры цепь замыкалась, и в стержне возникали электромагнитные колебания — вибратор излучал электромагнитные волны. Как их обнаружить экспериментально? Эксперимент показывает, что если на некотором расстоянии от колебательного контура, в котором происходят электромагнитные колебания, расположить такой же контур, то через определенный промежуток времени во втором контуре возникнут электромагнитные колебания.

Герц регистрировал эти волны с помощью приёмного вибратора — проводника с шариками на концах разрядного промежутка. Приёмный вибратор находился поодаль, на некотором расстоянии от излучающего вибратора.

Слайд 12 Переменное электрическое поле электромагнитной волны возбуждало в приёмном вибраторе переменный ток. Если частота этого тока совпадала с собственной частотой приёмного вибратора, то возникал резонанс, и в разрядном промежутке проскакивала искра! Наличие этой искры, появляющейся на концах совершенно изолированного проводника, явилось ярким свидетельством существования электромагнитных волн.

https://physics-engineers.ru/media-resources/22a457e5-5150-4582-befa-762a5a5500c7 (до 2.05 мин)

Слайд 13 Итак, вибратор Герца представляет собой обыкновенную антенну, разделенную пополам, на которую подается высокое напряжение от повышающего трансформатора. По мере накопления заряда между этими двумя кусочками происходит кратковременный искровой разряд, но электромагнитная волна, которая возникнет между частями антенны, имеет скорость 3*108 м/с, и за это время она может преодолеть очень большое расстояние.

Таким образом, эксперимент Герца доказал теорию Максвелла об электромагнитных волнах. А вибратор Герца стал прародителем антенн, применяемых в радиовещании, телевидении и связи.

Слайд 14 В виде, в котором мы ее получили, такую антенну невозможно использовать на практике, так как мощность излучения в этом случае невелика. Интенсивное излучение начинается при достижении частот порядка сотен тысяч герц. Поэтому в действительности контур состоит из катушки, конденсатора и длинного провода — антенны. Один конец провода соединен с землей (заземлен), второй — поднят над поверхностью Земли.

Слайд 15 Через 7 лет после экспериментов Герца электромагнитные волны были впервые использованы в беспроводной связи в России. 7 мая 1895 г. русский ученый Александр Степанович Попов на заседании Русского физико-химического общества в Санкт - Петербурге сообщил о возможности приема электромагнитных сигналов на расстоянии. А уже 18 декабря 1897 г. он передал на расстояние 250 м первую в мире радиограмму из двух слов «Heinrich Hertz» (Генрих Герц) в честь первого в мире человека, наблюдавшего электромагнитные волны.

В 1901 г. итальянский инженер Г. Маркони впервые осуществил радиосвязь через Атлантический океан. В 1909 г. он получил Нобелевскую премию за развитие радиотехники и распространение радио как средства связи

Слайд 16-17 Свойства электромагнитных волн

1. Для излучения электромагнитных волн заряд не обязательно должен совершать колебательное движение; главное — чтобы у заряда было ускорение. Любой заряд, движущийся с ускорением, является источником электромагнитных волн. При этом излучение будет тем интенсивнее, чем больше модуль ускорения заряда. Так, при равномерном движении по окружности (скажем, в магнитном поле) заряд имеет центростремительное ускорение и, стало быть, излучает электромагнитные волны. Быстрые электроны в газоразрядных трубках, налетая на стенки, тормозятся с очень большим по модулю ускорением; поэтому вблизи стенок регистрируется рентгеновское излучение высокой энергии (так называемое тормозное излучение). В цепях постоянного тока электромагнитные волны наблюдаться не будут, поскольку заряды движутся с постоянной скоростью. В цепях переменного тока заряды движутся с ускорением, и электромагнитные волны будут излучаться.

2. Распространяются не только в различных средах, но и вакууме. Это связано с тем, что в электромагнитной волне колебания совершают не частицы вещества, а напряженность электрического поля и индукция магнитного поля.

3. В вакууме скорость распространения электромагнитных волн c = 3 · 10⁸ м/с.

4. Отражаются и преломляются на границах раздела сред.

5. Электромагнитная волна не переносит вещество, а лишь энергию.

6. Электромагнитные волны – поперечные. Векторы В и Е перпендикулярны друг другу и лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны.

Слайд 18-19 Виды электромагнитных излучений

Спектр электромагнитных волн необычайно широк: длина волны может измеряться тысячами километров, а может быть меньше пикометра. Тем не менее, весь этот спектр можно разделить на несколько характерных диапазонов длин волн; внутри каждого диапазона электромагнитные волны обладают более-менее схожими свойствами и способами излучения. Мы рассмотрим эти диапазоны в порядке убывания длины волны. Диапазоны плавно переходят друг в друга, чёткой границы между ними нет. Поэтому граничные значения длин волн порой весьма условны.

Спектр электромагнитного излучения составляют:

• низкочастотные волны;

• радиоволны;

• инфракрасное излучение;

• световое излучение;

• рентгеновское излучение;

• гамма излучение

Слайд 20 1. Радиоволны (λ 1 мм).

Источниками радиоволн служат колебания зарядов в проводах, антеннах, колебательных контурах. Радиоволны излучаются также во время гроз.

• Сверхдлинные волны (λ 10 км). Хорошо распространяются в воде, поэтому используются для связи с подводными лодками.

• Длинные волны (1 км λ

• Средние волны (100 м λ

• Короткие волны (10 м λ ловить радиостанции других стран.

• Метровые волны (1 м λ

• Дециметровые волны (10 см λ Animal Planet» приблизительно равна 42 см.

Это также диапазон мобильной связи; так, стандарт GSM 1800 использует радиоволны с частотой примерно 1800 МГц, т. е. с длиной волны около 17 см.

Есть ещё одно хорошо известное вам применение дециметровых волн — это микроволновые печи. Стандартная частота микроволновой печи равна 2450 МГц (это частота, на которой происходит резонансное поглощение электромагнитного излучения молекулами воды). Она отвечает длине волны примерно 12 см.

Наконец, в технологиях беспроводной связи Wi-Fi и Bluetooth используется такая же длина волны — 12 см (частота 2400 МГц).

• Сантиметровые волны (1 см λ

• Миллиметровые волны (1 мм λ

Здесь мы подходим к длинноволновой границе инфракрасного излучения. Слайд 21

1. Инфракрасное излучение (780 нм