Классы
Предметы

Вводный урок по теме: «Электромагнитные колебания и волны»

Этот видеоурок доступен по абонементу
Подробнее об абонементе, платных и бесплатных уроках

У вас уже есть абонемент? Войти

Оплатить абонементот 75 руб. в месяц
У вас уже есть абонемент? Войти
Вводный урок по теме: «Электромагнитные колебания и волны»

В ходе данного урока «Электромагнитные колебания и волны» мы определим, что такое электромагнитные колебания, как они возникают, как и где их применяют.

Введение

В кинематике изучали перемещение вещества (Рис. 1), а затем перешли к изучению перемещения изменений вещества (Рис. 2) – механическим волнам.

Рис. 1. Перемещение вещества

Рис. 2. Механическая волна

Что такое волна? Есть некоторое возмущение, и оно распространяется. Возмущение может быть одиночным: волна падения костей домино или цунами. А может быть периодическим: волны на поверхности моря или звуковые волны. В любом случае изменяются параметры вещества, и это изменение распространяется. При этом само вещество вместе с волной не распространяется.

В вакууме, где нет вещества, распространение механических волн невозможно.

Механические колебания

Волны можно использовать для передачи информации. Изменение – это и есть информация. А волна – это её распространение. Когда-то давно зажженный факел мог означать опасность. Если поставить ряд людей, так чтобы каждый видел соседа, они смогут передать информацию об опасности, зажигая свои факелы (Рис. 3).

Рис. 3. Передача информации с помощью факела

А как с помощью колебаний передавать информацию? Звук – это распространение колебаний, и информацию несет само наличие волны, ее амплитуда, частота, спектр, которые на слух воспринимаются как громкость, высота, тембр звука.

Что необходимо для колебаний системы после того, как её вывели из равновесия?

  1. Чтобы система стремилась вернуться к положению равновесия.
  2. Чтобы система «проскакивала» положение равновесия по инерции (Рис. 4). То есть нужна инертность системы.

Рис. 4. Движение тела по инерции

Тела, обладающие массой, не могут мгновенно изменить свою скорость, то есть не могут сразу остановиться или начать двигаться. Чем больше масса тела, тем тяжелее изменить его скорость. Масса – мера инертности.


Как инертность делает возможными колебания?

Возьмем маятник, выведем из состояния равновесия и отпустим. На груз действует сила, и он разгоняется.

Рис. 5. Движение маятника

Когда груз достигает положения равновесия, вдоль направления его движения силы уже не действуют.

Рис. 6. Положение равновесия

Если бы груз был нулевой массы, он мгновенно остановился и колебаний бы не было. Но благодаря инерции груз отклоняется дальше положения равновесия. Как только это происходит, возникает сила, направленная против скорости груза, и он начинает замедляться. Груз инертен, поэтому для его остановки нужно время, и пока он останавливается, то успевает отклониться в другую сторону. Далее процесс повторяется. Этот принцип справедлив и для пружинного маятника, и для мембран, и для струн.


 

Электромагнитные колебания и волны

Когда рассматривают механические колебания, то говорят об изменении положения частиц вещества. Но, кроме вещества, есть ещё поле.

Рассмотрим маятник. Вокруг любой массы есть гравитационное поле, значит, и вокруг груза маятника тоже. При колебаниях маятника поле тоже изменяется, происходят колебания поля (Рис. 7).

Рис. 7. Изменение гравитационного поля маятника

Гравитационное поле намного слабее, чем электромагнитное. Маленький магнит притянет гвоздь, лежащий на полу, сильнее, чем целая планета Земля.

Рассмотрим колебания электрического поля. Подвесим на нить заряд (будем считать, что у него нулевая масса), а снизу разместим противоположно заряженную плоскость (Рис. 8).

Рис. 8. Заряд – маятник

Отведем шар в сторону и отпустим. Он, притягиваясь к плоскости, как груз маятника к Земле, будет стремиться вернуться в положение равновесия. Но, в отличие от маятника, массы (а значит, инерции) у заряда нет. Вместе с тем колебания всё равно возникнут.

Когда заряд движется, изменение электрического поля создает магнитное поле. А изменение магнитного поля создает электрическое поле (Рис. 9).

Рис. 9. Электрическое и магнитное поля

Поле действует так, что изменение скорости заряда происходит с замедлением, не мгновенно. Этот факт известен как правило Ленца. Возникает необходимая для колебаний инерционность: пока заряд остановится, он уже проскочит положение равновесия.

Значит, есть электромагнитные колебания. Как ими пользуются: в электроприборах заряды движутся по проводам. Движущийся заряд – это и есть ток.

Из слов «изменение электрического поля создает магнитное поле» выделим понятие «магнитное поле». Свернем провод в катушку, ее магнитные свойства проявляются намного сильнее, чем у прямого проводника (Рис. 10).

Рис. 10. Катушка проводника

Изменяя количество витков, их диаметр и т.д., можно менять меру той самой инерционности системы (за неё отвечает индуктивность катушки).


Инерционность катушки.

Что будет происходить в момент подключения катушки к источнику тока?

При увеличении силы тока в катушке (она постепенно растёт от нуля) увеличивается её магнитное поле и магнитный поток через площади витков катушки. При изменении магнитного потока через витки катушки в ней возникает ЭДС. Это явление назвали самоиндукцией.

При отключении тока происходит такой же процесс (только сила тока, как и магнитное поле, постепенно уменьшается до нуля), также возникает ЭДС самоиндукции. Причём она направлена так, чтобы препятствовать изменению силы тока. Сила тока в катушке изменяется не мгновенно, а нарастает и убывает постепенно. Это и есть инертность, необходимая для колебаний системы.

Маятник нужно вывести из положения равновесия, а заряды нужно разделять, чтобы потом они двигались через катушку.

Возьмем заряженный конденсатор. Две пластины заряжены разноименно, заряды «разведены» по разным пластинам – это аналог выведенного из состояния равновесия маятника.


Электромагнитные колебания.

Возьмем заряженный конденсатор и замкнем его через катушку. Заряды начнут двигаться с одной пластины на другую, потечет электрический ток, причем он будет нарастать постепенно. И только к тому моменту, когда конденсатор будет разряжен, ток достигнет своего максимального значения. При этом заряды будут продолжать двигаться, конденсатор будет заряжаться – всё как с маятником (груз проскакивает положение равновесия и движется по инерции). Как только конденсатор начнет заряжаться, возникнет сила, направленная на уменьшение электрического тока. Но ток в катушке не уменьшается мгновенно, поэтому, пока ток уменьшится до нуля, конденсатор успеет зарядиться. Получили снова исходные условия: заряженный конденсатор, замкнутый через катушку, поэтому процесс будет повторяться.


 

Управление электромагнитными колебаниями

Как управлять электромагнитными колебаниями? Можно управлять механическими колебаниями: для часов подбирают маятник определенной длины, на аттракционе «Лодочка» в парке (Рис. 11) мы приседаем и встаем: фактически управляем длиной маятника, смещая центр тяжести.

Рис. 11. Управление движением качели

Мы управляем звуком, натягивая струну, напрягая голосовые связки, управляя выдохом.

В случае электромагнитных колебаний можно изменять индуктивность катушки, емкость конденсатора, подавать на них разные напряжения – и получить колебания с разными характеристиками.

Электромагнитные возмущения (в том числе и колебательные) могут распространяться со временем. Причем если механические волны – это изменения параметров вещества, то электромагнитные – это изменение параметров поля, поэтому для распространения электромагнитных волн вещество не нужно.

Радиоволны, видимый свет, инфракрасное и ультрафиолетовое излучения – их все можно описать как электромагнитные волны разных частот.


Передача энергии.

Электромагнитная волна, как и механическая, сопровождается переносом энергии. Передача энергии через излучение – один из видов теплопередачи. Этот вид теплопередачи осуществляется как раз с помощью электромагнитных волн.


Как и механические, электромагнитные волны удобно использовать для передачи информации. Они распространяются на большие расстояния, проникают сквозь препятствия.

Возникает ряд вопросов: какие именно волны использовать, чтобы они передавали информацию или энергию на необходимые нам расстояния; как создать передатчики и приемники; как зашифровать необходимую нам информацию. Всё это технические задачи, которые можно решить, и возможности открываются широчайшие. На связи посредством электромагнитных волн основано большинство современных электронных устройств.

 

Домашнее задание

  1. Приведите примеры механических и электромагнитных колебаний. Объясните разницу в данных понятиях.
  2. Как с помощью катушки можно изменить меру инерционности системы? Описать возникновение ЭДС самоиндукции в катушке при подключении её к источнику тока.
  3. Опишите физический смысл правила Ленца.

 

Список рекомендованной литературы

  1. Мякишев Г.Я. Физика: Учеб. для 11 кл. общеобразоват. учреждений. – М.: Просвещение, 2010.
  2. Касьянов В.А. Физика. 11 кл.: Учеб. для общеобразоват. учреждений. – М.: Дрофа, 2005.
  3. Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И., Физика 11. – М.: Мнемозина.

 

Рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

  1. Интернет-портал «youtube.com» (Источник)
  2. Интернет-портал «eduspb.com» (Источник)
  3. Интернет-портал «electricalschool.info» (Источник)