Физика (лучшее)

бы.

Но в действительности потери энергии неизбежны. Так, в частности, катушка

и соединительные провода обладают сопротивлением R, и это ведет к

постепенному превращению энергии электромагнитного поля во внутреннюю

энергию проводника.

При колебаниях, происходящих в контуре, наблюдается превращение энергии

магнитного поля в энергию электрического поля и наоборот. Поэтому эти

колебания называют электромагнитными. Период колебательного контура

находится по формуле :

[pic]

Билет № 18

1. Индуктивность. Пусть по замкнутому контуру течёт постоянный ток силой

I. Этот ток создаёт вокруг себя магнитное поле, которое пронизывает

площадь, охватываемую проводником, создавая магнитный поток. Известно, что

магнитный поток Ф пропорционален модулю индукции магнитного поля В, а

модуль индукции магнитного поля, возникающего вокруг проводника с током,

пропорционален силе тока 1. Из этого следует

[pic]

Коэффициент пропорциональности L между силой тока и магнитным потоком,

создаваемым этим током через площадь, ограниченную проводником, называют

индуктивностью проводника.

Индуктивность проводника зависит от его геометрических размеров и формы, а

также от магнитных свойств среды, в которой он находится. внутри него.

Необходимо отметить, что если магнитная проницаемость среды, окружающей

проводник, не зависит от индукции магнитного поля, создаваемого током,

текущим по проводнику, то индуктивность данного проводника является

постоянной величиной при любой силе тока, идущего в нём. Это имеет место,

когда проводник находится в среде с диамагнитными или парамагнитными

свойствами. В случае ферромагнетиков индуктивность зависит от силы тока,

проходящего по проводнику.

В системе единиц СИ индуктивность измеряется в генри (Гн). L = Ф/I и 1 Гн

= 1 В6/ 1А, т.е. 1 Гн — индуктивность такого проводника, при протекании по

которому тока силой 1А возникает магнитный поток, пронизываю площадь,

охватываемую проводником, равный 1Вб.

Явление самоиндукции. Явление возникновения э.д.с. в том же

проводнике, по которому течёт переменный ток, называется самоиндукцией, а

саму э.д.с. называют э.д.с. самоиндукции. Это явление объясняется

следующим. Переменный ток, проходящий по проводнику, порождает вокруг себя

переменное магнитное поле, которое, в свою очередь, создаёт магнитный

поток, изменяющийся со временем, через площадь, ограниченную проводником.

Согласно явлению электромагнитной индукции, это изменение магнитного потока

и приводит к появлению э.д.с. самоиндукции.

Найдём э.д.с. самоиндукции. Пусть по проводнику с индуктивностью L течёт

электрический ток. В момент времени t1 сила этого тока равна I1, а к

моменту времени t2 она стала равной I2. Тогда магнитный поток, создаваемый

током через площадь ограниченную проводником, в моменты времени t1 и t2

соответственно равен Ф1=LI1 и Ф2= LI2 , а изменение (Ф магнитного потока

равно (Ф = LI2 — LI1 = L(I2 — I1) = L(I, где (I =I2— I1 — изменение силы

тока за промежуток времени (t = t2 - t1. Согласно закону электромагнитной

индукции, э.д.с. самоиндукции равна: [pic]Подставляя в это выражения

предыдущую формулу, получаем

[pic]

Итак, э.д.с. самоиндукции, возникающая в проводнике, пропорциональна

быстроте изменения силы тока, текущего по нему. Соотношение представляет

собой закон самоиндукции.

Под действием э.д.с. самоиндукции создаётся индукционный ток, называемый

током самоиндукции. Этот ток, согласно правилу Ленца, противодействует

изменению силы тока в цепи, замедляя его возрастание или убывание.

Энергия магнитного поля. При протекании электрического тока по проводнику

вокруг него возникает магнитное поле. Оно обладает энергией. Можно

показать, что энергия магнитного поля, возникающего вокруг проводника с

индуктивностью L, по которому течёт постоянный ток силой I, равна

[pic]

Билет № 20

Фундаментальные законы природы, к числу которых относятся открытые

Максвеллом законы электромагнетизма, замечательны в следующем отношении:

они могут дать гораздо больше, чем заключено в тех фактах, на основе

которых они получены.

Среди бесчисленных, очень интересных и важных следствий, вытекающих из

максвелловских законов электромагнитного поля, одно заслуживает особого

внимания. Это вывод о том, что электромагнитное взаимодействие

распространяется с конечной скоростью.

Согласно теории дальнодействия кулоновская сила, действующая на

электрический заряд, сразу же изменится, если соседний заряд сдвинуть с

места. Действие передается мгновенно. С точки зрения действия на расстоянии

иначе быть не может:

ведь один заряд непосредственно через пустоту <чувствует» присутствие

другого.

Согласно же представлению о близкодействии обстоит совершенно иначе и

много сложнее. Перемещение заряда меняет электрическое поле вблизи него.

Это переменное электрическое поле порождает переменное магнитное поле в

соседних областях пространства. Переменное же магнитное поле в свою очередь

порождает переменное электрическое поле и т.д.

Перемещение заряда вызывает, таким образом, «всплеск» электромагнитного

поля, который, распространяясь, охватывает все большие и большие области

окружающего пространства, перестраивая по дороге то поле, которое

существовало до смещения заряда. Наконец, этот «всплеск» достигает второго

заряда, что и приводит к изменению действующей на него силы. Но произойдет

это не в тот момент времени, когда произошло смещение первого заряда.

Процесс распространения электромагнитного возмущения, механизм которого был

вскрыт Максвеллом, протекает с конечной, хотя и очень большой, скоростью. В

этом состоит фундаментальное свойство поля, которое не оставляет сомнений в

его реальности.

Максвелл математически показал, что скорость распространения этого

процесса равна скорости света в вакууме.

Электромагнитная волна. Представьте себе, что электрический заряд не

просто сместился из одной точки в другую, а приведен в быстрые колебания

вдоль некоторой прямой. Заряд движется подобно грузу, подвешенному на

пружине, но только колебания его происходят со значительно большей

частотой. Тогда электрическое поле в непосредственной близости от заряда

начнет периодически изменяться. Период этих изменений, очевидно, будет

равен периоду колебаний .заряда. Переменное электрическое поле будет

порождать периодически меняющееся магнитное поле, а последнее в свою

очередь вызовет появление переменного электрического поля уже на большем

расстоянии от заряда и т. д.

Мы не будем в деталях рассматривать сложный процесс образования

электромагнитного поля, порождаемого колеблющимся зарядом. Приведем лишь

конечный результат.

В окружающем заряд пространстве, захватывая все большие и большие области,

возникает система взаимно перпендикулярных, периодически изменяющихся

электрических и магнитных полей. На рисунке 84 изображен «моментальный

снимок» такой системы полей.

Образуется так называемая электромагнитная волна,. бегущая по всем

направлениям от колеблющегося заряда.

Не надо думать, что электромагнитная волна, подобно волне на поверхности

воды, представляет собой возмущение какой-либо среды. На рисунке изображены

в некотором масштабе значения векторов Ё и В в различных точках

пространства, лежащих на линии Os, в фиксированный момент времени. Никаких

гребней и впадин среды, как в случае механических волн на поверхности воды,

здесь нет.

В каждой точке пространства электрические и магнитные поля меняются во

времени периодически. Чем дальше расположена точка от заряда, тем позднее

достигнут ее колебания полей. Следовательно, на разных расстояниях от

заряда колебания происходят с различными фазами.

Колебания векторов Ё и В в любой точке совпадают по фазе. Расстояние между

двумя ближайшими точками, в которых колебания происходят в одинаковых

фазах, есть длина волны (. В данный момент времени значения векторов Е и В

меняются периодически в пространстве с периодом (.

Направления колеблющихся векторов напряженности электрического поля и

индукции магнитного поля перпендикулярны к направлению распространения

волны. Электромагнитная волна является поперечной.

Таким образом, векторы Ё и Й в электромагнитной волне перпендикулярны друг

другу и перпендикулярны направлению распространения волны. Если вращать

буравчик с правой нарезкой от вектора Ё к вектору В то поступательное

перемещение буравчика будет совпадать с вектором скорости волны с.

Электромагнитные волны излучаются колеблющимися зарядами. При этом

существенно, что скорость движения таких зарядов меняется со временем, т.

е. что они движутся с ускорением.

Наличие ускорения — главное условие излучения электромагнитных волн.

Электромагнитное воле излучается заметным образом не только при колебаниях

заряда, но и при любом быстром изменении его скорости, причем интенсивность

излученной волы тем больше, чем больше ускорение, с которым движется заряд.

Наглядно это можно представить себе так. При движении заряженной частицы с

постоянной скоростью созданные ею электрическое и магнитное поля, подобно

развевающемуся шлейфу, сопровождают частицу. При ускорении частицы

обнаруживается присущая электромагнитному полю инертность. Поле

«отрывается» от частицы и начинает самостоятельное существование в форме

электромагнитных волн.

Энергия электромагнитного поля волны в данный момент времени меняется

периодически в пространстве с изменением векторов Ё и В. Бегущая волна

несет с собой энергию, перемещающуюся со скоростью с вдоль направления

распространения волны. Благодаря этому энергия электромагнитной волны в

любой области пространства меняется периодически со временем.

Максвелл был глубоко убежден в реальности электромагнитных волн. Но он не

дожил до их экспериментального обнаружения. Лишь через 10 лет после его

смерти электромагнитные волны были экспериментально получены Герцем.

2. Принцип радиосвязи. Радиопередатчик. Для осуществления радиосвязи

необходимы радиопередатчик и радиоприёмник. Рассмотрим принцип действия

радиопередатчика, блок-схема которого приведена на рис. ‘77.1. Генератор

создаёт высокочастотные электромагнитные гармонические колебания с частотой

v . Пусть перед микрофоном находится звучащий камертон, создающий

механические гармонические колебания звуковой частоты Yзв. Эти колебания с

помощью микрофона преобразуются в электромагнитные колебания той же частоты

(рис. 77.2 6). Частота Yзв этих колебаний значительно меньше частоты Y

высокочастотных электромагнитных колебаний.

Колебания, создаваемые генератором и микрофоном, подаются в модулятор, в

котором происходит их сложение, в результате чего возникают

электромагнитные колебания с частотой Y, амплитуда которых изменяется с

частотой Yзв. Такие колебания называют амплитудно - модулированными (рис.

77.2 в). Затем модулированные колебания усиливаются и подаются на

антенну(открытый колебательный контур), которая излучает модулированные

электромагнитные волны.

Радиоприёмник. Блок-схема радиоприёмника показана на рис. 77.3.

Модулированные электромагнитные волны, излучаемые различными

радиостанциями, индуцируют в антенне модулированные электромагнитные

колебания разных частот. Изменяя величину ёмкости конденсатора и

индуктивности, добиваются совпадения собственной частоты колебательного

контура с частотой одной из передающей станции. Это приводит к тому, что в

колебательном контуре возникают вынужденные резонансные электромагнитные

колебания данной частоты. Амплитуды же колебаний с другими частотами будут

очень малы. Эти модулированные колебания рис. 77.2 в) усиливаются и

подаются в демодулятор (детектор). После его прохождения сила тока в цепи

изменяется со временем по закону, график которого приведён на рис. 77.4.

далее происходит преобразование этого тока в ток, сила которого изменяется

со временем со звуковой частотой Yзв рис.77.2б). Затем этот ток усиливается

и протекает через динамик, который преобразует электромагнитные колебания в

звуковые той же частоты. В результате этого динамик воспроизводит

механические колебания, происходящие перед микрофоном передающей станции.

Принцип радиопередачи используют в телевидении, радиолокации, в

различных видах телефонной (сотовой) связи.

Билет № 21

С точки зрения волновой теории свет представляет собой электромагнитные

волны с частотой v, лежащей в интервале от [pic] до [pic]Гц. Диапазон

световых волн чаще выражают в длинах волн в вакууме (практически в

воздухе). Используя соотношение длины [pic]световой волны с частотой

колебания, находим, что длины волн света в вакууме заключены в пределах от

0,75 до 0,4 мкм. Установлено, что цветовое воздействие света на глаз

человека обусловлено его частотой. Так, световые волны с частотой [pic] Гц

воспринимаются как красный свет, а с частотой [pic]Гц как фиолетовый.

Показано также, что световые волям, отличающиеся подлине волны менее чем на

2 нм, воспринимаются как одноцветные.

1. Интерференция волн. Интерференцией волн называют явление усиления и

ослабления волн в определённых точках пространства при их наложении.

Интерферировать могут только когерентные волны. Когерентными называются

такие волны (источники), частоты которых одинаковы и разность фаз колебаний

не зависит от времени. Геометрическое место точек, в которых происходит

усиление или ослабление волн соответственно называют интерференционным

максимумом или интерференционным минимумом, а их совокупность носит

название интерференционной картины. В связи с этим можно дать иную

формулировку явления. Интерференцией волн называется явление наложения

когерентных волн с образованием интерференционной картины.

Пусть волны создаются когерентными источниками O1 и О2. Рассмотрим

точку М, находящуюся на расстоянии l1 и l2 от источника (рис. 83.1), в

которой происходит наложение

волн. Установлено, что волны усиливают друг друга, если [pic] и ослабляют

друг друга, когда [pic] где ( — длина волны, [pic] Величина (l = l1 -

l2, т.е. разность расстояний от источников до рассматриваемой точки,

называется геометрической разностью хода волн. С учётом этого следует, что

когерентные волны, раслространяющиеся в одной среде, усиливаются в точках,

для которых геометрическая разность хода равна целому числу длин волн, и

ослабляется, когда она составляет полуцелое число длин волн.

Явление интерференции света используется для контроля качества обработки

поверхностей, просветления оптики, измерения показателей преломления

вещества и т.д.

Дифракция света. В однородной среде свет распространяется прямолинейно. Об

этом свидетельствуют резкие тени, отбрасываемые непрозрачными предметами

при освещении их точечными источниками света. Однако если размеры

препятствий становятся сравнимыми с длиной волны, то прямолинейность

распространения волн нарушается. Явление огибания волнами препятствий

называется дифракцией. Вследствие дифракции свет проникает в область

геометрической тени. Дифракционные явления в белом свете сопровождаются

появлением радужной окраски вследствие разложения света на составные цвета.

Например, окраска перламутра и жемчуга объясняется дифракцией белого света

на мельчайших его вкраплениях.

Широкое распространение в научном эксперименте и технике получили

дифракционные решётки, представляющие собой систему узких параллельных

щелей одинаковой ширины, расположенных на одинаковом расстоянии d друг от

друга. Это расстояние называют постоянной решётки. Дифракционные решётки

изготавливаются с помощью специальной машины, наносящей штрихи (царапины)

на стекле или другом прозрачном материале. Там, где проведена царапина,

материал становится непрозрачным, а промежутки между ними остаются

прозрачными и играют роль щелей. Это так называемые прозрачные решётки.

Существуют и отражательные решётки, которые получают нанесением штрихов на

металлическое зеркало. Действие обеих типов решёток практически не

отличается, поэтому рассмотрим явления, происходящие только в прозрачных

решётках. Пусть на дифракционную решётку ДР, перпендикулярно к ней, падает

параллельный пучок монохроматического света (плоская монохроматическая

световая волна). Для наблюдения дифракции за ней помещают собираюпхую линзу

Л, в фокальной плоскости которой располагают экран Э(рис. 84.1, на котором

приведён вид в плоскости, проведённой поперёк щелям перпендикулярно к

дифракционной решётке, а также показаны только лучи у краёв щелей).

Вследствие дифракции из щелей исходят световые волны во всех направлениях.

Выберем одно из них, составляющее угол ( с направлением падающего света.

Этот угол называют углом дифракции. Свет, идущий из щелей дифракционной

решётки под углом р, собирается линзой в точке Р (точнее в полосе,

проходящей через эту точку). Геометрическая разность хода (l между

соответствующими лучами, выходящими из соседних щелей, как видно из рис.

84.1, равна А! = d~siп9. Прохождение света через линзу не вносит

дополнительной разности хода. Поэтому если А! равна целому числу длин волн,

т.е.

[pic]

то в точке Р волны усиливают друг друга. Это соотношение является условием

так называемых главных максимумов. Целое число m называют порядком главных

максимумов.

Если на решётку падает белый свет, то для всех значений длин волн

положение максимумов нулевого порядка (m = О) совпадут; положение же

максимумов более высоких порядков различны: чем больше (,????// тем больше

( при данном значении m. Поэтому центральный максимум имеет вид узкой

белой полосы, а главные максимумы других порядков представляют разноцветные

полосы конечной ширины — дифракционный спектр. Наиболее интенсивными

являются спектры первого порядка (m = 1). Спектры более высоких порядков

менее ярки. Если решётку освещать немонохроматическим лучом, в составе

которого имеется дискретный набор длин волн [pic](такой свет даёт,

например, ртутная лампа), то дифракционный спектр представляет собой

совокупность отдельных цветных линий на тёмном фоне: каждой длине волны

соответствует своя линия. Таким образом, дифракционная решётка разлагает

сложный свет в спектр и поэтому с успехом используется в спектрометрах.

Спектрометр — прибор для точного измерения длин волн с помощью

дифракционной решётки (или призмы), которая разлагает свет в спектр, т.е.

на компоненты с различными длинами волн. Свет от источника(рис. 84.2) через

узкую щель направляется в коллиматор, который создаёт параллельный лучок

света. далее свет попадает на решётку. Наблюдатель поворачивает трубу и при

угле (, соответствующему дифракционному максимуму увидит яркую линию. Угол

может быть измерен с высокой точностью. По формуле (84.1) определяют длину

волны наблюдаемого света. Значение спектрометров в науке и промышленности

огромно, поскольку с их помощью осуществляется анализ элементов, входящих в

состав сплавов металлов, анализ газов, жидкостей, твёрдых тел, анализ

химического состава звёзд и т.д. Отметим, что элемент гелий впервые был

обнаружен спектрально на Солнце, откуда и пошло его название.

Дисперсия света. Явление зависимости показателя преломления вещества от

частоты света называется дисперсией света. Установлено, что с возрастанием

частоты света показатель преломления вещества увеличивается. Пусть на

трёхгранную призму падает узкий параллельный пучок белого света на котором

показано сечение призмы плоскостью чертежа и одни из лучей). При

прохождении через призму он разлагается на пучки света разного цвета от

фиолетового до красного. Цветную полосу на экране называют сплошным

спектром. Нагретые тела излучают световые волны со всевозможными частотами,

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7