mozok.click » Фізика » Властивості електромагнітних хвиль
Інформація про новину
  • Переглядів: 181
  • Автор: admin
  • Дата: 12-02-2018, 21:37
12-02-2018, 21:37

Властивості електромагнітних хвиль

Категорія: Фізика

Досліди з електромагнітними хвилями. Принцип Гюйгенса. З’ясуємо, як хвильова теорія пояснює переміщення фронту хвилі в просторі. Припустимо, що в деякий момент часу фронт сферичної хвилі, яка поширюється з точки О, займає положення І (мал. 189). Через деякий інтервал часу фронт займе положення II. Переміщення фронту хвилі в просторі можна пояснити за принципом, сформульованим Х.Гюйгенсом у 1678 р.

Кожна точка фронту хвилі / є центром випромінювання вторинних елементарних хвиль 1,2,3,4,..., а поверхня //, яка є обвідною до них, через час М дає нове положення фронту хвилі (мал. 189).

Напрямок переміщення фронту хвилі (промінь) на малюнку показано стрілкою АВ. Чим далі від точки О переміщується фронт хвилі, тим меншою стає кривизна його поверхні в околі точки В. Тому на великій відстані від джерела світла маленьку ділянку сферичного фронту хвилі на практиці можна вважати плоскою, а промені паралельними.

Ще Г. Герцем було проведено ряд дослідів з вивчення властивостей електромагнітних хвиль. Для проведення подібних досліджень, використовують генератор і приймач електромагнітних хвиль, що мають спеціальні рупорні антени для забезпечення напрямленого випромінювання і прийому хвиль (мал. 190). Індикатором прийому хвиль слугує вольтметр.

Якщо між рупорами генератора та приймача, які налаштовані на чітке передавання і прийом електромагнітного сигналу, помістити пластину з діелектрика, спостерігатиметься зменшення інтенсивності прийнятого сигналу. Якщо замінити діелектрик металевою пластиною, то прийом хвиль взагалі припиниться. Це свідчить про те, що хвилі відбиваються провідником.



Кут відбивання електромагнітних хвиль, як і хвиль будь-якої іншої природи, дорівнює кутові падіння. У цьому легко переконатись, розмістивши антени під однаковими кутами до металевої пластини (мал. 191). Прийнята хвиля зникає, якщо прибрати пластину або повернути її на інший кут. Досліджуючи напрям відбитої хвилі за допомогою рупорної антени-приймача, можна переконатись, що електромагнітні хвилі відбиваються за тим самим законом, що й світло (закони відвання світла були встановлені набагато раніше до відкриття електромагнітних хвиль), а саме: кут відбивання р дорівнює куту падіння а, причому напрям падаючої і відбитої хвиль та перпендикуляр до поверхні відбиття, поставлений в точці падіння, лежать в одній площині.

Доведемо закон відбивання хвиль, використовуючи принцип Гюйгенса.

Нехай на поверхню MN падає плоска хвиля (мал. 192), АХА та ВХВ - два її паралельні промені, площина АС - хвильова поверхня цієї хвилі. Різні ділянки хвильової поверхні АС досягають відбивної межі не одночасно. Коливання в точці А збуджуються раніше, ніж у точці Б, на час

(де v - швидкість хвилі у середовищі). У момент часу, коли падаюча хвиля досягне точки Б і в цій точці почнуть збуджуватись коливання, вторинна хвиля з центром у точці А вже буде півсферою радіусом r=AD = vAt = СВ. Радіуси вторинних хвиль від джерел, розміщених між точками А і Ву змінюються так, як показано на мал. 192. Обвідною вторинних хвиль є площина ББ, дотична до сферичних поверхонь, центри яких лежать на відбивній поверхні.


Площина DB є хвильовою поверхнею відбитої хвилі. Відбиті промені АА2 і ББ2 перпендикулярні до хвильової поверхні DB. Оскільки AD = СВ і трикутники ADB й АС В прямокутні, то

як кути із взаємно перпендикулярними сторонами. Отже, кут відбивання Р дорівнює куту падіння а. Що і треба було довести.

Під час падіння електромагнітної хвилі на поверхню тіла частина енергії хвилі відбивається, частина проникає всередину тіла, причому певна кількість енергії може пройти через тіло, якщо воно прозоре для електромагнітної хвилі, решта енергії поглинається в тілі, викликаючи його нагрівання чи інші процеси.

Діелектрик може бути майже прозорим для електромагнітної хвилі, якщо частота останньої сильно відрізняється від усіх власних частот коливань молекул, атомів і електронів діелектрика (відсутність резонансу).

Метали не прозорі для всіх електромагнітних хвиль, за винятком найкоротших - ультрафіолетових і рентгенівських. У разі падіння електромагнітної хвилі на метал у ньому виникають індукційні струми, які поглинають частину енергії хвилі. Решта енергії відбивається.

Отже, на межі двох середовищ електромагнітна хвиля поділяється на відбиту хвилю та хвилю, яка проходить в середовище, при цьому напрям хвилі в середовищі відрізняється від початкового - хвиля зазнає заломлення.

Спостерігати заломлення електромагнітних хвиль можна на такому досліді. Розташуємо рупори антен так, щоб сигнал не потрапляв у приймальну антену (мал. 193, а). Якщо ж розмістити між рупорами антен прямокутну призму із діелектрика (наприклад, з парафіну), то прийом сигналу відбувається (мал. 193, б). Дослід доводить, що електромагнітні хвилі заломлюються на межі двох середовищ.

 


Виведемо закон заломлення хвиль, виходячи із принципу Гюйгенса.

Нехай на плоску межу двох середовищ падає плоска електромагнітна хвиля, хвильова поверхня якої АС перпендикулярна до променів А,А та В,В(мал. 194).Позначимошвидкість хвилі у першому середовищі Uj, а у другому - и2. Спочатку поверхні поділу MN досягає промінь AjA. Промінь ВХВ досягає поверхні через

час

Тому в момент часу,

коли вторинна хвиля в точці В тільки збуджуватиметься, хвиля від точки А вже має вигляд півсфери радіусом

Хвильова поверхня заломленої хвилі є площиною BD (обвідна вторинних хвиль). Кут падіння а променя дорівнює куту САВ в

трикутнику ABC (сторони одного з цих кутів перпендикулярні до сторін іншого). Отже,

Кут заломлення у дорівнює куту ABD. Тому

Поділивши два вирази, отримуємо

Враховуючи, що швидкість поширення електромагнітної хвилі в будь-якому середовищі, менша, ніж у вакуумі, на величину п, яка є абсолютним показником заломлення цього середовища, отриманий вираз можна переписати у вигляді

абсолютні показники заломлення відповідно першого та другого середовищ, п21 - відносний показник заломлення. Зрозуміло, що отримані закономірності заломлення хвиль будуть виконуватись і для світла.

На досліді можна також спостерігати поляризацію хвиль і переконатись у тому, що електромагнітні хвилі - поперечні. Для цього між генератором і приймачем розміщують решітку з паралельних металевих стержнів (мал. 195). Повертаючи решітку, спостерігають підсилення приймання й послаблення аж до повної відсутності. Приймання відсутнє тоді, коли вектор напруженості електричного поля Е падаючої електромагнітної хвилі паралельний стержням. У цьому випадку в стержнях збуджуються струми і решітка відбиває падаючі хвилі подібно до суцільної металевої пластини. Якщо вектор Е перпендикулярний до стержнів, значні струми не збуджуються, і електромагнітна хвиля проходить крізь решітку. Отже, електромагнітна хвиля поляризована - вектор напруженості має фіксовану площину коливань. (Поясніть самостійно, чому у даному досліді розглядається положення саме вектора Е, а не В).

Ефект Доплера. Для електромагнітних хвиль, як і для механічних хвиль, спостерігається ефект Доплера - зміна частоти коливань, що приймаються спостерігачем під час відносного руху джерела хвиль до нього або

від нього, при цьому

величина зміни, частоти коливань, v - відносна швидкість джерела або спостерігача,

Цей ефект більш виразно спостерігається в акустиці та оптиці. В акустиці він виявляється, наприклад, під час руху поїзда чи автомобіля, що подає сигнал: з наближенням автомобіля до спостерігача звук сприймається вищого тону, з віддаленням висота звуку стає нижчою. В оптиці ефект Доплера виявляється в зміщенні спектра світла в бік довгих хвиль (червоне зміщення) при взаємному віддаленні спостерігача і джерела світла або в бік коротких хвиль (фіолетове зміщення) у випадку їх взаємного зближення. Цей ефект використовується для вимірювання швидкостей джерел світла, наприклад, в астрономії - швидкостей зір і галактик.

Тут описано не всі основні властивості електромагнітних хвиль. Повніші відомості отримаємо під час вивчення оптики.

Дайте відповіді на запитання

1: Сформулюйте принцип Гюйгенса.

2. Назвіть відомі вам властивості електромагнітних хвиль.

3. У чому суть ефекту Доплера? Наведіть приклади його практичного використання.






^