Причины ограничения волн по частое

Казалось бы, что должны существовать волны всех частот ($\nu $) от $\nu =0\ Гц$ до $\nu =\infty \ Гц.$ Однако так как световая волна обладает помимо волновых свойств корпускулярными свойствами, существуют некоторые ограничения. Квантовая теория утверждает, что электромагнитное излучение испускается в виде квантов (порций энергии). Энергия кванта (W) связана с его частотой выражением:

где $h=6,62\cdot {10}^{-34}Дж\cdot с$ -- постоянная Планка, $\hbar =\frac{h}{2\pi }=1,05\cdot {10}^{-34}Дж\cdot с$ - постоянная Планка с чертой. Из выражения (1) следует, что бесконечные частоты невозможны, так как не существует квантов с бесконечно большой энергией. Это же выражение накладывает ограничения на низкие частоты, так как существует минимальное значение ванта энергии ($W_0$), из чего следует, что минимальная частота (${\nu }_0$) равна:

Примечание 1

Надо сказать, что по сей день в физике не доказано существование нижней границы энергии фотонов. Минимальная частота порядка 8 Гц наблюдается в стоячих электромагнитных волн ах между ионосферой и земной поверхностью.

Шкала электромагнитных волн

Все известные на сегодняшний день электромагнитные волны разделяют на:

Рисунок 1.

Каждый из диапазонов имеет свои особенности. С ростом частоты увеличивается проявление корпускулярных свойств излучения. Волны разных частей спектра различны способами генерации. Каждый диапазон волн изучает свой раздел физики. Данные участки спектра отличаются не физической природой, а способом их получения и приема. Между данными видами волн не существует резких переходов, участки могут перекрываться, границы являются условными.

Видимую часть спектра электромагнитных волн в совокупности с зоной ультрафиолетового и инфракрасного излучения исследуют в оптике (так называемый оптический диапазон). Кванты излучения видимого диапазона называются фотонами. Их энергия заключена в интервале:

Волновые и квантовые свойства имеются у всего спектра электромагнитного излучения, но в зависимости от длины волны один вид свойств превалирует по значимости над другим, соответственно, применяются различные в методы их исследования. В зависимости от длины волны разные группы волн имеют различные виды практического применения.

Особенности разных видов электромагнитного излучения

Особенностями оптического диапазона являются:

• выполнение законов геометрической оптики,
• слабое взаимодействие света с веществом.

Примечание 2

Для частот ниже, чем оптический диапазон перестают действовать законы геометрической оптики, тогда как электромагнитное поле высоких частот либо проходит сквозь вещество, либо разрушает его. Видимый свет, является необходимым условием жизни на Земле, так как является обязательным условием для фотосинтеза.

Радиоволны применяются для радиосвязи, телевидения, радиолокации. Это самые длинные волны из спектра электромагнитных волн. Радиоволны легко искусственно генерировать при помощи колебательного контура (соединения ёмкости и индуктивности). Атомы и молекулы способны излучать радиоволны, что используют в радиоастрономии. В самом общем вид, следует отметить, что излучателем электромагнитных волн являются ускоренно движущиеся заряженные частицы, находящиеся в атомах и ядрах.

Инфракрасную область спектра впервые экспериментально была изучена в 1800 г. В. Гершелем . Ученый поместил термометр за красным краем спектра и зафиксировал повышение температуры, что означало нагревание термометра невидимым глазу излучением. Инфракрасное излучение испускают любые нагретые тела. Используя специальные средства инфракрасное излучение можно превратить в видимый свет. Так получают изображения нагретых тел в темноте. Инфракрасное излучение используют для сушки чего -- либо.

Ультрафиолетовое излучение открыл И. Риттер. Он обнаружил, что за фиолетовым краем спектра существуют лучи, невидимые глазу, которые воздействуют на некоторые химические соединения. Оно способно убивать болезнетворных бактерий, из-за этого его широко используют в медицине. Ультрафиолетовое излучение в составе солнечных лучей воздействует на кожу человека, вызывая ее потемнение (загар).

Рентгеновские лучи обнаружены В. Рентгеном в 1895 г. Они невидимы глазом, проходят без существенного поглощения через большие слои вещества, которые непрозрачны для видимого света. Обнаруживаются рентгеновские лучи по способности вызывать свечение некоторых кристаллов и воздействовать на фотопленку. Эти лучи используются в частности в медицинской диагностике. Рентгеновское излучение имеет сильное биологическое действие.

Определение 1

Гамма- излучение -- это излучение, которое испускают возбужденные атомные ядра и взаимодействующие элементарные частицы. Это самое коротковолновое излучение. У него самые ярко выраженные корпускулярные свойства. Обычно гамма- излучение рассматривается как поток гамма -- квантов. В области длин волн порядка ${10}^{-10}-{10}^{-14}м$ диапазоны гамма излучения и рентгеновский перекрываются.

Пример 1

Задание: Что является излучателем для различных видов электромагнитных волн?

Решение:

Излучателем электромагнитных волн всегда являются движущиеся заряженные частицы. В атомах и ядрах эти частицы движутся ускоренно, значит, являются источниками электромагнитных волн. Радио волны излучают атомы и молекулы. Это единственный тип волн, которые можно искусственно генерировать, используя колебательный контур. Инфракрасное излучение получается в основном за счет колебаний атомов в молекулах. Эти колебания носят название тепловых, так как порождаются тепловыми столкновениями молекул. С увеличением температуры частота колебаний увеличивается.

Видимые лучи генерируются отдельными возбуждёнными атомами.

Ультрафиолетовый свет, также относят к атомарному.

Рентгеновские лучи излучаются за счет того, что электроны, обладающие высокой кинетической энергией, взаимодействуют с атомами и ядрами атомов или ядра атомов сами излучают за счет собственного возбуждения.

Гамма - лучи генерируются возбужденными ядрами атомов и возникают при взаимодействии и взаимных превращениях элементарных частиц.

Пример 2

Задание: Чему равны частоты волн видимого диапазона?

Решение:

Видимый диапазон -- совокупность волн, которые воспринимает человеческий глаз. Границы этого диапазона зависят от индивидуальных особенностей зрения человека, и находится примерно в пределах $\lambda =0,38-0,76\ мкм.$

В оптике используют два вида частот. Круговую частоту ($\omega $), которая определяется как:

\[\omega =\frac{2\pi }{T}\left(2.1\right),\]

где $T$ -- период колебаний волны. Также используют частоту $\nu $, которая связывается с периодом колебаний как:

\[\nu =\frac{1}{T}\left(2.2\right).\]

Следовательно, обе частоты связаны между собой соотношением:

\[\omega =2\pi \nu \left(2.3\right).\]

Зная, что скорость распространения электромагнитных волн в вакууме равна $c=3\cdot {10}^8\frac{м}{с}$, имеем:

\[\lambda =cT\to T=\frac{\lambda }{c}\left(2.4\right).\]

В таком случае для границ видимого диапазона получим:

\[\nu =\frac{c}{\lambda },\ \omega =2\pi \frac{c}{\lambda }.\]

Используя то, что длины волн для видимого света нам известны, получим:

\[{\nu }_1=\frac{3\cdot {10}^8}{0,38\cdot {10}^{-6}}=7,9\cdot {10}^{14}\left(Гц\right),\ {\nu }_2=\frac{3\cdot {10}^8}{0,76\cdot {10}^{-6}}=3,9\cdot {10}^{14}\left(Гц\right).\] \[{\omega }_1=2\cdot 3,14\cdot 7,9\cdot {10}^{14}=5\cdot {10}^{15}\left(с^{-1}\right),{\omega }_1=2\cdot 3,14\cdot 3,9\cdot {10}^{14}=2,4\cdot {10}^{15}\left(с^{-1}\right).\ \]

Ответ: $3,9\cdot {10}^{14}Гц

другие презентации о видах излучений

«Трансформатор» - Мозговой штурм. Найди ошибку в схеме. Усовершенствование трансформатора. Запиши Характеристики трансформатора. N1, N2 – число витков первичной и вторичной обмоток. 7. I1, I2 – сила тока в первичной и вторичной обмотках. Трансформатор. Источник переменного тока. Актуализация знаний. 4.

«Физика электромагнитные волны» - Урок по физике в 11 классе учитель - Хатеновская Е.В. МОУ СОШ № 2 с.Красное. Что такое электрическое поле? Дж. Электромагнитные волны - электромагнитные колебания, распространяющиеся в пространстве с конечной скоростью. Джеймс Клерк Максвелл. Скорость ЭМ волны: Преломление и отражение. Что такое электромагнитное поле?

«Электромагнитные волны и их свойства» - Например почти все гамма-излучение поглощается земной атмосферой. Условия распространения сверхдлинных радиоволн исследуют, наблюдая за грозами. Ультрафиолетовый диапазон перекрывается рентгеновским излучением. В 1801 году И. Риттер и У. Воластон открыли ультрафиолетовое излучение. В других диапазонах применяют термопары и болометры. .

«Электромагнитные волны урок» - Автор: Сатурнова Я.В., учитель физики МОУ СОШ№10, г.Мончегорска [email protected]. Видимый свет. Электромагнитная природа. 1.Радиоизлучение 2.Рентгеновское 3.Ультрафиолетовое и рентгеновское 4.Радиоизлучение и инфракрасное. Сходства. Гамма-излучение. Отличия. Развитие естественно - научного миропонимания.

«Электромагнитное поле» - Теория электромагнитного поля. Какова природа электромагнитной волны? Переменное магнитное поле создаст изменяющееся электрическое поле. Свойства электромагнитных волн: Возникнет возмущение электромагнитного поля. Что будет дальше? Что такое электромагнитная волна? Существование электромагнитных волн было предсказано Дж.

Электромагнитные волны классифицируются по длине волны λ или связанной с ней частотой волны f . Отметим также, что эти параметры характеризуют не только волновые, но и квантовые свойства электромагнитного поля. Соответственно в первом случае электромагнитная волна описывается классическими законами, изучаемыми в этом курсе.

Рассмотрим понятие спектра электромагнитных волн. Спектром электромагнитных волн называется полоса частот электромагнитных волн, существующих в природе.

Спектр электромагнитного излучения в порядке увеличения частоты составляют:

Различные участки электромагнитного спектра отличаются по способу излучения и приёма волн, принадлежащих тому или иному участку спектра. По этой причине, между различными участками электромагнитного спектра нет резких границ, но каждый диапазон обусловлен своими особенностями и превалированием своих законов, определяемых соотношениями линейных масштабов.

Радиоволны изучает классическая электродинамика. Инфракрасное световое и ультрафиолетовое излучение изучает как классическая оптика, так и квантовая физика. Рентгеновское и гамма излучение изучается в квантовой и ядерной физике.

Рассмотрим спектр электромагнитных волн более подробно.

Низкочастотные волны

Низкочастотные волны представляют собой электромагнитные волны, частота колебаний которых не превышает 100 КГц). Именно этот диапазон частот традиционно используется в электротехнике. В промышленной электроэнергетике используется частота 50 Гц, на которой осуществляется передача электрической энергии по линиям и преобразование напряжений трансформаторными устройствами. В авиации и наземном транспорте часто используется частота 400 Гц, которая дает преимущества по весу электрических машин и трансформаторов в 8 раз по сравнению с частотой 50 Гц. В импульсных источниках питания последних поколений используются частоты трансформирования переменного тока единицы и десятки кГц, что делает их компактными, энергонасышенными.
Коренным отличием низкочастотного диапазона от более высоких частот является падение скорости электромагнитных волн пропорционально корню квадратному их частоты от 300 тыс. км/с при 100 кГц до примерно 7 тыс км/с при 50 Гц.

Радиоволны

Радиоволны представляют собой электромагнитные волны, длины которых превосходят 1 мм (частота меньше 3 10 11 гц = 300 Ггц) и менее 3 км (выше 100 кГц).

Радиоволны делятся на:

1. Длинные волны в интервале длин от 3 км до 300 м(частота в диапазоне 10 5 гц - 10 6 гц= 1 МГц);

2. Средние волны в интервале длин от 300 м до 100 м (частота в диапазоне 10 6 гц -3*10 6 гц=3мгц);

3. Короткие волны в интервале длин волн от 100м до 10м (частота в диапазоне 310 6 гц-310 7 гц=30мгц);

4. Ультракороткие волны с длиной волны меньше 10м(частота больше 310 7 гц=30Мгц).

Ультракороткие волны в свою очередь делятся на:

А) метровые волны;

Б) сантиметровые волны;

В) миллиметровые волны;

Волны с длиной волны меньше, чем 1 м (частота меньше чем 300мгц) называются микроволнами или волнами сверхвысоких частот(СВЧ - волны).

Из-за больших значений длин волн радиодиапазона по сравнению с размерами атомов распространение радиоволн можно рассматривать без учета атомистического строения среды, т.е. феноменологически, как принято при построении теории Максвелла . Квантовые свойства радиоволн проявляются лишь для самых коротких волн, примыкающих к инфракрасному участку спектра и при распространении т.н. сверхкоротких импульсов с длительностью порядка 10 -12 сек- 10 -15 сек, сравнимой со временем колебаний электронов внутри атомов и молекул.
Коренным отличием радиоволн от более высоких частот является иное термодинамическое соотношение между длиной волны носителя волн (эфира), равной 1 мм (2,7°К), и электромагнитной волны, распространяющейся в этой среде.

Биологическое действие радиоволнового излучения

Страшный жертвенный опыт применения мощного радиоволнового излучения в радиолокационной технике показал специфичное действие радиоволн в зависимости от длины волны (частоты).

На человеческий организм разрушительное действие оказывает не столько средняя, сколько пиковая мощность излучения, при которой происходят необратимые явления в белковых структурах. К примеру, мощность непрерывного излучения магнетрона СВЧ-печи (микроволновки), составляющая 1 КВатт, воздействует лишь на пищу в малом замкнутом (экранированном) объеме печи, и почти безопасна для человека, находящегося рядом. Мощность радиолокационной станции (РЛС, радара) в 1 КВатт средней мощности, излучаемой короткими импульсами скважностью 1000:1 (отношение периода повторения к длительности импульса) и, соответственно, импульсной мощностью в 1 МВатт, очень опасна для здоровья и жизни человека на расстоянии до сотен метров от излучателя. В последнем, конечно, играет роль и направленность излучения РЛС, которая подчеркивает разрушительное действие именно импульсной, а не средней мощности.

Воздействие метровых волн

Метровые волны большой интенсивности, излучаемые импульсными генераторами метровых радиолокационных станций (РЛС), имеющих импульсную мощность более мегаватта (таких, например, как станция дальнего обнаружения П-16) и соизмеримые с протяженностью спинного мозга человека и животных, а таже длиной аксонов, нарушают проводимость этих структур, вызывая диэнцефальный синдром (СВЧ-болезнь). Последняя приводит к быстрому развитию (в течение от нескольких месяцев до нескольких лет) полному или частичному (в зависимости от полученной импульсной дозы излучения) необратимому параличу конечностей человека, а также нарушению иннервации кишечника и других внутренних органов.

Воздействие дециметровых волн

Дециметровые волны соизмеримы по длине волны с кровеносными сосудами, охватывающими такие органы человека и животных, как легкие, печень и почки. Это одна из причин, почему они вызывают развитие "доброкачественных" опухолей (кист) в этих органах. Развиваясь на поверхности кровеносных сосудов, эти опухоли приводят к остановке нормального кровообращения и нарушению работы органов. Если вовремя не удалить такие опухоли оперативным путем, то наступает гибель организма. Дециметровые волны опасных уровней интенсивности излучают магнетроны таких РЛС, как мобильная РЛС ПВО П-15, а также РЛС некоторых воздушных судов.

Воздействие сантиметровых волн

Мощные сантиметровые волны вызывают такое заболевание, как лейкемию - "белокровие", а также другие формы злокачественных опухолей человека и животных. Волны достаточной для возникновения этих заболеваний интенсивности генерируют РЛС сантиметрового диапазона П-35, П-37 и практически все РЛС воздушных судов.

Инфракрасное, световое и ультрафиолетовое излучения

Инфракрасное, световое, ультрафиолетовое излучения составляют оптическую область спектра электромагнитных волн в широком смысле этого слова. Этот спектр занимает диапазон длин электромагнитных волн в интервале от 2·10 -6 м = 2мкм до 10 -8 м = 10нм (по частоте от1,5·10 14 гц до 3·10 16 гц). Верхняя граница оптического диапазона определяется длинноволновой границей инфракрасного диапазона, а нижняя коротковолновой границей ультрафиолета (рис.2.14).

Близость участков спектра перечисленных волн обусловило сходство методов и приборов, применяющихся для их исследования и практического применения. Исторически для этих целей применяли линзы, дифракционные решетки, призмы, диафрагмы, оптически активные вещества, входящие в состав различных оптических приборов (интерферометров, поляризаторов, модуляторов и пр.).

С другой стороны излучение оптической области спектра имеет общие закономерности прохождения различных сред, которые могут быть получены с помощью геометрической оптики, широко используемой для расчетов и построения, как оптических приборов, так и каналов распространения оптических сигналов. Инфракрасное излучение является видимым для многих членистоногих (насекомых, пауков и пр.) и рептилий (змей, ящериц и пр.) , доступным для полупроводниковых датчиков (инфракрасных фотоматриц), но его не пропускает толща атмосферы Земли, что не позволяет наблюдать с поверхности Земли инфракрасные звезды - "коричневые карлики", которые составляют более 90% всех звёзд в Галактике.

Ширина оптического диапазона по частоте составляет примерно 18 октав, из которых на оптический диапазон приходится примерно одна октава (); на ультрафиолет - 5 октав (), на инфракрасное излучение - 11 октав (

В оптической части спектра становятся существенными явления, обусловленные атомистическим строением вещества. По этой причине наряду с волновыми свойствами оптического излучения проявляются квантовые свойства.

Свет

Свет, световое, видимое излучение - видимая глазами человека и приматов часть оптического спектра электромагнитного излучения, занимает диапазон длин электромагнитных волн в интервале от 400 нанометров до 780 нанометров, то есть менее одной октавы - двухкратного изменения частоты. Рис. 1.14. Шкала электромагнитных волн Словесный мем-запоминалка порядка следования цветов в световом спектре: "К аждая О безьяна Ж елает З нать Г лавный С екрет Ф изики" - "Красный , Оранжевый , Желтый , Зелёный , Голубой , Синий , Фиолетовый ".

Рентгеновское и гамма излучение

В области рентгеновского и гамма излучения на первый план выступают квантовые свойства излучения.

Рентгеновское излучение возникает при торможении быстрых заряженных частиц (электронов, протонов и пр.), а также в результате процессов, происходящих внутри электронных оболочек атомов.

Гамма излучение является следствием явлений, происходящих внутри атомных ядер, а также в результате ядерных реакций. Граница между рентгеновским и гамма излучением определяются условно по величине кванта энергии , соответствующего данной частоте излучения.

Рентгеновское излучение составляют электромагнитные волны с длиной от50 нм до 10 -3 нм, что соответствует энергии квантов от 20эв до 1Мэв.

Гамма излучение составляют электромагнитные волны с длиной волны меньше 10 -2 нм, что соответствует энергии квантов больше 0.1Мэв.

Электромагнитная природа света

Свет представляет собой видимый участок спектра электромагнитных волн, длины волн которых занимают интервал от 0.4мкм до 0.76мкм. Каждой спектральной составляющей оптического излучения может быть поставлен в соответствие определённый цвет. Окраска спектральных составляющих оптического излучения определяется их длиной волны. Цвет излучения изменяется по мере уменьшения его длины волны следующим образом: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый.

Красный свет, соответствующий наибольшей длине волны, определяет красную границу спектра. Фиолетовый свет - соответствует фиолетовой границе.

Естественный (дневной, солнечный) свет не окрашен и представляет суперпозицию электромагнитных волн из всего видимого человеком спектра. Естественный свет появляется в результате испускания электромагнитных волн возбужденными атомами. Характер возбуждения может быть различным: тепловой, химический, электромагнитный и др. В результате возбуждения атомы излучают хаотическим образом электромагнитные волны примерно в течении 10 -8 сек. Поскольку энергетический спектр возбуждения атомов достаточно широкий, то излучаются электромагнитные волны из всего видимого спектра, начальная фаза, направление и поляризация которых имеет случайный характер. По этой причине естественный свет не поляризован. Это означает, что "плотность" спектральных составляющих электромагнитные волны естественного света, имеющих взаимно перпендикулярные поляризации одинаково.

Гармонические электромагнитные волны светового диапазона называются монохроматическими . Для световой монохроматической волны одной из главных характеристик является интенсивность. Интенсивность световой волны представляет собой среднее значение величины плотности потока энергии (1.25) переносимого волной:

Где - вектор Пойнтинга.

Расчет интенсивности световой, плоской, монохроматической волны с амплитудой электрического поля в однородной среде с диэлектрической и магнитной проницаемостями по формуле (1.35) с учетом (1.30) и (1.32) дает:

Традиционно оптические явления рассматриваются с помощью лучей. Описание оптических явлений с помощью лучей называется геометрооптическим . Правила нахождения траекторий лучей, разработанные в геометрической оптике, широко используются на практике для анализа оптических явлений и при построении различных оптических приборов.

Дадим определение луча, исходя из электромагнитного представления световых волн. Прежде всего, лучи - это линии, вдоль которых распространяются электромагнитные волны. По этой причине луч - это линия, в каждой точке которой усредненный вектор Пойнтинга электромагнитной волны направлен по касательной к этой линии.

В однородных изотропных средах направление среднего вектора Пойнтинга совпадает с нормалью к волновой поверхности (эквифазной поверхности), т.е. вдоль волнового вектора .

Таким образом, в однородных изотропных средах лучи перпендикулярны соответствующему волновому фронту электромагнитной волны.

Для примера рассмотрим лучи, испускаемые точечным монохроматическим источником света. С точки зрения геометрической оптики из точки источника исходит множество лучей в радиальном направлении. С позиции электромагнитной сущности света из точки источника распространяется сферическая электромагнитная волна. На достаточно большом расстоянии от источника кривизной волнового фронта можно пренебречь, считая локально сферическую волну плоской. Разбивая поверхность волнового фронта на большое количество локально плоских участков, можно через центр каждого участка провести нормаль, вдоль которого распространяется плоская волна, т.е. в геометрооптической интерпретации луч. Таким образом, оба подхода дают одинаковое описание рассмотренного примера.

Основная задача геометрической оптики состоит в нахождении направления луча (траектории). Уравнение траектории находится после решения вариационной задачи нахождения минимума т.н. действия на искомых траекториях. Не вдаваясь в подробности строгой формулировки и решения указанной задачи, можно полагать, что лучи представляют собой траектории с наименьшей суммарной оптической длиной. Данное утверждение является следствием принципа Ферма.

Вариационный подход определения траектории лучей может быть применен и к неоднородным средам, т.е. таким средам, у которых показатель преломления является функция координат точек среды. Если описать функцией форму поверхности волнового фронта в неоднородной среде, то её можно найти исходя из решения уравнения в частных производных, известного как уравнение эйконала, а в аналитической механике как уравнение Гамильтона - Якоби:

Таким образом, математическую основу геометрооптического приближения электромагнитной теории составляют различные методы определения полей электромагнитных волн на лучах, исходя из уравнения эйконала или каким - либо другим способом. Геометрооптическое приближение широко используется на практике в радиоэлектронике для расчета т.н. квазиоптических систем.

В заключение заметим, что возможность описать свет одновременно и с волновых позиций путем решения уравнений Максвелла и с помощью лучей, направление которых определяется из уравнений Гамильтона - Якоби, описывающих движение частиц, является одним из проявлений кажущегося дуализма света, приведшего, как известно, к формулировке логически противоречивых принципов квантовой механики.

На самом деле никакого дуализма в природе электромагнитных волн нет. Как показал Макс Планк в 1900 году в своей классической работе "О нормальном спектре излучения" , электромагнитные волны представляют собой отдельные квантованные колебания частотой v и энергией E=hv , где h =const , в эфире . Последний есть сверхтекучая среда, имеющая стабильное свойство разрывности мерой h - постоянная Планка. При воздействии на эфир энергией, превышающей hv во время излучения происходит образование квантованного "вихря". Точно такое же явление наблюдается во всех сверхтекучих средах и образование в них фононов - квантов звукового излучения.

За "copy-and-paste" совмещение открытия Макса Планка 1900 года с открытым еще в 1887 году Генрихом Герцем фотоэффектом, в 1921 году Нобелевский комитет присудил премию

Урок по физике в 11 классе

«Путешествие по шкале электромагнитных волн»

с использованием проектной технологии и ИКТ»

Учитель физики МОУ «Гатчинская СОШ №9 с углубленным изучением предметов»

Титова Татьяна Викторовна

Данный урок проводится в 11-м классе и является завершающим в разделах “Электромагнитные волны”, “Оптика”. Время проведения урока – 2 часа. Учащиеся уже знают основные свойства электромагнитных волн, причины их возникновения, способы их получения и регистрации, основные характеристики электромагнитных излучений, знают формулы, описывающие волновые процессы, могут приводить примеры практического применения электромагнитных излучений.

Цели урока:

Показать значимость темы “Спектр электромагнитных волн” в формировании представлений учащихся о физической картине мира; уточнить представление о строении вещества;

Показать возможности компьютера в организации учебного процесса.

Задачи урока:

Образовательные:

1. обобщить, систематизировать изученный ранее материал обо всем диапазоне электромагнитных излучений;

   углубить знания по данной теме;

Развивающие:

1. совершенствовать интеллектуальные способности и развитие речи учащихся, формировать умения выделять главное, сравнивать, обобщать, делать выводы;

   стимулировать интерес к предмету путем привлечения дополнительного материала;

   формировать потребность к углублению и расширению знаний.

Воспитательные:

1. развивать познавательный интерес.

Тип урока – повторение и закрепление ранее полученных знаний, контроль знаний и умений учащихся.

Общий план урока:

Организационный момент.

Мотивация.

Сообщение плана урока:

1. Электромагнитные волны;

   История открытия электромагнитных волн;

   Свойства электромагнитных волн;

   Характеристика и основные свойства электромагнитных волн (общий обзор шкалы электромагнитных волн).

Заключение. Выводы.

Домашнее задание.

Повторение формул по теме «Квантовая теория»;

Самостоятельная работа.

Подведение итогов урока.

План урока

Этап урока

Деятельность учителя

Деятельность учащихся

организационный

Приветствие. Сообщение цели, задач, плана урока

Принять цели познавательной деятельности, подготовка к работе на уроке

Организация восприятия информации. Проверка ранее изученного материала

Фронтальный опрос, показ слайдов

Отвечают с места, работают в тетради

Повторение материала

Просмотр слайдов, комментарии к презентациям учеников

Оформление в тетради таблицы

Закрепление темы. Тестовое задание.

Просмотр слайдов, фронтальный опрос

Решение задач у доски, повторение формул

Подведение итогов урока. Самостоятельная работа. Рекомендации по домашнему заданию

Выполнение тестовых заданий, комментарии учителя при оформлении работы.

Выполнение задания.

Ответы на вопросы рефлексии. Запись домашнего задания.

Организационный момент. Сообщение темы и цели урока (слайд №1,2)

Мотивация.

Учитель.

В 1862 году Максвелл* на основе своей теории электромагнетизма предсказал существование электромагнитных волн. Из его расчетов следовало, что скорость их распространения равна ранее измеренной скорости света в воздухе. Этот факт однозначно свидетельствовал об электромагнитной природе света.

Полный электромагнитный спектр занимает бесконечно большой диапазон длин волн. Он начинается от самых длинных: с длиной волны 1,5· 10 13 см и заканчивается на самых коротких гамма-лучей радия с длиной волны 4,7·10 -11 см.

Самые длинные волны длиннее самых коротких в 3·10 23 раз (слайд №3).

В нашей повседневной жизни мы имеем дело с разными видами электромагнитных излучений, которые используются в науке, медицине, т.е. роль электромагнитных излучений велика, и информации об электромагнитных волнах очень много.

* Обратить внимание учащихся на портрет ученого на стенде.

Сообщение плана урока (слайд №4)

Фронтальный опрос (актуализация знаний).

Учитель :

Какую волну называют электромагнитной? (слайд №5,6)

Какова история электромагнитных волн? (слайд №7,8)

Перечислите общие характеристики и свойства, позволяющие объединить все виды электромагнитных излучений в шкалу электромагнитных волн (слайд №9).

Учащиеся.

Скорость электромагнитной волны является конечной и в вакууме равна скорости света.

Любой движущийся с ускорением или колеблющийся заряд излучает электромагнитные волны.

Вокруг источника электромагнитных волн происходит периодическое изменение характеристик электрического и магнитного полей (векторов напряженности и магнитной индукции).

Направления колебаний векторов напряженности магнитной индукции взаимно перпендикулярны, а также перпендикулярно направлению распространения волны, это значит, что электромагнитные волны поперечны.

Электромагнитные волны имеют свойства: интерференции, дифракции, поляризации.

Обзор шкалы электромагнитных излучений (слайд №10)

Учитель :

Различные диапазоны электромагнитных волн получили разные названия, но не следует забывать об общих свойствах таких волн: все виды излучения имеют одинаковую природу и отличаются друг от друга только своими частотами. Если эти частоты отложить в определенном масштабе на оси, то получим диаграмму или шкалу волн*.

Путешествуя по шкале электромагнитных волн, вы будете вести записи в специальном дневнике – таблице (слайд №11). (Приложение №1).

ПРИЛОЖЕНИЕ №1.

ТАБЛИЦА.

Шкала электромагнитных волн.

Название спектра

Длина волны

Физические характеристики

Источники

Свойства

Применение

* Обратить внимание учащихся на шкалу электромагнитных волн на стенде.

Учащиеся представляют подготовленные презентации и мини – спектакли по диапазонам волн.

(низкочастотные колебания)

Ведущий №1.

Электромагнитные волны распространяются на огромные расстояния, поэтому с их помощью передают информацию, в том числе звук и изображение.

Показ презентации учащимися (слайды № 12-19)*

* После каждого слайда дать по учащимся 1 мин. на запись в таблицу.

1. Решение задачи на применение соотношения волнового движения (слайд №20)

В 1897 г. русский физик П.Н. Лебедев получил электромагнитное излучение с длиной волны 6 мм. Вычислить частоту и период таких волн (решение задачи для самопроверки дано на слайде №21).

(Инфракрасное излучение)

Ведущий №2.

Однажды в тридевятом царстве случилась страшная беда. Проливные дожди залили урожай. Грозил людям страшный голод. Подумал царь и поручил трем богатырям спасти людей от несчастья, да и себе славу приумножить. Собрались богатыри в путь. Ехали они, ехали, а вокруг леса да болота, рвы да обрывы. Чего только не видели на своем пути. И вот выехали они в чистое поле на распутье трех дорог, где камень лежал. А на камне том надпись была: «направо пойдешь – в инфракрасное королевство попадешь; прямо пойдешь – в ультрафиолетовое княжество попадешь; налево пойдешь – в царство видимого света попадешь». И разошлись добры молодцы по трем дорожкам: Алеша Попович – в царство видимого света, Добрыня Никитич – в ультрафиолетовое княжество, а Илья Муромец – в инфракрасное королевство.

Учитель:

За кем мы с вами проследуем? Нам надо попасть в ИК – королевство.

Учащиеся:

За Ильей Муромцем в инфракрасное королевство!

Ведущий №2:

Идет Илья Муромец по дорожке и не видит ничего примечательного, но чувствует, что жара стоит невыносимая в этой части спектра, а явных и видимых причин этому нет!

Илья Муромец:

Наверное, я попал в зону невидимого излучения!

Ведущий №2:

Вдруг налетел сильный ветер, завертел богатыря и раздался голос.

Зачем ты пришел в мое королевство? Живым не уйдешь и костей не соберешь, пока не отгадаешь три мои загадки. Первый вопрос: «Кто я? Откуда мои родственники?»

Илья Муромец:

Большинство источников видимого света излучает, кроме видимых лучей, еще и невидимые нашему глазу лучи. Это инфракрасные лучи. Они имеют ту же природу, что и видимые. Они представляют собой электромагнитные волны, длина которых 3·10 -5 м. их источником может быть любое тело, даже человеческое. Излучателями являются атомы и молекулы, а точнее, электроны и ионы (слайд №22).

Хорошо! Второй вопрос: «Каковы свойства моего поведения?»

Илья Муромец: (одновременно с ответом появляются слайды со свойствами)

Инфракрасное излучение обладает многими свойствами: отражаются от предметов; тела, прозрачные для видимых лучей могут быть непрозрачными для невидимого света и наоборот; слабо рассеиваются средой, так как имеют большие чем у видимого света длины волн; химически неактивны и используются для проявки фотопленок; оказывают сильное тепловое действие (слайд №23).

Где находят применение мои свойства?

Илья Муромец: (одновременно с ответом появляются слайды областями применения)

Инфракрасное излучение находит применение в медицине для прогревания тканей живого организма; сушки различных изделий; при пастеризации продукции; для охраны помещений от пожаров; в приборах ночного видения (слайд №24).

Хорошо! Отпускаю тебя!

(видимое излучение)

Ведущий №2.

А что же произошло с Алешей Поповичем? Какие приключения попались на его пути? А пришел богатырь в царство видимого света. Идет богатырь и видит свет неземной красоты (гирлянда).

Алеша Попович:

Вот это да! Красный! Оранжевый! Желтый! Зеленый! Голубой! Синий! Фиолетовый! О, святой спектр! О, магическая цифра семь! (слайд № 25) (встречает девушку).

Девушка:

Добрый день тебе, богатырь! Куда путь держишь?

Алеша Попович:

Пришел я туда, куда дорога меня привела. В царство видимого света. Путь был не близкий, не дай мне погибнуть от жажды, напои меня водицей чистой да прохладной.

Девушка:

Попробуйте соки, выпускаемые нашим предприятием. Витаминизированные соки - верный путь к здоровью! (выносят 7 стаканов с водой, подкрашенной в цвета спектра*)

* Соки поставить в порядке спектра.

Алеша Попович:

Ох, хозяйка, вкусен сок! Расскажи, хозяйка, как дела у вас в царстве?

Девушка: (одновременно с ответом появляются слайды с законами света) (слайды №26-28). А где же применение находит свет этот волшебный, ты знаешь?

Алеша Попович:

Окрашивание различных материалов и предметов; светомузыка, телевидение; фотосинтез в природе; фотография (слайд №29).

Можно провести несложный и очень красивый опыт – опыт с кристаллами турмалина.

1. 1. Возьмем прямоугольную пластину турмалина и направим нормально на неё пучок света от электрической лампы. Вращение пластины вокруг пучка никого изменения интенсивности света не вызовет, свет лишь приобрел зеленоватую окраску. Но световая волна прибрела новые свойства.

      Эти свойства обнаруживаются, если пучок света заставить пройти через второй такой же кристалл турмалина, расположенный параллельно первому.

      При одинаково направленных осях кристаллов световой пучок еще более ослабевает. Но если второй кристалл вращать, оставляя первый неподвижным, то свет будет гаситься.

      Это можно объяснить тем, что свет – поперечная волна и в падающем от обычного источника пучке волн присутствуют колебания всевозможных направлений, перпендикулярных направлению распространения волн. Кристалл турмалина обладает способностью пропускать световые волны с колебаниями, лежащими в одной определенной плоскости. Кристалл турмалина преобразует естественный свет в плоскополяризованный.

(ультрафиолетовое излучение)

Ведущий №2.

А тем временем Добрыня Никитич попал в ультрафиолетовое княжество. Долго шел он, искал княжество это волшебное, чтобы просить князя великого, правителя главного о помощи в беде страшной, что на его земле приключилась. Чтобы помог ему правитель ультрафиолетового княжества вернуть солнышко на небо ясное, да высушить все поля и луга на земле русской, чтоб народ беды – горя не знал, да жил в сытости. И встречает он солнышко ясное на своем пути (встречает солнце).

Солнце.

Зачем пришел ты в мое княжество? Что за беда привела тебя сюда?

Добрыня Никитич.

Беда в государстве моем приключилась, страшные проливные дожди залили весь урожай! Голод нам грозит небывалый. Великий правитель, помоги вернуть солнышко ясное, да обсушить и обогреть землю русскую.

Солнце.

Хорошо! Только должен ты мне поведать, что ты знаешь об ультрафиолетом излучении.

Добрыня Никитич (слайды №30-36).

Солнце.

Доволен я! Возвращайся на родину и не печалься! В скором времени вновь засияет солнце на небе!

(рентгеновское излучение)

Ведущий №2.

Начинаем передачу «Новости». C водка происшествий. В связи с гололедицей увеличилось число травм, связанных с костным аппаратом человека. Попавшим в такое положение советуем обратиться в наш центр, где вас ждут опытные врачи – рентгенологи. У меня есть некоторые характеристики излучения, используемого в новом центре (показ слайдов №37-42).

(Гамма – излучение)

Ведущий №2.

Созданный центр никоим образом не влияет на общий радиационный фон в городе, который сегодня составляет 15 мкР/ч. Обратимся за комментарием к нашим специалистам (показ слайдов №43-48).

Учитель.

Вот и закончилось наше путешествие по шкале электромагнитных волн. Надеюсь, вам понравилась наша небольшая прогулка. Таблицу, которую вы заполняли в течение нашего путешествия, закрываем. Проверим, как вы поняли и запомнили спектры электромагнитных волн.

Заключение. Выводы.

Учитель.

Раньше всю информацию о Вселенной получали в видимом диапазоне с помощью оптических телескопов (слайд №49). В XX веке появилась возможность анализировать данные, поступающие в радиодиапазоне, для этого используют радиотелескопы. В настоящее время исследование галактик и других объектов Вселенной проводят в инфракрасном, ультрафиолетовом, рентгеновском диапазонах с помощью детекторов, установленных на космических кораблях и спутниках.

Космические аппараты позволили проводить исследования космических объектов во всех диапазонах длин волн электромагнитных излучений. На слайде (слайд№50) представлена фотография растущей луны, сделанная в гамма-лучах; солнце в рентгеновских лучах; млечный путь в различных диапазонах.

Выводы: (слайд №51)

Исследования электромагнитного излучения имеют огромное значение для уточнения наших представлений о строении вещества. Исследования инфракрасного, видимого и ультрафиолетового излучений помогли выяснить строение молекул и внешних электронных оболочек атомов; изучение рентгеновского излучения позволило установить строение внутренних электронных оболочек атомов и структуру кристаллов, а излучение гамма-лучей дает много ценных сведений о строении атомных ядер.

Анализ информации, полученной во всем спектре электромагнитных волн позволяет составить более полную картину структуры объектов во Вселенной, тем самым расширить границы познания природы.

Тест (слайд №52) (приложение №2).

1 вариант.

1. В каких случаях происходит излучение электромагнитных волн?

1. Электрон движется равномерно и прямолинейно.

2. Электрон движется равноускоренно и прямолинейно.

3. Электрон движется равномерно по окружности.

Ответы: А. только 1

Б. только 2

В. только 3

Г. 1, 2, 3

Д. 2 и 3

2. Возникает ли электромагнитное излучение при торможении электронов?

Ответы: А. нет

Б. да

3. Какие из перечисленных ниже излучений обладают способностью к дифракции на краю препятствия?

Ответы: А. Радиоволны

Б. Видимое излучение В. Рентгеновское

4. Какие свойства будут обнаруживать электромагнитные волны следующих диапазонов, падая на тело человека? Проведите соответствие.

1. Радиоволны

2. Рентгеновского диапазона

3. Инфракрасного диапазона

4.Ультрафиолетого диапазона.

Б. Нагревают ткани.

5. Какой вид электромагнитных волн имеет наименьшую частоту?

Ответы: А. Рентгеновское

Б. Ультрафиолетовое

В. Видимый свет

Г. Инфракрасные

Д. Радиоволны

2 вариант.

1. Какой вид электромагнитных волн имеет наибольшую длину волны?

Ответы: А. Рентгеновское

Б. Ультрафиолетовое

В. Видимый свет

Г. Инфракрасные

Д. Радиоволны

2. С какой скоростью распространяется электромагнитная волна в вакууме?

Ответы: А. 300 км/с

Б. 300 000 км/с

В. 30 000 км/с

Г. 3 000 км/с

3. Какие свойства будут обнаруживать электромагнитные волны следующих диапазонов, падая на тело человека? Проведите соответствие.

1. Рентгеновского диапазона

2. Радиоволны

3. Ультрафиолетового диапазона

4. Инфракрасного диапазона.

Ответы: А. Вызывают покраснение кожи.

Б. Нагревают ткани.

В. Почти полностью отражаются

Г. Проходят через мягкие ткани

4. Какие из перечисленных ниже излучений обладают способностью к интерференции?

Ответы: А. Радиоволны

Б. Видимое излучение

В. Рентгеновское

Г. Все кроме рентгеновского излучения

Д. Все выше перечисленные излучения

5. Возникает ли электромагнитное излучение при движении заряда с ускорением?

Ответы: А. Да

Б. Нет

Домашнее задание (слайд №53).

§23, Рымкевич –1137,1139.

Повторение формул по теме «Квантовая теория» (вызвать ученика к доске).

Как связаны между собой длина волны и частота излучения?

Записать уравнение Эйнштейна.

Самостоятельная работа (по задачнику Г. Степановой 10-11 кл.) (приложение №3).

1 вариант.

Чему равна энергия фотона красного света, имеющего длину волны 0,72 мкм.

Определить максимальную кинетическую энергию фотоэлектронов, вылетающих из калия при его освещении лучами с длиной волны 345 нм. Работа выхода электронов из калия 2,26 эВ.

2 вариант.

Излучение состоит из фотонов с энергией 6,4 ·10 -19 Дж. Определить частоту и длину волны этого излучения.

Работа выхода электронов из золота равна 4,76 эВ. Найти красную границу фотоэффекта для золота.

Подведение итогов (вопросы к учащимся).

Интересен ли был урок? Чем?

Узнали ли вы что-то новое?

Хотели бы вы проводить уроки в такой форме?

Впервые гипотезу о существовании электромагнитных волн высказал в 1864 г. шотландский физик Джеймс Максвелл. В своих работах он показал, что источниками электрического поля могут быть как электрические заряды, так и магнитные поля, изменяющиеся со временем. Изменение индукции магнитного поля с течением времени вызывает появление в окружающем пространстве вихревого электрического поля. Максвелл предположил, что любое изменение напряженности вихревого электрического поля сопровождается возникновением переменного магнитного поля. Это опять приводит к появлению вихревого электрического поля, и т.д. Этот процесс может повторяться «до бесконечности», поскольку поля смогут попеременно воспроизводить друг друга даже в вакууме.

• Совокупность связанных друг с другом периодически изменяющихся электрического и магнитного полей называют электромагнитным полем .

Согласно теории Максвелла переменное электромагнитное поле распространяется в пространстве с конечной скоростью.

• Электромагнитное поле, распространяющееся в вакууме или в какой-либо среде с течением времени с конечной скоростью, называется электромагнитной волной .

Em-voln-1-02.swf Увеличить Flash

Экспериментально электромагнитные волны были открыты в 1887 г. немецким физиком Генрихом Рудольфом Герцем. Герц считал, что такие волны невозможно использовать для передачи информации. Однако 7 мая 1905 г. русский ученый Александр Степанович Попов осуществил первую в мире передачу информации электромагнитными волнами - радиопередачу и положил начало эры радиовещания.

Свойства электромагнитных волн

• Электромагнитные волны являются поперечными , поскольку скорость \(\vec{\upsilon}\) распространения волны, напряженность \(\vec{E}\) электрического поля и индукция \(\vec{B}\) магнитного поля волны взаимно перпендикулярны.

• Скорость электромагнитной волны в вакууме (воздухе):

\(c = \dfrac{1}{\sqrt{\varepsilon_{0} \cdot \mu_{0}}},\)

где ε 0 - электрическая постоянная, μ 0 - магнитная постоянная.

Скорость распространения электромагнитных волн в вакууме c = 3⋅10 8 м/с является максимально (предельно) достижимой величиной. В любом веществе их скорость распространения меньше c и зависит от его электрических и магнитных свойств:

\(\upsilon = \dfrac{c}{\sqrt{\varepsilon \cdot \mu}},\)

Где ε - диэлектрическая проницаемость среды, табличная величина, μ - магнитная проницаемость среды, табличная величина.

• Распространение электромагнитных волн связано с переносом в пространстве энергии электромагнитного поля. Объемная плотность переносимой энергии равна

\(\omega = \dfrac{\varepsilon \cdot \varepsilon_{0} \cdot E^{2}}{2} + \dfrac{B^{2}}{2 \mu \cdot \mu_{0}},\)

Где E - модуль вектора напряженности, B - модуль вектора магнитной индукции.

• Как и другие волны, электромагнитные волны могут поглощаться, отражаться, преломляться , испытывать интерференцию и дифракцию .

• Электромагнитная волна существует без источников полей в том смысле, что после ее испускания электромагнитное поле волны становится не связанным с источником. Излучение электромагнитных волн происходит при ускоренном движении электрических зарядов.

Шкала электромагнитных волн

Свойства электромагнитных волн очень сильно зависят от их частоты. Спектр электромагнитного излучения удобно изображать с помощью шкалы электромагнитных волн, приведенной на рисунке 2.

Классификация электромагнитных волн в зависимости от частот (длин волн) дается в таблице 1.

Таблица 1.

Классификация электромагнитных волн

Виды излучения	Интервал частот, Гц	Интервал длин волн, м	Источники излучения
Низкочастотные волны	< 3·10 3	> 1⋅10 5	Генераторы переменного тока, электрические машины
Радиоволны	3·10 3 – 3·10 9	1·10 5 – 1·10 –1	Колебательные контуры, вибраторы Герца
Микроволны	3·10 9 – 1·10 12	1·10 –1 – 1·10 –4	Лазеры, полупроводниковые приборы
Инфракрасное излучение	1·10 12 – 4·10 14	1·10 –4 – 7·10 –7	Солнце, электролампы, лазеры, космическое излучение
Видимое излучение	4·10 14 – 8·10 14	7·10 –7 – 4·10 –7	Солнце, электролампы, люминесцентные лампы, лазеры
Ультрафиолетовое излучение	8·10 14 – 1·10 16	4·10 –7 – 3·10 –8	Солнце, космическое излучение, лазеры, электрические лампы
Рентгеновское излучение	1·10 16 – 3·10 20	3·10 –8 – 1·10 –12	Бетатроны, солнечная корона, небесные тела, рентгеновские трубки
Гамма-излучение	3·10 20 – 3·10 29	1·10 –12 – 1·10 –21	Космическое излучение, радиоактивные распады, бетатроны

В настоящее время электромагнитные волны находят широкое применение в науке и технике:

• плавка и закалка металлов в электротехнической промышленности, изготовление постоянных магнитов (низкочастотные волны );
• телевидение, радиосвязь, радиолокация (радиоволны );
• мобильная связь, радиолокация (микроволны );
• сварка, резка, плавка металлов лазерами, приборы ночного видения (инфракрасное излучение );
• освещение, голография, лазеры (видимое излучение );
• люминесценция в газоразрядных лампах, закаливание живых организмов, лазеры (ультрафиолетовое излучение );
• рентгенотерапия, рентгеноструктурный анализ, лазеры (рентгеновское излучение );
• дефектоскопия, диагностика и терапия в медицине, исследование внутренней структуры атомов, лазеры, военное дело (гамма-излучение ).

Литература

Жилко, В.В. Физика: учеб. пособие для 11 класса общеобразоват. шк. с рус. яз. обучения / В.В. Жилко, Л.Г. Маркович. - Минск: Нар. Асвета, 2009. - С. 57-58.