Текст книги "Естествознание. Базовый уровень. 10 класс"

Автор книги: Владислав Сивоглазов

Соавторы: Инна Агафонова,Сергей Титов
сообщить о нарушении

Текущая страница: 11 (всего у книги 26 страниц) [доступный отрывок для чтения: 11 страниц]

§ 30 Электромагнитные волны

Луч, пронзивши эфир,

На земле обернётся

Целой армией бликов…

М. Величка

Как вы узнали из предыдущего параграфа, Фарадеем было открыто явление электромагнитной индукции. Но мы знаем, что внешнюю силу, вызывающую в проводнике ток, называют электродвижущей силой (ЭДС). Следовательно, движение проводника относительно магнитного поля (или движение магнитного поля относительно проводника) приводит к возникновению ЭДС. Благодаря этой силе в проводнике возникнет ток, который, как нам тоже уже известно, будет создавать вокруг себя магнитное поле.

В учебнике физики для 9 класса описывается принцип работы колебательного контура. Суть его в общих чертах такова. Существует электрическая цепь, в которой находится конденсатор, на котором имеется разность потенциалов, и катушка, состоящая из многих витков электрического проводника. Конденсатор разряжается, по цепи течёт ток, который, проходя через катушку, создаёт в ней магнитное поле. Под действием этого поля в цепи возникает ЭДС, вызывающая движение зарядов в противоположном направлении. Когда это движение становится достаточно сильным, суммарное направление тока в сети изменяется и конденсатор снова заряжается. Затем весь процесс повторяется сначала и в контуре возникают периодические колебания электрического заряда и электрического тока.

Но мы знаем, что во многих случаях возникшие в какой-то точке колебания могут из неё распространяться в пространстве, вызывая волновые процессы. Возможно ли это в случае электромагнитных колебаний?

Существование электромагнитных волн теоретически предсказал великий британский физик Джеймс Клерк Максвелл (1831–1879). Он же разработал систему математических уравнений, описывающих их распространение. Максвелл предположил, что любые изменения электрического или магнитного поля должны вызывать изменения в напряжённости и магнитной индукции в соседних областях. Для этого не требуется наличия каких-либо электрических зарядов (электронов, ионов и т. п.). Просто изменяющееся поле создаёт другое изменяющееся поле, то, в свою очередь, новое поле, и в результате в пространстве распространяется электромагнитная волна. Эта волна является поперечной, и для неё справедливы все характеристики, которые свойственны другим волнам. Мы можем описать электромагнитную волну с помощью её скорости, амплитуды, длины и частоты колебаний, как об этом говорилось в § 23.

На основании своих расчётов Максвелл пришёл к выводу, что электромагнитные волны распространяются не мгновенно, а с некоторой, хотя и очень большой, скоростью. Ему удалось вычислить эту скорость. Она составила 3 •10¹⁰ см/с или 300 000 км/с, что оказалось величиной, очень близкой к скорости света, которая за несколько лет до того была измерена французским физиком А. Физо. Исходя из этого, Максвелл пришёл к выводу, что свет представляет собой электромагнитную волну.

Природа электромагнитных волн, однако, вызывала большие недоумения. Несмотря на математическую изящность уравнений Максвелла, представленные им физические подтверждения были неубедительны. Главная проблема заключалась в том, что все прочие известные волны распространяются в какой-либо среде: газах, жидкостях или твёрдых телах. Для электромагнитных волн Максвелл придумал искусственное объяснение с использованием гипотетической среды, которое не убедило физиков. На самом деле для распространения света не нужно ничего. В этом легко убедиться, если поместить электрическую лампочку под герметический стеклянный колокол, из которого затем начать откачивать воздух (рис. 81). Каким бы разреженным ни становился воздух под колоколом, лампочка будет гореть так же ярко, как и вначале. В то же время, если вместе с лампочкой мы поместим под колпак звонок, то очень скоро перестанем слышать его звучание. Это показывает, что свет может распространяться и в вакууме.

Рис. 81. Если мы поместим электрическую лампочку под герметический стеклянный колокол и откачаем из-под него воздух, то лампочка будет гореть так же ярко, как и вначале. Однако если вместо лампочки мы поместим под колокол звонок, то очень скоро перестанем слышать его звучание

Но если свет представляет собой колебания, то что же именно колеблется? Представить себе колебания без материального посредника физики позапрошлого века не могли. Поэтому, как мы уже говорили, они придумали для объяснения распространения электромагнитных колебаний специальную среду, которую называли эфиром. Считалось, что эфир повсюду однороден и целиком заполняет собой любое вещество, а также вакуум. За это его назвали «мировым эфиром». Никто не объяснял его природы, но все считали, что свет представляет собой колебания эфира, так же как другие волны представляют колебания вещества. От гипотезы мирового эфира физикам пришлось отказаться в начале прошлого века, о чём вы узнаете из следующей главы.

Рис. 82. Генрих Герц

Впервые экспериментально подтвердил теорию Максвелла Генрих Герц (1832–1918) в 1888 г. (рис. 82). С помощью сконструированного им прибора он доказал, что колебания тока вызывают в пространстве волны. Эти волны состоят из двух колебаний – напряжённости электрического поля и индукции магнитного поля, – направленных перпендикулярно друг другу. Кроме того, направления этих колебаний перпендикулярны направлению распространения волны. Герцу удалось определить длину волны, испускаемой его прибором, и измерить скорость её распространения. Эта скорость совпала со скоростью распространения света. Результаты экспериментов Герца полностью подтвердили правильность уравнений Максвелла, что привело к всеобщему признанию этой теории.

В дальнейшем были разработаны методы исследования, а также способы получения электромагнитных волн с разной длиной волны и, соответственно, с разной частотой колебаний. В своё время Герц, открывший электромагнитное излучение, признавал, что это интереснейшее явление никогда не сможет найти практического применения. Сейчас трудно представить себе область человеческой деятельности, где бы не использовались электромагнитные волны – от изучения строения атома до исследования галактик, от медицины до космической связи.

Проверьте свои знания

1. Вспомните и опишите работу колебательного контура.

2. Кто из физиков впервые разработал теорию электромагнитных волн?

3. С какой скоростью распространяются электромагнитные волны?

4. С какой целью было придумано понятие «мировой эфир»?

§ 31 Виды электромагнитных волн

В зависимости от частоты колебаний электромагнитные волны оказывают различное действие на организм человека и используются для различных технических целей. Диапазон этих частот называют спектром электромагнитного излучения, он огромен – от нескольких десятков тысяч до 10²⁰ Гц (табл. 5).

Соответственно, длина электромагнитной волны может составлять от десятков километров до тысячных долей нанометра. Человек без помощи приборов может воспринимать лишь очень небольшую часть электромагнитного спектра, которую называют видимой частью этого спектра или его световым диапазоном (рис. 83). Светочувствительные клетки глаза реагируют на попадающее в глаз излучение, находящееся в световом диапазоне, и превращают его в ощущение света.

Таблица 5

Длина волны и частота электромагнитного излучения в различных диапазонах

Рис. 83. Спектр видимого излучения

Причём в зависимости от длины волны мы можем воспринимать различные цвета. Самые короткие волны вызывают ощущения фиолетового света, затем, по мере увеличения длины волны, возникают ощущения голубого, синего, зелёного, жёлтого, оранжевого и красного цвета. В точности с фразой для запоминания видимого спектра: «Каждый охотник желает знать, где сидит фазан».

В других областях спектра электромагнитное излучение невидимо для человеческого глаза. Излучение, длина волны которого немного больше, чем в видимой области, называют инфракрасным. Мы тоже можем воспринимать его, но уже не как свет, а как тепло. Существуют приборы, способные реагировать на инфракрасное излучение; на фотографиях, сделанных с их помощью, горячие предметы будут выглядеть тёмными, а холодные – светлыми. Сфотографировав комнату зимой, мы увидим чёрные радиаторы отопления и белые окна. Мы также различим на фоне стен фигуры людей и животных, так как температура их тел выше, чем температура окружающих предметов (рис. 84). Некоторые змеи способны видеть в инфракрасной области и, благодаря этому, находить в темноте мышей, на которых они охотятся.

Волны с ещё большей длиной волны называют радиоволнами.

Так как их диапазон сам по себе огромен, он делится на несколько областей. Наиболее широко в настоящее время используются ультракороткие волны, которые, в свою очередь, бывают метровыми, дециметровыми, сантиметровыми и миллиметровыми.

Рис. 84. На регистрации инфракрасного излучения основана работа тепловизоров – приборов для наблюдения за распределением температуры исследуемой поверхности. Инфракрасное излучение в приборе преобразуется в электрический сигнал. Распределение температуры отображается на дисплее тепловизора как цветовое поле, где определённой температуре соответствует определённый цвет

Они используются для радио– и телевизионных передач, в мобильных телефонах, в медицинских и астрономических исследованиях и во многих других областях, о чём будет рассказано в следующих главах учебника. В радиотехнике для различных видов связи используют также короткие, средние, длинные и сверхдлинные радиоволны. Последние обладают очень низкой частотой и, соответственно, большой длиной волны. В природе они возникают во время разрядов молнии. Сверхдлинные волны слабо затухают по мере их распространения и являются очень устойчивыми по амплитуде. Благодаря этому, их широко используют в глобальных радиосистемах для связи на больших расстояниях. Кроме того, эти волны глубоко проникают в воду и в толщу Земли, что позволяет использовать их для связи с подводными и подземными объектами.

Если теперь от видимого света сдвинуться в область более коротких волн, то ближайшую часть спектра займёт ультрафиолетовое излучение. Человеческий глаз это излучение не воспринимает, но некоторые животные, например пчёлы, видят его достаточно хорошо.

Следующую, ещё более коротковолновую, область электромагнитного спектра называют рентгеновским излучением. Его открыл в 1895 г. немецкий физик Вильгельм Конрад Рентген (1845–1923), обнаружив существование невидимого излучения, которое он назвал Х-лучами. Лучи Рентгена обладают способностью глубоко проникать в предметы и вещества. Благодаря этому их используют для исследования внутреннего строения всевозможных объектов: человеческого тела, кристаллов, древних произведений искусства и многого другого (рис. 85). За своё открытие Рентген был награждён первой в истории Нобелевской премией по физике.

Наконец, самое коротковолновое и, следовательно, самое высокочастотное излучение называют гамма-излучением.

Рис. 85. Рентгеновские снимки

Оно возникает при радиоактивном распаде атомных ядер и превращениях элементарных частиц.

Необходимо обратить внимание на одну очень важную закономерность. Чем больше частота электромагнитного излучения (или чем меньше длина его волны), тем большей энергией оно обладает. Если радиоволны и видимый свет при умеренной интенсивности не оказывают вредного влияния на человека, то уже ультрафиолетовые лучи могут вызвать ожоги и при достаточно длительном воздействии привести к возникновению опухолей. Рентгеновские лучи несут в себе достаточно серьёзную опасность. Конечно, медицинское рентгеновское обследование, проводимое один-два раза в год, такой опасности не представляет, но у врача-рентгенолога, включающего в своём кабинете аппарат много раз в день, оно может вызвать серьёзные заболевания. Поэтому врач, перед тем как включить рентгеновскую установку, удаляется в специальное укрытие, куда излучение не проникает. Наиболее разрушительное действие оказывает гамма-излучение, которое может вызвать неизлечимую лучевую болезнь и даже смерть в течение нескольких минут, так называемую «смерть под лучом». Подробнее о природе света и других видов электромагнитного излучения вы узнаете из следующей главы.

Проверьте свои знания

1. Как называются виды электромагнитного излучения, частота которых немного выше и немного ниже частоты излучения видимой части электромагнитного спектра?

2. Какие электромагнитные волны используют для установления связи на больших расстояниях?

3. Для каких целей используют рентгеновское излучение?

4. Как зависит энергия излучения от его частоты?

Задания

1. Подберите эпиграф к данному параграфу.

2. Расположите виды электромагнитного излучения в порядке увеличения длины их волны: а – рентгеновское, б – жёлтое, в – гамма, г – ультрафиолетовое, д – зелёное, е – радиоволны, ж – инфракрасное.

3. Рассмотрите рисунок 84. Предположите, какой цвет соответствует максимальной, а какой – минимальной температуре поверхности человека.

4. С 2008–2009 гг. тепловизоры, регистрирующие инфракрасное излучение, начали активно использовать в аэропортах и на железнодорожных вокзалах для выделения из толпы определённых людей.

Обсудите в классе и предположите, кого именно и с какой целью ищут среди толпы с помощью тепловизора.

5. Вспомните, что означают приставки системы СИ (н, м, к, М, Г, Т) в единицах измерения, указанных в таблице 5.

§ 32 Общие свойства волн

Эффект Доплера: длина волны света, исходящего от приближающегося объекта, кажется короче, чем от удаляющегося.

– Как это можно пронаблюдать?

– Когда поедете вечером на машине, заметьте, что от машин, приближающихся к вам, идёт белый свет, а от удаляющихся – красный.

Шутка физиков

Интерференция

Рассмотрим, что произойдёт в какой-либо точке, если к ней одновременно придут две волны от двух различных источников (рис. 86). Неважно, какова будет природа этих волн, они могут быть звуковыми, электромагнитными или волнами на поверхности воды. Результат от этого не изменится. Предположим, что обе волны имеют одну и ту же частоту. Тогда амплитуда волны в точке их встречи будет зависеть от того, в какой фазе они туда придут. Если встретятся две вершины, то получится вершина с удвоенной амплитудой, если две впадины – впадина с удвоенной амплитудой. А если в точку придёт вершина от одной волны и одновременно с ней впадина от другой, то они взаимно погасят друг друга. Таким образом, если в точку всегда будут приходить волны в одинаковой фазе, мы получим в ней колебание с той же частотой, но с двойной амплитудой. Если же волны будут поступать в противофазе, мы вообще не получим в этой точке никаких колебаний. Конечно, между двумя этими крайними случаями существует много промежуточных. Результат сложения волн называют их интерференцией. В общем случае, если волны от двух источников встречаются в разных точках в различных фазах, то мы будем в некоторых местах наблюдать усиление волны, а в других её ослабление, т. е. увидим картину чередования минимумов и максимумов амплитуды волны, которая называется интерференционной картиной.

В некоторых случаях можно наблюдать интерференцию звуковых волн. Если на вращающейся доске укрепить два приспособления, издающие звук одной частоты, то, постепенно поворачивая доску, можно будет услышать, как звук становится то громче, то тише. Это происходит потому, что расстояние между источниками звука и вашим ухом меняется и звуковые волны иногда доходят до уха в совпадающих фазах, а иногда в противоположных. Соответственно их амплитуды или складываются, или вычитаются.

Рис. 86. Два источника колеблются с одинаковой частотой; в любую точку на поверхности воды приходят одновременно две волны (А). Если в точку K поверхности воды придут две волны, вершины которых совпадают, произойдёт усиленный подъём воды (Б). Для этого нужно, чтобы на отрезке MN укладывалось целое число (d) длин волн (Г). Затем вершины в точке K одновременно сменятся впадинами, и вода сильно опустится (В). Это будет в том случае, если на отрезке MN уложится нечётное число полуволн (Д)

Дифракция.

Помимо интерференции волны обладают ещё одним свойством: они могут огибать небольшие препятствия, встречающиеся на их пути. «Небольшие» означает, что эти препятствия должны ненамного превышать длину набегающей на них волны. Всем известно, что даже мелкие предметы отбрасывают тень, т. е. свет, встречая их на своём пути, не проходит дальше. В то же время, для того чтобы воспрепятствовать распространению звука, требуется предмет больших размеров, например гора или большой дом. Длина звуковой волны в среднем равна нескольким метрам, что вполне соизмеримо с небольшими домами или другими предметами. Поэтому такие предметы не мешают слышать, что происходит за ними, т. е. не отбрасывают звуковой «тени». Явление огибания препятствий распространяющимися волнами называют дифракцией.

Дифракцию можно наблюдать, поставив на пути распространения волн в бассейне или расположив против луча света экран с маленьким отверстием. Пройдя через отверстие, волны не продолжают своего движения прямолинейно, а расширяются, т. е. отверстие как бы порождает новые волны. Происходит это из-за того, что волны не упираются в края отверстия, а огибают их. Если отверстие сделать достаточно малым, то оно будет вести себя в точности как новый источник волн. Наблюдая за распространением света, итальянский физик и астроном Франческо Гримальди открыл в XVII в. явление дифракции и дал ему это название. Именно он впервые предположил, что свет является волной:

«Как вокруг камня, брошенного в воду, образуются волны, так и препятствие, помещённое на пути света, порождает в световом флюиде волны, отклоняющиеся за отверстием».

Он же впервые высказал предположение о связи цветного зрения с частотой колебания света.

Рис. 87. Эффект Доплера (пояснения в тексте)

Эффект Доплера

Существует ещё одно явление, характерное для всех волн и имеющее большое практическое значение. Это явление называют эффектом Доплера (рис. 87) в честь предсказавшего его в 1842 г. австрийского физика Кристиана Доплера (1803–1853), изучавшего движение тел – источников звука или света.

Вспомните, когда проносящийся мимо вас поезд или машина с сиреной достигают ближайшей к вам точки, а затем начинают удаляться, вы слышите, как высота издаваемого ими звука резко снижается. Это происходит потому, что от источника звука в вашем направлении движутся звуковые волны. Когда издающий звук предмет приближается к вам, каждая следующая волна возникает в более близкой к вам точке, чем предыдущая. Поэтому она достигает ваших ушей чуть раньше, чем если бы источник звука был относительно вас неподвижен. Волны как бы сжимаются, приобретая более высокую частоту, чем изначально издаваемый звук. И наоборот, когда поезд или автомашина удаляются от вас, каждая следующая волна запаздывает по отношению к предыдущей и воспринимаемая слухом звуковая волна снижает свою частоту, в результате звук воспринимается как более низкий.

Эффект Доплера остаётся справедливым и для электромагнитных волн. В частности, он используется в радарных устройствах, применяемых сотрудниками инспекции дорожного движения для определения скорости автомобилей. Пистолет-радар излучает сигнал в области ультракоротких радиоволн, который отражается от металлического кузова машины и поступает обратно на радар, но уже с доплеровским изменением частоты. Зная разницу между частотой, испущенной радаром, и частотой, им принятой, прибор точно определяет скорость автомобиля и показывает её на экране.

Доплером было показано, что при приближении источника света к наблюдателю частота световых колебаний представляется ему больше, чем при неподвижном источнике, т. е. цвет излучения смещается в сторону ультрафиолета. Если же источник удаляется от наблюдателя, то цвет смещается в красную сторону спектра. В дальнейшем методы, основанные на эффекте Доплера, стали широко применяться в астрофизике для изучения движения звёзд. Этот эффект является причиной красного смещения, с помощью которого было установлено, что Вселенная расширяется и галактики разбегаются. Открытие красного смещения принципиально изменило взгляды на происхождение и эволюцию Вселенной, о чём будет рассказано в дальнейшем.

Проверьте свои знания

1. Какие процессы могут происходить в результате интерференции?

2. Как называется явление огибания препятствий распространяющимися волнами?

3. На основании какого явления Франческо Гримальди в XVII в. предположил, что свет обладает волновыми свойствами?

4. В чём проявляется эффект Доплера?

Задания

Налейте в широкий плоский сосуд немного воды. Погрузите в воду возле одной из стенок сосуда две палочки и постепенно покачивайте ими по очереди или одновременно с различной частотой. Пронаблюдайте, как будет изменяться картина распространения волн по сосуду.