"Физика (базовый и профильный уровни)", Тихомирова С.А., Яворский Б.М.
Электромагнитная волна — распространяющееся в пространстве переменное электрическое и магнитное поле. Опыт Герца позволил обнаружить такие волны и проверить их волновые свойства: отражение, интерференцию и поляризацию. Вибратор создаёт волну, а резонатор улавливает её по искре. Отражая волну от металла, можно получить стоячую картину и измерить длину волны: расстояние между соседними узлами или пучностями равно половине длины волны.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Электромагнитная волна — распространение переменных электрического и магнитного полей в пространстве. Эти поля связаны: изменяющееся электрическое поле порождает магнитное, а изменяющееся магнитное — электрическое. В волне они перпендикулярны друг другу и направлению её распространения, поэтому понятие волны помогает описывать перенос энергии без переноса вещества.
Вибратор Герца — источник электромагнитных волн, представляющий собой открытый колебательный контур с искровым промежутком. В контуре колеблются заряды и ток, а его открытая форма позволяет полям распространяться в окружающее пространство. Вибратор нужен для получения волны, которую можно изучать.
Резонатор Герца — приёмное устройство, в котором электромагнитная волна вызывает вынужденные колебания и искровой разряд. Его искровой промежуток очень мал, поэтому наведённого напряжения может хватить для появления искры. Так резонатор показывает, дошла ли волна до выбранного места.
Стоячая электромагнитная волна — результат наложения падающей и отражённой волн одинаковой частоты. В узлах колебания поля ослаблены, а в пучностях усилены; соседние узлы и соседние пучности разделены расстоянием λ/2. Такая картина позволяет измерять длину волны λ, не отслеживая её движение.
Когда конденсатор разряжается через искровой промежуток, заряд быстро перемещается между его обкладками. Из-за этого электрическое поле меняется во времени, а ток создаёт изменяющееся магнитное поле. В открытом контуре эти поля не остаются сосредоточенными внутри проводника: связанное изменение полей распространяется от вибратора в окружающее пространство как электромагнитная волна.
В опыте Герца вибратор создаёт волну, а резонатор располагают на некотором расстоянии от него. Электрическое поле волны действует на заряды в резонаторе и вызывает их вынужденные колебания. Если условия и положение приёмника подходят, на концах его искрового промежутка появляется напряжение, достаточное для пробоя воздуха. Искра служит видимым признаком того, что волна передала энергию резонатору.
Чтобы исследовать отражение, на пути волны ставят металлическую поверхность. Металл хорошо проводит электрический ток, поэтому падающая волна вызывает в нём переменные токи, которые создают отражённую волну. В области перед отражателем обе волны складываются; поскольку они имеют одинаковую частоту и распространяются навстречу друг другу, распределение колебаний в пространстве становится устойчивым. Так возникает стоячая волна.
При перемещении резонатора вдоль стоячей волны искра то становится сильнее, то ослабевает. Максимумы соответствуют пучностям, а минимумы — узлам, где колебания поля малы. Между соседними пучностями, как и между соседними узлами, расстояние равно половине длины волны: d = λ/2. Следовательно, измерив d, находят λ = 2d.
Опыт показывает не только отражение: чередование усиления и ослабления колебаний является проявлением интерференции. Поляризацию исследуют, поворачивая резонатор: интенсивность искры зависит от его ориентации, что связано с направлением колебаний электрического поля. Эти наблюдения, вместе с распространением волны с конечной скоростью, демонстрируют волновые свойства электромагнитного излучения. Они также показывают, что многие свойства света присущи электромагнитным волнам вообще.
Таблица связывает наблюдаемое в опыте с физическим объяснением и выводом. Сопоставляйте средний столбец с правым: один и тот же факт иногда подтверждает сразу несколько свойств волны. При работе с данными о стоячей волне помните, что измеренное расстояние между соседними одноимёнными точками равно λ/2.
| Экспериментальный факт | Что наблюдают | Какой вывод делают |
|---|---|---|
| Излучение вибратора | Искровой разряд в колебательном контуре | Переменные электрическое и магнитное поля распространяются в пространстве |
| Обнаружение волны резонатором | Искра возникает только при определённой ориентации и положении резонатора | Волна переносит энергию и вызывает вынужденные колебания |
| Отражение от металлической поверхности | В пространстве складываются падающая и отражённая волны | Электромагнитные волны отражаются |
| Стоячая волна | Чередуются области усиления и ослабления колебаний | По расстоянию между узлами находят длину волны |
| Поляризация | Интенсивность искры зависит от поворота приёмника | Электромагнитная волна является поперечной |
Между соседними узлами стоячей электромагнитной волны измерено расстояние 1,5 см. Определите длину волны.
Ответ: 3,0 см.
Длина электромагнитной волны, полученная в опыте Герца, равна 3,0 см. Найдите частоту излучения, считая скорость волн равной скорости света.
Ответ: 1,0 · 10¹⁰ Гц.
При перемещении резонатора от металлического отражателя искра последовательно усиливается и ослабевает. Расстояние между двумя соседними положениями максимума равно 2 см. Определите длину волны и частоту излучения.
Ответ: λ = 4 см, ν = 7,5 · 10⁹ Гц.
Считать, что электромагнитная волна распространяется только при наличии проводника, — неверно: волна может распространяться и в вакууме. Такое заблуждение возникает потому, что в опыте рядом с источником и приёмником видны металлические детали. Проверка: мысленно уберите проводник между устройствами — для распространения волны он не требуется.
Расстояние между соседними узлами нельзя принимать за полную длину волны: оно равно λ/2. Ошибка появляется, если спутать повторение всей волны с соседними точками одинакового типа в стоячей картине. Проверьте себя по схеме расчёта: для перехода от расстояния между узлами к λ его нужно умножить на два.
Вибратор и резонатор выполняют разные роли: первый излучает волну, второй принимает её. Их названия легко перепутать, поскольку оба устройства связаны с колебаниями и имеют искровой промежуток. Чтобы проверить ответ, проследите направление передачи энергии: от вибратора к резонатору.
Искра в резонаторе не означает, что заряд перешёл к нему по воздуху прямо от вибратора. Волна вызывает в приёмнике вынужденные колебания зарядов, и напряжение между его концами приводит к искре. Проверка проста: между устройствами нет проводящего соединения, зато искра меняется при изменении положения резонатора.
Для понимания опыта нужны знания об электромагнитных колебаниях в контуре и о том, как связаны заряд, ток и поля. При расчётах используются частота, длина волны и формула c = λν. Она связывает параметры колебаний с распространением волны.
Тема опирается на представления об отражении и интерференции волн: именно их сочетание создаёт стоячую картину. Поляризация помогает установить поперечный характер электромагнитной волны. Сравнение этих явлений со свойствами света показывает общность волновых процессов.
Результаты опыта Герца важны для понимания радиосвязи, работы антенн и радиолокации: устройства передают и принимают электромагнитные волны. Волновые явления, изученные на этих опытах, применимы и к оптическим явлениям. Поэтому опыт связывает школьную теорию с принципами работы современных средств связи.
Почему искра в резонаторе доказывает наличие электромагнитной волны?
Волна от вибратора вызывает в резонаторе вынужденные колебания зарядов. Между его концами возникает напряжение, достаточное для пробоя искрового промежутка. Значит, энергия дошла от вибратора через пространство.
Чем вибратор Герца отличается от резонатора Герца?
Вибратор Герца — передатчик: в его открытом колебательном контуре возникают быстрые колебания, излучающие волну. Резонатор Герца — приёмник: волна вызывает в нём колебания, которые обнаруживают по искре.
Почему в опыте возникают узлы и пучности?
У металлической поверхности отражённая волна накладывается на падающую. В одних точках колебания взаимно гасятся — там находятся узлы, а в других усиливаются — там образуются пучности. Такая устойчивая картина называется стоячей волной.
Как по результатам опыта определить длину волны?
Нужно измерить расстояние d между двумя соседними узлами либо двумя соседними пучностями стоячей волны. Это расстояние равно половине длины волны, поэтому λ = 2d.
Почему электромагнитную волну считают поперечной?
В электромагнитной волне направления колебаний электрического и магнитного полей перпендикулярны друг другу и направлению распространения. Опыт с поворотом резонатора показывает, что обнаружение зависит от ориентации приёмника, что согласуется с поперечным характером волны.
§ 34. Экспериментальное исследование электромагнитных волн
