Волна (волновой процесс) - процесс распространения колебаний в сплошной среде. При распростаранении волны частицы среды не движутся вместе с волной, а колеблются около своих положений равновесия. Вместе с волной от частицы к частице среды передаются лишь состояния колебательного движения и его энергия. Поэтому основным свойством всех волн, независимо от их природы, является перенос энергии без переноса вещества. 

Электромагнитные волны (ЭВ) возникают всегда, когда в пространстве есть изменяющееся электрическое поле. Такое изменяющееся электрическое поле вызвано, чаще всего, перемещением заряженных частиц, и как частный случай такого перемещения, переменным электрическим током.

Английский ученый Джеймс Максвелл на основании изучения экспериментальных работ Фарадея по электричеству высказал гипотезу о существовании в природе особых волн, способных распространяться в вакууме. Эти волны Максвелл назвал электромагнитными волнами. По представлениям Максвелла: при любом изменении электрического поля возникает вихревое магнитное поле и, наоборот, при любом изменении магнитного поля возникает вихревое электрическое поле. Однажды начавшийся процесс взаимного порождения магнитного и электрического полей должен непрерывно продолжаться и захватывать все новые и новые области в окружающем пространстве. Процесс взаимопорождения электрических и магнитных полей происходит во взаимно перпендикулярных плоскостях. Переменное электрическое поле порождает вихревое магнитное поле, переменное магнитное поле порождает вихревое электрическое поле.
    
     Электрические и магнитные поля могут существовать не только в веществе, но и в вакууме. Поэтому должно быть возможным распространение электромагнитных волн в вакууме.
    
     Условием возникновения электромагнитных волн является ускоренное движение электрических зарядов. Так, изменение магнитного поля происходит при изменении тока в проводнике, а изменение тока происходит при изменении скорости зарядов, т. е. при движении их с ускорением. Скорость распространения электромагнитных волн в вакууме, по расчетам Максвелла, должна быть приблизительно равна 300 000 км/с. Свет - это электромагнитная волна. Поэтому в вакууме свет распространяется со скоростью 300 000 км/с.

Простейшие электромагнитные волны — это волны, в которых взаимно перпендикулярные электрическое (Е) и магнитное (В) поля совершают синхронные гармонические колебания перпендикулярно направлению распространения волны (вектору скорости).

Источник электромагнитного поля - электрические заряды, движущиеся с ускорением.

Электромагнитные волны, в отличие от упругих (звуковых) волн, могут распространяться в вакууме или любом другом веществе. Электромагнитная волна переносит энергию.

, где ,

,где

Вокруг нас сложный мир электромагнитных волн различных частот: излучения мониторов компьютеров, сотовых телефонов, микроволновых печей, телевизоров и др. В настоящее время все электромагнитные волны разделены по длинам волн на шесть основных диапазонов.

Радиоволны - это электромагнитные волны (с длиной волны от 10000 м до 0,005 м), служащие для передачи сигналов (информации) на расстояние без проводов. В радиосвязи радиоволны создаются высокочастотными токами, текущими в антенне.

Источником и одновременно приемником радиоволн является радиолокатор, который работает в импульсном режиме излучения. Это означает, что он излучает импульс ЭМВ в течение некоторого малого промежутка времени t₀, после чего передача прекращается, пока импульс не отразится от объекта и не вернётся обратно. В этом случае максимальное расстояние до объекта можно вычислить по формуле S_max= ct/2 где t = t_всё/ N - время движения одного импульса туда и обратно. S_min= λ/2 - минимальное расстояние до объекта. После того как импульс вернётся излучается новый импульс.

Частота излучения N импульсов v = N/t_всё .

Электромагнитные излучения с длиной волны, от 0,005 м до 1 мкм, т.е. лежащие между диапазоном радиоволн и диапазоном видимого света, называются инфракрасным излучением. Инфракрасное излучение испускают любые нагретые тела. Источником инфракрасного излучения служат печи, батареи, электрические лампы накаливания. С помощью специальных приборов инфракрасное излучение можно преобразовать в видимый свет и получать изображения нагретых предметов в полной темноте.

К видимому свету относят излучения с длиной волны примерно 770 нм до 380 нм, от красного до фиолетового цвета. Значение этого участка спектра электромагнитных излучений в жизни человека исключительно велико, так как почти все сведения об окружающем мире человек получает с помощью зрения.

Невидимое глазом электромагнитное излучение с длиной волны меньше, чем у фиолетового цвета, называют ультрафиолетовым излучением. Оно способно убивать болезнетворные бактерии.

Рентгеновское излучение невидимо глазом. Оно проходит без существенного поглощения через значительные слои вещества, непрозрачного для видимого света, что используют для диагностики заболеваний внутренних органов.

Гамма-излучением называют электромагнитное излучение, испускаемое возбужденными ядрами и возникающее при взаимодействии элементарных частиц.

Электромагнитные волны обладают основными свойствами:

1. ЭМВ могут распространяться в любой среде со скоростью v = c/n (n -абсолютный показатель преломления среды) и в вакууме со скоростью с = 300 000 км/с.

2. ЭМВ отражаются и преломляются на границах раздела сред.

При падении света (ЭМВ) на границу раздела двух сред часть света отражается в первую среду, а часть проходит во вторую среду, если она прозрачна, изменяя при этом направление своего распространения, т. е. преломляется.

Закон отражения. Угол падения равен углу отражения (). Падающий луч AO,отраженный лучOB и перпендикулярOC,восставленный в точке падения, лежат в одной плоскости (рис. 1).

Законы преломления. Луч падающий AO и преломленный OB лежат в одной плоскости с перпендикуляром CD, проведенным в точке падения луча к плоскости раздела двух сред (рис. 2). Отношение синусов угла падения  и угла преломления  постоянно для данных двух сред и называется показателем преломления второй среды по отношению к первой: .

3. ЭМВ являются поперечными.

4. ЭМВ обладают свойством интерференции: свойством сложения 2-х и более волн.

Если две волны приходят в точку М, то, если волны когерентные (одинаковая частота), в точке М может образоваться суммарная (интерференционная) волна с максимальной амплитудой А = А₁+А₂, если на участке (разность хода волн) ∆d укладывается четное число полуволн или целое число длин волн.

∆d = d₂ - d₁ = 2 mλ/2 = mλ, где m = 1,2,3.....

Если на участке (разность хода волн) ∆d укладывается нечетное число полуволн

∆d = d₂ - d₁ = (2m-1)λ/2, то может образоваться суммарная (интерференционная) волна с минимальной амплитудой А = А₁- А₂.

Если волны не когерентные, то в точке М может образоваться суммарная (интерференционная) волна с разными амплитудами (для звука - шумовая).

 5. ЭМВ обладают свойством дифракции:

Дифракция света – отклонение от прямолинейного направления на резких неоднородностях среды

 

Из-за дифракции от отверстий выходят два частично перекрывающихся конуса. Явление дифракции удобно наблюдать с помощью дифракционной решётки. Дифракционная решетка  – совокупность большого числа очень узких щелей, разделенных непрозрачными промежутками

d = a + b - период дифракционной решётки. На экране образуются тёмные и светлые области. Для светлых полос (спектров) выполняется условие максимума , где - угол отклонения световых лучей вследствие дифракции, m - порядок спектра. Данная формула называется фомулой дифракционной решётки.

Чтобы определить максимальное количество наблюдаемых (полностью от фиолетового до крассного) необходимо угол принять стремящимся к = 90⁰ C, тогда формула дифракционной решётки примет вид d = m_maxλ. Из формулы определяем m_max= d/λ - максимальное число спектров.

!!!! При вычислении максимального числа спектров, наблюдаемых с помощью дифракционной решётки необходимо из полученного результата взять только целую часть, не округляя его алгеброически. Например: при вычислении m_max получилось 5, 7546. Максимальное число спектров будет 5.

!!!! При вычислении общего числа спектров, наблюдаемых с помощью дифракционной решётки необходимо найти максимальное их число, умножить его на 2 и прибавить 1 центральный (нулевой) спектр: общее число спектров N = 2m_max+1. Для вышеприведёного примера ответ будет N = 2*5+1=11.

При малых углах, когда мы можем наблюдать 1, 2 или 3 максимумы, sin такого угла можно приравнять к tg (sin = tg). В этом случае формула дифракционной решётки примет вид .

Рассмотрим пример, пусть на дифракционную решетку, перпендикулярно ее поверхности падает монохроматический пучок света с длиной волны λ. На плоский экран картина дифракции проецируется при помощи линзы. Расстояние между двумя максимумами интенсивности первого порядка составляет l. Какова постоянная дифракционной решетки, если линза размещена в непосредственной близости от решетки и расстояние от нее до экрана равно L. Считайте, что l/2 << L. ( Т.е. х = l/2 - это расстояние от центрального до первого спектра.

Решение: В качестве основы для решения задачи используем формулу, которая связывает постоянную дифракционной решетки, длину волны света и угол отклонения лучей, который соответствует дифракционному максимуму номер m =1 (по условию).Так как угол отклонения лучей можно считать малым, так как l/2 << L, то sin = tg, тогда. Подставим в формулу это выражение и учтем, что m = 1, получим:. Выразим отсюда период ДР.

В этом примере можно найти расстояние х до любого максимума. Если за х принять расстояние от центра экрана до конкретного цвета спектра, то можно определить ширину любого спектра как разность (х_кр- х_ф). Для этого нужно использовать формулу, заменив l/2 = x и соответственно λ для красного и фиолетового цвета: и . Ответ

Вернуться к конспектам урока