Физика (лучшее)

колебания уже не так просто. Ведь мы непосредственно не видим ни

перезарядки конденсатора, ни тока в катушке. К тому же колебания обычно

происходят с очень большой частотой.

Наблюдают и исследуют электрические колебания с помощью электронного

осциллографа. На горизонтально отклоняющие пластины электроннолучевой

трубки осциллографа подается переменное напряжение развертки Up

“пилообразной» формы. Сравнительно медленно напряжение нарастает, а потом

очень резко уменьшается. Электрическое поле между пластинами заставляет

электронный луч пробегать экран в горизонтальном направлении с постоянной

скоростью и затем почти мгновенно возвращаться назад. После этого весь

процесс повторяется. Если теперь присоединить вертикально отклоняющие

пластины к конденсатору, то колебания напряжения при его разрядке вызовут

колебания луча в вертикальном направлении. В результате на экране

образуется временная «развертка» колебаний, вполне подобная той, которую

вычерчивает маятник с песочницей на движущемся листе бумаги. Колебания

затухают с течением времени

Эти колебания — свободные. Они возникают после того, как конденсатору

сообщается заряд, выводящий систему из состояния равновесия. Зарядка

конденсатора эквивалентна отклонению маятника от положения равновесия.

В электрической цепи можно также получить и вынужденные электрические

колебания. Такие колебания появляются при наличии в цепи периодической

электродвижущей силы. Переменная ЭДС индукции возникает в проволочной рамке

из нескольких витков при вращении ее в магнитном поле (рис. 19). При этом

магнитный поток, пронизывающий рамку, периодически изменяется, В

соответствии с законом электромагнитной индукции периодически меняется и

возникающая ЭДС индукции. При замыкании цепи через гальванометр пойдет

переменный ток и стрелка начнет колебаться около положения равновесия.

2.Колебательный контур Простейшая система, в которой могут происходить

свободные электрические колебания, состоит из конденсатора и катушки,

присоединенной к обкладкам конденсатора (рис. 20). Такая система называется

колебательным контуром.

Рассмотрим, почему в контуре возникают колебания. Зарядим конденсатор,

присоединив его на некоторое время к батарее с помощью переключателя. При

этом конденсатор получит энергию

[pic]

где qm — заряд конденсатора, а С — его электроемкость. Между обкладками

конденсатора возникнет разность потенциалов Um.

Переведем переключатель в положение 2. Конденсатор начнет разряжаться, и в

цепи появится электрический ток. Сила тока не сразу достигает максимального

значения, а увеличивается постепенно. Это обусловлено явлением

самоиндукции. При появлении тока возникает переменное магнитное поле. Это

переменное магнитное поле порождает вихревое электрическое поле в

проводнике. Вихревое электрическое поле при нарастании магнитного поля

направлено против тока и препятствует его мгновенному увеличению.

По мере разрядки конденсатора энергия электрического поля уменьшается, но

одновременно возрастает энергия магнитного поля тока, которая определяется

формулой

[pic]

где i сила тока,. L — индуктивность катушки. В момент, когда конденсатор

полностью разрядится (q=0), энергия электрического поля станет равной нулю.

Энергия же тока (энергия магнитного поля) согласно закону сохранения

энергии будет максимальной. Следовательно, в этот момент сила тока также

достигнет максимального значения

Несмотря на то что к этому моменту разность потенциалов на концах катушки

становится равной нулю, электрический ток не может прекратиться сразу.

Этому препятствует явление самоиндукции. Как только сила тока и созданное

им магнитное поле начнут уменьшаться, возникает вихревое электрическое

поле, которое направлено по току и поддерживает его.

В результате конденсатор перезаряжается до тех пор, пока ток, постепенно

уменьшаясь, не станет равным нулю. Энергия магнитного поля в этот момент

также будет равна нулю, а энергия электрического поля конденсатора опять

станет максимальной.

После этого конденсатор вновь будет перезаряжаться и система возвратится

в исходное состояние. Если бы не было потерь энергии, то этот процесс

продолжался бы сколь угодно долго. Колебания были бы незатухающими. Через

промежутки времени, равные периоду колебаний, состояние системы повторялось

бы.

Но в действительности потери энергии неизбежны. Так, в частности, катушка

и соединительные провода обладают сопротивлением R, и это ведет к

постепенному превращению энергии электромагнитного поля во внутреннюю

энергию проводника.

При колебаниях, происходящих в контуре, наблюдается превращение энергии

магнитного поля в энергию электрического поля и наоборот. Поэтому эти

колебания называют электромагнитными. Период колебательного контура

находится по формуле :

[pic]

Билет № 18

1. Индуктивность. Пусть по замкнутому контуру течёт постоянный ток силой

I. Этот ток создаёт вокруг себя магнитное поле, которое пронизывает

площадь, охватываемую проводником, создавая магнитный поток. Известно, что

магнитный поток Ф пропорционален модулю индукции магнитного поля В, а

модуль индукции магнитного поля, возникающего вокруг проводника с током,

пропорционален силе тока 1. Из этого следует

[pic]

Коэффициент пропорциональности L между силой тока и магнитным потоком,

создаваемым этим током через площадь, ограниченную проводником, называют

индуктивностью проводника.

Индуктивность проводника зависит от его геометрических размеров и формы, а

также от магнитных свойств среды, в которой он находится. внутри него.

Необходимо отметить, что если магнитная проницаемость среды, окружающей

проводник, не зависит от индукции магнитного поля, создаваемого током,

текущим по проводнику, то индуктивность данного проводника является

постоянной величиной при любой силе тока, идущего в нём. Это имеет место,

когда проводник находится в среде с диамагнитными или парамагнитными

свойствами. В случае ферромагнетиков индуктивность зависит от силы тока,

проходящего по проводнику.

В системе единиц СИ индуктивность измеряется в генри (Гн). L = Ф/I и 1 Гн

= 1 В6/ 1А, т.е. 1 Гн — индуктивность такого проводника, при протекании по

которому тока силой 1А возникает магнитный поток, пронизываю площадь,

охватываемую проводником, равный 1Вб.

Явление самоиндукции. Явление возникновения э.д.с. в том же

проводнике, по которому течёт переменный ток, называется самоиндукцией, а

саму э.д.с. называют э.д.с. самоиндукции. Это явление объясняется

следующим. Переменный ток, проходящий по проводнику, порождает вокруг себя

переменное магнитное поле, которое, в свою очередь, создаёт магнитный

поток, изменяющийся со временем, через площадь, ограниченную проводником.

Согласно явлению электромагнитной индукции, это изменение магнитного потока

и приводит к появлению э.д.с. самоиндукции.

Найдём э.д.с. самоиндукции. Пусть по проводнику с индуктивностью L течёт

электрический ток. В момент времени t1 сила этого тока равна I1, а к

моменту времени t2 она стала равной I2. Тогда магнитный поток, создаваемый

током через площадь ограниченную проводником, в моменты времени t1 и t2

соответственно равен Ф1=LI1 и Ф2= LI2 , а изменение (Ф магнитного потока

равно (Ф = LI2 — LI1 = L(I2 — I1) = L(I, где (I =I2— I1 — изменение силы

тока за промежуток времени (t = t2 - t1. Согласно закону электромагнитной

индукции, э.д.с. самоиндукции равна: [pic]Подставляя в это выражения

предыдущую формулу, получаем

[pic]

Итак, э.д.с. самоиндукции, возникающая в проводнике, пропорциональна

быстроте изменения силы тока, текущего по нему. Соотношение представляет

собой закон самоиндукции.

Под действием э.д.с. самоиндукции создаётся индукционный ток, называемый

током самоиндукции. Этот ток, согласно правилу Ленца, противодействует

изменению силы тока в цепи, замедляя его возрастание или убывание.

Энергия магнитного поля. При протекании электрического тока по проводнику

вокруг него возникает магнитное поле. Оно обладает энергией. Можно

показать, что энергия магнитного поля, возникающего вокруг проводника с

индуктивностью L, по которому течёт постоянный ток силой I, равна

[pic]

Билет № 20

Фундаментальные законы природы, к числу которых относятся открытые

Максвеллом законы электромагнетизма, замечательны в следующем отношении:

они могут дать гораздо больше, чем заключено в тех фактах, на основе

которых они получены.

Среди бесчисленных, очень интересных и важных следствий, вытекающих из

максвелловских законов электромагнитного поля, одно заслуживает особого

внимания. Это вывод о том, что электромагнитное взаимодействие

распространяется с конечной скоростью.

Согласно теории дальнодействия кулоновская сила, действующая на

электрический заряд, сразу же изменится, если соседний заряд сдвинуть с

места. Действие передается мгновенно. С точки зрения действия на расстоянии

иначе быть не может:

ведь один заряд непосредственно через пустоту <чувствует» присутствие

другого.

Согласно же представлению о близкодействии обстоит совершенно иначе и

много сложнее. Перемещение заряда меняет электрическое поле вблизи него.

Это переменное электрическое поле порождает переменное магнитное поле в

соседних областях пространства. Переменное же магнитное поле в свою очередь

порождает переменное электрическое поле и т.д.

Перемещение заряда вызывает, таким образом, «всплеск» электромагнитного

поля, который, распространяясь, охватывает все большие и большие области

окружающего пространства, перестраивая по дороге то поле, которое

существовало до смещения заряда. Наконец, этот «всплеск» достигает второго

заряда, что и приводит к изменению действующей на него силы. Но произойдет

это не в тот момент времени, когда произошло смещение первого заряда.

Процесс распространения электромагнитного возмущения, механизм которого был

вскрыт Максвеллом, протекает с конечной, хотя и очень большой, скоростью. В

этом состоит фундаментальное свойство поля, которое не оставляет сомнений в

его реальности.

Максвелл математически показал, что скорость распространения этого

процесса равна скорости света в вакууме.

Электромагнитная волна. Представьте себе, что электрический заряд не

просто сместился из одной точки в другую, а приведен в быстрые колебания

вдоль некоторой прямой. Заряд движется подобно грузу, подвешенному на

пружине, но только колебания его происходят со значительно большей

частотой. Тогда электрическое поле в непосредственной близости от заряда

начнет периодически изменяться. Период этих изменений, очевидно, будет

равен периоду колебаний .заряда. Переменное электрическое поле будет

порождать периодически меняющееся магнитное поле, а последнее в свою

очередь вызовет появление переменного электрического поля уже на большем

расстоянии от заряда и т. д.

Мы не будем в деталях рассматривать сложный процесс образования

электромагнитного поля, порождаемого колеблющимся зарядом. Приведем лишь

конечный результат.

В окружающем заряд пространстве, захватывая все большие и большие области,

возникает система взаимно перпендикулярных, периодически изменяющихся

электрических и магнитных полей. На рисунке 84 изображен «моментальный

снимок» такой системы полей.

Образуется так называемая электромагнитная волна,. бегущая по всем

направлениям от колеблющегося заряда.

Не надо думать, что электромагнитная волна, подобно волне на поверхности

воды, представляет собой возмущение какой-либо среды. На рисунке изображены

в некотором масштабе значения векторов Ё и В в различных точках

пространства, лежащих на линии Os, в фиксированный момент времени. Никаких

гребней и впадин среды, как в случае механических волн на поверхности воды,

здесь нет.

В каждой точке пространства электрические и магнитные поля меняются во

времени периодически. Чем дальше расположена точка от заряда, тем позднее

достигнут ее колебания полей. Следовательно, на разных расстояниях от

заряда колебания происходят с различными фазами.

Колебания векторов Ё и В в любой точке совпадают по фазе. Расстояние между

двумя ближайшими точками, в которых колебания происходят в одинаковых

фазах, есть длина волны (. В данный момент времени значения векторов Е и В

меняются периодически в пространстве с периодом (.

Направления колеблющихся векторов напряженности электрического поля и

индукции магнитного поля перпендикулярны к направлению распространения

волны. Электромагнитная волна является поперечной.

Таким образом, векторы Ё и Й в электромагнитной волне перпендикулярны друг

другу и перпендикулярны направлению распространения волны. Если вращать

буравчик с правой нарезкой от вектора Ё к вектору В то поступательное

перемещение буравчика будет совпадать с вектором скорости волны с.

Электромагнитные волны излучаются колеблющимися зарядами. При этом

существенно, что скорость движения таких зарядов меняется со временем, т.

е. что они движутся с ускорением.

Наличие ускорения — главное условие излучения электромагнитных волн.

Электромагнитное воле излучается заметным образом не только при колебаниях

заряда, но и при любом быстром изменении его скорости, причем интенсивность

излученной волы тем больше, чем больше ускорение, с которым движется заряд.

Наглядно это можно представить себе так. При движении заряженной частицы с

постоянной скоростью созданные ею электрическое и магнитное поля, подобно

развевающемуся шлейфу, сопровождают частицу. При ускорении частицы

обнаруживается присущая электромагнитному полю инертность. Поле

«отрывается» от частицы и начинает самостоятельное существование в форме

электромагнитных волн.

Энергия электромагнитного поля волны в данный момент времени меняется

периодически в пространстве с изменением векторов Ё и В. Бегущая волна

несет с собой энергию, перемещающуюся со скоростью с вдоль направления

распространения волны. Благодаря этому энергия электромагнитной волны в

любой области пространства меняется периодически со временем.

Максвелл был глубоко убежден в реальности электромагнитных волн. Но он не

дожил до их экспериментального обнаружения. Лишь через 10 лет после его

смерти электромагнитные волны были экспериментально получены Герцем.

2. Принцип радиосвязи. Радиопередатчик. Для осуществления радиосвязи

необходимы радиопередатчик и радиоприёмник. Рассмотрим принцип действия

радиопередатчика, блок-схема которого приведена на рис. ‘77.1. Генератор

создаёт высокочастотные электромагнитные гармонические колебания с частотой

v . Пусть перед микрофоном находится звучащий камертон, создающий

механические гармонические колебания звуковой частоты Yзв. Эти колебания с

помощью микрофона преобразуются в электромагнитные колебания той же частоты

(рис. 77.2 6). Частота Yзв этих колебаний значительно меньше частоты Y

высокочастотных электромагнитных колебаний.

Колебания, создаваемые генератором и микрофоном, подаются в модулятор, в

котором происходит их сложение, в результате чего возникают

электромагнитные колебания с частотой Y, амплитуда которых изменяется с

частотой Yзв. Такие колебания называют амплитудно - модулированными (рис.

77.2 в). Затем модулированные колебания усиливаются и подаются на

антенну(открытый колебательный контур), которая излучает модулированные

электромагнитные волны.

Радиоприёмник. Блок-схема радиоприёмника показана на рис. 77.3.

Модулированные электромагнитные волны, излучаемые различными

радиостанциями, индуцируют в антенне модулированные электромагнитные

колебания разных частот. Изменяя величину ёмкости конденсатора и

индуктивности, добиваются совпадения собственной частоты колебательного

контура с частотой одной из передающей станции. Это приводит к тому, что в

колебательном контуре возникают вынужденные резонансные электромагнитные

колебания данной частоты. Амплитуды же колебаний с другими частотами будут

очень малы. Эти модулированные колебания рис. 77.2 в) усиливаются и

подаются в демодулятор (детектор). После его прохождения сила тока в цепи

изменяется со временем по закону, график которого приведён на рис. 77.4.

далее происходит преобразование этого тока в ток, сила которого изменяется

со временем со звуковой частотой Yзв рис.77.2б). Затем этот ток усиливается

и протекает через динамик, который преобразует электромагнитные колебания в

звуковые той же частоты. В результате этого динамик воспроизводит

механические колебания, происходящие перед микрофоном передающей станции.

Принцип радиопередачи используют в телевидении, радиолокации, в

различных видах телефонной (сотовой) связи.

Билет № 21

С точки зрения волновой теории свет представляет собой электромагнитные

волны с частотой v, лежащей в интервале от [pic] до [pic]Гц. Диапазон

световых волн чаще выражают в длинах волн в вакууме (практически в

воздухе). Используя соотношение длины [pic]световой волны с частотой

колебания, находим, что длины волн света в вакууме заключены в пределах от

0,75 до 0,4 мкм. Установлено, что цветовое воздействие света на глаз

человека обусловлено его частотой. Так, световые волны с частотой [pic] Гц

воспринимаются как красный свет, а с частотой [pic]Гц как фиолетовый.

Показано также, что световые волям, отличающиеся подлине волны менее чем на

2 нм, воспринимаются как одноцветные.

1. Интерференция волн. Интерференцией волн называют явление усиления и

ослабления волн в определённых точках пространства при их наложении.

Интерферировать могут только когерентные волны. Когерентными называются

такие волны (источники), частоты которых одинаковы и разность фаз колебаний

не зависит от времени. Геометрическое место точек, в которых происходит

усиление или ослабление волн соответственно называют интерференционным

максимумом или интерференционным минимумом, а их совокупность носит

название интерференционной картины. В связи с этим можно дать иную

формулировку явления. Интерференцией волн называется явление наложения

когерентных волн с образованием интерференционной картины.

Пусть волны создаются когерентными источниками O1 и О2. Рассмотрим

точку М, находящуюся на расстоянии l1 и l2 от источника (рис. 83.1), в

которой происходит наложение

волн. Установлено, что волны усиливают друг друга, если [pic] и ослабляют

друг друга, когда [pic] где ( — длина волны, [pic] Величина (l = l1 -

l2, т.е. разность расстояний от источников до рассматриваемой точки,

называется геометрической разностью хода волн. С учётом этого следует, что

когерентные волны, раслространяющиеся в одной среде, усиливаются в точках,

для которых геометрическая разность хода равна целому числу длин волн, и

ослабляется, когда она составляет полуцелое число длин волн.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8