Учебник по физике для поступающих в ВУЗ /Экзаменационные вопросы по физике (2006-2007)/

Детектирование

В приемной антенне возникают высокочастотные колебания от всех радиостанций. Для выделения сигнала одной нужной фиксированной несущей частоты служит колебательный контур регулируемой частоты (как правило за счет конденсатора переменной емкости) Индуктивность такого контура является вторичной обмоткой трансформатора, у которого роль первичной обмотки выполняет индуктивность антенны.

Изменением электроемкости контура можно добиться совпадения собственной частоты контура с несущей частотой требуемой радиостанции: w0 =

При этом вследствие резонанса амплитуда вынужденных колебаний напряжения данной несущей частоты резко возрастает по сравнению с напряжениями несущих частот других радиостанций. Таким образом сигнал требуемой частоты выделяется из остальных.

Высокочастотные колебания несущей частоты лишь переносят требуемую информацию, но не содержат ее. Из амплитудно-модулированного высокочастотного сигнала требует выделить колебания низкой частоты, содержащие передаваемую информацию.

Детектирование или демодуляция – процесс выделения низкочастотных (звуковых) колебаний из модулированных колебаний высокой частоты.

В приёмнике из модулированных колебаний высокой частоты выделяются низкочастотные колебания. Такой процесс называют детектированием.

Полученный в результате детектирования сигнал соответствует тому звуковому сигналу, который действовал на микрофон передатчика.

В простейшем приемнике демодуляция осуществляется в два этапа:

сначала высокочастотные колебания выпрямляются, а затем выделяется их низкочастотная огибающая.

Выпрямленные высокочастотные колебания подаются на RC2 цепочку. В период, когда диод открыт, конденсатор подзаряжается. При закрытом диоде конденсатор разряжается через сопротивление R.

При прохождении через RC2-фильтр высокочастотных колебаний, модулированных звуковой частотой, напряжение u3 на сопротивлении R изменяется со временем практически подобно низкочастотному модулирующему сигналу на передающей радиостанции.

Для полного совпадения этих сигналов положительный сигнал звуковой частоты, выделяемый на сопротивлении, надо сделать знакопеременным, т.е убрать из него постоянную составляющую. Это осуществляется с помощью конденсатора С3, не пропускающего постоянную составляющую напряжения на R.

В результате демодуляции в приемнике электрический сигнал u4 звуковой частоты практически идентичен модулирующему сигналу передающей радиостанции.

Принятый и немодулированный сигнал преобразуется мембраной телефона в звуковые колебания.

В реальных схемах детекторных приемников роль R играет телефон, а конденсатор С3 не используется, так как постоянная составляющая сигнала не влияет на работу телефона.

ДОБАВИТЬ ПРО АНТЕННЫ ИЗ ДРУГОГО ИСТОЧНИКА

Для осуществления радиосвязи необходимо обеспечить возможность излучения электромагнитных волн.

Чем больше угол между пластинами конденсатора – тем более свободно электромагнитные волны распространяются в пространстве. В действительности, открытый контур состоит из катушки и длинного провода – антенны. Один конец антенны заземлен, другой – поднят над поверхностью Земли. Т.к. энергия электромагнитных волн пропорциональна четвертой степени частоты, то при колебаниях переменного тока звуковых частот электромагнитные волны практически не возникают.

Поэтому используется принцип модуляции – частотной, амплитудной или фазовой.

Изобретение радио А. С. Поповым

В качестве детали, непосредственно «чувствующей» электромагнитные волны Попов применил «когерер» (изобретен не Поповым) – стеклянную трубку с 2 электродами, наполненную мелкими металлическими опилками. (Подбор материала с высокой чувствительностью для этих опилок потребовал нескольких тысяч опытов)

В обычном состоянии когерер обладает большим сопротивлением, так как опилки имеют плохой контакт друг с другом. Пришедшая электромагнитная волна создает в когерере переменный ток высокой частоты. Между опилками проскакивают мельчайшие искорки, спекающие опилки. В результате сопротивление когерера резко падает со 100000 до 1000-500 Ом.

Снова вернуть прибору большое сопротивление можно, если встряхнуть его. Чтобы обеспечить автоматичность приёма, необходимую для осуществления беспроволочной связи, использовалось звонковое устройство для встряхивания когерера после приёма сигнала.

Цепь электрического звонка замыкалась с помощью чувствительного реле в момент прихода электромагнитной волны. С окончанием прихода волны работа звонка сразу прекращалась, так как молоточек звонка ударял не только по звонку, но и по когереру. Чтобы повысить чувствительность приёмника, Попов один из выводов когерера заземлил, а другой присоединил к высоко поднятому куску проволоки, создав первую приёмную антенну.

7 мая 1895 г. на заседании Русского физико-химического общества в Петербурге он продемонстрировал действие своего прибора. Этот день стал днём рождения радио. Вначале радиосвязь была установлена на 250 м, затем более чем на 600, затем 20 км, в 1901 г. – 150 км (для нужд военноморского флота России на Балтике)

За границей массовый выпуск и усовершенствование аналогичных приборов широко проводилось фирмой, организованной итальянским инженером и предпринимателем Гуглиельмо Маркони.

ОПТИКА

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Если размеры светящегося тела намного меньше расстояния, на котором мы оцениваем его действие, и его размерами можно пренебречь, то светящееся тело называется точечным источником.

Световой луч – это линия, вдоль которой распространяется энергия от источника света.

Тень – это область пространства, в которую не попадает свет от источника света.

Полутень – это область пространства, в которую попадает часть свет от части источника света.

Фронт механической волны – совокупность точек, колеблющихся в одинаковой фазе

Принцип Гюйгенса – каждая точка фронта волны является источником вторичных волн, распространяющихся во все стороны со скоростью распространения волны в среде.

Огибающая вторичных волн определяет фронт волны в последующие моменты времени.

Луч – вектор перпендикулярный фронту волны, показывающий направление переноса энергии волны в данной точке.

Угол падения волны – угол между падающим лучом и перпендикуляром к границе раздела двух сред в точке падения.

Угол отражения волны – угол между отраженным лучом и перпендикуляром к отражающей поверхности

Закон отражения волн: угол отражения равен углу падения.

Падающий луч, отраженный луч и перпендикуляр, восстановленный в точке падения, лежат в одной плоскости.

Мнимое изображение – изображение предмета, возникающее при пересечении продолжений лучей расходящегося пучка.

Мнимое изображение источника в плоском зеркале располагается симметрично относительно зеркала.

Преломление – изменение направления распространения волны при прохождении из одной среды в другую.

Угол преломления – угол между преломленным лучом и перпендикуляром к границе раздела в точке падения.

Абсолютный показатель преломления – физическая величина, равная отношению скорости света в вакууме к скорости света в данной среде

n = c/v

Закон преломления:

отношение синуса угла падения к синусу угла преломления равно отношению показателей преломления второй среды к первой

Полное внутреннее отражение – явление отражения света от оптически менее плотной среды, при котором преломление отсутствует, а интенсивность отраженного света практически равна интенсивности падающего.

Угол полного внутреннего отражения – минимальный угол падения света, начиная с которого возникает явление полного внутреннего отражения

α = arcsin

Волоконная оптика – система передачи оптических изображений с помощью световолокна (световодов)

Луч, прошедший плоскопараллельную пластину, выходит из нее параллельно направлению падения на нее.

Преломляющий угол призмы – угол между гранями призмы, на которых происходит преломление света.

Угол отклонения луча призмой

δ = α (n-1)

Линейное увеличение оптической системы – физическая величина, равная отношению размера изображения предмета к размеру предмета

Г0 =

Линза – прозрачное тело, ограниченное двумя сферическими поверхностями.

Главная оптическая ось линзы – прямая, на которой лежат центры сферических поверхностей, ограничивающих линзу

Главная плоскость линзы – плоскость, проходящая через центры линзы перпендикулярно главной оптической оси.

Собирающие линзы – линзы, преобразующие параллельный пучок световых лучей в сходящийся.

Собирающими линзами являются выпуклые линзы.

Рассеивающие линзы – линзы, преобразующие параллельный пучок световых лучей в расходящийся.

Рассеивающими линзами являются вогнутые линзы.

Тонкая линза – линза, толщина которой пренебрежимо мала по сравнению с радиусами кривизны ее поверхностей.

Главный фокус собирающей линзы – точка на главной оптической оси, в которой собираются лучи, падающие параллельно главной оптической оси, после преломления их в линзе.

Фокусное расстояние линзы – расстояние от главного фокуса до центра линзы.

Фокусное расстояние линзы в вакууме определяется радиусом кривизны сферических поверхностей, ограничивающих линзу, и абсолютным показателем преломления материала линзы.

= (n -1)( + )

Для выпуклой поверхности радиус кривизны больше нуля,

для вогнутой – меньше нуля,

для плоской – стремиться к бесконечности.

Фокальная плоскость линзы – плоскость, проходящая через главный фокус линзы перпендикулярно главной оптической оси.

Характерные лучи для собирающей линзы:

- луч, параллельный главной оптической оси

- луч, проходящий через главный фокус линзы

- луч, идущий через оптический центр линзы

Пучок параллельных лучей, падающий на собирающую линзу, сходится после преломления в одной точке фокальной плоскости.

Действительное изображение точка А – точка А’, в которой сходится после преломления в линзе пучок лучей, испускаемых точкой А.

Поперечное увеличение линзы – отношение координаты изображения к координате предмета, отсчитываемых перпендикулярно главной оптической оси в поперечном направлении.

Г =

Формула тонкой линзы

= +

d – расстояние вдоль главной оптической оси от предмета до цента линзы

f – расстояние вдоль главной оптической оси от изображения до центра линзы.

Оптическая сила – величина, обратная фокусному расстоянию

D =

Единица измерения – дптр (диоптрия)

Для собирающей линзы D > 0

Для рассеивающей линзы D < 0

При d > 2F изображение предмета в собирающей линзе действительное, пеевернутое, уменьшенное

При F < d < 2F – действительное, перевернутое, увеличенное

При d < F – мнимое, прямое, увеличенное

Главный фокус рассеивающей линзы – точка на главной оптической оси, через которую проходят продолжения расходящегося пучка лучей, возникшего после преломления в линзе лучей, параллельных главной оптической оси.

Характерные лучи для рассеивающей линзы

- луч, параллельный главной оптической оси

- луч, падающий в направлении мнимого главного фокуса, находящегося за линзой

- луч, идущий через оптический центр линзы

Пучок параллельных лучей, падающий на тонкую рассеивающую линзу, преломляется так, что продолжения преломленных лучей пересекаются в одной точке фокальной плоскости линзы.

Формулу тонкой линзы можно использовать и для рассеивающей линзы при условии, что

F < 0, f < 0

Изображение предмета в рассеивающей линзе всегда мнимое, прямое, уменьшенное и располагается между линзой и главным фокусом по ту же сторону от линзы, что и педмет.

Оптическая сила системы близкорасположенных линз равна сумме оптических сил этих линз

D = D1 + D2

Аккомодация – способность глаза к изменению его оптической силы.

Дальняя и ближняя точки – наиболее и наименее удаленные от глаза точки расположения объекта, четко видимые глазом.

Расстояние наилучшего зрения – расстояние от объекта до глаза, при котором угол зрения оказывается максимальным, а глаз не утомляется при длительном наблюдении.

Основные дефекты зрения: ослабление зрения с возрастом, дальнозоркость, близорукость, астигматизм, дальтонизм.

Угловое увеличение – отношение угла зрения глаза, полученного с помощью оптического прибора, к углу зрения невооруженного глаза на расстоянии наилучшего зрения.

Лупа – короткофокусная собирающая линза.

Угловое увеличение лупы пропорционально ее оптической силе:
Гα = dнD

где dн = 25 см – расстояние наилучшего зрения.

Угловое увеличение микроскопа прямо пропорционально оптическим силам объектива D1 и окуляра D2:

Гα = D1D2dиL

L – минимальное расстояние между главными фокусами объектива и окуляра

Угловое увеличение телескопа-рефлектора

Гα =

F1, F2 - фокусные расстояния объектива и окуляра

Максимальное угловое увеличение телескопа-рефлектора получается при соединении длиннофокусного объектива с короткофокусным окуляром.

Когерентные волны – волны с одинаковой частотой, поляризацией и постоянной разностью фаз.

Время когерентности – средняя длительность «цуга» гармонического излучения.

Длина когерентности – расстояние, на котором происходит устойчивое гармоническое колебание световой волны.

Интерференция – явление, наложения когерентных волн, вследствие которого наблюдается устойчивое во времени усиление или ослабление результирующих колебаний в различных точках пространства.

Максимальная результирующая интенсивность при интерференции когерентных колебаний в определенной точке пространства получается при их запаздывании друг относительно друга на время, кратное периоду этих колебаний:

Dtmax = mT , где m = 0, ±1, ±2, ...

Минимальная результирующая интенсивность при интерференции когерентных колебаний в определенной точке пространства получается при их запаздывании друг относительно друга на время, кратное нечетному числу полупериодов этих колебаний:

Dtmin = (2m + 1)T/2 , где m = 0, ±1, ±2, ...

Геометрическая разность хода Δ интерферирующих волн – разность расстояний от источников волн до точки их интерференции.

Условие интерференционного максимума:

Δ = mλ , где m = 0, ±1, ±2, ...

Условие интерференционного минимума:

Δ = (2m + 1) λ/2 , где m = 0, ±1, ±2, ...

Когерентные источники света получаются при разделении светового потока от источника естественного света.

Просветление оптики – уменьшение отражения света от поверхности линзы в результате нанесения на нее специальной пленки.

Дифракция – явление нарушения целостности фронта волны, вызванное резкими неоднородностями в среде.

Дифракция проявляется в нарушении прямолинейности распространения световых лучей, огибании волнами препятствий, в проникновении света в область геометрической тени.

Принцип Гюйгенса-Френеля:

возмущение в любой точке пространства является результатом интерференции когерентных вторичных волн, излучаемых каждой точкой фронта волны.

Зона Френеля – множество когерентных источников вторичных волн, максимальная разность хода между которыми (для определенного направления распространения) равна λ/2.

Условие дифракционного минимума на щели шириной а:

a sin(αm)= mλ , где m = 0, ±1, ±2, ...

αm – угол наблюдения

Приближение геометрической оптики справедливо при условии:

λ <<

a – размер препятствия на пути волны

l – расстояние до препятствия

Условие главных максимумов при дифракции света на решетке с периодом d:

d sin(αm)= mλ , где m = 0, ±1, ±2, ...

αm – угол наблюдения

Увеличение числа щелей приводит к увеличению интенсивности и уменьшению ширины главных максимумов.

Возможность раздельного наблюдения главных максимумов m-го порядка близких волн λ1 и λ2 характеризуется способностью А дифракционной решетки:

A =

Чем больше N щелей и выше порядок спектра m, тем выше разрешающая способность дифракционной решетки.

ПРИНЦИП ГЮЙГЕНСА

Волна от точечного источника

Фронт волны

Принцип Гюйгенса

Направление распространения фронта волны

Рассмотрим возникновение волны, вызванной точечным источником. (Например, опускание кончика карандаша в воду.)

Ее появление связано с изменением расстояния между молекулами. Уменьшение расстояния между молекулами (сжатие) в точке опускания точечного источника приводит к увеличению сил отталкивания между ними, которое по цепочке передается соседним молекулам.

Таким образом, через промежуток t передовой фронт волны сжатия, распространяющейся со скоростью v, будет находится в точке на расстоянии vt от точечного источника волны.

Передовой фронт волны – совокупность наиболее отдаленных от источника точек, до которых дошел процесс распространения волны.

Фронт механической волны – совокупность точек, колеблющихся в одинаковой фазе

В каждой точке фронта волны возникает сжатие. Это эквивалентно тому, что в каждой точке фронта волны действует точечный источник волны. В любой точке фронта есть как бы вторичный точечный источник.

В 1678 г. голландский ученый Христиан Гюйгенс сформулировал это так:

Принцип Гюйгенса:

Каждая точка фронта волны является источником вторичных волн, распространяющихся во все стороны со скоростью распространения волны в среде.

Фронтом волны точечного источника в однородном пространстве является сфера.

Зная положение фронта волны в момент времени t, с помощью принципа Гюйгенса можно найти фронт волны через промежуток Dt.

Вторичные волны от каждой точки волнового фронта через Dt удаляются от него на расстояние vDt. Сферическая поверхность радиуса v(t + Dt), огибающая все вторичные волны в момент времени t + Dt, определяет положение фронта волны в этот момент времени.

Амплитуда возмущения во всех точках сферического фронта волны, распространяющейся от точечного источника, одинакова.

Вторичные механические волны – результат передачи возмущения соседними частицами среды.

Вторичные электромагнитные волны – результат электромагнитной и магнитоэлектрической индукции.

Луч – линия, вектор касательной к которой перпендикулярен фронту волны и направлен в сторону переноса энергии волны в данной точке.

Положение фронта сферической волны в определенный момент времени однозначно определяется двумя лучами, выходящими из точечного источника.

На значительном расстоянии от точечного источника сферический фронт можно считать плоским.

Амплитуда возмущения во всех точках плоского фронта волны одинакова. Положение фронта плоской волны в определенный момент времени определяется одним лучом, перпендикулярным плоскости фронта.

В однородной среде направление распространения волны не изменяется.

В однородной среде волна распространяется во всех направлениях прямолинейно.

СВЕТ - ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ВОЛНА

Свет — это электромагнитные волны в интервале частот 6*1014-8*1014 Гц, воспринимаемых человеческим глазом, т. е. длин волн в интервале 380-770 нм.

Свету присущи все свойства электромагнитных волн: отражение, преломление, интерференция, дифракция, поляризация.

Свет может оказывать давление на вещество, поглощаться средой, вызывать явление фотоэффекта.

Имеет конечную скорость распространения в вакууме 300 000 км/с, в среде скорость убывает.

ПРЯМОЛИНЕЙНОЕ РАСПРОСТРАНЕНИЕ, ОТРАЖЕНИЕ И ПРЕЛОМЛЕНИЕ СВЕТА

Отражение волн.

Угол падения, угол отражения

Закон отражения волн исходя из принципа Гюйгенса

Обратимость светового луча.

Зеркальное и диффузное отражение

Преломление волны

Закон преломления волн исходя из принципа Гюйгенса

Абсолютный показатель преломления среды