Електромагнітне поле.

Шкала електромагнітних хвиль.

Мета.

Освітня. Ввести поняття електромагнітного поля, електромагнітної хвилі. Ознайомити з величинами, які характеризують електромагнітну хвилю. Розглянути шкалу електромагнітних хвиль. З’ясувати де застосовують хвилі різних діапазонів.  

Виховна. Виховувати культуру наукового мислення та мовлення. Допомогти усвідомити, що людина повинна знати світ і явища, які її оточують.

Розвиваюча. Розвивати цікавість до предмету.

Тип уроку. Урок засвоєння нових знань.

Дидактичні матеріали:

• Фізика: підруч. для 9 класу  Бар’яхтар В. Г., Довгий С. О., Божинова Ф. Я., <<Читати онлайн>>

План

1. Актуалізація опорних знань.
2. Електромагнітне поле. Шкала електромагнітних хвиль.
3. Закріплення теоретичного матеріалу.
4. Запитання до уроку.
5. Домашнє завдання.
6. Перевір себе.
7. Для допитливих.

Хід уроку

1. Актуалізація опорних знань.

Здати домашню лабораторну роботу №6: “Дослідження звукових коливань різноманітних джерел звуку”.

Перевірка домашнього завдання.

2. Електромагнітне поле. Шкала електромагнітних хвиль.

Електромагнітне поле. Електромагнітні хвилі. Існують два види матерії — речовина і поле.

Минулого навчального року ви дізналися про електричне поле, цього року — про магнітне поле. Ви також з’ясували, що магнітне поле, яке змінюється, не тільки діє на рухомі заряджені частинки й намагнічені тіла, а й створює електричне поле. Такого висновку дійшов свого часу М. Фарадей.

Керуючись принципом симетрії, видатний англійський фізик Джеймс Максвелл висунув підтверджену згодом гіпотезу про те, що не тільки змінне магнітне поле створює електричне поле, а й змінне електричне поле створює магнітне поле. Відповідно до цієї гіпотези електричні та магнітні поля завжди існують разом і немає сенсу розглядати їх як окремі об’єкти. Тобто існує єдине електромагнітне поле, а електричне та магнітне поля — це дві складові (дві форми прояву) електромагнітного поля.

Електромагнітне поле — вид матерії, за допомогою якого здійснюється взаємодія між зарядженими тілами і частинками та намагніченими тілами.

Проаналізувавши всі відомі тоді закони електродинаміки, Дж. Максвелл суто математично отримав фантастичний на той час висновок: у природі мають існувати електромагнітні хвилі.

Електромагнітна хвиля — це поширення в просторі змінного електромагнітного поля.

Спробуємо уявити, як утворюється та поширюється електромагнітна хвиля. Візьмемо провідник, в якому тече змінний струм. Як відомо, біля будь-якого провідника зі струмом існує магнітне поле. Магнітне поле, створене змінним струмом, теж є змінним. Згідно з теорією Максвелла змінне магнітне поле має створити електричне поле, яке теж буде змінним. Змінне електричне поле створить змінне магнітне і т. д. Отже, одержимо поширення коливань електромагнітного поля — електромагнітну хвилю. Частота  цієї хвилі дорівнює частоті, з якою змінюється сила струму в провіднику, а провідник зі змінним струмом є джерелом електромагнітної хвилі.

Аналогічно тому як механічна хвиля може відірватися від свого джерела (згадайте поширення хвилі від кинутого у воду камінця), електромагнітна хвиля теж може відірватися від свого джерела і почати самостійно поширюватись у просторі.

Цікаво, що деякі електромагнітні хвилі «подорожують» у Всесвіті майже з початку його існування!

За теорією Максвелла, джерелом електромагнітної хвилі може бути будь-яка заряджена частинка, що рухається з прискоренням (тобто частинка, яка весь час змінює швидкість свого руху або за значенням, або за напрямком, або одночасно і за значенням, і за напрямком). Якщо ж частинка нерухома або рухається з незмінною швидкістю, біля неї існує електромагнітне поле, але електромагнітну хвилю частинка не випромінює.

Випромінюванням електромагнітних хвиль супроводжуються й деякі процеси, що відбуваються всередині молекул, атомів, ядер атомів (теорія таких процесів — квантова теорія — була створена в ХХ ст.).

Фізичні величини, якими характеризують електромагнітну хвилю. Електромагнітна хвиля, як і механічна, характеризується частотою , довжиною  і швидкістю поширення . Так само, як у випадку з механічними хвилями, дані величини пов’язані формулою хвилі: .

Але, на відміну від механічних хвиль, для поширення електромагнітних хвиль не потрібне середовище. Навпаки, найкраще й найшвидше електромагнітні хвилі поширюються у вакуумі. Дж. Максвелл теоретично обчислив швидкість поширення електромагнітної хвилі у вакуумі й з подивом виявив, що отримане значення збігається зі значенням швидкості світла у вакуумі (на той час воно вже було виміряне експериментально): м/с.

Дж. Максвелл висунув слушне і сміливе на той час припущення: світло є різновидом електромагнітних хвиль. Учений не лише виявив природу світла, а й передбачив існування та властивості різних видів електромагнітних хвиль.

У вакуумі — і тільки в ньому — всі електромагнітні хвилі поширюються з однаковою швидкістю, тому для вакууму довжина і частота електромагнітної хвилі пов’язані формулою: c = λν.

Під час переходу з одного середовища в інше швидкість поширення електромагнітної хвилі змі­нюється, змінюється і довжина хвилі, а от частота залишається незмінною. У повітрі швидкість поширення електромагнітних хвиль майже та сама, що й у вакуумі.

Через 15 років після створення теорія електромагнітного поля Максвелла була підтверджена експериментально: Генріх Герц продемонстрував випромінювання і приймання електромагнітних хвиль. Герц не лише одержав електромагнітні хвилі, а й вивчив їхні властивості. Він встановив, що електромагнітні хвилі: відбиваються від провідних предметів (кут відбивання дорівнює куту падіння); заломлюються на межі з діелектриком; частково поглинаються речовиною і частково розсіюються нею та ін.

Усі ці явища зумовлені дією електромагнітного поля на заряджені частинки в речовині. Так якщо електромагнітна хвиля падає на поверхню металу, то на вільні електрони діє змінне електричне поле. Внаслідок цієї дії в поверхневому шарі металу виникають змінні електричні струми, які й випромінюють відбиту електромагнітну хвилю.

Шкала електромагнітних хвиль. Зручний мобільний зв’язок, яскраве сонячне світло, жахливе радіоактивне випромінювання, корисний у невеликих дозах ультрафіолет, ласкаве тепло пічки, рентгенівські промені, що «бачать наскрізь»... Усе це — електромагнітні хвилі, вони мають спільну природу та поширюються у вакуумі з однаковою швидкістю. Чому ж їхні властивості такі різні? Чи є між ними якась принципова різниця? Як утворюються різні види електромагнітних хвиль і де їх застосовують? Спробуємо розібратися.

Різні види електромагнітних хвиль передусім відрізняються частотою, а отже, й довжиною хвилі. Саме різницею частот пояснюється той факт, що деякі властивості електромагнітних хвиль суттєво різняться. Якщо розташувати всі відомі електромагнітні хвилі в порядку збільшення їхньої частоти побачимо, що частоти можуть різнитися більш ніж у 1016 разів. Погодьтеся, це величезна різниця! І тому неважко уявити, наскільки різними можуть бути й властивості електромагнітних хвиль.

Подана на рисунку шкала електромагнітних хвиль поділена на ділянки, які відповідають різним діапазонам довжин і частот електромагнітних хвиль (різним видам електромагнітних хвиль). Хвилі одного діапазону мають однаковий спосіб випромінювання та схожі властивості.

Радіохвилі — від наддовгих із довжиною понад 10 км до ультракоротких і мікрохвиль із довжиною меншою 0,1 мм — породжуються змінним електричним струмом.

Електромагнітні хвилі радіодіапазону застосовують найширше: сучасний мобільний зв’язок, радіомовлення, телебачення, виявлення, розпізнання та дослідження різноманітних об’єктів (радіолокація), визначення розташування транспортних засобів і людей (GPS-навігація, GPS-моніторинг та ін.), зв’язок із космічними апаратами тощо.

Радіохвилі зробили життя людини набагато комфортнішим. Ми не відчуваємо їх, хоча вони й впливають на загальний стан людей і тварин, причому чим коротші хвилі, тим виразніше реагують на них організми. Потужні електромагнітні хвилі негативно впливають на людину. Медики стверджують, що стільниковий телефон — небезпечне джерело електромагнітного випромінювання, тим більше що він часто перебуває близько від мозку та очей людини. При поглинанні тканинами головного мозку, зоровими та слуховими аналізаторами, хвилі передають їм енергію. Із часом це може призвести до порушень нервової, ендокринної та серцево-судинної систем.

Електромагнітні хвилі оптичного діапазону випромінюються збудженими атомами. У цьому діапазоні розрізняють: інфрачервоне (теплове) випромінювання (довжина хвилі становить від 780 нм до 1–2 мм); видиме світло (довжина хвилі — 400–780 нм); ультрафіолетове випромінювання (довжина хвилі — 10–400 нм).

Між радіохвилями і видимим світлом розташована ділянка інфрачервоного (теплового) випромінювання, яке в промисловості використовують для сушіння лакофарбових поверхонь, деревини, зерна та ін. Інфрачервоні промені застосовують у пультах дистанційного керування, системах автоматики, охоронних системах тощо. Ці промені не відволікають увагу людини, бо є невидимими. Але існують прилади, які можуть відчувати та перетворювати невидиме інфрачервоне зображення на видиме. Так працюють тепловізори — прилади нічного бачення, які «відчувають» інфрачервоні хвилі довжиною 3–15 мкм. Такі хвилі випромінюються тілами, що мають температуру від –50 до 500 °С. Цікаво, що багато представників фауни мають своєрідні живі «прилади нічного бачення», які здатні сприймати інфрачервоні промені.

Ультрафіолетове випромінювання, на відміну від видимого світла та інфрачервоного випромінювання, має високу хімічну активність, тому його застосовують для дезінфекції повітря в лікарнях і місцях великого скупчення людей. Основне джерело природного ультрафіолетового випромінювання — Сонце. Атмосфера Землі частково затримує ультрафіолетові хвилі: коротші від 290 нм (жорсткий ультрафіолет) затримуються у верхніх шарах атмосфери озоном, а завдовжки 290–400 нм (м’який ультрафіолет) поглинаються вуглекислим газом, водяною парою й озоном. У великих дозах ультрафіолетове випромінювання є шкідливим для здоров’я людини. Щоб знизити ймовірність сонячного опіку та захворювань шкіри, лікарі рекомендують не перебувати влітку на сонці між 10 і 13 годинами, коли сонячне випромінювання є найінтенсивнішим. Разом із тим у невеликих кількостях ультрафіолет добре впливає на людину, адже сприяє виробленню вітаміну D, зміцнює імунну систему, стимулює низку важливих життєвих функцій в організмі.

Рентгенівське випромінювання (довжина хвилі — 0,01–10 нм) виникає внаслідок швидкого (ударного) гальмування електронів, а також у результаті процесів усередині електронних оболонок атомів.

Найширше рентгенівське випромінювання застосовують у медицині, адже воно має властивість проходити крізь непрозорі предмети (наприклад, тіло людини). Кісткові тканини менш прозорі для рентгенівського випромінювання, ніж інші тканини організму людини, тому кістки чітко видно на рентгенограмі. Рентгенівську зйомку використовують також у промисловості (для виявлення дефектів), хімії (для аналізу сполук), фізиці (для дослідження структури кристалів). Рентгенівське випромінювання чинить руйнівну дію на клітини організму, тому застосовувати його потрібно надзвичайно обережно.

γ -випромінювання (довжина хвилі менша 0,05 нм) випускається збудженими атомними ядрами під час ядерних реакцій, радіоактивних перетворень атомних ядер і перетворень елементарних частинок.

-випромінювання, яке має ще більшу проникну здатність, використовують у дефектоскопії (для виявлення дефектів усередині деталей); сільському господарстві та харчовій промисловості (для стерилізації харчів). На організм людини -випромінювання чинить дуже шкідливий вплив, разом із тим чітко спрямоване та дозоване -випромінювання застосовують у лікуванні онкологічних захворювань — для знищення ракових клітин (променева терапія).

3. Запитання до уроку.

Запитання 44.1. У чому полягає гіпотеза Дж. Максвелла?

Запитання 44.2. Дайте означення електромагнітного поля, назвіть його складові.

Запитання 44.3. Наведіть приклади, що підтверджують відносність електричного та магнітного полів.

Запитання 44.4. Як утворюється електромагнітна хвиля? Які об’єкти можуть її випромінювати?

Запитання 44.5. Які фізичні величини характеризують електромагнітну хвилю? Як вони пов’язані?

Запитання 44.6. Які властивості електромагнітних хвиль було встановлено в ході дослідів Г. Герца?

Запитання 44.7. Назвіть відомі вам види електромагнітних хвиль.

Запитання 44.8. Що спільного між усіма видами електромагнітних хвиль? У чому їх відмінність?

Запитання 44.9. Як змінюються властивості електромагнітних хвиль зі збільшенням їхньої частоти?

Запитання 44.10. Наведіть приклади застосування різних видів електромагнітних хвиль.

Запитання 44.11. Як уникнути негативного впливу деяких видів електромагнітного випромінювання на здоров’я людини?

4. Домашнє завдання.

Підручник: §19, 20.

Задача 44.1. Доповніть таблицю, вважаючи, що ЕМХ поширюються в повітрі.

Усне опитування по запитаннях до уроку.

5. Перевір себе.

6. Для допитливих.

Розширюємо кругозір. Як пахне електромагнітне поле. Поговоримо про живих «приймачів» електромагнітного поля, про те, які електромагнітні хвилі навчилися сприймати в процесі еволюції живі істоти і які у них для цього є «прилади». <<Детальніше>>

В процесі еволюції у багатьох тварин і навіть у рослин з'явилися «прилади», вловлюючі промені від 300 до 900 нм, серед них - очі. Електромагнітні хвилі в цій області спектра стали називати світлом. Правда, з 300 нм бачить тільки бджола, це ультрафіолетове світло.

Скільки б ми не розглядали дрібні організми, як ретельно вивчали більш великих тварин і людину, спеціальних рецепторів, що сприймають радіочастотні електромагнітні хвилі, нам не знайти. Ми не відчуваємо їх, хоча вони і впливають на загальний стан людини. Мабуть, самі живі клітини стають приймачами хвиль різної довжини. Чим менша довжина хвилі, тим виразніше реагує на них організм.

Наприклад, метрові радіохвилі викликають збудження у мавп: вони повертають голову в бік їх джерела, починають відчувати хвилювання. Не виключено, що радіохвилі взаємодіють з електричними струмами в нейронах мозку і периферичної нервової системи.

Деякі одноклітинні орієнтуються по відношенню до передавальної радіостанції певних образів, особливо якщо вона знаходиться недалеко від них. Це спостерігається, наприклад, в експерименті з зеленими жгутиконосцями євгленами, які розташовуються у певному порядку за напрямом до антени радіопередавача.

Може здатися, що термолокатори, побудовані людиною, більш чутливі, ніж створені природою. Однак досить порівняти розміри цих приладів, як стає очевидно, що рукотворному далеко до природного. У штучному термолокаторі дзеркало, що збирає теплові промені на спеціальну зачернену плівку, що змінює свій опір залежно від температури, має діаметр більше 1 м. Уявіть цього велетня дві лицьові ямки на голові змії, діаметр яких обчислюється міліметрами, і ви зрозумієте, що живий «прилад» на одиницю термолоцрующей площі в кілька тисяч разів чутливіша.

Серед інфрачервоних локаторів є прилади, здатні переводити невидимі промені у видиме зображення за рахунок флуоресценції. Такий механізм знайдений у очах нічних метеликів. Інфрачервоні промені, проходячи через складну оптичну систему, фокусуються на пігментних чорнилах, який під дією теплового випромінювання флуоресціює і переводить інфрачервоне зображення у видиме світло. Ці видимі «образи» будуються безпосередньо в оці нічного метелика. Вночі вони без зусиль знаходять квіти, які випромінюють інфрачервоні промені.

Щурі «нюхають» високочастотне електромагнітне поле і по запаху визначають потужність опромінення. Вірніше, вони нюхом вловлюють навіть незначні кількості іонів, що утворилися після дії рентгенівських променів на молекули повітря. Мабуть, тільки щури знають, як «пахне» електромагнітне поле ...