Урок 1 Колебательный контур. Возникновение электромагнитных колебаний в колебательном контуре.

11 класс
Урок 1 Колебательный контур. Возникновение
электромагнитных колебаний в колебательном контуре.
Преобразования энергии в колебательном контуре.
Резонанс.
Изучение нового материала
ПОЛУЧЕНИЕ ТОКОВ ВЫСОКОЙ ЧАСТОТЫ
Для получения радиоволн необходимо создать в проводнице ток высокой
частоты (порядка миллиона колебаний в секунду). Ни один генератор такой
ток создать не сможет. При такой частоте он просто развалится. Для
получения колебаний высокой частоты используется колебательный контур.
Колебательный контур - это катушка, соединенная параллельно с
конденсатором. Если конденсатор зарядить, то в процессе разрядки
возникают колебания высокой частоты. Объясним как это происходит.
В первый момент, когда конденсатор заряжен, вся энергия сосредоточена в
электрическом поле конденсатора. Когда возникает ток, нарастает магнитное
поле в катушке, возникает ЭДС самоиндукции, которая препятствует току и
он нарастает постепенно. Через четверть периода ток; станет максимальным
и конденсатор должен сразу разрядиться. Но ток сразу не исчезнет.
Магнитное поле инертно. Исчезая, оно создает ток самоиндукции, который
поддерживает основной ток. При этом конденсатор перезаряжается и концу
полупериода, когда ток уменьшится до нуля конденсатор вновь заряжен.
Направление поля в нем изменилось.‘
Затем процесс повторяется, но ток идет в обратную сторону. Вновь
конденсатор разряжается, нарастает ток и магнитное поле противоположного
направления. И опять, когда ток станет максимальным и конденсатор
разрядится , возникает ЭДС самоиндукции, которая поддерживает основной
ток.. В результате возникнут затухающие электромагнитные колебания.
Затухания вызваны потерями, которые происходят вследствие нагревания
проводов.
Генератор незатухающих колебаний позволяет пополнять контур энергией в
строго определенное время и получать незатухающие колебания.
Он состоит из колебательного контура, который создает колебания и задает
определенную частоту. На катушке колебательного контура намотана
катушка связи, которая соединена с транзистором, играющим роль
быстродействующего ключа, открыться или закрыться.
Транзистор, открываясь или закрываясь, прерывает ток, подключая источник
тока к контуру, или отключая его от контура. Когда на базе относительно
эмиттера «-» идет ток и конденсатор подзаряжается. Когда на базе «+»
транзистор запирается, ток источника прекращается и конденсатор
колебательного контура разряжается. В результате возникают незатухающие
колебания.
Токи высокой частоты используются:
1. В антеннах для создания электромагнитного поля и электромагнитных
волн.
2. Если в катушку, по которой проходит ток высокой частоты вставить
металл, он нагреется вихревыми токами. Это позволяет закалять и плавить
металл, особенно в невесомости, получая редкие сплавы.
3. В больницах на установках УВЧ прогревают больные участки тела токами
ВЧ - это производит определенное лечение.
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС
Механический резонанс - это резкое возрастание амплитуды колебаний,
когда частота собственных колебаний равна частоте вынужденных
колебаний. Математически механические и электрические колебания
описываются одними уравнениями. Поэтому и при электромагнитных
колебаниях возможен резонанс.
В цепи с конденсатором и катушкой максимальный ток возникает тогда,
когда емкостное, сопротивление равно индуктивному. Из формулы полного
сопротивления видно, что при Хс=ХL Z=R и ток в цепи максимален.
Одновременно при этом резко возрастает напряжение на конденсаторе и
катушке. Оно может быть много больше напряжения источника тока, может
пробить изоляцию и очень опасно для жизни. Поэтому надо быть очень
осторожным.
Добиться резонанса можно двумя способами:
1.
Так подобрать емкость, чтобы емкостное сопротивление равнялось
индуктивному.
2.
Можно добиться резонанса, подбирая частоту колебаний
Резонансную частоту и период можно рассчитать исходя из Хс= ХL
Вывод дает результат Т=2π√LC
Именно такую частоту имеют собственные колебания в колебательном
контуре. Можно войти в резонанс изменяя частоту колебательного контура.
Из графика видно, как при этом растет амплитуда колебаний. Чем меньше
активное сопротивление контура, тем резче выражен резонанс.
Закрепление знаний Упр 175-182,183
Средний уровень
1. Найти период и частоту колебаний в контуре, емкость конденсатора в
котором 7,47 • 10-10 Ф, индуктивность катушки 9,41 10-4 Гн.
2. Определите индуктивность катушки колебательного контура, если
емкость конденсатора равна 5 мкФ, а период колебаний 0,001 с.
3. Индуктивность катушки колебательного контура 5 • 10-4 Гн. Требуется
настроить этот контур на частоту 1 МГц. Какова должна быть емкость
конденсатора в этом контуре?
4. Определите циклическую частоту колебаний в контуре, если емкость
конденсатора контура 10 мкФ, а индуктивность его катушки 100 мГн.
5. Индуктивность и емкость колебательного контура соответственно равны
70 Гн и 70 мкФ. Определите период и частоту колебаний в контуре.
Можно ли эти колебания назвать высокочастотными?
6. При измерении индуктивности катушки частота электрических
колебаний в контуре оказалась 1 МГц. Емкость эталонного конденсатора
200 пФ. Какова индуктивность катушки?
Домашнее задание § 41-44
з-110,114
Урок 2 Образование и распространение
электромагнитных волн. Скорость распространения,
длина и частота электромагнитной волны.
Изучение нового материала
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ
Чтобы понять, что такое электромагнитные волны, повторим понятия что
такое электрическое и магнитное поле.
Электрическое поле - это материальная среда, которая существует вокруг
заряда, неразрывно связана с зарядом и действует на заряд.
Магнитное поле - это материальная среда, которая существует вокруг
движущегося заряда. Оно неразрывно связано с движущимся зарядом и
действует на движущиеся заряды.
Электромагнитное поле - это материальная среда, совокупность
быстропеременных электрических и магнитных полей, неразрывно
связанных друг с другом, непрерывно превращающихся друг в друга и
способных распространяться в пространстве со скоростью света.
Открытое Фарадеем в 1831г явления электромагнитной индукции
объясняется тем, что при всяком изменении магнитного поля появляется
электрическое.
Максвелл предположил, что и переменное электрическое поле должно
порождать переменное магнитное поле.
Он предсказал, что при всяком изменении магнитного поля - возникает
переменное электрическое и при изменении электрического - возникает
переменное магнитное поле. Напряженность, возникающего электрического
поля, прямопропорциональна скорости изменения индукции магнитного.
Индукция возникающего магнитного поля прямо пропорциональна скорости
изменения напряженности электрического поля. Электромагнитное поле
способно распространяться в вакууме со скоростью света, а в средах с
несколько меньшей скоростью.
Впервые получил и исследовал электромагнитное поле Генрих Герц в 1888г.
Он использовал открытый колебательный контур - вибратор, подключенный
к катушке Румкфорта. При проскакивании в передающем вибраторе искры,
возникает электромагнитная волна. Ее прием Герц проводил на такой же
вибратор, расположенный на расстоянии нескольких метров. Между
шариками приемного вибратора, когда к нему подходила электромагнитная
волна, также проскакивала маленькая искра. Так Герц получил и исследовал
электромагнитное поля и электромагнитные волны.
В закрытом колебательном контуре электрическое поле сосредоточено в
конденсаторе, а магнитное - в катушке. Если провести мысленный
эксперимент, постепенно раскрывая обкладки конденсатора и уменьшая
число витков в катушке, то можно перейти к открытому колебательному
контуру - антенне, в которой электрическое и магнитное поле сосредоточены
в одном объёме. В этом случае в едином пространстве возникает
электромагнитное поле, которое затем распространяется в пространстве со
скоростью света.
Источником электромагнитного поля служит ускоренно движущийся заряд.
Чем больше ускорение, тем больше напряженность и индукция поля. При
этом изменяющееся электрическое поле в соседнем пространстве порождает
магнитное, а то в свою очередь электрическое и т. д. Электромагнитное поле
распространяется в.виде электромагнитных волн. Волна, как и механическая,
характеризуется длиной волны. Амплитудой электромагнитной волны
является напряженность электрического и индукция магнитного поля. Они
изменяются в каждой точке пространства, в которую доходит волна.
Электромагнитная волна состоит из двух взаимно перпендикулярных волн
электрической и магнитной. Векторы напряженности и индукции взаимно
перпендикулярны. Электромагнитная волна -- это форма распространения
материи в виде электромагнитного поля.
Получают электромагнитную волну в передающей антенне. В ней
переменный ток высокой частоты порождает электромагнитное поле,
которое распространяется в виде электромагнитных волн. В приёмной
антенне электромагнитные волна создают переменный ток высокой частоты
из которого выделяется, передаваемая информация.
ИЗОБРЕТЕНИЕ РАДИО А. С. ПОПОВЫМ
Джеймс
Кларк
Максвелл
предсказал
возможность
получения
электромагнитного поля. Он же указал на то, что поле должно
распространяться в пространстве в виде электромагнитных волн.
Генрих Герц обнаружил электромагнитные волны и исследовал их свойства.
Но Герц не видел возможности их использования, из-за малости энергии и
несовершенства способа обнаружения.
Англичанин Бранли установил, что под действием электромагнитного поля
сопротивление металлических опилок резко падает. Под действием поля
опилки "спекаются" и значительно лучше проводят ток.
Это свойство использовал А.С.Попов для повышения чувствительности
приема электромагнитных волн. Он сразу поставил перед собой цель создать на основе электромагнитных волн передатчик и приемник
смысловых сигналов. Для этого было необходимо:
1.
Увеличить мощность передатчика и чувствительности1 приемника.
2.
Сделать передачу и прием непрерывным.
3.
Увеличить дальность распространения электромагнитных волн.
Приемник Попова состоял из когерера - металлической с трубки с опилками.
К когереру через источник тока и катушку подключался электрический
звонок. Одновременно к одному концу подключалась антенна, а к другому
земля. Когда приходила электромагнитная волна, сопротивление опилок
уменьшалось в 100 раз. При .этом начинал звенеть звонок. Попов сделал так,
чтобы молоточек звонка ударяя о чашечку, одновременно ударял и по
когереру. При этом он встряхивал опилки и можно было фиксировать вновь
приходящий сигнал. При длительном сигнале - звонок звонил долго,
коротком - мало. Соединив звонок с электромагнитом и пером, Попов смог
передавать сигналы азбукой Морзе.
На заседании русского Физико-химического общества 7 мая 1895г Попов
демонстрировал свой прибор-грозоотметчик, который позволял фиксировать
грозу на расстоянии до 50 км. Этот день считают днем рождения радио.
А в декабре 1897 г Попов демонстрировал первую радиопередачу. На
расстояние 250м. Азбукой Морзе была передана первая радиограмма.
Принимал ее великий Менделеев в присутствии видных ученых русского
физико-химического общества. Ее текст “ГЕНРИХ ГЕРЦ". Попов
совершенствовал радиопередачу. В 1899г дальность передачи достигала уже
20км, а в 1901 - 150км.
Для осуществления радиотелефонной передачи необходимо иметь
радиопередатчик и радиоприемник. Общая блок схема такая: в
радиопередатчике звуковой сигнал от микрофона поступает на модулятор,
оттуда на генератор высоких частот, а затем на антенну. От антенны
распространяется модулированная электромагнитная волна. Приемник имеет
приемную антенну, приемный колебательный контур и детектор, в котором
выделяются колебания низкой частоты. Затем они поступают на усилитель и
в динамик, откуда и слышен передаваемый звук.
5. Рефлексия. Домашнее задание § 45-46
упр 184-189
Урок 3 Свойства электромагнитных волн различных
диапазонов частот. Электромагнитные волны в природе
и технике. Шкала электромагнитных волн.
Изучение нового материала
Электромагнитные волны, как и механические, обладают определенными
свойствами.
Они
распространяются
прямолинейно,
отражаются,
поглощаются, преломляются, способны к интерференции, дифракции,
поляризации. В этом можно убедиться на опытах.
Э/м волны имеют различные длину и частоту. В практике радио передач
используют длинные, средние, короткие, ультракороткие волны
дециметрового и сантиметрового диапазона. Каждый диапазон обладает
своими особенностями.
Длинные волны хорошо распространяются по поверхности Земли, они
огибают горы, преграды, слабо замирают. На них меньше влияет солнечная
активность. Поэтому длинные волны используют государственные станции
для радиовещания. Но их недостаток - малый диапазон. На этих волнах могут
работать одновременно только несколько станций.
Радиоволны короткого диапазона отражаются от ионосферы и могут попасть
в любую точку Земли. Поэтому их широко используют радиолюбители и
шпионы. Но на качество радиопередачи сильно влияют магнитные бури и
связь не совсем надежная.
Волны УКВ диапазона распространяются строго прямолинейно и не огибают
в атмосфере. Но у них очень широкий диапазон, это позволяет использовать
их в телевидении, в этом диапазоне, а в последнее время и в дециметровом
диапазоне располагается много станций ТВ вещания. УКВ волны проникают
сквозь ионосферу, поэтому именно в этом диапазоне ведется радио связь с
космическими станциями.
Сверхвысокие частоты используют в радиолокации, учитывая строго
прямолинейное распространение волн этой длины /см и мм/, и их
способность отражаться от преград.
ШКАЛА Э-М ВОЛН
Сейчас мы знаем, что все пространство вокруг нас буквально пронизано
электромагнитными волнами различных частот. В настоящее время все
электромагнитные волны разделены по длинам волн на шесть основных
диапазонов и представлены в виде шкалы электромагнитных излучений, по
которой мы сегодня и совершим своеобразный пробег. От вас требуется
собранность и внимательность. Каждый этап - изучение определенного вида
излучения, которое характеризуется диапазоном длин волн и частот,
источником излучения, свойствами и областью применения.
1 этап низкочастотные колебания (волны звуковых частот).
Источником волн звуковых частот является переменный ток
соответствующей частоты (линии электропроводов). Излучением таких
сравнительно малых частот чаще всего пренебрегают.
2 этап радиоволны. Впервые были открыты Г.Герцем в 1886 году.
Источником радиоволн является переменный ток. Радиоволны различных
длин и частот по-разному поглощаются и отражаются средами, проявляют
свойства дифракции и интерференции, используются для передачи
информации на значительное расстояние (радиовещание, телевидение,
радиолокация).
Проблема электромагнитного загрязнения пространства в настоящее время
стоит наряду с проблемой экологического загрязнения окружающей среды.
Мы с вами, пользуясь мобильными телефонами с пользой или просто так,
вносим вклад в проблему электромагнитного загрязнения.
3 этап - сверхвысокочастотное излучение (микроволновое излучение).
Источником являются валентные электроны в атомах и скорости вращения
молекул вещества. СВЧ -излучение используют для космической связи, в
бытовых микроволновых СВЧ-печах.
4 этап - инфракрасное излучение. ИК-излучение открыто в 1800 г.
английским астрономом Уильямом Гершелем. Источником инфракрасного
излучения являются колебания и вращения молекул вещества. Часто ИК
называют тепловым. Около 50 % энергии Солнца излучается в инфракрасном
диапазоне. Максимальная интенсивность излучения человеческого тела
приходится на длину волны 10 мкм. Эту длину волны улавливают змеи,
имеющие приемник теплового излучения и охотящиеся по ночам.
Свойства: ИК проходит через некоторые непрозрачные тела, а также сквозь
дождь, дымку, снег, туман; производит химическое действие
(фотопластинки); поглощается веществом, нагревает его; невидимо;
способно к явлениям интерференции и дифракции, регистрируется
тепловыми методами.
Зависимость интенсивности ИК-излучения от температуры позволяет
измерять температуру различных объектов, что используется в биноклях
ночного видения, искусственных спутниках, прогнозирующих урожай, в
тепловизорах, а также при обнаружении инородных образований в медицине.
Дистанционное управление телевизором осуществляется с помощью ИКизлучения.
5 этап - видимое излучение. Видимое излучение - единственный диапазон
электромагнитных волн, воспринимаемый человеческим глазом. Источником
являются валентные электроны в атомах и молекулах, изменяющие свое
положение в пространстве, а также свободные заряды, движущиеся
ускоренно. Эта часть спектра дает человеку максимальную информацию об
окружающем нас мире. Максимум чувствительности человеческого глаза
приходится на длину волны 560 нм. На эту же длину волны приходится и
максимум интенсивности излучения Солнца и максимум прозрачности
атмосферы Земли.
Свойства: отражение, преломление, воздействие на сетчатку человеческого
глаза, дисперсия, интерференция, дифракция.
Демонстрации: разложение белого цвета в спектр, слияние цветовой гаммы
диска при вращении в белый цвет.
Цвет - проявление электрохимического действия физиологической системы
человека: глаз, нервов, мозга. Видимый свет может влиять на протекание
химических реакций в растениях (фотосинтез) и организмах животных и
человека. Например, голубой цвет может вызвать деление молекул
билирубина, увеличивая их число в крови, препятствуя развитию желтухи у
новорожденных. Видимый свет испускают отдельные насекомые (светлячки)
и некоторые глубоководные рыбы за счет химических реакций в организме.
Свет - источник жизни на Земле и источник наших представлений об
окружающем нас мире.
6 этап - ультрафиолетовое излучение.
Ультрафиолетовое излучение открыто в 1801 г. немецким ученым Иоганном
Риттером. Источником являются валентные электроны атомов и молекул,
ускоренно движущиеся свободные заряды. Излучается всеми твердыми
телами, у которых температура больше 1000 С, а также светящимися парами
ртути.
Свойства: высокая химическая активность, большая проникающая
способность, невидимо, изменяет развитие клеток, обмен веществ.
В малых дозах УФ-излучение оказывает благоприятное оздоровительное
влияние на человека, активизируя синтез витамина D в организме, а также
вызывая
загар
обладает
бактерицидным
действием,
уничтожая
микроорганизмы. Большая доза УФ-облучения может вызвать ожог кожи и
раковые новообразования ( в 80 % случаев излечимые). Кроме того,
чрезмерное УФ-облучение ослабляет иммунную систему организма,
способствуя развитию некоторых заболеваний. Озоновый слой атмосферы
Земли сильно поглощает УФ-излучение с длиной волны менее 320 нм, а
кислород воздуха - с длиной волны менее 185 нм. Практически не пропускает
УФ-излучение стекло. Человеческий глаз не видит УФ-излучение, но видят
некоторые животные (пчелы). Голубь ориентируется по Солнцу даже в
пасмурную погоду.
7 этап - рентгеновское излучение.
Рентгеновское излучение открыто в 1895 г. немецким физиком В.Рентгеном.
Источником являются ускоренно движущиеся электроны.
Свойства:
интерференция,
дифракция
рентгеновских
лучей
на
кристаллической решетке, большая проникающая способность.
Благодаря высокой проникающей способности рентгеновское излучение
применяется в рентгеноструктурном анализе, при изучении структуры
молекул, обнаружении дефектов в образцах, в медицине (рентгеновские
снимки, флюорография, лечение раковых заболеваний), криминалистике.
Большая доза рентгеновского облучения приводит к ожогам и изменению
структуры крови человека.
Создание приемников рентгеновского излучения и размещение их на
космических станциях позволило обнаружить рентгеновское излучение сотен
звезд, а также оболочек сверхновых звезд и целых галактик.
8 этап - гамма-излучение.
Гамма-излучение - самое коротковолновое электромагнитное излучение,
открыто французским ученым Полем Вилларом в 1900 г. Источник: атомное
ядро (ядерные реакции).
Свойства: обладает огромной проникающей способностью, проходит сквозь
метровый слой бетона или слой свинца в несколько сантиметров, оказывает
сильное биологическое воздействие.
Почти все гамма-излучение, приходящее на Землю из космоса, поглощается
атмосферой Земли. Применяется в медицине, гамма-дефектоскопии. гаммаизлучение возникает при взрыве ядерного оружия вследствие
радиоактивного распада ядер.
Закрепление материала.
Вопросы
1) Перечислите основные свойства электромагнитных волн.
2) Какое излучение самое длинноволновое?
3) Какие рекомендации существуют для того, чтобы уменьшить вредное
воздействие сотовой связи на организм человека?
4) Какие модели мобильных телефонов не превышают допустимые
гигиенические нормы?
5) Если среди нас больной человек с высокой температурой, то идущее от
него инфракрасное излучение будет более интенсивным. Чем от здорового
человека?
6) Какой цвет - фиолетовый или красный, более коротковолновый?
7) Загорать или не загорать?
8) Вредно ли в больших дозах рентгеновское излучение?
Домашнее задание § 47-49
упр 194-195