§ 20. ДОСЛІДЖУЄМО ЕЛЕКТРОМАГНІТНІ ХВИЛІ

• Назад до змісту довідника

ДОСЛІДЖУЙ

1. Пригадай, як можна переконатись у наявності інфрачервоного (теплового) випромінювання. Поясни, який пристрій зображено на малюнку 20.1, а. Чому відрізняються рівні води в манометрах на малюнках 20.1, б і в?

У наявності інфрачервоного випромінювання можна переконатися на досліді: якщо піднести долоню до нагрітої праски чи батареї опалення, відчувається тепло навіть без дотику до поверхні. Також його можна зафіксувати за допомогою рідинного манометра з теплоприймачем, термометра або тепловізора.

На малюнку 20.1, а зображено безконтактне спостереження теплового випромінювання (тепловізор / смартфон із тепловізійною камерою), де тепліші ділянки руки світяться яскравішим кольором.

На малюнках 20.1, б і в показано рідинний манометр, з’єднаний гумовою трубкою з теплоприймачем, перед яким розташована нагріта праска. Рівні води в манометрах різняться через неоднакову здатність поверхонь поглинати випромінювання. На малюнку 20.1, б теплоприймач повернутий темною матовою стороною, яка добре поглинає інфрачервоне випромінювання: повітря в коробочці швидко нагрівається, розширюється і створює більший тиск, витискаючи стовпчик води. На малюнку 20.1, в теплоприймач повернутий блискучою світлою стороною, яка відбиває більшу частину променів, тому повітря нагрівається слабко і різниця рівнів рідини незначна.

2. Переконайся, що радіохвилі зв’язку також можуть відбиватися. Тобі потрібна буде допомога друга або подруги. Увімкни звук телефона на гучний зв’язок і зателефонуй другу / подрузі. Переконайся, що зв’язок нормальний. Попроси друга / подругу огорнути телефон фольгою і знову зателефонуй. Що відбувається? Зроби дірку у фользі в місці розташування антени і знову зателефонуй.

Коли телефон щільно загортають в алюмінієву фольгу, вхідний дзвінок не проходить або зв’язок одразу зникає, оскільки суцільна металева оболонка відбиває та екранує електромагнітні хвилі.

Якщо зробити у фользі невеликий отвір навпроти антени, зв’язок відновлюється і телефон знову приймає виклик, тому що електромагнітна хвиля проходить крізь отвір безпосередньо до антени.

ДУМАЙ

1. Чи можуть електричні й магнітні поля існувати відокремлено одне від одного?

Постійні (статичні) поля можуть існувати окремо: нерухомий заряд утворює лише електростатичне поле, а постійний струм чи магніт — лише магнітне. Проте змінні поля окремо існувати не можуть: будь-яка зміна електричного поля породжує змінне магнітне поле, а зміна магнітного поля породжує вихрове електричне поле, утворюючи єдине електромагнітне поле.

2. Що називають електромагнітною хвилею?

Електромагнітною хвилею називають процес поширення в просторі змінних електричного і магнітного полів, які виникають унаслідок прискореного руху електрично заряджених частинок.

3. Яка швидкість поширення електромагнітних хвиль у вакуумі? У речовині?

У вакуумі швидкість поширення всіх електромагнітних хвиль дорівнює швидкості світла і становить $c = 300\ 000\text{ км/с} = 3 \cdot 10^8\text{ м/с}$.

У будь-якій речовині швидкість поширення v завжди менша, ніж у вакуумі, оскільки вона зменшується під впливом електричних і магнітних властивостей цього середовища.

4. Запиши формулу, що виражає зв’язок швидкості поширення хвилі з довжиною хвилі і частотою.

Зв’язок швидкості поширення хвилі з довжиною хвилі $\lambda$ та частотою $\nu$ визначається формулою:

$v = \lambda \cdot \nu = \dfrac{\lambda}{T}$

РОЗВ’ЯЖИ ЗАДАЧІ

1. Визнач довжину електромагнітної хвилі частотою 2 МГц у середовищі, де швидкість хвилі дорівнює $2 \cdot 10^8\text{ м/с}$.

Дано:

• $\nu = 2\text{ МГц} = 2 \cdot 10^6\text{ Гц}$
• $v = 2 \cdot 10^8\text{ м/с}$

Знайти:

• $\lambda - ?$

Розв’язання:
$v = \lambda \cdot \nu \implies \lambda = \dfrac{v}{\nu}$
$\lambda = \dfrac{2 \cdot 10^8\text{ м/с}}{2 \cdot 10^6\text{ Гц}} = 100\text{ м}$

Відповідь: $100\text{ м}$.

2. У скільки разів потрібно змінити частоту електромагнітної хвилі, щоб її довжина зменшилася в 3 рази?

Дано:

• $\lambda_2 = \dfrac{\lambda_1}{3}$
• $v = \text{const}$

Знайти:

• $\dfrac{\nu_2}{\nu_1} - ?$

Розв’язання:
$v = \lambda_1 \cdot \nu_1$
$v = \lambda_2 \cdot \nu_2$
$\lambda_1 \cdot \nu_1 = \lambda_2 \cdot \nu_2 \implies \dfrac{\nu_2}{\nu_1} = \dfrac{\lambda_1}{\lambda_2}$
$\dfrac{\nu_2}{\nu_1} = \dfrac{\lambda_1}{\dfrac{\lambda_1}{3}} = 3$

Відповідь: Збільшити втричі.

3. Радіостанція «Промінь» веде мовлення на середніх хвилях із частотою 660 кГц. Визнач довжину хвилі, на якій працює ця радіостанція.

Дано:

• $\nu = 660\text{ кГц} = 6{,}6 \cdot 10^5\text{ Гц}$
• $c = 3 \cdot 10^8\text{ м/с}$

Знайти:

• $\lambda - ?$

Розв’язання:
$c = \lambda \cdot \nu \implies \lambda = \dfrac{c}{\nu}$
$\lambda = \dfrac{3 \cdot 10^8\text{ м/с}}{6{,}6 \cdot 10^5\text{ Гц}} \approx 454{,}5\text{ м}$

Відповідь: $454{,}5\text{ м}$.

4. Побутова мікрохвильова піч працює на частоті 2,45 ГГц. Яка довжина цих хвиль у повітрі?

Дано:

• $\nu = 2{,}45\text{ ГГц} = 2{,}45 \cdot 10^9\text{ Гц}$
• $c = 3 \cdot 10^8\text{ м/с}$

Знайти:

• $\lambda - ?$

Розв’язання:
$c = \lambda \cdot \nu \implies \lambda = \dfrac{c}{\nu}$
$\lambda = \dfrac{3 \cdot 10^8\text{ м/с}}{2{,}45 \cdot 10^9\text{ Гц}} \approx 0{,}122\text{ м} = 12{,}2\text{ см}$

Відповідь: $12{,}2\text{ см}$.

5. Виконай завдання за симуляцією 20.2.

У ході комп’ютерного експерименту з випромінюванням радіохвиль антеною перевірено такі властивості:

• Збільшення частоти коливань заряду в передавальній антені зменшує довжину хвилі, а хвильовий фронт поширюється з однаковою незмінною швидкістю світла.
• Збільшення амплітуди коливань заряду робить хвилю більш інтенсивною і викликає сильніші коливання електронів у приймальній антені.
• Вимушені коливання зарядів у приймачі виникають лише тоді, коли площина приймальної антени орієнтована вздовж ліній напруженості електричного поля випромінюваної хвилі.

ВИКОНАЙ ДОСЛІДЖЕННЯ

1. Виміряй довжину електромагнітної хвилі мікрохвильової печі (домашній дослід). Розклади зефір або сир рівномірно по тарілці. Вимкни обертання тарілки (зніми обертову платформу). Підігрівай зефір (сир) протягом 10–15 секунд. Виміряй відстань між розплавленими плямами — це півхвиля.

Дано:

• $d = 6{,}1\text{ см} = 0{,}061\text{ м}$ (відстань між центрами розплавлених ділянок)
• $\nu = 2{,}45\text{ ГГц} = 2{,}45 \cdot 10^9\text{ Гц}$

Знайти:

• $\lambda - ?$

Розв’язання:
У камері мікрохвильової печі виникає стояча хвиля. Розплавлені плями утворюються в пучностях електричного поля, де виділення енергії максимальне. Відстань d між двома сусідніми пучностями дорівнює половині довжини біжучої хвилі:
$d = \dfrac{\lambda}{2} \implies \lambda = 2d$
$\lambda = 2 \cdot 6{,}1\text{ см} = 12{,}2\text{ см} = 0{,}122\text{ м}$

Теоретичний розрахунок за паспортом печі:
$\lambda_{\text{теор}} = \dfrac{c}{\nu} = \dfrac{3 \cdot 10^8\text{ м/с}}{2{,}45 \cdot 10^9\text{ Гц}} \approx 0{,}122\text{ м} = 12{,}2\text{ см}$

Відповідь: Виміряна довжина хвилі становить $12{,}2\text{ см}$, що повністю збігається з теоретичним значенням.

2. Спостерігай за атмосферним заломленням радіохвиль (проведи спостереження вдома). Сформулюй гіпотезу на основі цього питання: чи впливають погодні умови або час доби на якість радіосигналу від далеких станцій?

Гіпотеза: час доби та стан погоди суттєво впливають на дальність і стабільність прийому радіосигналу. У нічні години якість прийому далеких станцій має помітно зростати через відсутність сонячної іонізації нижніх шарів атмосфери, а під час сильних опадів сигнал має слабшати через поглинання і розсіювання хвилі.

Таблиця спостережень:

Висновок: висунута гіпотеза підтвердилася. Уночі якість прийому далеких станцій на середніх хвилях значно краща, ніж удень. Це пояснюється будовою йоносфери: удень нижній шар D йоносфери сильно іонізується сонячним світлом і поглинає середні хвилі. Уночі цей шар зникає, і хвилі вільно доходять до вищих шарів йоносфери, відбиваються від них і приходять на великі відстані від передавача. Краплі дощу та підвищена вологість під час негоди розсіюють радіохвилі, знижуючи чіткість сигналу.

3. Сформулюй на основі виконаних експериментів 3–4 запитання й постав їх однокласникам / однокласницям. Що тобі складніше: експериментувати, формулювати запитання, відповідати на них чи перевіряти правильність відповідей?

Запитання для однокласників:

1. Чому під час вимірювання довжини хвилі в мікрохвильовці тарілка обов’язково має бути нерухомою?
2. Чому прийом радіостанцій на середніх хвилях уночі є значно чіткішим і дальшим, ніж удень?
3. Чому металева фольга блокує мобільний зв’язок, а наявність навіть невеликого отвору дозволяє хвилі пройти до антени?

Найскладнішим етапом є правильне формулювання точних запитань і перевірка відповідей, адже для цього потрібно самостійно розібратися в фізичній суті явищ і чітко бачити межу між науковим поясненням і випадковими здогадками.