Свойства электромагнитных волн

Для электромагнитных волн характерны явления отражения, преломления, интерференции, дифракции, поляризации. Все они могут и должны быть продемонстрированы в средней школе. Это важно для последующего изучения этих явлений в случае световых волн.

С помощью генератора с длиной волны 3 см демонстрируют опыты, знакомящие учащихся со свойствами электромагнитных волн — отражением, преломлением, поглощением.

При изучении свойств электромагнитных волн школьников впервые знакомят с явлениями интерференции и дифракции. Способность интерферировать, характерна для волн любой природы. Явление интерференции помогает выявить волновой характер того или иного процесса. Кроме того, интерференция находит широкое практическое применение. Это определяет особую важность ее изучения.

Знакомство с интерференцией волн целесообразно начать с принципа суперпозиции волн. Показывая процесс распространения волн (например, звуковых) от двух разных источников в однородной среде, учащихся подводят к выводу: волны распространяются независимо друг от друга, каждая из них распространяется так, как будто другой нет. В той области среды, где встречаются две волны от разных источников, происходит их наложение. Вызванные ими колебания складываются таким образом, что результирующее смещение каждой частицы среды равно сумме отдельных смещений.

Обращают внимание школьников на картину, полученную в области наложения волн от двух вибраторов в волновой ванне (наблюдать удобнее в стробоскопическом освещении).

Итак, в каждой точке среды в зависимости от разности хода до когерентных источников наблюдаются или максимальная, или минимальная амплитуда, или ее промежуточное значение. Следует отметить, что если разность хода волн до некоторой точки соизмерима с ее расстоянием до источников, т. е. достаточно велика, то вследствие убывания амплитуды круговых волн с расстоянием волны будут приходить в эту точку с разными амплитудами. Поэтому в таких точках максимумы и минимумы будут размываться, отчетливо они будут видны лишь на небольшом расстоянии от источников.

Записывают условия максимумов и минимумов в интерференционной картине: для максимумов Выделяют наиболее важные моменты:

1) Устойчивая картина интерференции будет в том случае, если: а) частота источников одинакова; б) разность фаз между ними не изменяется во времени (в частном случае равна нулю); в) интерферирующие волны одинаково поляризованы. Можно экспериментально показать важность всех этих условий.

Вспомнив, что источники, удовлетворяющие этим условиям, называют когерентными, заключают: устойчивую интерференционную картину получают только от когерентных источников.

• 2) Полная энергия системы волн в отсутствие затухания должна в соответствии с законом сохранения энергии оставаться неизменной. В области интерференционной картины происходит лишь ее перераспределение в пространстве: в точках минимумов энергия колебаний уменьшается до нуля, в точках максимумов она возрастает (становится больше, чем суммарная энергия складываемых колебаний).
• 3) Положение максимумов и минимумов в интерференционной картине зависит от частоты колебаний источников волн и расстояния между ними. Если увеличить частоту колебаний источников волн, (это можно проделать с помощью вибраторов в волновой ванне), то отчетливо видно, что места максимумов сближаются. Таким образом, по расстояниям между ними можно судить о частоте (длине) волны. На той же установке показывают, что при сближении источников друг с другом расстояния между максимумами увеличиваются (частота источников оставалась неизменной).

Интерференцию электромагнитных волн показывают после этого с помощью генератора сантиметровых волн (л=3 см).

Явление дифракции — отклонение волн от прямолинейного распространения, огибание ими препятствий-характерно для волн любой физической природы. Это можно показать на примере волн на воде и звуковых волн. Показывают учащимся, что волна, падающая на непрозрачный экран с отверстием, образует за отверстием круговую волну. Чем меньше размеры отверстия по сравнению с длиной падающей волны, тем более четкой будет картина загибания волн за непрозрачный экран. Если же на пути волны поставить непрозрачное препятствие, то будет наблюдаться огибание волнами его краев. Чем меньше размеры препятствия по сравнению с длиной волны, тем заметнее эффект огибания. Отмечают, что дифракция имеет место и тогда, когда размеры отверстий и препятствий больше длины падающей волны, но этот эффект заметен только на достаточно больших расстояниях от них.

После ознакомления с дифракцией механических волн целесообразно на опыте с генератором сантиметровых волн показать, что это явление имеет место и для электромагнитных волн.

Из практических применений интерференции следует остановиться на интерференционных способах определения длины волны и скорости распространения волны в среде, проиллюстрировав это опытами для звуковых волн и упругих волн на шнуре.

В поперечности электромагнитной волны учащихся можно убедить на опыте: генератор и приемник сантиметровых волн располагают друг против друга. Получив громкий прием, поворачивают генератор вокруг его продольной оси на 90° и наблюдают прекращение приема. Тот же эффект имеет место при поворачивании приемника. Если между генератором и приемником расположить поляризационную решетку, то, поворачивая решетку в ее оправе, наблюдают ослабление приема в случае, когда прутья решетки располагаются вдоль вектора напряженности электрического поля, сигнал отражается.