ПЕДАГАГІЧНАЯ СКАРБОНКАФизика · 11 класс · § 12
Увидеть. Изменить. Понять.

§ 12. Электромагнитные волны и их свойства. Шкала излучений

Что общего у радиоволны, видимого света и рентгеновского излучения?

Объясняющая модельСхемы и примеры10 вопросов с разбором
Главный вопрос

Что общего у радиоволны, видимого света и рентгеновского излучения?

Наблюдаем и объясняем

Электромагнитная шкала

Перемещай частоту по порядкам величины и сравни длину волны в вакууме.

Схему можно прокрутить вбок. Все значения повторены в расчёте ниже.

14

c = 3·10⁸ м/с. Границы диапазонов условны и частично перекрываются; различие рентгеновского и гамма-излучения связано также с происхождением.

01

Поле: распространение электромагнитного возмущения

Электромагнитная волна представляет собой распространяющееся изменение электрического и магнитного полей. В свободной плоской волне в вакууме E и B перпендикулярны друг другу и направлению распространения. Поля колеблются согласованно и переносят энергию и импульс.

Механическая среда для такой волны не требуется. Скорость в вакууме c ≈ 3,00·10⁸ м/с. В веществе распространение зависит от взаимодействия с зарядами среды; скорость, поглощение и рассеяние могут зависеть от частоты.

Переменное поле источника

Создаёт возмущение

Электромагнитная волна

Распространяется с конечной скоростью

Взаимодействие с веществом

Передаёт энергию и импульс

Электромагнитным волнам для распространения не нужны колеблющиеся молекулы среды.

Почему радиосигнал достигает космического аппарата через вакуум?

Его переносит электромагнитное поле, а не механические колебания воздуха.

02

Параметры: одна связь для всей шкалы

Для монохроматической волны c = λν в вакууме. При увеличении частоты длина волны уменьшается. Частота и длина волны описывают одну волну разными способами, поэтому рядом с числом обязательно указывают единицу.

Радиосигнал частотой 100 МГц имеет λ ≈ 3 м. Частоте 6·10¹⁴ Гц соответствует λ ≈ 500 нм. Скорость обеих волн в вакууме одинакова; различие частот не означает, что более высокая частота летит быстрее.

Связь в вакууме

λν = c

Частота

ν = c/λ

Время прохождения

t = l/c

Разные частоты электромагнитных волн имеют одну скорость c в вакууме.

Что происходит с частотой при переходе через неподвижную границу сред?

Она сохраняется, тогда как скорость и длина волны могут измениться.

Солнце глазами космической обсерватории SDO

Солнце испускает электромагнитное излучение разных диапазонов. На снимках космических приборов цвета могут быть условным отображением выбранного диапазона.

NASA/SDO/AIA · Общественное достояние · Источник фотографии.

Лампа через дифракционную решётку

Решётка создаёт несколько порядков спектра. Положения максимумов связаны с длиной волны и периодом решётки.

© Robert D. Anderson · CC BY-SA 3.0 · Источник. Без изменений.

03

Шкала: условные границы диапазонов

При увеличении частоты идут радиоволны, микроволны, инфракрасное, видимое, ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучение. Границы диапазонов условны и могут перекрываться; рентгеновское и гамма-излучение различают также по происхождению.

Один и тот же диапазон может использоваться для связи, наблюдений или исследований вещества. Само название диапазона не задаёт интенсивность и не определяет все последствия взаимодействия. Для анализа нужны частота, мощность, длительность и свойства среды.

Шкала: условные границы диапазонов: сравнение
ОбластьПример применения
Радио и микроволныСвязь и радиолокация
ИнфракрасноеТепловое наблюдение
ВидимоеЗрение и оптика
РентгеновскоеИсследование внутреннего строения объектов

Вся шкала объединена электромагнитной природой, а различия связаны с частотой и взаимодействием с веществом.

Есть ли резкая физическая стенка между цветами видимого света?

Нет. Частота меняется непрерывно, а названия цветов и границы участков условны.

04

Модель: логарифмическая шкала и дальность

Диапазон частот огромен, поэтому в интерактиве положение на шкале задаётся порядком величины. Сдвиг на единицу по десятичному логарифму увеличивает частоту в десять раз и уменьшает длину волны в десять раз.

Для отражённого радиосигнала путь двойной: l = cΔt/2. Возврат через 2 мкс соответствует дальности около 300 м. Эта формула предполагает известную скорость и отделение времени распространения от задержек аппаратуры.

Прочитать показатель степени

МГц = 10⁶ Гц, нм = 10⁻⁹ м

Применить λν = c

Согласовать единицы

Для эха учесть двойной путь

l = cΔt/2

Логарифмическая шкала показывает отношения порядков величин, а не равные прибавки частоты.

Почему 10¹⁵ Гц не в два раза больше 10¹⁴ Гц?

Разность показателей равна единице, поэтому отношение частот равно десяти.

Соберём главное

Шесть выводов

01Электромагнитным волнам для распространения не нужны колеблющиеся молекулы среды.
02Разные частоты электромагнитных волн имеют одну скорость c в вакууме.
03Вся шкала объединена электромагнитной природой, а различия связаны с частотой и взаимодействием с веществом.
04Логарифмическая шкала показывает отношения порядков величин, а не равные прибавки частоты.
05Для плоской волны в вакууме амплитуды связаны E₀ = cB₀.
06Рентгеновское и гамма-излучение могут перекрываться по энергии фотонов.
Тест · 10 вопросовОдин правильный ответ в каждом вопросе

Сначала изучи модель и конспект. За каждый верный ответ — 0,5 балла, максимум — 5. После проверки откроются пояснения.

1. Электромагнитная волна в вакууме…
2. Ориентация E, B и направления распространения плоской волны…
3. В вакууме λν равно…
4. При ν = 10⁹ Гц вакуумная λ примерно…
5. При росте частоты в 10 раз λ в вакууме…
6. Радиоволны и видимый свет отличаются…
7. Границы спектральных диапазонов…
8. На неподвижной границе сред частота…
9. Радарный импульс вернулся через 2 мкс. Расстояние примерно…
10. Что переносит электромагнитная волна?

Учебный источник и иллюстрации

Основа: предоставленный учебник «Физика, 11 класс», § 12. Тема и содержание сверены с файлом «11 класс. Физика — § 12. Электромагнитные волны и их свойства.pdf». Объяснения, расчётные примеры и модели подготовлены для этого конспекта. Дополнительные зависимости в моделях отмечены отдельно.

Изображения загружаются непосредственно из интернета. Авторство и лицензии указаны под каждой иллюстрацией. Размеры и цвета учебных схем условны; ограничения каждой модели указаны рядом.

↑

Загрузка прогресса…