Тема. Свойства электромагнитных излучений разных диапазонов длин волн

23.01.2015

Урок 36 (11 класс)

Тема. Свойства электромагнитных излучений разных диапазонов длин волн

Цели урока:

Показать свойства электромагнитных излучений разных диапазонов длинволн, значимость темы “Шкала электромагнитных волн” в формировании представлений учащихся о физической картине мира; уточнить представление о строении вещества; составить более полную картину структуры объектов во Вселенной.

Задачи урока:

Образовательные:

обобщить, систематизировать изученный раннее материал о всем диапазоне электромагнитных излучений; углубить знания по данной теме;

Развивающие:

совершенствование интеллектуальных способностей и развитие речи учащихся, формирование умений выделять главное, сравнивать, обобщать, делать выводы; стимулирование интереса к предмету путем привлечения дополнительного материала; формирование потребности к углублению и расширению знаний.

Воспитательные:

развитие познавательного интереса.

Содержание и ход урока

1. Организационный момент. Сообщение темы и цели урока

2. Видеофильм.

3. Свойства э/м волн

4. Знакомство со шкалой э/м волн.

Виды э/м волн:

· Низкочастотные;

· радиоволны;

· инфракрасное излучение;

· видимое излучение (свет);

· ультрафиолетовое излучение;

· рентгеновское излучение;

· гамма-излучение.

В 8 классе вы узнали, что электрический ток порождает магнитное поле: в 1820 году Эрстед провел следующий опыт (опыт Эрстеда, магнитная стрелка поворачивается вблизи проводника с током). А в этом году вы познакомились с явлением электромагнитной индукции, открытое 29 августа 1831года Фарадеем, выяснили, что магнитное поле само способно порождать электрический ток.

Давайте вспомним, что такое электрический ток? Это направленное движение заряженных частиц под действием электрического поля.

В 1865 году Максвелл теоретически доказал, что Любое изменение со временем магнитного поля приводит к возникновению изменяющегося электрического поля, а всякое изменение со временем электрического поля порождает изменяющееся магнитное поле.

Источниками электромагнитного поля могут быть: движущийся магнит;
электрический заряд, движущийся с ускорением или колеблющийся.

Электромагнитное поле может распространяться в пространстве в виде электромагнитных волн. Обнаружить их удалось лишь в 1886 году, спустя 22 года после открытия Максвелла, уже после его смерти (1879), немецкому физику Генриху Герцу. Опыты Герца блестяще подтвердили предсказания Максвелла, что Любое изменение со временем магнитного поля приводит к возникновению изменяющегося электрического поля, а всякое изменение со временем электрического поля порождает изменяющееся магнитное поле.

Пространство нашей Вселенной пронизано электромагнитным излучением всех диапазонов с длинами волн от километров до миллиардной части сантиметра, несущую разнообразную информацию о далеких небесных объектах.

Шкала электромагнитных волн представляет собой непрерывную последовательность частот и длин электромагнитных излучений, представляющих собой распространяющееся в пространстве переменное магнитное поле. Теория электромагнитных явлений Джеймса Максвелла позволила установить, что в природе существуют электромагнитные волны разных длин.

Экспериментальные работы немецкого ученого Г. Герца и русского ученого П. Н. Лебедева подтвердили теорию Максвелла и доказали, что световое излучение представляет собой очень короткие электромагнитные волны, создаваемые естественными вибраторами – атомами и молекулами. В зависимости от способа получения электромагнитных волн их разделяют на несколько диапазонов частот (или длин волн). Между соседними диапазонами шкалы нет четких границ. Принципиального различия между отдельными излучениями нет, так как все они представляют электромагнитные волны, порождаемые заряженными частицами. Но в зависимости от длины волны они обладают различными свойствами: например, проникающей способностью, видимостью, коэффициентом отражения и т.д.

1. Мы знаем, что длина электромагнитных волн бывает самой различной: от значений порядка 1013 м (низкочастотные колебания) до 10 -10 м (g- лучи). Свет составляет ничтожную часть широкого спектра электромагнитных волн. Тем не менее, именно при изучении этой малой части спектра были открыты другие излучения с необычными свойствами.
2. Принято выделять низкочастотное излучение, радиоизлучение, инфракрасные лучи, видимый свет, ультрафиолетовые лучи, рентгеновские лучи и g-излучение. Со всеми этими излучениями, кроме g-излучения, вы уже знакомы. Самое коротковолновое g-излучение испускают атомные ядра.
3. Принципиального различия между отдельными излучениями нет. Все они представляют собой электромагнитные волны, порождаемые заряженными частицами. Обнаруживаются электромагнитные волны, в конечном счете, по их действию на заряженные частицы. В вакууме излучение любой длины волны распространяется со скоростью 300 000 км/с. Границы между отдельными областями шкалы излучений весьма условны.
4. Излучения различной длины волны отличаются друг от друга по способу их получения (излучение антенны, тепловое излучение, излучение при торможении быстрых электронов и др.) и методам регистрации.
5. Все перечисленные виды электромагнитного излучения порождаются также космическими объектами и успешно исследуются с помощью ракет, искусственных спутников Земли и космических кораблей. В первую очередь это относится к рентгеновскому и g-излучениям, сильно поглощаемом атмосферой.
6. По мере уменьшения длины волны количественные различия в длинах волн приводят к существенным качественным различиям.
7. Излучения различной длины волны очень сильно отличаются друг от друга по поглощению их веществом. Коротковолновые излучения (рентгеновское и особенно g-лучи) поглощаются слабо. Непрозрачные для волн оптического диапазона вещества прозрачны для этих излучений. Коэффициент отражения электромагнитных волн также зависит от длины волны. Но главное различие между длинноволновым и коротковолновым излучениями в том, что коротковолновое излучение обнаруживает свойства частиц.

Рассмотрим какими же свойствами обладают э/м волны?

Волны звуковых частот или низкочастотные волны возникают в диапазоне от 0 до 20000 Гц.

1. Низкочастотные колебания

	Низкочастотные колебания
Длина волны(м)	1013 - 105
Частота(Гц)	3· 10 -3 - 3 ·10 3
Энергия(ЭВ)	1 – 1,24 ·10 -10
Источник	Реостатный альтернатор, динамомашина, Вибратор Герца, Генераторы в электрических сетях (50 Гц) Машинные генераторы повышенной ( промышленной) частоты ( 200 Гц) Телефонные сети ( 5000Гц) Звуковые генераторы ( микрофоны, громкоговорители)
Приемник	Электрические приборы и двигатели
История открытия	Лодж ( 1893 г.), Тесла ( 1983 )
Применение	Кино, радиовещание( микрофоны, громкоговорители)

2. Радиоволны—это электромагнитные волны (c длиной волны от более чем 10000м до 0,005м), служащие для передачи сигналов (информации) на расстояние без проводов.В радиосвязи радиоволны создаются высокочастотными токами, текущими в антенне.Радиоволны различной длины распространяются по-разному. Радиоволны впервые были открыты Герцем в 1886 г. Источником радиоволн, так же как и волн звуковых частот, является переменный ток. Однако большая частота радиоволн по сравнению с волнами звуковых частот приводит к заметному излучению радиоволн в окружающее пространство. Это позволяет использовать их для передачи информации на значительное расстояние (радиовещание, телевещание).

Сверхвысокочастотное излучение используют для космической связи. Кроме того, это излучение используют в бытовых микроволновых СВЧ-печах.

Дело было в США в далеком 1945 году. Инженер компании Raytheon, специализировавшейся на производстве военной техники, Перси Спенсер (Percy Lebaron Spencer, 1894–1970) испытывал сконструированный им излучатель сверхвысокочастотных волн, предназначавшийся для радара ПВО. Опустив руку в карман, он с изумлением обнаружил вместо шоколадного батончика некую пастообразную массу. Выходило, что волны разогрели батончик. Кукурузные зерна, расположенные исследователем перед излучающей антенной, мгновенно превратились в попкорн. А яйцо, подвергнутое облучению мощностью 10 кВт, так и вовсе взорвалось. Правда, его содержимое не забрызгало Спенсера, поскольку он ловко спрятался за спины коллег, которых он пригласил на демонстрацию чудесных свойств микроволн. Меняющееся электромагнитное поле индуцирует внутри готовящейся еды вихревые токи, их называют ещё токами Фуко. А поскольку пища по большей части хотя и проводит ток, но обладает большим электрическим сопротивлением, то и токи Фуко внутри нее быстро превращаются в тепло.
В частности, именно из-за этого металлические предметы помещать в камеру микроволновки категорически запрещается. Токи Фуко в них будут порождать сильно вторичное электромагнитное поле, вследствие чего в камере начнется искрение, и мы сможем наблюдать миниатюрную грозу. Это, конечно, красивое зрелище, но электрические разряды способны вывести из строя не только электронику, но и силовой агрегат.
«Сердцем» микроволновки является магнетрон — устройство, генерирующее электромагнитные волны частотой 2450 МГц. Данная частота в 1945 году была выделена компании Raytheon Федеральной комиссией по связи США для использования в бытовых приборах из таких соображений, чтобы она, с одной стороны, не пересекалась с частотами, применяющимися в радиолокации, с другой, — не залезала на «территорию» телевещания и FM-радио. Но с технической точки зрения, в микроволновой печи точно так же работали бы любые электромагнитные волны, находящиеся в диапазоне от инфракрасного излучения до верхней границы частот длинноволновых радиостанций. В принципе, обед можно разогреть и несущим сигналом мобильного телефона, работающего в стандарте GSM, частота которого равна 1800 МГц. Если, конечно, он будет иметь значительно большую мощность.
Магнетрон представляет собой герметичную металлическую камеру, в которой размещается катод — тонкая нить, испускающая при нагревании электроны. Анодом, положительным электродом, являются стенки магнетрона. Внутри магнетрона формируется сильное магнитное поле, которое закручивает электроны, движущиеся от катода к аноду. Есть и специальные полости, являющиеся резонансными камерами. Их размер и форма задают частоту генерируемых волн.

Мифы о вреде СВЧ для здоровья сильно преувеличены. Дополнительное свободное время посвящается телевизору, а не занятиям спортом. И это единственный вред, который микроволновая печь способна причинить человеческому организму.

	Радиоволны
Длина волны(м)	10 5 - 10 -3
Частота(Гц)	3 ·103 - 3 ·10 11
Энергия(ЭВ)	1,24 ·10-10 - 1,24 · 10 -2
Источник	Колебательный контур Макроскопические вибраторы
Приемник	Искры в зазоре приемного вибратора Свечение газоразрядной трубки, когерера
История открытия	Феддерсен ( 1862 г.), Герц ( 1887 г.), Попов , Лебедев, Риги
Применение	Сверхдлинные- Радионавигация, радиотелеграфная связь, передача метеосводок Длинные– Радиотелеграфная и радиотелефонная связь, радиовещание, радионавигация Средние- Радиотелеграфия и радиотелефонная связь радиовещание, радионавигация Короткие- радиолюбительская связь УКВ- космическая радио связь ДМВ- телевидение, радиолокация, радиорелейная связь, сотовая телефонная связь СМВ- радиолокация, радиорелейная связь, астронавигация, спутниковое телевидение ММВ- радиолокация

3. Инфракрасное излучение- это электромагнитные излучения с длиной волны, меньшей чем 0,005м, но большей чем 770 нм, т. е. лежащие между диапазоном радиоволн и диапазоном видимого света, называются инфракрасным излучением (ИК). Инфракрасное излучение испускают любые нагретые тела.
Источниками инфракрасного излучения служат печи, батареи водяного отопления, электрические лампы накаливания. С помощью специальных приборов инфракрасное излучение можно преобразовать в видимый свет и получать изображения нагретых предметов в полной темноте.

Область спектра за красным его краем впервые экспериментально была исследована в 1880 году английским астрономом Вильямом Гершелем (1738-1822). Гершель поместил термометр с зачерненным шариком за красный край спектра и обнаружил повышение температуры. Шарик термометра нагревался излучением, невидимым глазом. Это излучение назвали инфракрасным.

Инфракрасное излучение – это электромагнитные волны, которые испускает любое нагретое тело, даже если оно не светится. Инфракрасные волны также тепловые волны, т.к. многие источники этих волн вызывают заметное нагревание окружающих тел.

Инфракрасное излучение называется тепловым. Около 50 % энергии Солнца излучается в инфракрасном диапазоне. Максимальная интенсивность излучения человеческого тела приходится на длину волны 10 мкм. Отметим, что эту длину волны улавливают змеи, имеющие приёмник теплового излучения и охотящиеся по ночам. Своими тепловыми глазами змеи пользуются, когда ночью охотятся и когда нормальные глаза бесполезны.

а) Да и не глаза это у них вовсе, а две ямки, находящиеся между носом и глазами, покрытые тончайшей мембраной. Мембрана пронизана многочисленными нервными окончаниями, отвечающими за малейшие изменения окружающей температуры нервными импульсами. Тела, температура которых выше температуры окружающей среды излучают электромагнитные волны. Гремучие змеи - постоянная угроза белкам, часто охотятся на молодых бельчат. Эта угроза вызывает агрессивный ответ со стороны взрослых белок, которые будучи не в состоянии физически одолеть змею, вводят ее в заблуждение, нейтрализуя основное оружие наведения змеи – инфракрасные рецепторы. Белки, в присутствии змеи начинали быстро хлестать своим хвостом назад и вперед, в результате чего он насыщался кровью и становился более теплым.

б) Чтобы бабочка взлетела, ей надо завести свой «мотор»-летательные мышцы. А стартером для этого служит передняя часть нижней стороны крыльев, воспринимающая инфракрасные лучи (вот почему бабочка часто сидит с поднятыми крылышками). Есть предположения, что в нервно-мышечной системе энергия инфракрасного излучения, минуя тепловую стадию, сразу же превращается в двигательную.

в) Где же использует инфракрасное излучение человек?

В промышленности: сушка овощей, обогрев зданий и т.д., в медицине, в научных исследованиях, в военной технике: приборы ночного видения, тепловизоры, тепловые локаторы.

Зависимость интенсивности ИК излучения от температуры позволяет измерять температуру различных объектов, что используется в биноклях ночного видения; ИСЗ, прогнозирующих урожай, а также при обнаружении инородных образований в медицине. Дистанционное управление телевизором и видеомагнитофоном осуществляется с помощью ИК порта. Передача информации между сотовыми телефонами осуществляется также в диапазоне инфракрасного излучения.

	Инфракрасное излучение
Длина волны(м)	2 ·10 -3 - 7,6· 10 -7
Частота(Гц)	3 ·1011 - 3 ·10 14
Энергия(ЭВ)	1,24· 10 -2 – 1,65
Источник	Любое нагретое тело: свеча, печь, батарея водяного отопления, электрическая лампа накаливания Человек излучает электромагнитные волны длиной 9 10 -6 м
Приемник	Термоэлементы, болометры, фотоэлементы, фоторезисторы, фотопленки
История открытия	Рубенс и Никольс ( 1896 г.),
Применение	В криминалистике, фотографирование земных объектов в тумане и темноте, бинокль и прицелы для стрельбы в темноте, прогревание тканей живого организма ( в медицине), сушка древесины и окрашенных кузовов автомобилей, сигнализация при охране помещений, инфракрасный телескоп,

4. Видимый свет (от красного до фиолетового света волны)

Видимое излучение - единственный диапазон э/м волн, воспринимаемых человеческим глазом. Излучение, имеющее разную длину волны в диапазоне видимого света оказывает различное физиологическое воздействие на сетчатку человеческого глаза, вызывая психологическое ощущение цвета. Цвет - это не свойство э/м волны, а проявление электрохимического действия физиологической системы человека: глаз, нервов, мозга. Запоминание последовательности основных цветов спектра облегчает фраза, каждое слово которой начинается с первой буквы названия основного цвета «К О Ж З Г С Ф». Возможно, кому-то больше придется по душе поэтическая форма, известная многим поколениям физиков: «Как Однажды Жак Звонарь Головой Сломал Фонарь».

Свет - обязательное условие для развития зеленых растений; необходимое условие для существования жизни на Земле.

	Видимое излучение
Длина волны(м)	6,7· 10-7 - 3,8 ·10 -7
Частота(Гц)	4· 1014 - 8· 1014
Энергия(ЭВ)	1,65 – 3,3 ЭВ
Источник	Солнце, лампа накаливания, огонь
Приемник	Глаз, фотопластинка, фотоэлементы, термоэлементы
История открытия	Меллони
Применение	Зрение Биологическая жизнь