Нажмите на баннер и автоматически будете на моей странице "Вконтакте"

 

 Телефон мобильный;

 8(965)049-25-97(Билайн)

 Электронная почта;

 89650492597@mail.ru

 

 


Решение задачи, контрольных для студентов

Решение задач — это процесс выполнение мыслительных действий, направленный на получение заданной цели.

Процесс решения задачи состоит из:
1)Подготовка данных;
2)Определение способа (метода) решения (если он не задан условием);
3)Нахождение решения задачи.

Если у вас нет времени или задали сложные примеры которые Учитель не смог грамотно объяснить, я смогу вам помочь, срок решения от четырёх дней. Цена определяется после изучения (просмотра) задания.


















ОПЫТЫ ФАРАДЕЯ. ЯВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ Идея существования магнитного поля тока смещения была высказана Максвеллом в 1861 г. Она тесным образом была связана с идеями и экспериментальными исследованиями английского физика М. Фарадея, установившего связь между переменным магнитным полем и возникающим при этом электрическим полем. Это явление, называемое электромагнитной индукцией, было открыто Фарад ее м в 1831 г. Опыты Фарадея по обнаружению электромагнитной индукции были просты и гениальны. Если в катушку из нескольких витков, соединенную с.гальванометром, вдвигать магнит, как показано на рисунке 64, то гальванометр зафиксирует возникновение электрического тока. Если магнит выдвигать из катушки, то направление тока изменится на противоположное. Сила тока возрастает при увеличении скорости перемещения магнита. При изменении полюсов магнита эффект появления тока вновь наблюдается при перемещении магнита относительно катушки, только направление тока меняется на противоположное. При перемещении магнита изменяется индукция магнитного поля около катушки. Можно предположить, что это изменение приводит к появлению электрического поля, вызывающего появление тока в электрической цепи с катушкой. Этот ток называется индукционным током, а само явление появления электрического поля при изменении со временем магнитного поля называется электромагнитной индукцией. Опыты показывают, что электрическое поле возникает при любом изменении со временем магнитного поля. Поместим рядом с катушкой вместо магнита другую катушку с током и будем перемещать одну катушку относительно другой. Гальванометр вновь будет фиксировать индукционный ток, что свидетельствует о появлении Движение магнита относительно катушки вызывает в цепи электрический ток Демонстрация электромагнитной индукции с двумя катушками электрического поля. Можно, не перемещая катушки, изменять магнитное поле, включая и выключая ток во второй катушке (рис. 65). Всякий раз при изменении тока в первой катушке будет появляться электрический ток. Направление индукционного тока всегда такое, что своим магнитным полем он препятствует причине, вызывающей этот ток. Это правило, определяющее направление индукционного тока, впервые сформулировал русский физик Э. X. JI е н ц (1804—1865), поэтому оно называется правилом Ленца. Для пояснения правила Ленца рассмотрим возникновение индукционного тока в круговом проводнике, площадь которого пронизывают линии магнитной индукции, возрастающей со временем (рис. 66). В этом случае в проводнике возникает индукционный ток такого направления, что его магнитное поле препятствует нарастанию магнитного поля. Если магнитное поле будет уменьшаться, то индукционный ток изменит направление на противоположное, чтобы поддержать убывающее магнитное поле. Индукционный ток в проводнике возникает благодаря электрическому полю, вызванному изменяющимся со временем магнитным полем. Индуцированное электрическое поле не похоже на электричес- Расположение полей Е и В в электромагнитной волне яние электромагнитного поля, должны происходить в направлении, перпендикулярном направлению распространения волн (рис. 68). Электромагнитные волны являлись, таким образом, поперечными волнами. Наконец, решая уравнения, Максвелл показал, что скорость распространения электромагнитных волн в вакууме равна 1/VeoHo > здесь ц()— магнитная постоянная, равная 4л • 10 7 Гн/м. Расчет скорости распространения электромагнитных волн дал значение скорости света в вакууме. Это обстоятельство позволило Максвеллу утверждать, что свет имеет электромагнитную природу. В поддержку этой гипотезы выступали и поперечность электромагнитных волн, и возможность переноса энергии и импульса этими волнами. Выводы Максвелла имели большое значение для развития физического научного мировоззрения. Впервые с помощью математических уравнений был описан физический объект, отличный от физических тел, — электромагнитное поле. Впервые свет рассматривался как электромагнитные волны. Впервые удалось столь разные по своим проявлениям электрические, магнитные и оптические явления описать всего лишь четырьмя уравнениями Максвелла. Впервые идея близкодействия получила столь убедительное обоснование. Осталось сделать самое важное: экспериментально обнаружить электромагнитные волны. ? Вопросы 1. Что представляет собой электромагнитное поле? 2. Какими свойствами характеризуется электромагнитное поле? 3. Почему электромагнитные волны являются поперечными волнами? 4. Какова скорость распространения электромагнитных волн в вакууме? 5. Каково значение уравнений Максвелла в развитии физического мировоззрения?
Читать дальше »

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ В 1888 г. немецкий физик Генрих Герц (1857—1894) экспериментально открыл электромагнитные волны. В опытах Герца электромагнитная волна возбуждалась благодаря высокочастотному электрическому разряду в зазоре между двумя металлическими шариками, установленными на концах двух прямых проводников, образующих так называемый вибратор Герца. Приемником электромагнитных волн служил другой вибратор Герца, настроенный в резонанс с первым излучающим вибратором (рис. 69). В момент прихода электромагнитной волны между шариками приемного вибратора проскакивала электрическая искра. Изучая свойства электромагнитных волн, Герц наблюдал распространение волн в пространстве, их отражение, преломление, интерференцию, поляризацию. Герц измерил скорость распространения электромагнитных волн и подтвердил ее равенство скорости света. Опыты Герца сыграли решающую роль для признания электромагнитной теории Максвелла. К сожалению, Максвеллу не суждено было убедиться в триумфе своих идей, так как в 1879 г. он скончался от болезни на 48-м году жизни. В настоящее время электромагнитные волны можно получать разными способами. Воспользуемся одним из них для демонстрации тех свойств электромагнитных волн, которые изучал Герц. Источником электрических колебаний в наших экспериментах служит устройство, в котором происходят колебания электрического поля с частотой 10'Гц. Эти колебания поддерживаются электронами, которые, подобно волнам морского прибоя, периодически возбуждают колебания электрического резонатора. Так как прибор впервые придумали английские физики, то они назвали его клистроном (от английского слова «прибой»), чтобы подчеркнуть сходство принципа действия устройства с морским прибоем. Клистрон возбуждает электромагнитные колебания в специальной прямоугольной трубе — волноводе, передающей эти колебания к расширяющемуся металлическому рупору. Рупор является антенной, возбуждающей электромагнит- ные волны в окружающем пространстве в определенном направлении. На некотором расстоянии от излучающей антенны размещается приемная антенна, соединенная волноводом с детектором электромагнитных колебаний. В качестве детектора используется устройство из полупроводникового материала, например кремния или германия. Детектор реагирует только на положительные значения напряженности электрического поля, в котором он находится. Поэтому если поле будет изменяться со временем по синусоидальному закону, то ток в цепи детектора будет повторять только положительные полупериоды колебаний (рис. 70). Так как колебания клистрона происходят очень быстро, миллиард раз в секунду, то наблюдать эти изменения с помощью органов чувств человека невозможно. Для того чтобы колебания такой частоты сделать доступными для восприятия, приходится применять хитроумную цепочку их преобразований. Во-первых, амплитуду колебаний клистрона меняют со временем с такой частотой, чтобы ее значение находилось в диапазоне звуковых колебаний. Этот процесс называется модуляцией несущей частоты. Под несущей частотой радиотехники подразумевают электромагнитную волну, возбуждаемую клистроном на высокой частоте. После модуляции форма колебаний имеет вид, изображенный на рисунке 71. Переменный сигнал низкой частоты называется модулирующим сигналом. Если каким-то образом после детектора выделить модулирующий сигнал, усилить его с помощью усилителя низкой частоты и затем подать его на громкоговоритель, то можно услышать звуковой сигнал, свидетельствующий о распростра- нении электромагнитной волны в пространстве между излучающей и приемной антеннами. Процесс выделения огибающей из приходящего модулированного сигнала называется детектированием. Для детектирования выход детектора подключают к параллельно соединенным конденсатору и резистору (рис. 72). При появлении положительного импульса напряжения на выходе детектора конденсатор заряжается. В тот момент, когда напряжение становится равным нулю, конденсатор разряжается через резистор. Так как за время одного промежутка между импульсами конденсатор не успевает полностью разрядиться, то через резистор будет протекать ток, повторяющий форму модулирующего сигнала (рис. 73). Если напряжение с резистора подать на усилитель низкой частоты, а затем на громкоговоритель, то каждый раз с приходом модулированной волны мы будем слышать звук определенной частоты. Изменяя модулирующую частоту, будем слышать изменение частоты детектированного сигнала. Теперь с помощью установки, схема которой показана на рисунке 74, проведем серию экспериментов по изучению свойств электромагнитных волн. В состав установки входят клистрон 1, колебания которого модулируются сигналом низкой частоты от генератора звуковых колебаний 2, излучающие и приемные антенны 3, детектор 4, усилитель низкой частоты 5 и громкоговоритель 6. Убедимся, что электромагнитные волны распространяются в свободном пространстве по прямой. Установим рупор при-Ток через резистор детектора повторяет форму модулирующего сигнала емной антенны напротив рупора излучающей антенны. Убедимся в наличии звукового сигнала. Изменим направление приемной антенны. Сигнал в этом случае уменьшается. Если на пути электромагнитной волны поставить диэлектрический экран, то можно заметить, что волна проходит сквозь него, уменьшаясь по интенсивности. Металлический экран полностью отражает электромагнитную волну. Направляя волну под некоторым углом к металлическому экрану, убедимся в справедливости закона отражения для электромагнитных волн (рис. 75). Поставим на пути волны призму, сделанную из парафина. Проходя через призму, волна будет отклоняться к ее основанию, что свидетельствует о преломлении волны на каждой из граней Демонстрация фокусировки электромагнитных волн призмы. Если на пути волны поставить парафиновую линзу, то можно убедиться в ее фокусирующем действии, перемещая приемный рупор около фокуса линзы (рис. 76). На рисунке 77 приведена схема для наблюдения интерференции электромагнитных волн. В этом случае на приемную антенну попадают колебания двух волн, распространяющихся по разным направлениям. Одна волна, прежде чем попасть в приемную антенну, сначала отражается от металлического экрана, другая распространяется в свободном пространстве. В зависимости от их разности фаз будут наблюдаться максимумы или минимумы в области их перекрытия. Демонстрация поляризации электромагнитных волн Наконец, с помощью решетки, изготовленной из параллельных металлических прутков, расстояние между которыми меньше длины волны исследуемых электромагнитных волн, можно убедиться в их поперечности. Если прорези в решетке параллельны широкой стенке волновода, то волна проходит через нее; если решетка перпендикулярна широкой стенке волновода, волна не проходит через нее (рис. 78). Этот эффект можно объяснить, полагая, что электрическое поле волны взаимодействует с электронами проводника, вызывая их колебания. Колебания электронов приводят к излучению вторичных волн. Когда решетка параллельна направлению колебаний электрического поля в распространяющейся волне, то колебания электронов происходят по всей длине проводника с одинаковой фазой, что приводит к появлению достаточно интенсивных вторичных волн. Складываясь с первичной волной, эти волны гасят друг друга. Когда же решетка расположена перпендикулярно направлению электрических колебаний в падающей волне, то вторичные волны отсутствуют и первичная волна достигает приемник (см. рис. 78). Проведенные опыты показывают, что свойства электромагнитных волн подобны свойствам света. Можно утверждать на основании этих и многих других экспериментов, что свет имеет электромагнитную природу. В зависимости от частоты колебаний полей в электромагнитной волне они могут восприниматься как свет или как невидимые излучения. ? Вопросы 1. Кто экспериментально открыл электромагнитные волны? 2. Как проводились опыты Герца? 3. Какие свойства электромагнитных волн исследовались в опытах Герца? 4. Как можно исследовать свойства электромагнитных волн в современных условиях? 5. Что такое модуляция волны? 6. Что такое детектирование? 7. Как поставить опыт по наблюдению интерференции электромагнитных волн? 8. Как демонстрируется поляризация электромагнитных волн?
Читать дальше »

ШКАЛА ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН После опытов Герца идеи Максвелла о существовании электромагнитных волн получили экспериментальное подтверждение. Для проверки его гипотезы об электромагнитной природе света требовалось не только установить факт равенства скорости света и скорости электромагнитных волн, не видимых глазом, но и получить электрическими методами световое излучение. Герц в своих экспериментах получил электромагнитное излучение с частотой, примерно равной 107 Гц. До оптических частот следовало увеличить частоту колебаний электромагнитного поля еще почти в сто миллионов (108 ) раз. Первый шаг на этом пути сделал русский физик П. Н. Лебедев (1866—1912), наблюдавший в 1890 г. волны с частотой 10¦0Гц. В 1922— 1923 гг. профессор Московского университета А.А. Глаголева-Аркадьева получила с помощью электрического разряда колебания с частотой 1012 Гц. Электромагнитные волны с такой частотой относятся к диапазону инфракрасного излучения, открытого в 1800 г. английским астрономом В. Гершелем. Инфракрасное излучение охватыва-'ет частоты от 4 • 10¦4до 1012 Гц. При разгоне электронов в ускорителях до скоростей, сравнимых со скоростью света, наблюдалось световое излучение электронов, движущихся по круговым траекториям. Тем самым можно считать установленным фактом, что свет является разновидностью электромагнитных волн. В 1895 г. В. Рентген обнаружил высокочастотное излучение при торможении пучка быстрых электронов металлической преградой. Это излучение с частотами от 10" до 1019 Гц было названо рентгеновским. Еще более высокочастотное излучение с частотами от 1019 до 1023 Гц возникает при ядерных реакциях и превращениях элементарных частиц. Его называют гамма-излучением. Многочисленные эксперименты с электромагнитными волнами показали, что видимый свет — это электромагнитное излучение с частотами от 4 • 1014 до 8 • 1014 Гц и соответственно с длинами волны от 0,75 до 0,38 мкм. По своей физической природ? видимый свет не отличается от излучения, имеющего большую длину волны, названного инфракрасным излучением (ИК), и имеющего меньшую длину волны, названного ультрафиолетовым излучением (УФ). Границами ультрафиолетового излучения принято считать частоты от 8 • 1014 до 10" Гц. В настоящее время И К, УФ и видимое излучения принято называть оптическим излучением. На переднем форзаце учебника изображена шкала электромагнитных волн, дающая представление о разнообразии проявления свойств электромагнитных волн в разных диапазонах частот. ? Вопросы 1. Какие физические эксперименты подтвердили гипотезу Максвелла об электромагнитной природе света? 2. Какое излучение в настоящее время называют оптическим? 3. Чем отличаются И К, УФ и видимое излучения? 4. Прокомментируйте шкалу электромагнитных волн.
Читать дальше »

ЭЛЕКТРОННАЯ ТЕОРИЯ ВЕЩЕСТВА Теория электромагнитного поля, созданная Максвеллом, оказала большое влияние на развитие представлений о строении вещества. В конце XIX — начале XX в. голландский физик X. J1 о р е н ц (1853—1928) применил уравнения Максвелла для описания свойств вещества, представляя его в виде совокупности отрицательно и положительно заряженных частиц, движущихся в эфире. Именно в эти годы, после работ Фарадея, Перрена, Дж. Дж. Томсона, стало ясно, что электрический заряд имеет дискретную структуру и он кратен элементарному заряду. В 1897 г. английский физик Дж. Дж. Томсон открыл элементарную частицу—носитель отрицательного элементарного электрического заряда. По предложению ирландского физика Дж- Стонея, высказанному в 1891 г., частицу стали называть электроном. По современным представлениям, электроны входят в состав любого вещества, его молекул или атомов, обеспечивая химические связи между ними. Так как вещества электрически нейтральны, то в их состав должны входить частицы, имеющие положительный заряд. Как показали более поздние исследования, такие частицы — протоны — входят в состав ядер атомов. Их число равно числу электронов в атоме, что и обеспечивает электронейтральность. В теории Лоренца все заряды в веществе разделяются на свободные и связанные. Свободные заряды могут перемещаться по объему вещества под действием сил, действующих на заряды со стороны электромагнитного поля. К таким силам относятся электрическая составляющая силы Лоренца Еравная произведению напряженности электрического поля Е на электрический заряд q, т. е. F3=qE, и магнитная составляющая силы Лоренца, действующая на движущийся заряд в магнитном поле Fu, равна произведению заряда q, скорости его движения и, индукции магнитного поля В и синуса угла а между направлением скорости и направлением вектора индукции магнитного поля, т. е. Fu—qvB sin а. Эти силы вызывают многие явления при помещении вещества в электрическое или магнитное поле. Так, например, при создании в проводнике электрического поля появляется электрический ток. Рассматривая электрический ток в металлах как направленное движение электронов в электрическом поле, удалось построить теорию, из которой вытекал как закон Ома, так и закон Джоуля — Ленца. (^Связанные заряды не могут перемещаться по объему вещества из-за сил, которые действуют на них со стороны других заряженнь частиц. Под действием внешних электрических или магнитных полей связанные заряды могут изменять свое положение или состояние в пределах допустимых границ, что приводит к поляризации или намагничиванию вещества7Если вещество находится во внешнем переменном во времени электромагнитном поле, например в поле световой волны, то на электроны действует периодическая сила. Магнитную составляющую силы Лоренца в этом случае можно не принимать во внимание, так как она намного меньше F.m. Электроны под действием периодической силы, действующей на них в таком поле, совершают вынужденные колебания и излучают вторичные электромагнитные волны. Эти волны, складываясь с первичной волной, создают результирующее электромагнитное поле, распространяющееся в веществе с определенной скоростью. Можно, пользуясь представлениями электронной теории, подсчитать скорость распространения света в веществе и найти ее зависимость от частоты света. Явление зависимости скорости света от его частоты называется дисперсией света. Оно впервые было обнаружено Ньютоном в его знаменитом опыте с призмой при разложении белого света в спектр. С помощью теории Лоренца были объяснены, кроме дисперсии, многие другие физические явления, такие, как электрическая проводимость металлов, выделение количества теплоты в проводниках при протекании по ним электрического тока, электрические и магнитные свойства вещества, оптические свойства металлов. С точки зрения электронной теории вещество следует рассматривать не как набор бесструктурный материальных точек, беспорядочно движущихся друг относительно друга и сталкивающихся, подобно костяным шарикам, а как совокупность электрически заряженных частиц, участвующих в сложных электромагнитных взаимодействиях друг с другом. • Вопросы \ Л \ч 1 1. Как с точки зрения электронной теории следует представлять себе строение вещества? > 2. Какие физические явления объясняет электронная теория строения вещества? 3. Какие физические открытия положены в основу электронной теории строения вещества?
Читать дальше »

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ Открытие теории Максвелла не только изменило наши представления об окружающем мире, но и позволило создать большое количество новых технических устройств и приспособлений, которые во многом определяют лицо современной цивилизации. К числу таких достижений, во многом изменивших характер промышленного производства, быта и досуга человека, относится современная электротехника — такая область человеческой деятельности, которая полностью основана на теории Максвелла. Как мы уже выяснили, электромагнитные волны, распространяясь в пространстве со временем, переносят энергию. С этим физическим явлением мы сталкиваемся ежедневно, греясь под лучами солнца, слушая радио, просматривая телевизионные передачи. Во всех этих случаях электромагнитные волны распространяются от источника во все стороны. Исключением, пожалуй, является кабельное телевидение и городская радиосеть. В этих устройствах электромагнитные волны передаются по проводам или по специальным кабелям непосредственно к потребителю. Оказалось, что электромагнитные волны достаточно низких частот, в несколько десятков герц, тоже можно передавать по проводам точно к тому месту, где есть потребность в электрической энергии. Источником таких колебаний обычно служат индукционные электромеханические генераторы, принцип действия которых основан на явлении электромагнитной индукции Фарадея. Если прямоугольную рамку поместить в поле постоянного магнита, как показано на рисунке 79, то при ее вращении с некоторой частотой со вокруг оси ОО' на ее концах возникнет переменное напряжение той же частоты. Этот принцип используется практически во всех промышленных генераторах переменного тока с той лишь разницей, что вращают магнит около рамки, точнее около множества рамок, что оказывается технически более выгодным. Современные электрические генераторы представляют сложные технические устройства, в которых использу ются новейшие технологии. Таь например, на Красноярской гидроэлектростанции кинетическая энергия воды используется для вращения роторов электрических генераторов. Для уменьшения потерь электроэнергии при ее передаче потребителям напряжение электрических колебаний повышают с помощью трансформатора. Принцип действия трансформатора основан также на явлении электромагнитной индукции. Схема трансформатора приведена на рисунке 80. На железный сердечник намотаны две катушки с разным числом витков TV, и N2. Если к катушке с меньшим числом витков (первичной) подсоединить источник переменного напряжения Ux, то на концах вторичной катушки по закону электромагнитной индукции будет индуцироваться напряжение U2, которое будет больше или меньше входного напряжения в число раз, определяемое отношением числа витков вторичной и первичной обмоток трансформатора. Электрические колебания с напряжением в сотни и тысячи киловольт с выхода трансформатора подаются на вход линий электропередачи (ЛЭП), по которым как по направляющим распространяются электромагнитные волны. Так как частота этих колеба- Получение, передача, распределение и преобразование электрической энергии ний сравнительно невысока, то длина волны, наоборот, достигает нескольких тысяч километров. На другом конце ЛЭП устанавливается понижающий трансформатор, после которого через систему местных линий электропередачи и понижающих трансформаторов электроэнергия доводится до потребителя. Общая схема, иллюстрирующая получение, передачу и распределение электроэнергии, приведена на рисунке 81. К числу самых распространенных электротехнических устройств, потребляющих энергию, относятся нагревательные приборы и электродвигатели. Лампу накаливания изобрели русский инженер А. Н. Лодыгин и американский изобретатель Эдисон, лампу дневного света — советский ученый С. И. Вавилов. Электродвигатель изобрел Фарадей. Пропуская переменный электрический ток через рамку, помещенную в постоянном магнитном поле, он обнаружил ее вращение. Схема электродвигателя приведена на рисунке 82. Сейчас трудно себе представить нашу жизнь без тех приборов, которые созданы на основе уравнений Максвелла. Именно поэтому лучшим изобретением считается хорошая теория. гр Вопросы 1. Каков принцип работы генератора переменного тока? 2. Каков принцип работы трансформатора? 3. Для чего нужны ЛЭП? 4. Как осуществляется передача электроэнергии к потребителю? 5. Как работает электродвигатель переменного тока?
Читать дальше »

РАДИОСВЯЗЬ И ТЕЛЕВИДЕНИЕ Другим достижением инженерной мысли, использующей фундаментальные физические исследования, явилось создание систем передачи звуковых сигналов и оптических изображений. Способ передачи звуковых сообщений с помощью радиоволн называется радиосвязью. Передача оптических изображений с помощью радиоволн называется телевидением.При осуществлении радиосвязи используется метод модуляции несущей частоты низкочастотным звуковым сигналом. Модуляцией называется изменение одного из параметров электромагнитной волны, распространяющейся от передатчика к приемнику, в соответствии с передаваемым сообщением. Если изменяется амплитуда волны, то говорят об амплитудной модуляции; если модулируется фаза волны, то говорят о фазовой модуляции; если изменяется частота — о частотной модуляции. Последние два способа модуляции являются наиболее помехоустойчивыми, поэтому на FM-каналах вещания радиопередачи имеют повышенное качество воспроизведения музыки или речи. Каждая радиостанция для своих передач использует несущую радиоволну с определенным значением частоты, модулированную передаваемым сообщением. Радиоволна, модулированная низкочастотным сигналом, называется радиосигналом. Настраиваясь с помощью радиоприемника на ту или иную радиостанцию, мы осуществляем фильтрацию колебаний, возбуждаемых радиосигналами от многих работающих радиостанций в приемной антенне радиоприемника. После выделения интересующего нас радиосигнала осуществляется его детектирование. Детектированием называется процесс выделения огибающей радиосигнала. Для этой цели можно использовать устройство с односторонней проводимостью, например полупроводниковый детектор, подобный тому, который использовался при демонстрации свойств электромагнитных волн. Если к выходу детектора параллельно присоединить громкоговоритель и электрический конденсатор, то можно услышать музыку или речь, передаваемую радиостанцией. Таким образом, в общих чертах схему радиосвязи можно представить так, как показано на рисунке 83. Впервые радио как метод передачи сообщений было создано русским инженером А. С. Поповым 7 мая 1895 г., когда он продемонстрировал свой первый радиоприемник на заседании физического отделения Русского физико-химического общества. Независимо от А. С. Попова радио было изобретено итальянским инженером Г. Маркони. Для передачи изображения несущая радиоволна модулируется электрическим сигналом, называемым видеосигналом, который содержит необходимые сведения о передаваемом изображении. Устройство, формирующее видеосигнал, называется иконоскопом. Иконоскоп — это стеклянная колба с откачанным воздухом, в которой одна из поверхностей покрыта слоем светочувствительного состава, нанесенного на проводящую подложку. Особенностью светочувствительного вещества, покрывающего внутреннюю поверхность колбы, является его зернистая структура, отдельные элементы которой представляют миниатюрные электрические конденсаторы, накапливающие заряд под действием света. Заряд каждого конденсатора пропорционален интенсивности света, освещающего этот конденсатор. В колбу впаиваются электронная пушка и устройство, обеспечивающее сканирование электронного луча по экрану иконоскопа, на который с помощью оптического объектива проецируется изображение объекта. Электронный луч обеспечивает подключение каждого конденсатора к резистору, ток через который будет пропорционален заряду, накопленному на конденсаторе. Пробегая светочувствительную поверхность по определенному пути, электронный луч считывает информацию об оптическом изображении, преобразуя ее в видеосигнал. Считывание информации с экрана иконоскопа осуществляется электронным лучом с помощью его строчной и кадровой разверток. За время одного кадра луч пробегает поверхность экрана 625 раз построчно, сканируя 25 кадров за 1 с. Устройство иконоскопа показано на рисунке 84. Электрические импульсы, управ- ляющие разверткой электронного луча, включаются в состав видеосигнала для обеспечения синхронизированной развертки электронного луча в телевизионном приемнике. Изображение видеосигнала в функции времени приведено на рисунке 85. Радиоволна, модулированная видеосигналом, называется телевизионным сигналом. Телевизионный сигнал излучается телевизионной передающей антенной и распространяется в свободном пространстве. Телевизионный сигнал можно передавать и по кабельной сети, как это делается в системах кабельного телевидения. Для получения изображения следует осуществить обратное преобразование телевизионного сигнала в оптическое изображение. Телевизионный сигнал поступает на приемную антенну и возбуждает в ней переменные электромагнитные колебания", которые после усиления поступают на вход телевизионного приемника. В телевизоре происходит детектирование телевизионного сигнала с целью выделения видеосигнала. Видеосигнал подается на управляющие электроды кинескопа — устройства, преобразующего видеосигнал в оптическое изображение на экране кинескопа. Синхронизирующие импульсы видеосигнала управляют строчной и кадровой развертками электронного луча кинескопа, а изменения напряжения модулируют силу тока электронного луча. Электроны, достигая внутренней поверхности колбы кинескопа, вызывают свечение специального вещества, нанесенного на эту поверхность. Интенсивность свечения пропорциональна электронному току, который пропорционален интенсивности света от соответствующего участка наблюдаемого объекта. В приемниках цветного изображения кинескоп имеет три электронные пушки, каждая из которых управляется своим видеосигналом и обеспечивает построение изображения в одном из трех цветов, соответствующих трем компонентам цветного зрения человека. Схема телевизионного приемника приведена на рисунке 86. Принципиальная схема телевизи-Схема телевизионного приемника: СК — селектор канала, ТИ — тракт изображения, ТЗС — тракт звукового сопровождения, БЦ — блок цветности, БГР — блок генератора развертки, УН — умножитель напряжения, ОС — отклоняющая система, К — кинескоп, БП — блок питания онного канала передачи изображения показана на рисунке 87. Первый иконоскоп был изобретен русским инженером В. К. Зворыкиным в 1931 г., эмигрировавшим в США в 1919 г., а первый кинескоп был создан русским ученым Б. JI. Розингом в 1911 г.
Читать дальше »

РАДИОЛОКАЦИЯ В 1983 г. советские межпланетные станции «Венера-15» и «Вене-ра-16» впервые провели радиолокационное картографирование поверхности северного полушария Венеры — загадочной планеты Солнечной системы. Несмотря на плотный облачный покров, были получены отчетливые изображения поверхности этой планеты. Это стало возможным благодаря свойству радиоволн проходить через плотный облачный покров с малым поглощением и отражаться от поверхностей различных тел в зависимости от физических свойств отражающего покрытия. В частности, от металлической поверхности радиоволны отражаются полностью. Это обстоятельство учитывается для обнаружения движущихся объектов и измерения их траекторных параметров с помощью радиоволн. Этот метод носит название радиолокации. В радиолокации в качестве сигнала используются радиоволны, модулированные по амплитуде прямоугольными импульсами. Форма радиолокационного сигнала приведена на рисунке 88. Длительность радиолокационного импульса т в десятки раз превышает период колебаний несущей частоты Т. Радиолокационный сигнал излучается остронаправленной радиоантенной, сканирующей сектор наблюдаемого пространства. При встрече радиолокационного импульса с целью, находящейся в секторе обзора, возникает отраженный сигнал в виде импульса с меньшей амплитудой, который принимается той же антенной, работающей в промежутке между посылкой импульсов на прием. На экране электронно-лучевой трубки регистрируется момент посылки импульса и момент прихода отраженного от цели импульса в определенном масштабе, позволяющем сразу находить расстояние до цели. Схема радиолокационной станции, работающей по такому принципу, изображена на рисунке 89. Современные радиолокационные станции позволяют не только определять расстояние до цели, но и определять скорость движения объектов, строить их траектории движения, визуализировать радиоизображения не видимых глазом объектов.
Читать дальше »

ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА Великие физические открытия XIX в. привели к существенному изменению взглядов людей на окружающий мир. После теоретических работ Дж. Максвелла и экспериментальных исследований Г. Герца стало ясно, что в природе, кроме вещества, существует электромагнитное поле, способное взаимодействовать с веществом, обладающее, как и вещество, энергией и импульсом. Было показано, что электромагнитное поле может существовать в пространстве и времени независимо от вещества, распространяясь в виде волн. Скорость распространения этих волн равна скорости света, что дало основание утверждать, что свет является электромагнитными волнами с определенной частотой колебаний. Уравнения Максвелла в сжатой форме описали свойства электромагнитного поля и его взаимодействие с веществом. Было установлено, что электромагнитное поле является совокупностью электрического и магнитного полей, способных существовать независимо от вещества. Была открыта новая характеристика вещества — электрический заряд, — описывающая взаимодействие вещества с электромагнитным полем. Теория Максвелла объединила большое число электрических, магнитных, оптических явлений, казавшихся совершенно непохожими друг на друга, в единую область электромагнитных явлений. Описание этих явлений с помощью теории Максвелла происходило в принципе так же, как и описание механического движения в механике Ньютона. По заданным начальным и граничным условиям для поля, при определенных значениях зарядов и токов в пространстве в начальный момент времени, определялось состояние поля в любой последующий момент времени и в любой точке пространства. При описании взаимодействия между зарядами и токами учитывалась конечная скорость распространения взаимодействия, равная скорости света. Окружающий мир стал казаться еще более упорядоченным и открытым для понимания человеком. В этом мнении убеждали и те открытия, которые привели к созданию промышленных технологий по использованию энергии электромагнитного поля, новых средств беспроволочной связи. Всемирная Колумбова выставка 1893 г. в Чикаго продемонстрировала рождение новой эры в техническом развитии человечества — эры электричества. На этой выставке демонстрировались новые электродвигатели и высоковольтные трансформаторы талантливого югославского инженера Теслы, принципиально новые трехфазные двигатели русского изобретателя М. О. Доливо-Добровольского, электрическая сварка русского инженера Н. Н. Бенардоса, телеграфные аппараты Морзе, усовершенствованные американским изобретателем Эдисоном. Всего через два года после этой выставки происходит открытие Поповым нового вида связи с помощью электромагнитных волн — радиосвязи, а еще через два года английский физик Дж. Дж. Томсон открывает электрон — частицу с элементарным электрическим зарядом. Открытие дискретности заряда и существования элементарного заряда сыграло важную роль в развитии идей атомизма и создании впоследствии квантовых представлений. ? Вопросы 1. Каковы основные черты электродинамической картины мира? 2. Чем определяется скорость взаимодействия с точки зрения электродинамической картины мира? 3. Что составляет область классической физики? 4. Какие физические явления не получили объяснения с позиций классической физики? ЗАКЛЮЧЕНИЕ Конец XIX в. ознаменовался завершением построения электродинамической картины мира, которая вместе с механической картиной мира составляет основу классической физики. Физика, с точки зрения многих ученых того времени, выглядела вполне завершенной научной дисциплиной. Нерешенными с точки зрения классической физики оставались несколько проблем, к числу которых относились такие, как тепловое излучение абсолютно черного тела, дискретный характер спектров испускания газов в возбужденном состоянии, проблема светового эфира. Никто в то время не мог предположить, что разгадка этих явлений приведет в начале XX в. к созданию новой физики.
Читать дальше »


ВВЕДЕНИЕ В курсе физики X класса вы познакомились с основными идеями классической физики, с фрагментами классической картины мира. Применение научного метода к описанию физических явлений позволило внести в бесконечное разнообразие окружающего мира относительную ясность, подтверждающую, как казалось некоторым ученым, исходную целесообразность всего происходящего. Физические законы и теории механики и электродинамики не только позволили описать наблюдаемые явления, но, что более важно, смогли предсказать ранее неизвестные явления и сделать далеко идущие обобщения. Считая механический детерминизм ведущим эвристическим принципом научного метода познания окружающего мира, физики сумели добиться впечатляющих успехов в построении физической картины мира. Образно говоря, основными действующими лицами в бесконечном спектакле Природы, свидетелями которого мы невольно являемся, выступают частицы вещества и электромагнитные поля. Своеобразной сценой феерического действия служат пространство и время. Сценарий захватывающего спектакля — это законы механики Ньютона и электродинамики Максвелла. Прочитав однажды текст сценария, мы знаем, как будет развиваться сценическое действие даже в том случае, если расположение актеров на сцене меняется от спектакля к спектаклю. Однако, наблюдая за сценой, мы с удивлением обнаруживаем или появление незнакомых действующих лиц, или полную смену декораций, причем время обновления сцены стремительно уменьшается по мере роста наших знаний. В курсе физики XI класса вы познакомитесь с физикой XX в., идеи которой резко отличаются от идей классической физики, хотя и зародились в ее недрах. Специальная теория относительности, квантовая механика, квантовая электродинамика, квантовая хромо-динамика, атомная и ядерная физика, физика высоких энергий, физика конденсированных сред — вот неполный перечень тех разделов физики, которые бурно развивались в последние десятилетия. Конечно, изучить за один год даже один из перечисленных разделов не представляется возможным, однако ознакомиться с основными идеями новой физики — задача вполне выполнимая. Мы начнем ее решение с обсуждения основных идей специальной теории относительности. Теория относительности из-за своей парадоксальности даже теперь, .почти через сто лет после ее создания, воспринимается многими, ее изучающими, как непостижимая теория. Необычность теории относительности, ее несоответствие здравому смыслу всегда вызывали многочисленные споры, обсуждения правомерности ее физической обоснованности, отрицание ее основ и выводов из ее постулатов. Она дала повод для создания множества фантастических историй, рассказов, романов, кинофильмов, посвященных путешествиям во времени и пространстве. Сама идея относительности была похищена у физиков и широко использовалась в других областях интеллектуальной деятельности. Создавшаяся ситуация по поводу специальной теории относительности отражена'в шуточных эпиграммах в переводе С. Я. Маршака: Был этот мир глубокой тьмой окутан. Да будет свет! И вот явился Ньютон. (Эпиграмма XVIII в.) Но сатана недолго ждал реванша. Пришел Эйнштейн — и стало все как раньше. (Эпиграмма XX в.)
Читать дальше »

ПОИСКИ МИРОВОГО ЭФИРА. СКОРОСТЬ СВЕТА После экспериментальных работ немецкого физика Г. Герца стало ясно, что предсказания Максвелла о существовании электромагнитных волн полностью оправдались. Согласно теории Максвелла электромагнитные волны должны распространяться в особой светоносной среде — мировом эфире. Обнаружение электромагнитных волн поставило перед физиками вопрос об изучении свойств мирового эфира. Нужно сказать, что предварительные исследования световых явлений выявили весьма противоречивые свойства этой гипотетической (от слова «гипотеза») среды. Действительно, свет свободно распространяется в космическом пространстве, и, следовательно, все космические тела: звезды, планеты, кометы и др. — совершают свое движение в эфире. При этом, как показывают наблюдения, эфир не оказывает на них заметного действия. Таким образом, эфир, если он и существует, должен быть подобен весьма разреженному газу; в противном случае планеты, обращаясь вокруг Солнца, не могли бы длительное время находиться на своих орбитах. С другой стороны, исследования Араго и Френеля показали, что свет представляет поперечные волны. Изучение условий распространения поперечных механических волн привело к выводу, что среда, в которой распространяются волны в этом случае, должна быть подобна твердому телу, в противном случае возможно существование только продольных волн. Так, например, в воздухе распространяются только продольные звуковые колебания, а в твердых телах могут распространяться как продольные, так и поперечные звуковые волны. Эфир, таким образом, оказывался средой с очень необычными свойствами, сочетание которых представлялось просто невозможным, что делало постановку физического эксперимента по обнаружению эфира весьма затруднительной. Выходом из создавшегося положения могли бы послужить эксперименты по обнаружению увлечения эфира движущимися телами. Представим себе, что эфир все-таки существует. Тогда любое движущееся тело будет с ним как-то взаимодействовать. Оно может полностью увлекать эфир при своем движении, или двигаться, частично увлекая эфир, или не увлекать эфир вообще. В последнем случае движущееся тело будет обдуваться своеобразным эфирным ветром, скорость которого тем больше, чем больше скорость тела относительно эфира (рис. 90), т. е. существование эфирного ветра не только установило бы факт физической реальности мирового эфира, но и позволило бы решить вопрос о существовании выделенной, абсолютной системы отсчета, которую ввел в своей механике Ньютон. К счастью, эксперименты по обнаружению эфирного ветра оказались вполне возможными для практической реализации. Более того, еще в начале XVIII в. английский астроном Брэдли обнаружил, что неподвижные звезды описывают на небосводе небольшие эллипсы, причем во всех наблюдаемых случаях время прохождения эллипса равнялось одному земному году, а большая полуось эллипса для всех звезд равнялась одной и той же величине — 20,45". Поэтому эти эллипсы нельзя было объяснить только годичным движением Земли вокруг Солнца, так как тогда для звезд, удаленных от Земли на различные расстояния, размеры эллипсов должны были бы изменяться, убывая при увеличении расстояния до звезды. Это явление кажущегося движения изображения звезды на небосводе было названо аберрацией света (от латинского слова aberratio — уклонение). Аберрацию света легко можно объяснить, предположив существование эфирного ветра. Действительно, если Земля движется по своей орбите вокруг Солнца со скоростью v и если эфир не увлекается движением Земли, то скорость эфирного ветра относительно Земли тоже равна v. Это приводит к тому, что свет «сносится» эфирным ветром, и изображение звезды для земного наблюдателя смешается на угол а, причем tg а = и/с, где с — скорость света. Так как орбитальная скорость движения Земли и» = 30 км/с, то получается, что а ~ 20,5", что приблизительно соответствует опыту. Таким образом, звездная аберрация свидетельствует о том, что эфир не увлекается Землей при ее орбитальном движении. В-1851 г. французский физик Физо ставит эксперимент с целью обнаружения увлечения эфира оптически прозрачными средами. Экспериментируя с движущейся водой, применяя для обнаружения увлечения эфира точные оптические приборы, использующие явление интерференции, Физо обнаружил, что вода при своем движении частично увлекает эфир, причем коэффициент увлечения эфира 8 зависит от показателя преломления воды п. В 1887 г. американский физик Майкельсон поставил эксперимент с помощью сконструированного им интерферометра для обнаружения эфирного ветра на Земле и получил отрицательный ответ. Он обнаружил, что Земля полностью увлекает мировой эфир, если он существует. Таким образом, явление аберрации света подтверждало, что движущиеся тела не увлекают эфир, опыты Физо говорили о частичном увлечении эфира, исследования Майкельсона свидетельствовали о полном увлечении эфира движущимися телами. Различные подходы к решению проблемы в рамках классической физики не смогли разрешить сложившиеся противоречия с объяснением увлечения эфира различными движущимися астрономическими и физическими телами. . Вопросы 1. Каково происхождение гипотезы мирового эфира? 2. Какие свойства следовало приписать мировому эфиру исходя из физических фактов? 3. Как можно установить существование мирового эфира? 4. Какие результаты были получены по определению увлечения эфира в астрономических и физических экспериментах?
Читать дальше »