- Учителю
- Урок физики 11 класс по теме 'Электромагнитные волны'
Урок физики 11 класс по теме 'Электромагнитные волны'
Урок физики в 11 классе
Тема: "Электромагнитные волны "
Цель урока: изучить новое понятие "электромагнитное поле"; повторить ранее пройденные определения электрического поля, магнитного поля, условия их возникновения, свойства; познакомить учащихся с понятием электромагнитной волны.
Тип урока: изучение нового материала.
Ход урока:
1.Организационный момент.
2. Проверка домашнего задания, повторение
Составить формулы (На флипчарте)
3. Актуализация знаний
1) Какой раздел физики закончили изучать?
2) Что такое колебание?
3) Какие их виды вы знаете?
4) Дайте определение видам колебаний
5)Кроме механических, какие виды колебаний еще есть?
6) Если колебания распространяются в пространстве, то мы имеем дело с чем?
7) Что такое волна?
8) Виды волн
9) Характеристики волн
4. Изучение нового материала
Кроме механических волн, так же существуют и электромагнитные волны. Механические волны возникают благодаря взаимодействию между частицами вещества. Посмотрим, каким образом образуются волны эл.магн. поля.
1) Распределение учащихся класса на 4 группы (А, В, С)
Задание 1 группы: стр 63 §3.1
Вопросы:
1. Каковы основные положения теории Максвелла?
2. Основные положения теории Фарадея
3. Что понимают под силовым полем?
4. Можно ли выбрать систему отсчета, в которой обнаруживалось бы только электрическое поле?
5. Движущая частица излучает электромагнитные волны. Каков характер движения частицы?
6. Что собой представляет электромагнитное поле?
7. Почему нельзя утверждать, что в данной точке пространства существует только магнитное или только электрическое поле?
Задание 2 группы: стр 67 §3.2
Вопросы:
1. Кто создал теорию эл.магн. волны?
2. Какова взаимная ориентация векторов 
?
3. Что такое электромагнитная волна?
4. Характеристики электромагнитной волны
5. Перечислите особенности эл.магн. волны (их 6)
6. Движущая частица излучает электромагнитные волны. Каков характер движения частицы?
Задание 3 группы: стр 70 §3.3
Вопросы:
1. Кто доказал существование эл.магн. волн?
2. Закрытый колебательный контур
3.Почему закрытый колебательный контур не может излучать эл.магн. волны?
4. Открытый колебательный контур (вибратор Герца)
5. Почему в открытом вибраторе излучается эл.магн. волна?
6. Опыты Герца
Задание 4 группы: стр 84 §3.6
Вопросы:
1. Кто впервые осуществил радиотелеграфную связь?
2. Изобретение радио
3. Радиотелеграфная связь
4. Радиотелефонная связь
5. Защита материала каждой группой
6. Обобщение
1. Какую гипотезу высказал Максвелл при создании теории электромагнетизма?
2. Какой эксперимент послужил доказательством правильности теории близкодействия?
3. Как Герц измерил скорость электромагнитной волны?
4. Какой факт является доказательством того, что свет - электромагнитная волна?
5. Что такое электромагнитная волна? Что в ней происходит, т.е. какова природа этого физического объекта?
7. Проверка усвоения материала (тест)
1. Открыл явление эл.магн. индукции
а) Максвелл б) Фарадей в) Попов г) Герц
2. Создал теорию эл.магн. поля
а) Максвелл б) Фарадей в) Попов г) Герц
3. Экспериментально обнаружил существование эл.магн. волн
а) Максвелл б) Фарадей в) Попов г) Герц
4. Применил эл.магн. волны на практике
а) Максвелл б) Фарадей в) Попов г) Герц
5. В системе отсчета, относительно которой заряд покоится, существует
а) только электрическое поле б) постоянные и электрическое, и магнитное поля
в) только магнитное поле г) переменное ЭМП
6. В теории ЭМП
А: переменное электрическое поле порождает вихревое магнитное поле
Б: переменное магнитное поле порождает вихревое электрическое
Какое(-ие) утверждение(-я) верно(-ы)?
а) Б б) А в) и А, и Б г) ни А, ни Б
7. Для вихревого электрического поля характерно:
а) Силовые линии замкнуты б) Порождается переменным магнитным полем
в) Все перечисленное г) Приводит к возникновению переменного магнитного поля
8. Что произойдет с длиной волны, если период колебания частиц увеличится в 2 раза?
а) увел в 2 б) умен в 2 в) не измен г) увел в 4 д) умен в 4
Ответы: 1б, 2а, 3г, 4в, 5а, 6в, 7в, 8а
8. Рефлексия
9. Домашнее задание §3.1, 3.2, 3.3, 3.6
10. Итог урока
1. Открыл явление эл.магн. индукции а) Максвелл б) Фарадей в) Попов г) Герц
2. Создал теорию эл.магн. поля а) Максвелл б) Фарадей в) Попов г) Герц
3. Экспериментально обнаружил существование эл.магн. волн
а) Максвелл б) Фарадей в) Попов г) Герц
4. Применил эл.магн. волны на практике а) Максвелл б) Фарадей в) Попов г) Герц
5. В системе отсчета, относительно которой заряд покоится, существует
а) только электрическое поле б) постоянные и электрическое, и магнитное поля
в) только магнитное поле г) переменное ЭМП
6. В теории ЭМП
А: переменное электрическое поле порождает вихревое магнитное поле
Б: переменное магнитное поле порождает вихревое электрическое
Какое(-ие) утверждение(-я) верно(-ы)? а) Б б) А в) и А, и Б г) ни А, ни Б
7. Для вихревого электрического поля характерно:
а) Силовые линии замкнуты б) Порождается переменным магнитным полем
в) Все перечисленное г) Приводит к возникновению переменного магнитного поля
8. Что произойдет с длиной волны, если период колебания частиц увеличится в 2 раза?
а) увел в 2 б) умен в 2 в) не измен г) увел в 4 д) умен в 4
1. Открыл явление эл.магн. индукции а) Максвелл б) Фарадей в) Попов г) Герц
2. Создал теорию эл.магн. поля а) Максвелл б) Фарадей в) Попов г) Герц
3. Экспериментально обнаружил существование эл.магн. волн
а) Максвелл б) Фарадей в) Попов г) Герц
4. Применил эл.магн. волны на практике а) Максвелл б) Фарадей в) Попов г) Герц
5. В системе отсчета, относительно которой заряд покоится, существует
а) только электрическое поле б) постоянные и электрическое, и магнитное поля
в) только магнитное поле г) переменное ЭМП
6. В теории ЭМП
А: переменное электрическое поле порождает вихревое магнитное поле
Б: переменное магнитное поле порождает вихревое электрическое
Какое(-ие) утверждение(-я) верно(-ы)? а) Б б) А в) и А, и Б г) ни А, ни Б
7. Для вихревого электрического поля характерно:
а) Силовые линии замкнуты б) Порождается переменным магнитным полем
в) Все перечисленное г) Приводит к возникновению переменного магнитного поля
8. Что произойдет с длиной волны, если период колебания частиц увеличится в 2 раза?
а) увел в 2 б) умен в 2 в) не измен г) увел в 4 д) умен в 4
1. Открыл явление эл.магн. индукции а) Максвелл б) Фарадей в) Попов г) Герц
2. Создал теорию эл.магн. поля а) Максвелл б) Фарадей в) Попов г) Герц
3. Экспериментально обнаружил существование эл.магн. волн
а) Максвелл б) Фарадей в) Попов г) Герц
4. Применил эл.магн. волны на практике а) Максвелл б) Фарадей в) Попов г) Герц
5. В системе отсчета, относительно которой заряд покоится, существует
а) только электрическое поле б) постоянные и электрическое, и магнитное поля
в) только магнитное поле г) переменное ЭМП
6. В теории ЭМП
А: переменное электрическое поле порождает вихревое магнитное поле
Б: переменное магнитное поле порождает вихревое электрическое
Какое(-ие) утверждение(-я) верно(-ы)? а) Б б) А в) и А, и Б г) ни А, ни Б
7. Для вихревого электрического поля характерно:
а) Силовые линии замкнуты б) Порождается переменным магнитным полем
в) Все перечисленное г) Приводит к возникновению переменного магнитного поля
8. Что произойдет с длиной волны, если период колебания частиц увеличится в 2 раза?
а) увел в 2 б) умен в 2 в) не измен г) увел в 4 д) умен в 4
Задание 1 группы: стр 63 §3.1
Вопросы:
1. Каковы основные положения теории Максвелла?
2. Основные положения теории Фарадея
3. Что понимают под силовым полем?
4. Можно ли выбрать систему отсчета, в которой обнаруживалось бы только эл. поле?
5. Движущая частица излучает электромагнитные волны. Каков характер движения частицы?
6. Что собой представляет электромагнитное поле?
7. Почему нельзя утверждать, что в данной точке пространства существует только магнитное или только электрическое поле?
Задание 2 группы: стр 67 §3.2
Вопросы:
1. Кто создал теорию эл.магн. волны?
2. Какова взаимная ориентация векторов ?
3. Что такое электромагнитная волна?
4. Характеристики электромагнитной волны
5. Перечислите особенности эл.магн. волны (их 6)
6. Движущая частица излучает электромагнитные волны. Каков характер движения частицы?
Задание 3 группы: стр 70 §3.3
Вопросы:
1. Кто доказал существование эл.магн. волн?
2. Закрытый колебательный контур
3.Почему закрытый колебательный контур не может излучать эл.магн. волны?
4. Открытый колебательный контур (вибратор Герца)
5. Почему в открытом вибраторе излучается эл.магн. волна?
6. Опыты Герца
Задание 4 группы: стр 84 §3.6
Вопросы:
1. Кто впервые осуществил радиотелеграфную связь?
2. Изобретение радио
3. Радиотелеграфная связь
4. Радиотелефонная связь
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 (показываю опыт Фарадея, рис. 125, 126 [1]).
В этом же году в Англии родился Джеймс Клерк Максвелл, который сделал важнейшее научное открытие. Оно позволило более глубоко понять сущность явления электромагнитной индукции.
Давайте вспомним, что такое электрический ток? (Ребята отвечают) Правильно - это направленное движение заряженных частиц под действием электрического поля. Получается, что в опытах Фарадея изменяющееся магнитное поле создает именно электрическое поле, под действием которого и возникает индукционный ток, а замкнутый проводник лишь индикатор, позволяющий обнаружить поле.
К такому выводу пришел Максвелл в 1865 году. Он 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.
Отсюда следует вывод:
Порождающие друг друга изменяющиеся электрическое и магнитное поля образуют единое электромагнитное поле.
Важно понять, что это не совокупность электрического и магнитного полей, а единое целое, они не могут существовать друг без друга.
Как создать в пространстве электромагнитное поле?
Движущимся постоянным магнитом, изменяющимся во времени магнитным полем. Вокруг зарядов, движущихся с постоянной скоростью (например, вокруг проводника с постоянным током) создается постоянное магнитное поле. Но если электрические заряды движутся с ускорением, например, колеблются, то создаваемое ими электрическое поле периодически меняется. Изменяющееся во времени электрическое поле создает в пространстве переменное магнитное поле, которое, в свою очередь, создает меняющееся электрическое и т.д.
Источниками электромагнитного поля могут быть:
движущийся магнит;
электрический заряд, движущийся с ускорением или колеблющийся.
Действительно, электрическое и магнитное поля возникают вокруг электрических зарядов, причем электрическое поле существует всегда, в любой системе отсчета, магнитное - в той, относительно которой заряды движутся, а электромагнитное - в системе отсчета, относительно которой заряды движутся с ускорением.
Переменное электрическое поле называется вихревым, его силовые линии замкнуты, подобно линиям индукции магнитного поля. Это отличает его от электростатического поля, которое существует вокруг неподвижных заряженных тел.
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.
У электромагнитной волны нет горбов (впадин), в ней вектор напряженности электрического поля Е и магнитной индукции В изменяются по синусоидальному закону, взаимно перпендикулярны друг другу и направлению распространения волны.
Разрабатывая теорию электромагнитного поля Д.Максвелл в 60-х годах IXX века теоретически обосновал возможность существования электромагнитных волн (на основе составленных им дифференцированных уравнений) и даже вычислил скорость их распространения. Она совпала со скоростью света v=с=3*108м/с. Это дало Максвеллу основание сделать заключение: свет - это один из видов электромагнитных волн.
Выводы Максвелла были признаны далеко не всеми физиками - современниками Максвелла. Требовалось экспериментальное подтверждение существования электромагнитных волн. Теория без практики мертва!
Такой эксперимент был выполнен в 1888 году немецким физиком Г.Герцем. Опыты Герца блестяще подтвердили теорию Максвелла. Но немецкий физик не видел перспективы их применения. А.С.Попов, русский физик, сумел найти им практическое применение, т.е. дал им путевку в жизнь. Была осуществлена безпроволочная связь с помощью электромагнитных волн.
Для получения электромагнитной волны необходимо создать колебания заряда высокой частоты. Это возможно осуществить в открытом колебательном контуре. Интенсивность излучения электромагнитной волны пропорциональна 4-й степени частоты. Низкочастотные колебания (звуковые) антенна не излучает.
Эксперимент: Современные технические устройства позволяют получить электромагнитные волны и изучить их свойства. Лучше использовать волны сантиметрового диапазона (
=3см). Километровые волны излучаются специальным генератором сверхвысокой частоты (СВЧ). Генератор с помощью рупорной антенны излучает электромагнитные волны. Электромагнитная волна достигая приемника преобразуются в электрические колебания и усиливаются усилителем и подаются на громкоговоритель. Электромагнитные волны излучаются рупорной антенной в направлении от рупора. Приемная антенна в виде такого же рупора принимает волны, которые распространяются вдоль ее оси.
Гипотеза Максвелла. На основе представлений Майкла Фарадея об электрических и магнитных полях английский физик Джеймс Клерк Максвелл создал теорию электромагнетизма. По представлениям Фарадея, любые изменения магнитного поля порождают вихревое электрическое поле. Например, при движении магнита по направлению чёрной стрелки вокруг изменяющегося магнитного поля, обозначенного незамкнутыми силовыми линиями, возникает вихревое электрическое поле, обозначенное замкнутой силовой линией.
Максвелл в 1864 г. предположил, что и любое изменение электрического поля сопровождается возникновением вихревого магнитного поля. Силовые линии этого поля замкнуты, они расположены вокруг силовых линий переменного электрического поля точно так же, как вокруг проводников с электрическим током. Это значит, что при прохождении переменного тока между пластинами плоского конденсатора вокруг изменяющегося электрического поля должно возникать вихревое магнитное поле.
Согласно гипотезе Максвелла процесс взаимного порождения изменяющимся электрическим полем магнитного поля и изменяющимся магнитным полем электрического поля может неограниченно распространяться, захватывая всё новые и новые области пространства.
Распространяющиеся в пространстве переменные электрическое и магнитное поля, порождающие взаимно друг друга, называются электромагнитной волной.
Скорость распространения электромагнитных волн.
Максвелл на основе своей теории математически доказал, что в вакууме скорость с электромагнитной волны должна быть равна:
с = 299 792 458 м/с ~ 300 000 км/с.
Для подтверждения гипотезы Максвелла о существовании электромагнитного поля необходимо было экспериментальное открытие электромагнитных волн.
Открытие электромагнитных волн. Электромагнитные волны были открыты немецким физиком Генрихом Герцем в 1887 г. В своих опытах Герц использовал два металлических стержня с шарами на концах, в которых при электрическом разряде возникали такие электромагнитные колебания, как в электрическом контуре. Герц обнаружил, что при подаче высокого напряжения между шарами 1 происходил электрический разряд и одновременно на некотором расстоянии от них возникала искра между шарами 2 на концах проволочной рамки. Это доказывало, что при электрических колебаниях в электрическом контуре в пространстве возникает вихревое переменное электромагнитное поле. Это поле создаёт электрический ток в витке проволоки.
Измерив частоту ν гармонических колебаний в контуре и длину λ электромагнитной волны, Герц определил скорость электромагнитной волны:
v = λ·ν
Значение скорости электромагнитной волны, полученной в эксперименте Герца, совпало со значением скорости электромагнитной волны по гипотезе Максвелла. Так представления Фарадея о существовании электрических и магнитных полей как физической реальности получили экспериментальное подтверждение.
Силовые линии электрического и магнитного полей в электромагнитной волне перпендикулярны друг другу и лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны.
Свет - электромагнитная волна. Вычисленная на основании гипотезы Максвелла скорость электромагнитной волны совпала с наблюдаемой в опытах скоростью света. Это совпадение позволило предположить, что свет является одним из видов электромагнитных волн.
Электромагнитная волна представляет собой распространение в пространстве с течением времени переменных (вихревых) электрических и магнитных полей.
Электромагнитные волны изучаются колеблющимися зарядами, при этом существенно, что скорость движения таких зарядов меняется со временим, т.е. они движутся с ускорением. Электромагнитное поле излучается заметным образом не только при колебании заряда, но и при любом быстром изменении его скорости. Причем интенсивность излучения волны тем больше, чем больше ускорение, с которым движется заряд. Векторы Е и В в электромагнитной волне перпендикулярны друг другу и перпендикулярны направлению распространения волны. Электромагнитная волна является поперечной. Максвелл был глубоко убежден в реальности электромагнитных волн, но не дожил до их экспериментального обнаружения. Лишь через 10 лет после его смерти электромагнитные волны экспериментально получены Герцем. ЭМВ, таким образом, возникают при ускоренном движении заряженных частиц. v = λ·ν
Электромагнитная волна во многом схожа с механической волной, но есть и различия. Основное отличие состоит в том, что для распространения этой волны не нужна среда. Электромагнитная волна - результат распространения переменного электрического поля и переменного магнитного полей в пространстве, т.е. электромагнитного поля.
Электромагнитное поле создается ускоренно движущимися заряженными частицами. Его наличие относительно. Это особый вид материи, является совокупностью переменных электрического и магнитного полей.
Электромагнитная волна - распространение электромагнитного поля в пространстве.
Необходимо запомнить, что вектора напряженности электрического поля, магнитной индукции и скорости распространения волны взаимно перпендикулярны.
Этапы создания теории электромагнитной волны и ее практического подтверждения.
Ханс Кристиан Эрстед (1820 г.) датский физик, непременный секретарь Датского королевского общества (с 1815 года).
С 1806 года - профессор этого университета, с 1829 года одновременно директор Копенгагенской политехнической школы. Работы Эрстеда посвящены электричеству, акустике, молекулярной физике.
В 1820 году он обнаружил действие электрического тока на магнитную стрелку, что привело к возникновению новой области физики - электромагнетизма. Идея взаимосвязи между различными явлениями природы - характерна для научного творчества Эрстеда; в частности он один из первых высказал мысль, что свет представляет собой электромагнитные явления. В 1822-1823 годах независимо от Ж. Фурье переоткрыл термоэлектрический эффект и построил первый термоэлемент. Экспериментально изучал сжимаемость и упругость жидкостей и газов, изобрел пьезометр (1822). Проводил исследования по акустике, в частности пытался обнаружить возникновение электрических явлений за счет звука. Исследовал отклонения от закона Бойля-Мариотта.
Эрстед был блестящим лектором и популяризатором, организовал в 1824 году Общество по распространению естествознания, создал первую в Дании физическую лабораторию, способствовал улучшению преподавания физики в учебных заведениях страны.
Эрстед почетный член многих академий наук, в частности Петербургской АН (1830). Майкл Фарадей (1831 г.)
Гениальный ученый Майкл Фарадей был самоучкой. В школе получил только начальное образование, а затем в силу жизненных проблем работал и попутно изучал научно-популярную литературу по физике и химии. Позже Фарадей стал лаборантом у известного в то время химики, затем превзошел своего учителя и сделал много важного для развития таких наук, как физика и химия. В 1821 году Майкл Фарадей узнал об открытии Эрстеда, которое заключалось в том, что электрическое поле создает магнитное поле. После обдумывания этого явления, Фарадей задался целью получить из магнитного поля электрическое поле и в качестве постоянного напоминания он носил в кармане магнит. Через десять лет он претворил свой девиз в жизнь. Превратил магнетизм в электричество: ~ магнитное поле создает ~ электрический ток
Ученый-теоретик вывел уравнения, которые носят его имя. Эти уравнения говорили о том, что переменные магнитное и электрическое поля создают друг друга. Из этих уравнений следует, что переменное магнитное поле создает вихревое электрическое поле, а оно создает переменное магнитное поле. Кроме того, в его уравнениях была постоянная величина - это скорость света в вакууме. Т.е. из этой теории следовало, что электромагнитная волна распространяется в пространстве со скоростью света в вакууме. Поистине гениальная работа была оценена многими учеными того времени, а А. Эйнштейн говорил, что самым увлекательным во время его учения была теория Максвелла.
Генрих Герц (1887 г.)
Генрих Герц родился болезненным ребенком, но стал очень сообразительным учеником. Ему нравились все предметы, которые изучал. Будущий ученый любил писать стихи, работать на токарном станке. После окончания гимназии Герц поступил в высшее техническое училище, но не пожелал быть узким специалистом и поступил в Берлинский университет, чтобы стать ученым. После поступления в университет Генрих Герц стремиться заниматься в физической лаборатории, но для этого необходимо было заниматься решением конкурсных задач. И он взялся за решение следующей задачи: обладает ли электрический ток кинетической энергией? Эта работа была рассчитана на 9 месяцев, но будущий ученый решил ее через три месяца. Правда, отрицательный результат, с современной точки зрения неверен. Точность измерения необходимо было увеличить в тысячи раз, что тогда не представлялось возможным.
Еще будучи студентом, Герц защитил докторскую диссертацию на "отлично" и получил звание доктора. Ему было 22 года. Ученый успешно занялся теоретическими исследованиями. Изучая теорию Максвелла, он показал высокие экспериментальные навыки, создал прибор, который называется сегодня антенной и с помощью передающей и приемной антенн осуществил создание и прием электромагнитной волны и изучил все свойства этих волн. Он понял, что скорость распространения этих волн конечна и равна скорости распространения света в вакууме. После изучения свойств электромагнитных волн он доказал, что они аналогичны свойствам света. К сожалению, эта робота окончательно подорвала здоровье ученого. Сначала отказали глаза, затем заболели уши, зубы и нос. Вскоре он скончался.
Генрих Герц завершил огромный труд, начатый Фарадеем. Максвелл преобразовал представления Фарадея в математические формулы, а Герц превратил математические образы в видимые и слышимые электромагнитные волны. Слушая радио, просматривая телевизионные передачи, мы должны помнить об этом человеке. Не случайно единица частоты колебаний названа в честь Герца, и совсем не случайно первыми словами, переданными русским физиком А.С. Поповым с помощью беспроводной связи, были "Генрих Герц", зашифрованные азбукой Морзе.
Попов Александр Сергеевич (1895 г.)
Попов совершенствовал приемную и передающую антенну и вначале была осуществлена связь на расстоянии
250 м, затем на 600 м. И в 1899 году ученый установил радиосвязь на расстоянии 20 км, а в 1901 - на 150 км. В 1900 году радиосвязь помогла провести спасательные работы в Финском заливе. В 1901 году итальянский инженер Г. Маркони осуществил радиосвязь через Атлантический океан.