Перейти к содержимому
RanimusВетвь разума
ВойтиРегистрация

Электромагнитные волны. Свет как волна

Шкала электромагнитных волн, радиосвязь, дисперсия, спектры, преломление и интерференция (качественно).

ДоступнаСложность: ★★☆☆☆Время: 60 минЗа прохождение: 53 (с первой попытки 63)
Пройти тест Пропустить тему

Пожаловаться

ТеорияТестДомашняя работа3Самоконтроль3

Зачем это нужно

Телефон, Wi-Fi, телевидение, GPS, микроволновка, рентген в поликлинике, загар на пляже и сам свет, которым мы видим мир, — всё это электромагнитные волны. Они отличаются только частотой, а физика у них общая. Поняв её, мы узнаем, почему небо голубое, откуда радуга и как учёные узнают состав далёких звёзд, ни разу там не побывав.

Что такое электромагнитная волна

В прошлой теме мы узнали, что переменное магнитное поле порождает электрическое, а переменное электрическое — магнитное. Поэтому возмущение поля может «оторваться» от источника и побежать в пространстве: это и есть электромагнитная волна. Её предсказал Джеймс Максвелл (1864), получил на опыте Генрих Герц (1888), а Александр Попов в 1895 году показал радиоприёмник.

Свойства электромагнитных волн:

  • распространяются без среды, в том числе в вакууме;
  • скорость в вакууме c=3⋅108c = 3 \cdot 10^8 м/с — скорость света;
  • волны поперечные: электрическое и магнитное поля колеблются перпендикулярно направлению распространения;
  • связь длины волны и частоты: λ=cν\lambda = \frac{c}{\nu}.

Разобранный пример 1

Радиостанция вещает на частоте 100 МГц. Найдите длину волны.

λ=3⋅108108=3\lambda = \frac{3 \cdot 10^8}{10^8} = 3 м.

Шкала электромагнитных волн

Шкала электромагнитных волн слева направо: радио, СВЧ, инфракрасное, видимый свет, ультрафиолет, рентгеновское и гамма-излучение

Диапазон Длина волны Где встречается
радиоволны от мм до км радио, ТВ, мобильная связь
СВЧ (микроволны) 1 мм – 30 см микроволновка, Wi-Fi, радары
инфракрасное 760 нм – 1 мм тепловое излучение, пульты, тепловизоры
видимый свет 380–760 нм зрение, фотосинтез
ультрафиолет 10–380 нм загар, обеззараживание
рентгеновское 0,01–10 нм медицина, досмотр багажа
гамма-излучение меньше 0,01 нм радиоактивный распад, лечение опухолей

Чем короче волна, тем больше энергия излучения. Поэтому ультрафиолет, рентген и гамма-лучи опасны для живых клеток.

Радиосвязь

Передатчик создаёт высокочастотные колебания (несущую волну) и модулирует их звуковым сигналом: меняет амплитуду или частоту. Антенна излучает волну, антенна приёмника её улавливает, колебательный контур настраивается в резонанс на нужную станцию, а детектор выделяет звук.

Разобранный пример 2

Радиолокатор принял отражённый от самолёта сигнал через 2⋅10−42 \cdot 10^{-4} с. Найдите расстояние до самолёта.

s=ct2=3⋅108⋅2⋅10−42=3⋅104s = \frac{c t}{2} = \frac{3 \cdot 10^8 \cdot 2 \cdot 10^{-4}}{2} = 3 \cdot 10^4 м =30= 30 км.

Свет как волна

Дисперсия. Ньютон пропустил солнечный луч через стеклянную призму и получил радужную полоску — спектр. Белый свет — смесь цветов, а показатель преломления стекла зависит от длины волны: фиолетовые лучи преломляются сильнее красных. Радуга — дисперсия в каплях дождя.

Интерференция. Две световые волны, складываясь, могут усиливать или гасить друг друга. Отсюда радужные разводы на мыльных пузырях, бензиновых плёнках и компакт-дисках.

Цвет тел. Красное яблоко отражает красный свет и поглощает остальные цвета; белая бумага отражает все цвета, а чёрный бархат почти всё поглощает.

Разобранный пример 3

Найдите частоту красного света с длиной волны 750 нм.

ν=cλ=3⋅1087,5⋅10−7=4⋅1014\nu = \frac{c}{\lambda} = \frac{3 \cdot 10^8}{7{,}5 \cdot 10^{-7}} = 4 \cdot 10^{14} Гц.

Разобранный пример 4

Расстояние от Земли до Солнца 1,5⋅10111{,}5 \cdot 10^{11} м. За какое время свет доходит до Земли?

t=1,5⋅10113⋅108=500t = \frac{1{,}5 \cdot 10^{11}}{3 \cdot 10^8} = 500 с — чуть больше 8 минут. Мы видим Солнце таким, каким оно было 8 минут назад.

Почему небо голубое? Молекулы воздуха рассеивают короткие (синие) волны гораздо сильнее длинных (красных). Рассеянный синий свет приходит к нам со всех сторон неба. На закате солнечный луч проходит через толстый слой воздуха, синий свет рассеивается по дороге, и до нас доходят в основном красные и оранжевые лучи.

Спектры

  • Сплошной спектр дают раскалённые твёрдые тела и жидкости (нить лампы, Солнце).
  • Линейчатый спектр испускания дают раскалённые газы: каждый химический элемент излучает свой набор линий, как «отпечаток пальца».
  • Спектр поглощения — тёмные линии на фоне сплошного спектра: холодный газ поглощает те же линии, которые сам испускал бы.

Спектральный анализ позволяет узнать состав вещества по его спектру. Так в 1868 году в спектре Солнца открыли новый элемент — гелий («солнечный»), и только потом нашли его на Земле.

Типичные ошибки

  • Думать, что свет и радиоволны — явления разной природы.
  • Считать, что электромагнитным волнам нужна среда.
  • Путать: при увеличении частоты длина волны уменьшается.
  • Забывать делить на 2 в задачах на радиолокацию.
  • Считать белый свет «одноцветным».

Что дальше