Изобретение радио Поповым

 

В 1895 г. русский ученый Попов впервые предложил идею использования электромагнитных волн для передачи информации на расстоянии и сам ее осуществил. Первая радиосвязь была телеграфной с использованием азбуки Морзе в этой азбуке каждой букве и цифре соответствует определенный набор и последовательность точек и тире (сигналы, разной длительности).

 

В передатчике генератор высокой частоты.

Генератор высокой частоты (ГВЧ) вырабатывает токи высокой частоты которые через телеграфный ключ (ТК) поступают на антенну А1, которая энергию тока преобразует в энергию волн той же частоты и длительности. Телеграфная модуляция осуществляется с помощью ключа ТК. Телеграфные модулированные волны выпрямляются антенной А2 приемника и преобразуются в токи той же частоты и длительности. Антенна А2 принимает любые электромагнитные волны и преобразует их в токи для того чтобы выделить токи интересующей станции параллельно катушки L приемной антенны подключают конденсатор переменной емкостью C. Эта часть схемы называется РК. Меняя электроемкость конденсатора, добиваемся равенства собственной частоты контура f0 с частотой передатчика f. При таком условии внутрь приемника пройдут токи на частоте f. Дальше в приемнике эти токи детектируются (выпрямляются) с помощью детектора d.

Детектор – прибор, обладающий односторонней проводимостью. Это может быть полупроводниковый диод или радиолампа. После детектора ток становиться пульсирующим и одного направления. Дальше пульсация тока поступают на электрофильтр Сf представляющий собой конденсатор, подключенный параллельно исполнительному механизму ТА (телеграфный аппарат). Часть импульса тока поступает на конденсатор и заряжает его. Остальная часть уходит на исполнительный механизм. В промежутках между импульсами конденсатор разряжается на исполнительный механизм. По этому все время пока длится сигнал через исполнительный механизм идет ток, которому соответствует точка или тире.

 

5. Радиотелефонная связь. Амплитудная модуляция.

 

Электромагнитные волны на звуковых частотах от 16 до 20 000 Герц имеют слишком большую длину волны. Волны такой длины практически с помощью антенн эффективно излучать и принимать не возможно. Поэтому для радиосвязи используются волны высокой частоты, которые имеют не большую длину волны. Они называются несущие волны. На радиостанции, на волны высокой частоты накладывают колебания звуков частоты. Такой процесс называют амплитудной модуляцией.

Рассмотрим принцип амплитудной модуляции.

 

Если включить генератор на передающей станции, то он будет вырабатывать токи высокой частоты, которые с помощью антенны А1 преобразуются в волны и излучаются.

Такие волны не содержат информации и называются несущими волнами. Подключим в цепь генератора модулятор, который состоит из трансформатора ТR и микрофона МК. Если перед микрофоном создать колебания высокой частоты, то микрофон энергию механических волн преобразует в энергию тока, той же частоты. Ток звуковой частоты проходя по первичной обмотке трансформатора ТR своим магнитным полем во вторичной обмотке наводит ЭДС индукции той же частоты. Так как вторичная обмотка трансформатора подключена к сетке лампы, то потенциал сетки относительно катода начнет изменяться в соответствии со звуковой частотой. Любые изменения потенциала сетки вызывают изменение анодного тока, по этому амплитуда начнет изменяться в соответствии со звуковой частотой. Такие токи называются амплитудно-модулированные. Эти токи с помощью антенны А1 преобразовываются в высокочастотные амплитудно-модулированные электромагнитные волны и излучаются.

Антенна А2 принимает амплитудно-модулированные волны и преобразовывает их в амплитудно-модулированные токи. С помощью разного контура Rк настраиваем приемник в резонанс на несущую частоту. При таком условии в контур проходят токи резонансной частоты. Детектором d эти токи выпрямляются. После выпрямления высокочастотные токи становятся пульсирующими. Слаживание пульсации тока происходит в электрофильтре Сф отдельной пульсации тока поступает на конденсатор Сф и его заряжают. А частично уходят на звуковоспроизводящее устройство ТА. В промежутках между пульсациями конденсатор разряжается на звуковоспроизводящее устройство и в результате через звуковоспроизводящее устройство идет ток звуковой частоты. Это устройство преобразует колебания тока в механические волны, той же частоты и мы слышим звук, произведенный перед микрофоном передающей станции.

 

Тема10. Геометрическая оптика

тема 10.1 Отражение света

1. Явления, наблюдаемые на границе раздела 2-ух прозрачных сред

2. Законы отражения света

3. Зеркальное и диффузное отражение

4. Плоское зеркало, построение изображения в нём.

 

 

1. Явления, наблюдаемые на границе раздела 2-ух прозрачных сред

 

 

 

 

Если на границу раздела 2-х прозрачных сред с разной оптической плотностью направить параллельный пучок света Ф, то он частично отразится Ф1, а оставшаяся часть Ф2 преломившись проходит во вторую среду. Чем больше оптическая плотность среды, тем меньше скорость света в этой среде.

Физическая величина, показывающая, какую часть отражённый световой поток составляет от падающего, называется коэффициентом отражения поверхности. У разных поверхностей коэффициент отражения поверхности разный и меняется от 0 до 1. 0<kотр<1.

k = 0 – абсолютно чёрная поверхность (чёрный бархат, печная сажа).

k = 1 – идеально зеркальная поверхность (хорошо отполированное серебро). Коэффициент отражения у данной поверхности зависит от длины волны и угла падения лучей. У данной поверхности к разным длинам волн коэффициент отражения поверхности разный, отсюда объясняется цвет поверхности. С увеличением угла падения коэффициент отражения увеличивается у данной поверхности.

 

2. Законы отражения света

 

1 зак:

Луч, падающий и отражённый, лежат в одной плоскости с перпендикуляром, восстановленным к отражающей поверхности в точке падения луча.

 

2 зак:

Угол падения равен углу отражения.

ÐС=Ða – формула второго закона отражения

 

 

3. Зеркальное и диффузное отражение

 

Если на поверхность направить параллельный пучок света и отражённый свет будет параллельным, то такое отражение называется идеально-зеркальным отражением.

Если на поверхность направить параллельный пучок света и отражённый свет будет рассеянным, то такое отражение называется диффузным отражением. Оно получается вследствие неровностей поверхности. Благодаря диффузному отражению, мы видим освещаемую поверхность.

Из диффузного отражения поверхности можно легко получить зеркально-отражающую. Для этого необходимо уменьшить размеры шероховатости. Поверхность считается зеркально-отражающей, если размеры неровностей соизмеримы с длиной волны.

 

4. Плоское зеркало, построение изображения в нём.

 

D SOB = DS’OB

L1 + LC = 900

LC = La = L3

L1 + L2 = L3

L1 = L2

SO = S’O

Из DSOB и DS’OB Þ против равных углов лежат равные стороны Þ SO = S’O

Вывод: Изображение в плоском зеркале будет мнимым, оно находится на таком же расстоянии, что и сам предмет, по другую сторону от зеркала при этом левые и правые стороны предмета и его изображения меняются местами.

Доказательство:

 

Тема 10.2 Законы преломления

1. Законы преломления света

2. Абсолютный показатель преломления и их связь с относительными показателями преломления

3. Полное внутреннее отражение. Предельный угол.

 

 

1. Законы преломления

 

1. Луч, падающий и преломлённый лежат в одной плоскости с перпендикуляром, восстановленным к границам раздела 2-ух прозрачных сред в точке падения луча.

Если на границу раздела 2-х прозрачных сред с разной оптической плотностью направить параллельный пучок света, то колебания крайних лучей этого пучка достигнут границы не одновременно.

- формула расчёта 2-го закона преломления

Отношение Sin угла падения к sin угла преломления для данных 2-ух сред, остаётся величиной постоянной, называется относительным показателем преломления

 

2. Абсолютный показатель преломления и их связь с относительными показателями преломления

 

Относительный показатель преломления показывает во сколько раз скорость света в первой среде больше чем во второй.

Абсолютный показатель преломления показывает во сколько раз скорость света в вакууме больше, чем в данной среде величина табличная.

- формула расчёта абсолютного показателя

с = 3 × 103

Ð i > Ð b, при условии, если свет переходит из среды, оптически менее плотной в более плотную.

b > i, если свет переходит из среды, оптически более плотной в менее плотную.

- формула, устанавливающая связь между абсолютным показателем преломления двух прозрачных сред и их относительным показателем.

Относительный показатель преломления двух прозрачных сред = отношению абсолютного показателя преломления той среды в, которую, луч входит. i абсолютный показатель преломления, той среды из, которой он выходит.

Абсолютный показатель может быть больше единицы или меньше единицы.

Стекло- 1,5.

 

 

3. Полное внутреннее отражение. Предельный угол.

 

Если свет направить из среды оптически более плотной в оптически менее плотную, то угол b>угла i, по мере увеличения угла падения, увеличивается и угол преломления. И при определённом угле i угол преломления b=90⁰, такой угол называют отражённым, при таком угле преломлённый луч наводит в даль границы MN. И во вторую среду не выходит. При угле больше, чем i при повороте полностью отражает свет, это явление называется полным внутренним отражением.

 

Тема 10.3 Линзы

1. Классификация линз. Оптические параметры линз.

2. Фокус. Фокальные плоскости линз.

3. Оптическая сила линз.

4. Построение изображения в линзах.

5. Вывод формулы линзы.

 

1. Классификация линз. Оптические параметры линз.

 

Прозрачные для света геометрические тела, ограниченные сферическими или цилиндрическими поверхностями называются линзами.

Двояковыпуклая

C1 и C2 – это центры сфер линзы

C1C2 – главная оптическая ось

О – оптический центр линзы

R1 и R2 – радиусы сферических поверхностей

Выпукловогнутая

Плосковыпуклая

 

Линзы, у которых, середина больше чем края, называются выпуклыми. В среде оптически менее плотной они являются собирающими.

Плосковогнутая

Двояковогнутая

 

Вывод: линзы, у которых середина тоньше чем края, называются вогнутыми. В среде оптически менее плотной они являются рассеивающими.

 

2. Фокус. Фокальные плоскости линз.

 

 

Если на собирающую линзу направить параллельный пучок света параллельно главной оптической оси, то после преломления все лучи пересекутся в одной точке на главной оптической оси, эта точка называется главным фокусом линзы. У линзы их 2. На равном расстоянии по обе стороны от оптического центра линзы.

Если на рассеивающую линзу направить параллельный пучок света, параллельно главной оптической оси, то после преломления лучи рассеиваются так, что их продолжение по другую сторону от линзы пересекутся в одной точке. Эта точка называется мнимым фокусом линзы. У линзы их -2 на равном расстоянии по обе стороны от линзы.

Плоскость перпендикулярная главной оптической оси и проходящая через главный фокус линзы – называется фокальной плоскостью линз.

Любая прямая, проходящая через оптический центр линзы, называется побочной оптической осью линзы. У линзы их множество. Если на линзу направить параллельный пучок света параллельно побочной оси, то после преломления эти лучи пересекутся в точке пересечения побочной оси с фокальной плоскостью - точка называется побочным фокусом линзы. У линзы их много, и из них состоит фокальная плоскость.

 

 

3. Оптическая сила линзы.

 

Расстояние от оптического центра линзы до фокуса называется фокусным расстоянием. OF=F

Величина, обратная фокусному расстоянию, называется оптической силой линзы, она обозначается:

Д = м-1 = 1 дптр (диоптрий) – оптическая сила линзы. Зависит от формы линзы, её геометрических размеров и относительного показателя преломления вещества, из которого изготовлена линза. Если оптическая сила линзы >0, то линза собирающая, при Д < 0, линза рассеивающая.

 

4. Построение изображения в линзах.

 

Для того, чтобы построить изображение предмета, полученного с помощью линзы, необходимо построить изображение каждой его отдельной точки. Для построения изображения точки, необходимо выбрать минимум 2 луча, ход которых после преломления заранее известен.

1 случай: линзы, собирающие предмет, находятся за двойным фокусным расстоянием.

Если перед собирающей линзой поместить предмет за двойным фокусным расстоянием, то его изображение будет перевёрнутым, уменьшенным между 1 и 2-ым фокусным расстоянием.

 

 

Вывод: Если предмет поместить перед собирающей линзой между 1-ым и вторым фокусным расстоянием, то его изображение будет действительным, перевёрнутым, увеличенным за двойным фокусным расстоянием.

 

 

Вывод: Если предмет поместить перед собирающей линзой на расстоянии меньше фокусного , то его изображение будет мнимым, прямым, всегда увеличенным на расстоянии больше фокусного.

Предмет помещаем перед рассеивающей линзой.

 

Вывод: Если предмет поместить перед рассеивающей линзой, то, независимо от расстояния, его изображение всегда будет уменьшенным, мнимым, прямым на расстоянии меньше фокусного расстояния.

 

5. Вывод формулы линзы.

 

 

OB=d – расстояние от предмета до линзы

OB’=f – расстояние от изображения до линзы

AB=h – высота предмета

A’B’=H – высота изображения

- формула для собирающей линзы

«+» - даёт действительное изображение

«-» - даёт мнимое изображение

 

Физическая величина, показывающая во сколько раз высота изображения больше высоты самого предмета, коэффициентом увеличения линзы - b

- формула расчёта коэффициента увеличения линзы

 

Тема 11. Явления, объясняемые волновыми свойствами света

Тема 11.1 Явление интерференции

1. Интерференция волн

2. Интерференция света, и бипризма Френеля

3. Интерференция в тонких плёнках, клине

 

1. Интерференция волн

 

Явление наложения 2-ух или нескольких когерентных волн, в результате которого в одних местах происходит усиление колебаний, в других ослабление, называется интерференцией.

Волны будут когерентными, если у них одинаковая частота и разность фаз со временем не меняется.

Выясним, при каких условиях когерентные волны, складываясь, дают max усиление колебаний, а при каких ослабление.

R1 – ход волны от 1-го источника волн до точки А

R2 – ход волны от 2-го источника волн до точки А

DR= R₂-R₁ – разность хода волн

 

, где k=0, 1, 2, 3… - условие максимального усиления колебаний

Если на разность хода волн укладывать чётное число полуволн, то это условие того, что в данную точку волны приходят в одинаковой фазе и в этой точке наблюдается max усиление колебаний.

, где k=0, 1, 2, 3… - условие максимального ослабления колебаний

2. Интерференция света, и бипризма Френеля

 

 

Явление интерференции света от двух независимых источников света наблюдать невозможно, т.к. они будут некогерентными. Френель предполагал иной способ наблюдения интерференции света. Для этого берётся один источник света и с помощью оптических систем (зеркал, призм) свет делится на 2 световых потока, которые будут когерентными, затем эти световые потоки складываются и на экране можно наблюдать явление интерференции: в одних местах – усиление, образуется яркая полоска, в других – ослабление и образуется темная полоска. Т.о. экран освещён неравномерно.

 

3. Интерференция в тонких плёнках, клине

 

 

Если на тонкую прозрачную плёнку направить монохроматичный пучок света (одного цвета, длины волны), то он частично отразится от верхней поверхности 1’ и при этом потеряет половину длины волны (отразится в противофазе). Частично проходит до второй границы плёнки и отразит от неё 2’ в той же фазе. Эти лучи будут когерентными, интерферируя, они могут друг друга усиливать или ослаблять. Зависит это от длины волны, толщины плёнки и показателя преломления вещества плёнки. Разность хода отражённых лучей = удвоенной толщине плёнки. Если на удвоенную толщину плёнки укладывать нечётное число полуволн, то это будет условием того, что отражающиеся лучи друг друга усиливают и в отражающемся свете плёнка будет светлой.

Если плёнку освещать белым светом, то она становится цветной, приобретая цвет той длины волны, для которой выполняется условие усиление отражения лучей. Если плёнка неодинаковой толщины, то в разных местах при освещении белым светом плёнка приобретает разный цвет.

 

Тема 11.2 Явление дифракции

1. Дифракция волн, света

2. Дифракционная решётка. Определение длины световой волны с помощью дифракционной решётки.

 

1. Дифракция волн, света

 

Явление огибания волнами препятствий называется дифракцией. Дифракцию можно наблюдать при определённых условиях:

если размеры препятствий соизмеримы с длиной волны

дифракцию можно наблюдать от препятствий большего размера, но на сравнительно большем расстоянии

явление дифракции можно наблюдать у волновых процессов.

Объясним дифракцию:

Если на пути световых волн поместить непрозрачное препятствие в виде диска, размер которого больше длины волны, то на экране образуется тень с чёткими границами и дифракции не наблюдается.

 

Если размеры препятствия уменьшить до размеров длины волны, то границы тени становятся нечёткими. По центру образуется светлый круг, окружённый тёмным кольцом, вслед за тёмным кольцом – светлое и т.д. Объяснить это можно, используя принцип Гюйгенса. Согласно этому принципу каждая точка фронта волны является самостоятельным, когерентным источником света. Эти вторичные волны, интерферируя в одних местах экрана, дают усиления колебаний, в других – ослабления.

Вторичные волны от точек фронта находятся по краям диска. Точки A и B в точку О приходят в одинаковой фазе и поэтому друг друга усиливают и образуют светлое пятно. Рядом со светлым образуется тёмное кольцо, это значит, что в эти точки экрана волны приходят в противофазе и друг друга гасят.

Установлено, что чем больше размер препятствия, тем уже светлые и тёмные кольца на экране. При определённых размерах препятствий, кольца становятся не различимы. Для того, чтобы можно было их увидеть, необходимо увеличить рост между препятствием и экраном.

Вывод: дифракция происходит на препятствиях любых размеров, но наблюдается только при определённых условиях.

 

2. Дифракционная решётка. Определение длины световой волны с помощью дифракционной решётки.

 

 

Дифракционная решётка представляет собой прозрачную для света пластинку, разлинованную параллельными линиями. Таких линий на 1 мм может быть более 1000. Сами линии для света непрозрачные, свет проходит между линиями.

a + b = d – период дифракционной решётки, для данной решётки величина постоянная и известная.

 

- формула расчёта длины световой волны с помощью дифракционной решётки.

Если на решетку направить белый свет, то разные длины волн интерферируя дают усиления в разных местах экрана, поэтому на экране мы будем видеть спектр, цвета в нём расположены в порядке увеличения длины волны.

 

Тема 11.3 Явление дисперсии

1. Понятие о дисперсии света

2. Разложение белого света призмой

3. Сложение спектральных цветов

4. Цвета тел

5. Виды спектров

6. Спектры излучения и поглощения. Закон Кирхгофа.

7. Приборы для получения и изучения спектров.

8. Инфракрасное и ультрафиолетовое излучение.

9. Спектр солнца, звёзд. Спектральный анализ.

 

1. Понятие о дисперсии света

 

Скорость

Длина волны

Абсолютный показатель

Вывод: Зависимость скорости распространения волн в среде от длины волны или частоты называется дисперсией.

 

2. Разложение белого света призмой

 

Если на призму направить белый свет, то в результате дисперсии разные длины волн преломляясь по разному попадают в разные места экрана и в результате получается сплошной спектр. В этом спектре цвета располагаются в порядке уменьшения длины волны. Из всех цветов спектра Ньютон выделил 7 и назвал основными спектральными цветами.

Резкой границы между цветами в спектре нет.

Ширина цветных полосок не одинаковая. Она увеличивается по мере уменьшения длины волны. Объясняется это тем, что показатель преломления стекла для коротких длин волн с уменьшением длины волны меняется в большей степени, чем у длинных. Появление радуги объясняется явлением дисперсии солнечного света в капельках воды и полном внутреннем отражении.

 

3. Сложение спектральных цветов

 

 

Если все 7 основных спектральных цветов снова собрать вместе, то получится белый свет. Если какого-то цвета недостаёт или изменена его интенсивность, то изображение будет окрашенным. Белый свет можно получить в результате сложения 3-х основных цветовых лучей: красного, зелёного и фиолетового.

Меняя интенсивность этих цветов при их сложении можно получить любой цвет. Это используется в цветных телевизорах и фотографиях.

 

4. Цвета тел

 

Цвет источника света зависит от его температуры, от химического состава и от того, через какую среду он проходит. Установлено, что чем выше температура источника, тем короче длина волны, на которую приходится максимум энергии излучения, отсюда и цвет источника.

Цвет прозрачных тел зависит от того, какие длины волн, через это тело проходят, и каков спектральный состав света, направленного на это тело. Если тело пропускает определённую длину волны, то такое тело называется светофильтром.

Цвет непрозрачных тел зависит от того, какие длины волн поверхность отражает, а также от спектрального состава света, направленного на эту поверхность.

 

5. Виды спектров

 

Все спектры можно поделить на 3 вида:

сплошной

полосатый

линейчатый

Сплошной получается от твёрдых тел, жидкостей, газов при большой степени сжатия.

Полосатый представляет собой отдельно широкие цветные полосы, разделённые тёмными промежутками, при детальном рассмотрении каждая цветная полоска состоит из близкорасположенных цветных линий. Такой спектр дают молекулы газообразного состояния вещества.

Линейчатый спектр представляет собой отдельные цветные полоски, разделённые тёмными промежутками, такой спектр дают отдельные атомы вещества. Установлено, что у атомов химических элементов свой неповторимый линейчатый спектр.

 

6. Спектры излучения и поглощения. Закон Кирхгофа.

 

Немецкий учёный Кирхгоф, детально изучая спектры атомов различных химических элементов, опытным путём установил закономерность, которую назвали законом Кирхгофа:

«Атомы химических элементов преимущественно поглощают те длины волн, которые сами могут излучать»

Рассмотрим опыты Кирхгофа

Направим свет свечи через трёхгранную призму на экран, в результате дисперсии на экране получим сплошной спектр. Внесём в пламя натрий. Оно окрасится в жёлтый цвет, и на месте жёлтого цвета в спектре появляются 2 яркие, близкорасположенные жёлтые полоски. На основании этого Кирхгоф делает вывод, что атомы натрия в основном излучают длины волн, соответствующие жёлтому цвету.

Пропустим свет дуги, через пары натрия, находящиеся в пламени свечи. В сплошном спектре дуги, видимом на экране, на месте ярких жёлтых полосок появляются тёмные полоски.

На основании этого делается вывод, что атомы натрия из спектра дуги поглощают длины волн соответствующие жёлтому цвету.

Вывод: Атомы химических элементов преимущественно поглощают те длины волн, которые сами могут излучать, это и есть закон Кирхгофа.

 

7. Приборы для получения и изучения спектров.

 

Для получения чётких спектров и их визуального излучения на практике используют спектроскопы. А для фотографирования спектров применяют спектрографы.

Данные приборы состоят из 3-х основных частей:

трёхгранная призма (изготовлена из различных прозрачных веществ). Для получения видимой части спектра используют обычное стекло

окуляр

коллиматор

 

8. Инфракрасное и ультрафиолетовое излучение.

 

Т.к. чувствительный глаз к разным длинам волн неодинаков, то объективно оценить энергию, приходящуюся на разные длины волн видимого диапазона, мы не в состоянии. На практике с этой целью можно использовать чувствительную термопару, покрытую слоем сажи.

Если чувствительный слой термопары поместить вблизи красного цвета, выше спектра, то термопара фиксирует излучение, т.к. длина волны у этого излучения больше чем у красного цвета, его назвали инфракрасным излучением (дл волны от 0,75 мкм до десятых долей мм).

Источник инфракрасного излучения является атомным веществом, за счёт инфракрасного излучения. В природе происходит теплообмен. Инфракрасные лучи глазом человека не воспринимаются, но они оказывают фотохимическое действие. Это позволяет производить съёмки в полной темноте.

Инфракрасные лучи широко используют в медицине. Если термопару поместить ниже фиолетового цвета, то она фиксирует излучение называемое ультрафиолетовым. Длина волны от 0,4 мкм до сотых долей мкм.

Ультрафиолетовые лучи глазом человека не воспринимаются, но оказывают биологическое действие на живые организмы. При однократной, большой дозе облучения на клетки живых организмов они оказывают губительное действие, могут вызвать в живых организмах необратимый процесс (лучевая болезнь). При малых дозах облучения рентгеновскими лучами лечат. В науке кристаллографии рентгеновские лучи используют для изучения кристаллических решёток твёрдых веществ. Длина волны рентгеновских лучей составляет тысячные и десятитысячные доли мкм.

Раздел 2. Физика атома и атомного ядра