Добавил:
Nemo_Nemorino
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Підручники / Фізика 9 клас / НУШ / Фізика 9 клас Засєкіна 2026 рік НУШ
.pdf
Тема 2. Електромагнітні явища. Електромагнітні коливання і хвилі
ДІЗНАВАЙСЯ
Дізнаємося, як утворюються електромагнітні хвилі. Теплові
(інфрачервоні), видимі світлові, ультрафіолетові, радіохвилі, рентгенівські хвилі — усі вони мають електромагнітну природу.
Як відомо, хвиля — це процес поширення коливань у просторі.
Механічні хвилі — це поширення коливань у пружному середовищі, коли
поширення хвилі можливе за рахунок зіткнення частинок середовища.
Електромагнітні хвилі — це поширення змінних електричного і магнітного полів, які виникають унаслідок прискореного руху електрично
заряджених частинок.
У природі взагалі немає відокремлених одне від одного електричних
і магнітних полів, а існує електромагнітне поле як особливий вид матерії, через який відбувається електромагнітна взаємодія.
Залежно від причин і умов зміни швидкості заряджених частинок
можливе утворення різних електромагнітних хвиль. Електрони в атомах за певних умов можуть випромінювати видиме світло. Електрони,
що створюють змінний струм, коливаються із частотою 50 Гц, а отже,
випромінюють електромагнітні хвилі (мал. 20.2). Це — низькочастотні
радіохвилі.
118
118
Змінне електричне поле
I
Змінний
електричний
струм
Змінне магнітне поле
Для утворення високочастотних радіохвиль використовують спеціальні
пристрої, основними елементами яких
є котушка, яка накопичує магнітне поле,
та конденсатор, який накопичує електричне поле. Разом вони як «гойдалка
з перетворення енергії»: електричної на
магнітну, і навпаки (мал. 20.3).
B
Котушка
E
Мал. 20.2
+++++++++++++
------------
Конденсатор
Мал. 20.3
§ 20. Досліджуємо електромагнітні хвилі
Коли конденсатор заряджений і під’єднаний до котушки, заряд починає рухатися — виникає струм. Енергія перетворюється
з електричної (у конденсаторі) на магнітну (у котушці), і навпаки.
20.1
Такі переходи повторюються багато разів — це і є електромагнітні
коливання. Щоб електричні коливання з коливального контуру перетворилися на електромагнітні хвилі, які можуть поширюватися на великі
відстані, потрібна антена. Коли електрони в коливальному контурі «гойдаються» з високою частотою, вони змушують електрони в антені також
прискорено рухатися (коливатися) вгору-вниз або ліворуч-праворуч. Цей
прискорений рух заряджених частинок (електронів в антені) є джерелом
електромагнітних хвиль. Отже, коливальний контур є джерелом високочастотних електричних коливань, а антена перетворює ці коливання на
електромагнітні хвилі, відриваючи їх від контуру й відправляючи у вільний простір.
Дізнаємося про характеристики електромагнітних хвиль. На малюнку 20.4 схематично зображено електромагнітну хвилю. На відміну
від механічних хвиль, які можуть бути як поздовжніми, так і поперечними, електромагнітні хвилі лише поперечні. На малюнку це показано
так: вісь X — це напрям поширення хвилі (вперед), вісь Y — напрям коливань електричного поля (позначено червоним), вісь Z — напрям коливань магнітного поля (позначено синім). Як видно, електричне й магнітне поля коливаються перпендикулярно одне до одного і до напряму руху
хвилі. Тому електромагнітна хвиля — поперечна.
Електричне поле Довжина
Z
Магнітне поле
Y
хвилі
Електромагнітна хвиля
X
Напрям
поширення хвилі
Мал. 20.4
Червона хвиля — це електричне поле (Electric Field). Вона показує,
як змінюється сила електричного поля із часом і місцем. Стрілки вгору
і вниз означають, що поле зростає то в одному напрямі, то в протилежному. Синя хвиля — магнітне поле (Magnetic Field). Воно теж змінюється,
але перпендикулярно до електричного поля. Якщо електричне поле коливається «вгору-вниз», то магнітне — «вліво-вправо». Коли електричне поле змінюється, воно породжує магнітне поле, а коли магнітне поле
119
119
Тема 2. Електромагнітні явища. Електромагнітні коливання і хвилі
змінюється, воно створює електричне поле. Так поля постійно «підтримують» одне одного — хвиля поширюється далі без дротів.
На малюнку також позначено довжину хвилі (Wavelength) — відстань між двома сусідніми «гірками» або «ямами» хвилі. Довжина хвилі відображає, як часто змінюються поля у просторі.
Усі електромагнітні хвилі у вакуумі поширюються зі швидкістю
300 000 км/с; у речовині швидкість
поширення електромагнітної
хвилі зменшується під впливом електричних і магнітних властивостей
цього середовища. Той факт, що виміряна швидкість електромагнітних
хвиль така сама, як і швидкість світла, свого часу став вирішальним
у з’ясуванні суті світла: світло — це різновид електромагнітних хвиль.
Аналогічно до знаходження швидкості механічних хвиль, швидкість
електромагнітної хвилі визначають добутком довжини хвилі і її частоти:
v = Tде Т — період, — частота електромагнітних коливань.
ДУМАЙ
1. Чи можуть електричні й магнітні поля існувати ві-
докремлено одне від одного? 2. Що називають електромагнітною хвилею? 3. Яка швидкість поширення електромагнітних
хвиль у вакуумі? У речовині? 4. Запиши формулу, що виражає зв’язок
швидкості поширення хвилі з довжиною хвилі і частотою.
ДІЙ
УЧИСЬ РОЗВ’ЯЗУВАТИ ЗАДАЧІ
Визнач частоту електромагнітної хвилі в повітрі, якщо довжина цієї
хвилі 6 см. Швидкість поширення електромагнітної хвилі в повітрі вважати такою, як у вакуумі.
Дано:
= 0,06 м
v = 3 · 10
8
м/с
Розв’язання:
З формули v = знайдемо частоту: = v/ ;
— ?
Відповідь: 5 · 109 Гц.
РОЗВ’ЯЖИ ЗАДАЧІ
120
120
Визнач довжину електромагнітної хвилі частотою 2 МГц у середови-
1
щі, де швидкість хвилі дорівнює 2 · 108 м/с.
У скільки разів потрібно змінити частоту електромагнітної хвилі,
2
щоб її довжина зменшилася в 3 рази?
§ 20. Досліджуємо електромагнітні хвилі
Радіостанція «Промінь» веде мовлення на середніх хвилях із часто-
3
тою 660 кГц. Визнач довжину хвилі, на якій працює ця радіостанція.
Побутова мікрохвильова піч працює на частоті 2,45 ГГц. Яка довжи-
4
на цих хвиль у повітрі?
Виконай завдання за симуляцією 20.2
5
.
ВИКОНАЙ ДОСЛІДЖЕННЯ
Виконуй досліди з дотриманням правил безпеки життєдіяльності!
Виміряй довжину електромагнітної хвилі мікрохвильової печі (до-
1
машній дослід).
Розклади зефір або сир рівномірно по тарілці. Вимкни обертання
тарілки (зніми обертову платформу). Підігрівай зефір (сир) протягом
10–15 секунд. Виміряй відстань між розплавленими плямами — це півхвиля.
Спостерігай за атмосферним заломленням радіохвиль (проведи спо-
2
стереження вдома). Сформулюй гіпотезу на основі цього питання:
чи впливають погодні умови або час доби на якість радіосигналу від
далеких станцій?
Перевір свою гіпотезу. Знайди на своєму радіоприймачі (або смартфоні з радіо) 2–3 радіостанції, які зазвичай приймаються з помірними
перешкодами або є досить далекими. Запиши їхні частоти. Протягом
кількох днів (наприклад, тижня) щовечора (або в певний час доби) слухай ці станції та записуй спостереження в таблицю.
Дата, час
Якість сигналу (чіткий,
з перешкодами, зовсім не
чути)
Поточні погодні умови
(ясно, хмарно, дощ, туман,
температура)
Чи підтвердилася твоя гіпотеза? Чи помітив / помітила ти зміни
в якості прийому далеких радіостанцій? Чи є зв’язок між якістю прийому й погодними умовами / часом доби? Як це можна пояснити з погляду
взаємодії радіохвиль з йоносферою в атмосфері? (Можливо, знадобиться додатковий пошук інформації про йоносферу і її вплив на радіохвилі
вдень / вночі.) Зроби висновок про вплив погодних умов або часу доби на
якість радіосигналу від далеких станцій.
Сформулюй на основі виконаних експериментів 3–4 запи-
3
тання й постав їх однокласникам / однокласницям. Що тобі
складніше: експериментувати, формулювати запитання, від-
повідати на них чи перевіряти правильність відповідей?
20.3
121
121
Тема 2. Електромагнітні явища. Електромагнітні коливання і хвилі§ 20. Досліджуємо електромагнітні хвилі
§ 21. ДОСЛІДЖУЄМО ВЛАСТИВОСТІ
ЕЛЕКТРОМАГНІТНИХ ХВИЛЬ
Я виявив, що погодні умови впливають на якість
радіосигналу. А чому так відбувається?
Можливо, електромагнітні хвилі мають такі самі
властивості, як і механічні? Заломлюються, відбиваються…
ДОСЛІДЖУЙ
Переконайся, що електромагнітні хвилі поширюються прямолінійно, заломлюються, розсіюються та відбиваються (мал. 21.1). Установи
відповідність між підписами на малюнку (1–4) та їх описом (А–Г).
3
2
1
А. Електромагнітні хвилі можуть відбиватись або заломлюватись
у верхніх шарах атмосфери (наприклад, у тропосфері чи йоносфері).
Це дає змогу сигналу «обгинати» Землю й доходити на великі відстані,
навіть за горизонтом.
Б. Під час дощу, снігу або граду краплини й кристали льоду розсіюють електромагнітні хвилі. Це призводить до ослаблення сигналу або до
появи додаткових «еховідбиттів».
В. Коли в атмосфері існує шар з різкою зміною температури або вологості, хвиля може «замикатись» у ньому, рухаючись уздовж поверхні
4
Мал. 21.1
122
122
§ 21. Досліджуємо властивості електромагнітних хвиль
Землі на сотні кілометрів — наче в «хвильовій трубі». Це пояснює появу
далеких радіосигналів під час особливих погодних умов.
Г. Хвилі зазвичай поширюються по прямій лінії, якщо немає пере-
шкод або атмосферних аномалій.
ДІЗНАВАЙСЯ
Дізнаємося про відбивання і заломлення електромагнітних
хвиль. В однорідному середовищі електромагнітні хвилі поширюють-
ся прямолінійно. Це означає, що лінія поширення хвилі збігається
з напрямом перенесення енергії. Завдяки цій властивості ми можемо
визначати напрям випромінювання антен або побудову ліній зв’язку
«на пряму видимість».
Коли хвиля потрапляє на межу двох середовищ, вона може відбива-
тися. Кут відбивання електромагнітних хвиль, як і хвиль будь-якої іншої природи, дорівнює куту падіння. Під час відбивання не змінюється
ні частота, ні довжина, ні швидкість поширення хвилі.
Відбиття електромагнітних хвиль лежить в основі роботи радарів, супутникового зв’язку, телебачення. Наприклад, хвиля, відбита від літака, повертається до приймача і дає змогу визначити його положення.
Якщо хвиля переходить з одного середовища в інше, її напрям змінюється. Це явище називають заломленням. Це відбувається тому, що при
переході з одного середовища в інше частота хвилі залишається постійною, а швидкість залежить від середовища, у якому рухається хвиля, тому
довжина хвилі змінюється. Ця зміна довжини хвилі під час проходження
електромагнітної хвилі між двома середовищами й пояснює її заломлення.
Дізнаємося про дифракцію та інтерференцію електромагнітних
хвиль. Електромагнітні хвилі здатні огинати невеликі перешкоди або
проходити через вузькі отвори. Це явище називають дифракцією. Завдяки дифракції радіосигнал може бути прийнятий навіть у місцях, куди
немає прямої видимості на передавач.
На малюнку 21.2 (с. 124) зображено щоглу з радіопередавачем, який
передає короткі (позначені на малюнку сірим кольором) і довгі (позначені червоним кольором) хвилі. Оскільки для коротких хвиль пагорб
є великою перешкодою, то далі хвилі не проходять. Щодо довгих хвиль,
то розміри пагорба співмірні з їхньою довжиною, тому проявляється
властивість хвиль огинати перешкоду — дифракція.
Якщо дві або більше хвиль зустрічаються в одному місці простору,
вони можуть накладатися одна на одну. У результаті в одних точках сигнал підсилюється, а в інших — послаблюється. Цю властивість називають інтерференцією.
123
123
Тема 2. Електромагнітні явища. Електромагнітні коливання і хвилі
Мал. 21.2
Електромагнітні хвилі виявляють такі самі хвильові властивості, як
і механічні хвилі: відбивання, заломлення, інтерференцію та дифракцію. На відміну від механічних хвиль, електромагнітні хвилі можуть
поширюватись у вакуумі з максимально можливою у природі швидкістю — 300 000 км/с. Взаємодія електромагнітних хвиль з речовиною залежить від їх частоти: низькочастотні хвилі переважно забезпечують
зв’язок і передавання інформації, а високочастотні можуть спричиняти
іонізацію речовини. Завдяки цим властивостям електромагнітні хвилі
мають фундаментальне значення для фізики й лежать в основі сучасних
технологій зв’язку, медицини, енергетики та астрономії. Розуміння цих
властивостей дало змогу створити мобільний зв’язок, мікрохвильові
печі та навіть телескопи, що бачать крізь космічний пил.
124
124
ДУМАЙ
коли хвиля огинає перешкоду? 3. Яке явище спостерігається, коли дві
хвилі накладаються одна на одну? 4. Чим відрізняється відбиття хвилі
від заломлення? 5. Електромагнітна хвиля переходить із вакууму у середовище, де її швидкість становить 2 · 108 м/с. Як зміниться довжина
хвилі вв цьому середовищі?
ДІЙ
1. Як називають явище, коли хвиля змінює напрям при
переході в інше середовище? 2. Як називають явище,
ВИКОНАЙ ДОСЛІДЖЕННЯ
Візьми участь у груповій роботі
Виконуй досліди з дотриманням правил безпеки життєдіяльності!
Дослідіть властивості відбивання й заломлення радіохвиль, використовуючи доступні засоби.
§ 21. Досліджуємо властивості електромагнітних хвиль
Обладнання: смартфон з увімкненим Wi-Fi та можливістю перегляду сили сигналу (зазвичай відображається смужками Wi-Fi); джерело
Wi-Fi (ваш домашній роутер або точка доступу в школі); великий
металевий лист (наприклад, деко для випічки, великий шматок фольги, металеві двері); різні матеріали-перешкоди (дерево, картон, щільна тканина, скло, цегла / бетонна стіна — у разі можливості); радіоприймач (можна в смартфоні), що приймає радіостанції з різних міст /
регіонів.
Дослід 1. Дослідіть відбивання радіохвиль від металевих поверхонь.
Сформулюйте гіпотезу на основі проблемного питання: чи можуть радіохвилі відбиватися від металевих поверхонь, і як це впливає на силу
сигналу?
Перевірте свою гіпотезу.
1. Стань на відстані 3–5 метрів від Wi-Fi роутера. Запиши рівень сигна-
лу Wi-Fi на своєму смартфоні (кількість смужок). Це буде твій базо-
вий показник.
2.
Попроси однокласників / однокласниць тримати великий метале-
вий лист між роутером і твоїм смартфоном. Спостерігай за зміною
сигналу.
3. Попроси однокласників / однокласниць тримати металевий лист по-
заду тебе (як екран) так, щоб роутер був перед тобою. Металевий лист
має бути орієнтований так, щоб відбивати сигнал від роутера у твій
бік. Запиши зміну сигналу.
4. Зміни кут нахилу металевого листа. Чи змінюється сила сигналу?
5. Перемісти металевий лист так, щоб він повністю затуляв твій смарт-
фон від роутера. Чи зник сигнал повністю?
6. Чи підтвердилася ваша гіпотеза?
7. Де в повсякденному житті ми можемо спостерігати такі відбивання?
Дослід 2. Досліди поглинання й ослаблення радіохвиль різними ма-
теріалами. Сформулюй гіпотезу на основі проблемного питання: як різні
матеріали (стіни, меблі, двері) впливають на силу сигналу Wi-Fi?
1. Обери місце, де сигнал Wi-Fi стабільний (наприклад, 3–4 смужки).
Запиши рівень сигналу.
2.
Пройди в іншу кімнату через дерев’яні двері (закрий їх). Запиши рівень сигналу.
Пройди за цегляну / бетонну стіну. Запиши рівень сигналу.
3.
4. Спробуй пройти за шафу або великі меблі. Запиши рівень сигналу.
5. Повтори ці дії з віконним склом (за можливості).
6. Який матеріал найбільше перешкоджав сигналу Wi-Fi,
а який — найменше?
21.1
125
125
Тема 2. Електромагнітні явища. Електромагнітні коливання і хвилі§ 21. Досліджуємо властивості електромагнітних хвиль
§ 22. ДОСЛІДЖУЄМО ВИКОРИСТАННЯ
ЕЛЕКТРОМАГНІТНИХ ХВИЛЬ
О! Тема, яку я знаю на всі 12 балів!
І не тільки ти!
ДОСЛІДЖУЙ
Прояви вміння в радіокеруванні. Установи в системі радіоуправління (пульт + іграшка) дві основні частини: передавач (пульт) та приймач
(іграшка). Визнач, який компонент у кожній частині відповідає за генерацію сигналу, випромінювання хвилі, прийом хвилі, перетворення
сигналу на механічний рух.
Знайди інформацію (зазвичай вказано на пульті або на коробці) про те, на якій частоті працює
іграшка. Поясни, до якого діапазону електромагнітних хвиль (за шкалою в параграфі) належить
ця частота і чому вона використовується саме для
радіо управління. Використовуючи знайдену частоту, обчисли довжину хвилі. Як вона співвідноситься з розмірами антени іграшки? Перевір, чи виконується умова:
ефективна довжина антени передавача для надійного випромінювання
дорівнює половині довжини випромінюваної хвилі або її чверті.
Увімкни іграшку та пульт. Сплануй дослідження, щоб з’ясувати, як
фізичні властивості електромагнітних хвиль (відбиття, поглинання,
поширення) впливають на роботу пристрою радіоуправління. Запропонуй інженерні рішення, які могли б визначити дальність або надійність
зв’язку іграшки.
ДІЗНАВАЙСЯ
Дізнаємося про шкалу електромагнітних хвиль. За довжиною хвилі () або частотою коливань () діапазон електромагнітних хвиль простягається від 10
опису властивостей електромагнітних хвиль їх можна розташувати на
4
м (3 · 10–3 Гц) до 10
–11
м (3 · 1019 Гц). Для зручності
126
126
§ 22. Досліджуємо використання електромагнітних хвиль
одній шкалі (мал. 22.1), у якій виділяють умовні діапазони: низькочастотні хвилі, радіохвилі, інфрачервоне випромінювання, видиме випромінювання (світло), ультрафіолетове випромінювання, рентгенівське
випромінювання та гама-випромінювання. Хвилі певного діапазону час-
тот мають характерні назви й властивості.
, м
, Гц
10–110–210–310–410–510–610–710–810–910
110
8
3 · 10
Радіохвилі
3 · 10
10
12
3 · 10
Інфрачервоне
випромінювання
3 · 10143 · 10153 · 10
Ультра-
фіолетове
випроміню-
вання
–10
17
Рентгенівське
випромінювання
–1110–12
10
3 · 10193 · 10
20
-випромінювання
Ч О Ж З Б С Ф
Видиме світло
Оптичний діапазон
Мал. 22.1
Низькочастотні електромагнітні хвилі утворюються під час роботи
різних електротехнічних пристроїв, які живляться змінним струмом
низької частоти. Це випромінювання внаслідок малої частоти має низьку енергію, тому не становить жодного інтересу для передачі інформації
в атмосфері на великі відстані. Саме тому багатьох відомих дослідників
і винахідників, які шукали способи передачі інформації за допомогою
електромагнітних хвиль низької частоти, спіткала невдача.
Радіохвилі поділяють на довгі (понад 10 км), середні (сотні метрів),
короткі (десятки метрів), ультракороткі (см, мм). Їх переважно використовують у радіозв’язку.
Інфрачервоне випромінювання — оптичне випромінювання з довжиною хвилі більшою, ніж у видимого випромінювання (більше 750 нм).
Видиме світло — область електромагнітного випромінювання, що
безпосередньо сприймається людським оком. Характеризується довжинами хвиль від 380 (фіолетовий колір) до 750 (червоний колір) нм.
Хвилі з довжиною, меншою від 380 нм, називають ультрафіолетовими.
127
127
Соседние файлы в папке НУШ