Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Технологии и методики демонстраций колебаний и волн различной природы. Учебно-методическое пособие
.pdf
Задание 1. Овладейте методикой демонст-
рации электромагнитных волн.
Оборудование: выпрямитель ВУП-2, УНЧ,
генератор с мультивибратором, приемник с
рупорной антенной, динамик.
Для ознакомления учащихся с основными приборами комплекта собирают установку, изображенную на рис. 13. В процессе сборки объясняют, что установка состоит из генератора электромагнитных волн длиной 3 см,
блока питания, генератора звуковой частоты
для модуляции электромагнитных волн, приемника, усилителя и громкоговорителя. Обходя с приемником вокруг генератора, демонстрируют направленное излучение ею электромагнитных волн и рисуют на доске диаграмму направленности рупорной антенны (рис.
14).
Задание 2. Продемонстрируйте экранирующее действие проводников.
Оборудование: выпрямитель ВУП-2, УНЧ,
генератор с мультивибратором, приемник с
рупорной антенной, динамик, металлическая
пластина, пластина из диэлектрика.
Собирают установку, показанную на
рис. 15. Включив генератор, наблюдают от-
Рис. 14. Диаграмма
направленности
рупорной антенны
четливый прием излучаемых им электромагнитных волн. Медленно вносят в пространство между генератором и приемником металлический экран и наблюдают постепенное изменение громкости приема; когда экран
полностью закроет рупор генератора, то приема не будет. Повторяют опыт
с экраном из изолирующего материала и убеждаются, что он не вызывает
столь сильного экранирующего действия.
Рис. 15. Схема демонстрации экранирующего действия проводников
2120
Задание 3. Продемонстрируйте отражение электромагнитных волн.
Оборудование: выпрямитель ВУП-2, УНЧ, генератор с мультивибратором, приемник с рупорной антенной, динамик, металлические пластины и пластина из диэлектрика.
Собирают установку, показанную на рис. 16 (без металлического экрана). Включив генератор и усилитель, убеждаются, что приема нет. Подносят алюминиевую пластину (так, как показано на рисунке) и наблюдают
отчетливый прием, что свидетельствует об отражении волн от пластины.
Заменив алюминиевую пластину стальной, а затем медной, убеждаются,
что и в этом случае волны отражаются. Делают вывод, что электромагнитные волны хорошо отражаются от проводящих поверхностей. Заменив
проводящую пластину пластиной из диэлектрика, демонстрируют, что в
этом случае отражение происходит значительно хуже. Делают соответствующий вывод.
Рис. 16. Схема демонстрации отражения электромагнитных волн проводником
Задание 4. Продемонстрируйте законы отражения электромагнитных
волн.
Оборудование: выпрямитель ВУП-2, УНЧ, генератор с мультивибратором, приемник с рупорной антенной, динамик, металлическая пластина,
штатив с муфтой и лапкой.
Собирают установку, изображенную на рис. 17. Установив антенны
генератора и приемника под углом 30° к горизонту, опускают отражающую
плоскость и наблюдают явление отражения электромагнитных волн. Изменив угол одной из антенн, убеждаются, что приема нет. Повторяют опыт с
углом наклона антенны в 45 и 60°. На основании опыта делают вывод, что
угол отражения электромагнитной волны равен углу падения.
Поворачивают приемную антенну так, чтобы ось волновода вышла из
плоскости, в которой лежат ось волновода генератора и перпендикуляр,
опущенный из точки падения волны. Прием нарушается. Делают вывод,
что отраженный луч лежит в одной плоскости с падающим лучом и перпендикуляром, восстановленным в точку падения луча.
Рис. 17. Схема демонстрации закона отражения электромагнитных волн
Задание 5. Продемонстрируйте собирающее действие вогнутого зер-
кала.
Оборудование: выпрямитель ВУП-2, УНЧ, генератор с мультивибра-
тором, приемник с дипольной антенной, динамик, зеркало Пикте.
Приемник сантиметровых волн с дипольной антенной располагают на
расстоянии 60—80 см от генератора. Включив генератор, наблюдают очень
слабый прием посылаемых генератором колебаний. Ставят на расстоянии
20 см от приемника зеркало Пикте и, пододвигая его к приемнику, наблюдают усиление громкости принимаемого сигнала. Максимальное звучание достигается тогда, когда приемник окажется в фокусе зеркала. При
дальнейшем продвижении зеркала к приемнику громкость убывает. Опыт
свидетельствует о том, что электромагнитные волны, отражаясь от поверхности металлического зеркала, собираются в его фокусе.
Задание 6. Продемонстрируйте преломление электромагнитных волн.
Оборудование: выпрямитель ВУП-2, УНЧ, генератор с мультивибратором, приемник с рупорной антенной, динамик, прямоугольная призма.
Расположив генератор и приемник с разных сторон прямоугольной
призмы под углом 30—40° к поверхности призмы так, чтобы оси их волноводов находились на одной прямой, включают генератор и наблюдают, что
приема нет.
Перемещают приемник параллельно себе и наблюдают уверенный
прием посылаемых сигналов. Чертят на доске схему прохождения электромагнитных волн через призму. Анализируя результаты опыта, приходят к
выводу, что на границе двух диэлектриков электромагнитные волны преломляются.
Меняют угол падения электромагнитных волн и замечают соответственное изменение угла преломления. При перпендикулярном падении волн
преломления не наблюдается. Переставив приемник на одну сторону с
генератором, убеждаются, что на границе двух диэлектриков происходит
не только преломление электромагнитных волн, но и частичное отражение.
2322
Задание 7. Продемонстрируйте прохождение электромагнитных волн
через собирающую и рассеивающую линзы.
Оборудование: выпрямитель ВУП-2, УНЧ, генератор с мультивибра-
тором, приемник с дипольной антенной, динамик, линзы из диэлектрика.
Перед генератором на расстоянии 80—120 см устанавливают приемник с дипольной антенной. Включают генератор и наблюдают очень слабый прием излучаемых генератором электромагнитных волн. Перемещая
приемник по столу, убеждаются, что громкость приема при этом не увеличивается. Установив приемник на прежнее место, вносят в пространство
между генератором и приемником плосковыпуклую линзу (рис. 18).
Рис. 18. Схема демонстрации прохождения электромагнитных волн через линзу
Замечают резкое увеличение громкости. Передвигая линзу по столу,
убеждаются, что есть одно положение, в котором громкость приема максимальна. Отодвигая приемник, убеждаются, что только в одном положении громкость приема максимальна, а в других положениях она меньше.
Заменяют плосковыпуклую линзу подходящей по размеру плосковогнутой и наблюдают уменьшение громкости. Опыт свидетельствует о собирающем действии плосковыпуклой линзы и рассеивающем действии плосковогнутой.
Задание 8. Продемонстрируйте прохождение электромагнитных волн
через треугольную призму.
Оборудование: выпрямитель ВУП-2, УНЧ, генератор с мультивибратором, приемник с дипольной антенной, динамик, треугольная призма,
линза из диэлектрика.
Пучок электромагнитных волн, излучаемых генератором, фокусируется с помощью линзы на приемный диполь. При включении генератора
наблюдают громкий прием (см. рис. 19). Вносят в пространство между
генератором и приемником треугольную призму и наблюдают исчезновение приема. Опускают приемник ниже и вновь наблюдают отчетливый
прием. Опыт свидетельствует о преломлении волн призмой. По результатам опыта чертят схему прохождения электромагнитных волн через призму.
Рис. 19. Схема демонстрации преломления электромагнитных
волн треугольной призмой
Задание 9. Продемонстрируйте интерференцию электромагнитных
волн (схема Ллойда).
Оборудование: выпрямитель ВУП-2, УНЧ, генератор с мультивибра-
тором, приемник с рупорной антенной, динамик, металлическая пластина.
Собирают установку из генератора и приемника и, включив их, наблюдают отчетливый прием модулированных сигналов. Поставив с края стола
(рис. 20) металлическую пластину, медленно передвигают ее в направлении, указанном стрелкой. При некотором положении пластины прием прекращается. Убрав пластину, демонстрируют, что исчезновение (или ослабление) приема связано с пластиной. Объясняют опыт, для чего на доске
чертят его схему. Следует отметить, что описанный выше опыт аналогичен
опыту Ллойда в оптике.
Рис. 20. Схема опыта Ллойда
Задание 10. Продемонстрируйте интерференцию электромагнитных
волн (схема Френеля).
Оборудование: выпрямитель ВУП-2, УНЧ, генератор с мультивибратором, приемник с рупорной антенной, динамик, металлические пластины.
Две металлические плоские пластины устанавливают на конце стола
так, чтобы одна из них служила продолжением другой. На расстоянии 60—
70 см от них устанавливается генератор так, чтобы ось его волновода проходила через место соприкосновения пластин, а угол между осью волновода и перпендикуляром к пластине был бы 20—30°. Аналогично располагается и приемник. В ходе опыта приемник нужно будет перемещать по
дуге окружности вокруг точки соприкосновения пластин.
2524
Рис. 21. Схема Френеля — демонстрация интерференции
электромагнитных волн
Собрав установку, включают генератор и наблюдают отчетливый прием отраженных от пластин волн. Сдвигают пластины так, чтобы они образовали угол, близкий к 180° (рис. 21). При этом слышимость сигналов не
изменится.
Медленно передвигая приемник по дуге неизменного радиуса, наблюдают зону интерференции, в которой участки с хорошей слышимостью
принимаемого сигнала чередуются с участками, где слышимость сигнала
падает почти до нуля. Опыт свидетельствует об интерференции электромагнитных волн, отраженных от металлических пластин. При изучении
оптики аналогичный опыт показывают со световыми волнами.
Задание 11. Продемонстрируйте стоячие электромагнитные волны.
Оборудование: выпрямитель ВУП-2, УНЧ, генератор с мультивибратором, приемник с дипольной антенной, динамик, металлическая пластина.
Перед генератором на расстоянии в 1—1,5 м устанавливается металлическая плоская пластина, а между ними — приемный диполь (рис. 22).
Включив генератор, медленно перемещают диполь по прямой линии до
наступления наибольшей громкости передаваемого сигнала. Затем медленно перемещают пластину вперед и назад в пределах 1—2 см, добиваясь
максимальной громкости принимаемого сигнала.
Рис. 22. Схема демонстрации стоячих электромагнитных волн
После этого медленно перемещают приемный диполь по прямой линии и наблюдают зоны максимальной слышимости и зоны почти полного
затухания. Отмечают точки, где слышимость максимальная, и точки с ми-
нимальной слышимостью. Вычерчивают график слышимости и обращают внимание на то, что наблюдаемая картина имеет характер стоячей волны, полученной в результате сложения падающей и отраженной волн.
Задание 12. Продемонстрируйте поляризацию электромагнитных волн.
Оборудование: выпрямитель ВУП-2, УНЧ, генератор с мультивибратором, приемник с рупорной антенной, динамик, поляризационные решетки.
Между генератором и приемником сантиметровых волн располагают
поляризационные решетки таким образом, чтобы излучаемые генератором электромагнитные волны проходили через них, достигали приемника
и принимались им (рис. 23).
Рис. 23. Схема демонстрации поляризации электромагнитных волн
Затем одну из поляризационных решеток медленно поворачивают и
наблюдают медленное ослабление громкости принимаемого сигнала. При
взаимно перпендикулярном положении решеток волны не проходят и сигнал не принимается.
Убирают одну из решеток и повторяют опыт. Убеждаются, что волны,
излучаемые генератором, поляризованы. Это дает возможность поставить
опыт по поляризации волн без применения поляризационных решеток.
Для этого устанавливают приемник против генератора и наблюдают прием посылаемых генератором сигналов. Затем медленно поворачивают одну
из антенн вокруг оси волновода и наблюдают уменьшение громкости принимаемого сигнала. При взаимно перпендикулярном расположении осей
поляризации волноводов приема нет. Явление поляризации свидетельствует о поперечном характере электромагнитных волн.
Задание 13. Продемонстрируйте дифракцию электромагнитных волн.
Оборудование: выпрямитель ВУП-2, УНЧ, генератор с мультивибратором, приемник с рупорной антенной, динамик, металлические пластины, приемник с дипольной антенной.
Описанные ниже демонстрационные эксперименты касаются наиболее сложного для понимания учащимися свойства электромагнитных волн.
Поэтому целесообразно каждому из описанных опытов предпослать де-
2726
монстрацию аналогичных опытов на поверхности воды с помощью проекционной ванны.
1. Между генератором и приемником, находящимися на расстоянии
1 м друг от друга, устанавливают широкую металлическую пластину
(рис. 24) и наблюдают отсутствие приема волн за ней. Медленно перемещая приемник по дуге окружности вокруг пластины, убеждаются, что
тень, отбрасываемая пластиной, по размерам несколько больше самой
пластины.
Рис. 24. Схема демонстрации дифракции электромагнитных волн на препятствии
Заменяют широкую пластину узкой, а приемник с рупором — приемником без рупора. Повторяя опыт, наблюдают прием сигналов за пластиной, что свидетельствует о «загибании» волн за края пластины.
2. Пододвигают приемник к передатчику на расстояние 60—80 см и
ставят между ними две металлические пластины так, чтобы они образовали щель. Ширина щели должна быть примерно равна длине волн (3 см)
(рис. 25). Включив генератор, слышат громкое звучание динамика в точке,
расположенной против щели. Перемещая медленно приемник по дуге
окружности вокруг щели, наблюдают уменьшение громкости принимаемого сигнала по мере удаления от средней точки. Опыт свидетельствует о
«загибании» волн за края пластин.
Рис. 25. Схема демонстрации дифракции электромагнитных волн на щели
3. В предыдущей установке раздвигают пластины на 11—12 см и в образовавшийся промежуток устанавливают узкую пластину так, что образуются две одинаковые щели шириной, примерно равной длине волны.
Медленно передвигая приемник по дуге окружности вокруг узкой пластины, наблюдают три участка громкого приема, разделенные участками, где
приема почти нет. На среднем участке громкость приема несколько боль-
ше, чем на соседних участках. Обращают внимание на то, что ширина боковых участков громкого приема значительно больше ширины центральной полосы.
4. Аналогично можно поставить опыт, взяв пластину с тремя щелями.
Контрольные вопросы и задания
1. Назовите и продемонстрируйте основные свойства электромагнит-
ных волн.
2. Поясните устройство и принцип действия ГВЧ.
3. Расскажите об устройстве и принципе действия детекторного прием-
ника.
Тема 4. ВОЛНОВЫЕ СВОЙСТВА СВЕТА
Цель лабораторной работы по данной теме — ознакомиться с комплектацией и демонстрационными возможностями набора «Волновая оптика», овладеть техникой и методикой демонстрационного эксперимента
по теме «Волновые свойства света».
Подготовка установки к демонстрационному эксперименту. Для
выполнения работы используют набор демонстрационный L-микро «Волновая оптика» (ПФ РНПО «Росучприбор», 2001). Демонстрационный экран располагают на расстоянии 1—1,5 м от графопроектора. На кадровое
окно проектора устанавливают оптический столик так, чтобы центр круглого отверстия совпадал с центром кадрового окна, а выступающая за габариты проектора часть столика была направлена в сторону экрана. Стойку штатива вкручивают в углубление на оптическом столике. На стойке
закрепляют рабочее поле (металлический экран, имеющий крепежные
стержни). Отверстие в оптическом столике перекрывают щелевой диафрагмой Д1 так, чтобы направление прорези было перпендикулярно рабочему полю. На рабочем поле располагают угловые подставки (на магнитах), с помощью которых будут крепиться необходимые для выполнения
задания элементы. Оправы для линзы, поляроида и малых оптических элементов закрепляют на обычном штативе, который может быть установлен
в любом месте оптического столика.
В качестве источника света используется проекционная лампа графопроектора или полупроводниковый лазер (=650 нм). Во втором случае
оптический столик с рабочим полем можно переместить с кадрового окна
графопроектора на демонстрационный стол.
2928
Задание 1. Изучить технику и методику демонстрационных экспери-
ментов по теме «Дисперсия света».
1. Продемонстрируйте явление дисперсии света.
Оборудование: призма из стекла, зеркало плоское, подставка угловая,
экран малый (щелевая диафрагма d=0,5см), графопроектор, зажимы (2 шт.).
Около верхнего края рабочего поля (30 см
над кадровым окном) располагают зеркало,
а у нижнего — призму (одно из ребер должно быть параллельно длинной стороне щели
Д1). Вблизи от призмы устанавливают малый экран Д2, который обеспечивает засветку всей грани призмы (рис. 26). Для контроля размера и места светового луча в каждой
точке оптической схемы используют лист
белой бумаги.
Рис. 26. Схема демонстрации
дисперсии света
Поворачивая призму вокруг оси, получают на экране изображение сплошного
спектра, имеющего форму параллелограм-
ма. Если в спектре имеются искажения, то необходимо найти правильную
ориентацию призмы относительно диафрагмы Д1 и малого экрана Д2. Для
этого поворачивают рабочее поле вокруг стойки штатива и перемещают
экран Д2 так, чтобы грань призмы, на которую падает излучение, была
полностью засвечена. Объясняют дисперсию света. Вводят понятие «сплошной спектр».
2. Продемонстрируйте сложение спектральных цветов.
Оборудование: призма из стекла, зеркало, линза (F=12 см, D=5 см),
оправа для линзы, подставка угловая, экран малый (щелевая диафрагма
d=0,5 см), графопроектор, штатив, зажимы (3 шт.). Для эксперимента ис-
пользуют установку опыта 1.
Получают на экране спектр естественного света. На оптический столик устанавливают штатив с линзой так, чтобы призма
оказалась примерно в фокусе линзы (рис. 27).
Перемещением линзы добиваются минимальной окраски пятна на экране. Поясняют, что при сведении вместе различных составляющих спектра человеческий глаз вос-
Рис. 27. Схема демонстрации
сложения спектральных
цветов
принимает их как белый свет.
Берут лист белой бумаги, наклоняют его
под углом 45° к направлению распростране-
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]