Виртуальное путешествие по шкале электромагнитных волн

Майборода Иван Александрович, учитель физики ГБОУ лицей № 281, Санкт – Петербург  Виртуальное путешествие по шкале электромагнитных волн                     Игровые технологии Урок – игра « Виртуальное путешествие по шкале электромагнитных волн»   Руководитель путешествия  ­ учитель физики Майборода Иван Александрович ­Сегодня мы совершим  виртуальное  путешествие   во времени и в пространстве длиною в 150 лет. В 1862 году английский учёный  Джеймс Клерк Максвелл сделал открытие, что переменный ток   проходит   через   конденсатор   и   можно   считать,   что   переменный   ток   эквивалентен   току, который называют «током смещения». Тогда можно утверждать, что переменное электрическое поле возбуждает переменное магнитное поле, которое должно распространяться со скоростью света. Это открытие Максвелла является вершиной в развитии так называемой классической физики, поскольку из него вытекают чрезвычайно  важные следствия. Открытие   Максвелла не только изменило   наши   представления   об   окружающем   нас   мире,   но   и   позволило   создать   большое количество   новых   технологий,   технических   устройств   и   приспособлений,   которые   во   многом определяют лицо современной цивилизации. К числу таких достижений, во многом изменивших характер   промышленного   производства,   быта   и   досуга   человека,   относится   современная электроника – такая область человеческой деятельности, которая полностью основана на теории Максвелла. Итак,   на   основании   своей   теории   электромагнетизма   Максвелл   предсказал   существование электромагнитных   волн,   которые   должны   распространяться   со   скоростью   света.   Этот   факт однозначно   свидетельствовал   об   электромагнитной   природе   света.   Электромагнитные   волны (кроме световых) не наблюдались до 1887 года, когда Герцу  удалось генерировать волны длиной от 10 до   100 м с помощью искрового разряда между заряженной и заземлённой       сферами. Эксперименты Герца показали: эти волны во всём похожи на световые , только отличаются длиной волны.     Вслед   за   первым   экспериментом   Герца   началось   освоение   всё   новых   и   новых   частот электромагнитных волн. Выяснилось,   что можно создать волны любой частоты, если удастся найти способ возбуждения данного колебания. Повидимому, физических пределов частот этих волн не существует, это мы сейчас и ощущаем, когда всё большее число мобильных телефонов подключается к сетям МТС, БИЛАЙН и др.     Электронные методы позволяют генерировать волны с частотой  до 10 в двенадцатой степени Гц.   Эта   область   простирается   от   радиоволн   до   микроволн.   В   диапазоне   радиоволн   работают обычное радиовещание, телевидение, воздушная и морская   связь, любительские радиостанции, мобильная   связь.     Для   радиолокации   и   радиорелейных   линий   используется   микроволновый диапазон.   Далее   идёт   инфракрасная   часть,   затем   видимый   свет,   ультрафиолетовая   часть   , рентгеновские   лучи,   генерируемые   атомными   системами   до   10   в   двадцатой   степени   Гц   и излучения самых высоких частот ( гамма – лучи) испускаются атомными ядрами.    Различные диапазоны электромагнитных волн получили разные названия, но не следует забывать об   общих   свойствах   этих   волн:   все   они   имеют   единую   электромагнитную   природу, распространяются со скоростью света, отражаются , преломляются,  поглощаются, но отличаются длиной  волны   и частотой.  Если   эти  частоты  отложить   в определённом    масштабе  на  оси,  то получится диаграмма или шкала  электромагнитных волн. Путешествуя по шкале электромагнитных волн, вы будете вести записи в специальном дневнике, который по окончании путешествия вы мне и сдадите на проверку. Необходимо в дневнике составить таблицу и заполнять её по мере нашего путешествия. Итак, мы отправляемся   на   нашей   виртуальной   электричке   в   путешествие   и   первая   станция   будет «Низкочастотные колебания», гидом будет…   1.Реклама… ­Руководители   предприятий   и   бизнесмены!   Для   вас   коммерческое   предприятие   «Квант» предлагает   широкие   возможности   использования   низкочастотных   колебаний.   Благодаря   своим характеристикам  (частота 50 – 60 Гц, длина  волны 6000 км) переменный ток используется в двигателях переменного тока, которые обладают рядом преимуществ: при работе не выделяют пара, дыма и газа; им не нужны запасы воды и топлива; их можно изготовлять любой мощности, они не загрязняют окружающую среду, коэффициент полезного действия их равен 98 процентам. Такого высокого КПД не имеет никакой другой двигатель! Итак, решайте! Выбор за вами!!!     ( Звучит музыка сначала быстрая и громкая, потом потише и помедленнее). Гид 1 (Максим):Добрый день, дорогие путешественники! Мы рады вас приветствовать на нашей электростанции.   Мы вам расскажем о переменном токе и о его применении в технике. Первое слово предоставляется нашему технологу. Технолог: Как мы уже выяснили, электромагнитные волны, распространяясь в пространстве со временем, переносят энергию. С этим физическим явлением мы сталкиваемся ежедневно, греясь на солнце, слушая радио, разговаривая по мобильнику, просматривая телевизионные передачи. Во многих   случаях   электромагнитные   волны   распространяются   по   эфиру.   Однако   кабельное телевидение,   городская   радиосеть   и   низкочастотные   электрические   колебания   передаются   по проводам точно к тому месту, где находится потребитель электрической энергии. Источником таких   колебаний   обычно   служат   индукционные   электромеханические   генераторы,   принцип действия   которых   основан   на   явлении   электромагнитной   индукции,   открытой   Фарадеем (демонстрируется   модель     маленького   генератора,   от   него   работает   лампочка   карманного фонарика).   Современные   электрические   генераторы   представляют   сложные   технические устройства.   Например,   на   Красноярской   ГЭС     вода   падает   с   высоты   120   м,   превращается   в кинетическую и вращает роторы электрических генераторов (мощность                            ).В нашей стране частота переменного тока – 50 Гц. Этот   принцип   получения   переменного   тока   используется   во   всех   видах   электростанций:   в гидроэлектростанциях (ГЭС), где потенциальная и кинетическая энергия воды преобразуется в электрическую энергию;   в теплоэлектростанциях (ТЭС), где тепловая (внутренняя) энергия топлива преобразуется   в электрическую;   электрическую.      Теперь слово предоставляется главному инженеру.    ­Полученная электрическая энергия низкочастотных колебаний должна передаваться к месту потребления,   при   этом   потери   должны   быть   минимальными.   Для   уменьшения   потерь электроэнергии на джоулево тепло необходимо уменьшить силу тока, а для этого необходимо повысить   напряжение,   для   чего   используются   повышающие   трансформаторы.   Электрические колебания с напряжением в сотни и тысячи киловольт с выхода трансформатора подаются на вход линий   электропередач   (ЛЭП),   по   которым,   как   по   направляющим,   распространяются электромагнитные   волны.   Так   как   частота   этих  колебаний   сравнительно   не   высока,   то   длина волны,   наоборот,   достигает   нескольких   тысяч   километров.   На   другом     конце   ЛЭП устанавливается   понижающий   трансформатор,   после   которого   через   систему   местных   линий электропередачи   и   понижающих   трансформаторов   электроэнергия   доводится   до   потребителя (демонстрируется схема передач энергии)…   в   атомных     электростанциях   (АЭС),   где   атомная   (ядерная)   энергия   преобразуется   в К   числу   самых   распространенных   электротехнических   устройств   относятся:   нагревательные приборы,   электродвигатели,   лампы   накаливания   (Ладыгин,   Эдисон),     лампы   дневного   света ( Вавилов).       2…А мы продолжаем путешествие. Следующая  станция «Царство инфракрасного излучения»          …(стр. 158 –159,взять из сборника )       3.Путешествие продолжается. Следующая станция « Диапазон видимого света».             (  стр. 161 – 162,­163, взять из сборника)       4.А теперь мы прибываем на станцию с посещением рентгеновского кабинета. Реклама.   Идёт   передача   «   Новости»:   а   теперь   сводка   происшествий.   В   связи   с   гололедицей увеличилось число травм, связанных с костным аппаратом человека. Попавшим в такое положение советуем обратиться в недавно созданный центр , где вас ждут опытные врачи – рентгенологи. Телефон справок: 03. У меня есть некоторые характеристики излучения, используемого в этом центре: длина волны­10 в минус девятой степени и 10 в минус одиннадцатой степени метра, частота 7*10 в шестнадцатой степени и 3*10 в девятнадцатой степени герц. Энергия фотонов равна 6,6*10 в минус пятнадцатой степени джоулей. Созданный   центр  никоим   образом   не  влияет   на  общий   радиационный   фон  в   городе,   который составляет на сегодня 15 микрорентген в час.    ( Гид по рентгеновскому кабинету ­ Ксения): А теперь прошу пройти в рентгеновский кабинет, предварительно надев бахилы для стерильности.    Работа рентгеновского кабинета основана на свойстве рентгеновских лучей проникать сквозь тела, почти не замечая их, оставляя только тени от   достаточно   плотных   тканей     (сухожилий,   костей,   инородных   плотных   тел,   попавших   при травмах и т.д.) Рентгеновское   излучение   было   открыто   Вильгельмом   Конрадом   Рентгеном   в   1895   году.   За открытие и исследование свойств рентгеновских лучей Рентген в 1901 году был первым среди физиков удостоен Нобелевской премии. В   настоящее   время   рентгеновское   излучение   получают   при   помощи   вакуумных   трубок   с впаянными катодом К и анодом А. Катод служит источником электронов. Между катодом и анодом подаётся высокое напряжение в десятки или сотни киловольт, ускоряющие электроны, которые   бомбардируют   металлический   анод,   образующий   угол   45   градусов   с   направлением движения   электронов.   Электроны,   взаимодействуя   с   поверхностью   анода,   резко   тормозятся, излучая   при   этом   электромагнитные   волны,   которые   и   представляют   собой   рентгеновское излучение. Это излучение свободно проходит через стекло и через отверстие в свинцовом экране и выходит в свободное пространство в нужном для исследования направлении. Рентгеновские лучи заставляют некоторые вещества светиться (люминесценция), что используется при необходимости  наблюдать рентгеновскую   картину на экране. Кроме того, рентгеновское излучение   оказывает   фотохимическое   действие   на   фотоплёнку,   что   так   же   используется   для получения  рентгенограмм при травме костей скелета . В первых опытах по исследованию Х – лучей, как назвал их сам Рентген, удалось установить  некоторые свойства излучения, подтверждающие волновую природу наблюдавшегося явления.  Позже, в 1912 г. Макс фон Лауэ получил дифракционную картину, пропустив рентгеновские лучи  через природный кристалл, будто через кристаллическую решётку. Впоследствии теория  дифракции рентгеновский лучей на пространственной решётке была развита отцом и сыном  Брэггами, удостоенными за свои исследования Нобелевской премии по физике в 1915 году за  создание метода рентгеноструктурного анализа. С помощью этого метода удалось установить  внутреннее строение многих кристаллов, сложных молекул и , в частности, Разгадать тайну  строения ДНК – молекулы, ответственной за передачу наследственных признаков у живых  существ на Земле. При сравнительно низких напряжениях спектр рентгеновского излучения сплошной, причем есть  коротковолновая граница, соответствующая данному напряжению(которая никак не объясняется  классической физикой, объясняет только квантовая механика). При увеличении напряжения  интенсивность излучения растёт, на фоне сплошного спектра появляются узки, ярко выраженные  спектральные линии с интенсивностью в тысячи раз больше интенсивности сплошного спектра. Таким образом, при изучении свойств рентгеновского излучения мы сталкиваемся с проявлением  и волновых свойств и квантовых свойств электромагнитного излучения. Причём, эти свойства  особенно чётко проявляются в экспериментах, в которых исследуется взаимодействие света с  веществом.     5…мы продолжаем путешествие и выходим на последней, самой экологически рискованной  станции «Гамма – излучение». Мы надеемся, что все меры безопасности будут соблюдены и нашей жизни ничего не будет  угрожать. (Гид по станции «Радиоактивность» Злата):  Под впечатлением открытия Рентгена французский учёный Анри Антуан Беккерель пытался  найти вещества, которые могли бы служить источником новых излучений, подобных загадочным Х – лучам (тем более, что в его распоряжении находилась богатая коллекция так называемых  «лунных камней», собранных его дедом и отцом). 24 февраля 1896 г. Беккерель сделал сообщение во Французской Академии наук о результатах  своих экспериментов. При освещении солнечными лучами минерала, сернокислой соли урана и  калия, фотопластинка, завёрнутая в чёрную бумагу, на которой помещался минерал, оказалась  после проявления засвеченной. Беккерель полагал, что под действием солнечных лучей соли  урана испускали ранее неизвестное излучение, подобное рентгеновскому. Каково же было  удивление, когда он обнаружил почернение пластинки и при отсутствии освещения солей урана  солнечным светом.  Примерно через год он  установил, что неизвестное излучение, вызывающее  почернение пластинки, испускается ураном независимо от того, в каком химическом соединении  он находится. Позднее Томсон и под его руководством Резерфорд и позднее супруги Кюри   установили, что новое излучение, получившее название радиоактивности, состоит из трёх  компонент: альфа – частицы, представляющие собой ядра гелия, бэта – частиц, представляющих  поток отрицательных частиц – электронов   и гамма излучения, представляющего собой жёсткое  электромагнитное излучение, самых коротких длин волн. Было ясно, что радиоактивность – это совершенно новое явление, связанное с процессами внутри  атома, а может быть и атомного ядра, но об этом мы будем разговаривать на следующей нашей  встрече…А  теперь заполните дневники и сдайте мне.  На этом наше путешествие заканчивается.  Всего доброго! До новых встреч!   P.S. В  качестве творческого домашнего задания можете  выполнить следующую работу. О  Л А К Р Е З П У Ч О К С А Л Р К И Т А Р О О И Е У П Р Б А М Е Е Г Ь А Д О С Ь Т К С М О П О Э К У К Б Ф З Л Р Л Л М А И Н Ж Н Е З И Н И Н О Д И К Т З П Р О Р Н О Л У К С Т О Р А Н Р О З И Л О Е А П П А О Т Г А Т И С О Л Н П О З В И Т А П М И В Е Л С И К Н О П Ц Е В Е Ч А Б Ф Н Задание: найти физические термины методом  филворда и дать их толкование. Например:1. в левом верхнем углу надо начать читать от верхнего левого угла с седьмой  клетки вверх: зеркало – это оптический прибор: плоская стеклянная пластина, покрытая  серебром, использует закон отражения света. Изображение получается прямое . равное,  мнимое. 2.Вторая клеточка от верхнего левого угла по горизонтали, потом вниз на одну  клетку, потом вправо на 4 клетки, вниз на 1 клетку, влево на 1,вниз на 1, вправо на 1, вниз  на 1 и влево на 1: преломление ­  явления изменения направления луча света при переходе на границе раздела двух сред (например: из воздуха в стекло) и т. д. Успеха!