Тақырып №27. Электромагниттік өріс және оның кеңістікте өзгеруі. Электромагниттік өрістің энергиясы. Радиобайланыс принципі

6.2 Сабақ міндеті:

1. Электромагниттік өрістің энергиясы және радиобайланыс принципі жайында ұғындыру.

2. Білімгерлердің білімін арттыру, тереңдету.

3. Білімгерлерді ұқыптылыққа тәрбиелеу.

6.3 Дәріс тезисі:

Ішінде еркін элетромагниттік тербелістер болып өте алатын ең қарапайым жүйе конденсатордан және оның астарларына жалғанған катушкадан тұрады. Мұндай жүйе тербелмелі контур деп аталады. Конденсатордың ауыстырып - қосқыш арқылы батерияға біраз уақыт жалғап, оны зарядтасақ, (26 а – сурет) осы кезде конденсатор мынандай энергия алады: W= ; (1)

мұндағы - q_m конденсатор заряды, ал С – оның электр сыйымдылығы. Конденсатордың астарларының арасында U_m потенциялдар айырымы пайда болады. Конденсаторды разрядтай бастасақ онда тізбекте электр тогы пайда болады. Канденсатор разрядталған сайын электр өрісінің энергиясы кеми береді, бірақ сонымен қабат токтың

Магнит өрісінің энергиясы арта бастайды, ол мына формуламен анықталады.

; (2)

Мұндағы, i айнымалы ток күші, L-катушканың индуктивтілігі. Контурдың электромагниттік өрісінің толық энергиясы магнит және электр өрістерінің энергияларының қосындыларына тең болады.

; (3)

Конденсатор толық разрядталған мезеттте (q=0) электр өрісінің энергиясы о-ге тең болады. Ал токтың магнит өрісінің энергиясы энергияның сақталу заңы бойынша максимал болады. Демек, бұл мезетте ток күші де I_m максимал мәңге жетеді.

Еріксіз механикалық оқығанда біз резонанс деген маңызды құбылыспен танысқан жүйе тербелісінің меншікті жиілігі сыртқы күшттің өзгеру жиілігімен дәл кеме, сол жағдайда резонанс байқалады. Егер электор тізбегі белгілі бір меншікті тербеліс жиілігі бар тербелмелі контур болса, онда механикалық және электромагниттік тербеліс заңдарының дәл келуі, бірден – ақ тізбекте резонанс байқалады деген қорытынды жасауға мүмкіндік береді.

Сыртқы айнымалы кернеудің жиілігі тербелмелі контурдың меншікті жиілігімен бірдей болғанда, еріксіз тербеліс амплитудасының кенет арту құбылысын элетрлік тербелмелі контурдағы резонанс деп атайды. Резонанс кезінде ток күшінің қалыптасқан тербелісінің амплитудасы мына теңдеумен анықталады:

I_m = ; (4)

R 0 кезде ток күшінің резонанстың мәні шексіз өседі. Ал R артқан сайын ток күшінің максимал мәні кемиді.

Электр резонанс құбылысы радио байланысты үзеге асыруға пайдаланалады. Қайсыбір жағдайларда резонанс үлкен зиян келтіруі мүмкін.Егер тізбек резонанс жағдайындағы жұмысқа сай есептелмесе,онда резонанстың пайда болуы апатқа әкеп соғады.

Радиобайланыс принцпі былай. Хабарлаушы антенада жасалған жиілігі жоғары айнымалы электр тогы айналадағы кеңістікте тез өзгеретін электро магнитті өріс туғызадыда, электромагниттік толқын түрінде тарайды.Қабылдаушы антенаға жеткеннен кейін,электромагниттік толқын хабарлағыш толқын жилікпен істейтін болса,жиілігі дәл сондай айнымалы ток туғызады. Радио телефон байланысында дыбыс толқындары ауа қысымының тербелісі микрофонның көмегімен дәл сондай электр тербелістерін айналдырады. Радиот елефон байланысының жүзеге асыру үшін, антенна күшті шығарып тарататын жиілігі жоғары тербелістерді пайдалану қажет. Дыбысты жеткізу үшін осы тербелістерді өзгертеді, яғни басқаша айтқанда, модуляциялайды. Модулияция – баяу процес. Бұл жоғары жиілікті тербелмелі жүйедегі өзгерістер процесі,онда ол өздерінің амплитудасы елерліктей өзгекруден бұрын,өте көп жоғары жиілікті тербелістер жасап үлгереді.

Қабылдағыш ішінде жиілігі жоғары модуляцияланған тербелістерден жиілігі төмен тербелістерді айырып,бөліп алады.Сигналды осылай түрлендіру процесін дитектрлеу деп атайды.Тербемелі контурда модуляцияланған тербелістерді радиотолқын қоздырады.Телефондардың катушкалары жүктеме ролін атқарады.Олар арқылы дыбыс жилігіндей жиілігі бар ток ағады.Ең қарапайым радиоқабылдағыш антенамен байланысқан тербелмелі контурдан тұрадыда,ол дитектордан, конденсатордан және телефоннан тұратын тізбек контуроына жалғанады.

Радиотолқындар арқылы обьектіні тауып,оның тұрған орнын дәл анықтау радиолокация деп аталады.Радиолокациялық қолндырғы-радиолокатор (немесе радио)-хабарлаушы және қабылдаушы бөліктерден тұрады.Радиолокацияда аса жоғары жиілікті (10-10 Гц) тербелістер пайдаланылады.

Радиотолқындар тек дыбысты ғана емес,сонымен бірге кескіндердіде қашықтыққа жеткізу үшін пайдаланылады.

Телевизиялық қабылдағышта детектрленгеннен кейін дәл әлгіндей сигнал шығады.Бұл-бейне сигнал.Ол вакуумдік-электрондық қабылдағыштық түтіктің-кинескопвакуумдік-электрондық қабылдағыш түтіктің көрінетін кескінге түрлендіріледі.Телевизиялық радиосигналдар тек,ультрақысқа (метрлік) толқын диапазонында ғана жіберіледі.Осындай толқындар әдетте антенаның тікелей көру шегінде ғана тарайды.Сондықтан телевизиялық хабармен үлкен атырапты қамту үшін телехабар таратқыштарды жиірек орналастыру және олардың антеналарын жоғарырақ көтеру керек.

Қазіргі кезде радиолокация күннен-күнге әр қилы мақсаттар үшін қолданылып келеді.Локаторлардың көмегімен атмосфераның жоғары қабаттарындағы метеорларды бақылайды.Әрбір ғарышкемесінің міндетті түрде бірнеше радиолокатр бар.Қазіргі кезде Күн жүйесінің планеталарына да локация жасау іске асырылып отыр.

Радиолокатр ұшақтар мен кемелердің орнын анықтауға,ауа райы қызм Электромагниттік толқындардың қысқа және ұзақтау импульстарынан құралатын телеграф сигналдарын ғана жеткізу емес, онан әрі электромагниттік толқындардың көмегімен сөзді, музыканы жеткізу мүмкіндігі туды, яғни, сенімді және жоғары сапалы радиотелефон байланысы іске асырылды.

Модуляция. Радиотелефон байланысын жүзеге асыру үшін, антенна күшті шығарып тарататын, жиілігі жоғары тербелістерді пайдалану қажет. Жиілігі жоғары өшпейтін гармониялық тербелістерді генератор, мысалы, транзисторлы генератор өндіріп береді. Дыбысты жеткізу үшін осы тербелістерді өзгертеді, яғни басқа сөзбен айтқанда, модуляциялайды. Оны жиілігі төмен электр тербелістерінің көмегімен жасайды. Мысалы, жиілігі жоғары тербеліс амплитудасын дыбыстыкіндей жиілікпен өзгертуге болады. Бұл тәсілді амплитудалық модуляция дейді де, ал жиілік өзгерсе жиіліктік модуляция деп атайды.

Детектирлеу. Қабылдағыш ішінде жиілігі жоғары модуляцияланған тербелістерден жиілігі төмен тербелістерді айырып, бөліп алады. Сигналды осылай түрлендіру процесін детектирлеу деп атайды.Детектирлеу нәтижесінде алынған сигнал, хабарлағыштың микрофонына әсер еткен дыбыс сигналына сәйкес болады. Жиілігі төмен электр тербелістерін күшейтіп алып, дыбысқа айналдырады және басқа мақсаттар үшін де пайдаланады.

етінде,планеталардың локациялауға және т.с.с. пайдаланылады.

6.4 Үлестірмелі материал: электрондық кітаптар, тесттер, карточкалар

6.5 Пайдаланған әдебиеттер:

1. Физика: Жалпы білім беретін мектептің жаратылыстану-математика бағытындағы 10-сыныбына арналған оқулық/ Б.Кронгарт, В.Кем, Н.Қойшыбаев.-Өңд., толықт. 2-бас. Алматы: Мектеп, 2010-384 б., сур.

2. Физика: Жалпы білім беретін мектептің жаратылыстану-математика бағытындағы 11-сыныбына арналған оқулық/ С.Тұяқбаев, Ш.Насохова, Б.Кронгарт, т.б.- Алматы: “Мектеп” баспасы. -384 б., сур.

3. Савельев И.В. Жалпы физика курсы. – Алматы, Мектеп, 1,2,3 том, 2000

4. Волькенштейн В.С. Жалпы физика курсының есептер жинағы. – М., Наука, 2000

5. Иродов И.Е. Жалпы физика курсының есептер жинағы. М: Наука, 2006

Бақылау сұрақтар

1. Модуляция дегеніміз не?

2. Детектрлеу дегеніміз не?

 

Тақырып №28. Оптика. Жарық табиғаты. Жарықтың таралуы.Жарықтың шағылу, сыну заңдары. Геометриялық оптика. Жарық қасиетімен түсіндірілетін құбылыстар.

6.2 Сабақ міндеті:

1. Оптика, жарық табиғаты, жарықтың шағылу және сыну заңдары туралы ұғындыру.

2. Білімгерлердің білімін арттыру, тереңдету.

3. Білімгерлерді ұқыптылыққа тәрбиелеу.

6.3 Дәріс тезисі:

Жарық құбылыстары құпия, әрі таңғаларлық болып көрінеді. Егер біз табиғаттағы белгілі заңдарға жүгінсек, жарықтың беймәлім сырларына қанық боламыз. Сендер көлікпен сағатына 30км жылдамдықпен жүйткіп келесіңдер делік. Егер көліктің артынан сағатына 29км жылдамдықпен жүгіретін болсаңдар, көлік сендерден сағатына 1км жылдам қозғалады. Осылайша жылдамдықты үдете отырып көліктен озуға болады. немесе керісінше, ал жарықтың құпиялылығы сол, бұлай істей алмайсың. Сен жарықтан басып озам деп қаншалықты талпынсаңда, ол сенен бір елі қалмай, сенімен бірдей жылдамдықта жүріп отырады. Тіпті супермен жарық шоқтарының артынан сағатына 999 999 999км жылдамдықпен ұшса да, жарық одан сағатына млрд км жылдамдықпен ұзап қозғалып отырады.

От туралы аңыз.

Ерте,ерте,ертеде,ешкі құйрығы келтеде мыңдаған жыл бұрын жер алыптар соғысынан құлазып,қараң қалған шақ бопты. Барлық алып ұрыс алаңында өліп,тірі қалған ең соңғы алып Прометей.Прометей құдыреті бар өнерін салып,саз балшықтан адамды жаратады,мекен етуіне жерді береді депті-мыс. Ол кезде жер өте суық,қараңғы болыпты.

Прометей

Прометей балшықтан адамдарды жаратты

Сонда қайырымды Протемей қараңғылық түнегін түріп,жерге нұр беруге ант етіпті де,аспанға ұшыпты. Бірнеше күннен кейін Күн құдайды Гелмостың сарайына жетіп,өзі алып барған Зәйтүн ағашын тұтатып алады да,қаша жөнеледі.

Гелмос сарайы

Құдай болған соң,бұлт жиналып алып бір-біріне сабалап, найзағай отын жарқылдатады.

Жай жаңбырша жауады.Прометей тастардың арасына жасырынып аман қалады.Ыза болған Гелиос өксіп-өксіп жылап,жасы шелектеп құйылады. Прометей одан да аман өтеді. Аман-есен жерге оралады да,әкелген отын ағаш үйіндісін үстіне тастай салады да,керектеріңе жаратыңдар депті- мыс. От деген ұғым осы сөзден шығыпты.

Жарықсыз өмір жоқ, Тіршілік атаулының барлығы жарық пен жылу арқылы өнеді, піседі, дамиды. Адам баласының алғашқы кездегі іс-әрекеттері тамақ табу, аң аулау, жауларынан қорғану т.б. тек қана осы жарықтың арқасында жүзеге асқан.

Ертедегі адамдар әуелі найзағайдың түсуінен жанған ағаштың отын пайдаланып, оны өшірмей ұзақ сақтауға тырысқан. Археологтар жүздеген жылдар бойы жанып тұрған от орнын тапқан.

Адам бірте-бірте отты өзі жағуды үйренді. Тасты – тасқа ұрып, одан шыққан ұшқынмен отынды тұтатты. Ағаш таяқты бір-біріне үйкеп, қыздырғанда, ұсақ жаңқалар бықси бастаған. Оған жүн немесе өсімдік талшығынан жасалған білтені жақындатқанда, ол тұтанып, от жалынға айналған.

Келе - келе жарықты қараңғыда емін-еркін жүру үшін адамдар фонарьлар қолдана бастады. Машиналарға, зәулім үйлерге, көшелерге электр шамдарын орнатып жарықтандырды.

Ертеректе қолданған жарық көздері.

Ғаламдағы негізгі жарық көздері – жұлдыздар. Бізге ең жақын жұлдыз–Күн. Күн өздігінен сәуле шығаратын зор энергия көзі. Ол күн жүйесіндегі барлық денелерге сәуле шығару арқылы күшті әсер етеді: оларды қыздырады, планеталар атмосферасына әсер етеді, Жердегі тіршілікке қажетті жарық пен жылу береді, барлық өсімдік пен жануарлар әлемінің өмір сүруін қамтамасыз етеді. Күннің толық сәуле шығару қуаты шамамен 4•10²³кВт. Күннің тиімді температурасы шамамен 6000К-ге тең.Жарық құбылыстарының зерттелуі, көптеген физикалық, астрономиялық, химиялық, биологиялық құбылыстарды зерттеп ашуға септігін тигізген әр түрлі оптикалық аспаптарды жасауға мүмкіндік берді. Жарық тұрмыста,медицинада,қозғалыс қауіпсіздігі үшін әскери техникада қолданылады.

Жарық көздері-жарық шығаратын денелер. Олардың барлығын екі топқа бөлуге болады: дербес жарық көздері және шағылған жарық көздері. Дербес жарық көздері өз кезегінде: жылулық, люминесциялық және плазмалық болып үш түрге бөленеді.Жылулық жарық көздеріне Күн мен жұлдыздар жатады.

Жарықтың люминесценциялық көздерінің мысалдарына: люминесценциялық шамдар, теледидар экраны, тамырдың шірінділері, жарық қоңыздары, судың терең қабатында жүзетін балықтар, металдардың әр түрлі тұздары, радиоактивті заттар жатады.

қоңыз балық қоңыз көбелек

Люминесценция көзіне механикалық соққыны да жатқызуға болады, мысалы, қараңғыда қантты ұнтақтағанда, күкіртті мырыш ұнтағын екі шыны пластинаның арасына салып үйкегенде сәуле шығатынын көруге болады.

Плазмалық жарық көздеріне өздері арқылы электр тогын өткізетін газдар жатады мәселен, жарнамалық түтікшелер,кварц шамдары, лазерлер, поляр шұғыласы.

кварц лазер поляр шұғыласы

Көптеген денелер басқа жарық көздерінен өздеріне түсетін жарықты шағылдырып, шағылған жарық көздері қызметін атқарады: аспан күмбезі, мұхит, теңіз, көл, өзен суларының беті, өсімдік, қар, бұлт жамылғыларының беті.

Планеталар, олардың серіктері, Жердің жасанды серіктері, Ай және кометалар, болид, метеориттер де күннің шағылған жарық көздері болып табылады.

планеталар ЖЖС Ай комета болид метеорит

Иссак Ньютон-жарықты бөлшек ретінде қарастырған алғашқы ғалымдардың бірі болды. Ол: «Егер жарық толқын болса, түзу сызық бойымен жүрмеген болар еді және көлеңке тудырмас еді, ол заттарға жартастарды шайып жатқан мұхит толқындарды секілді келер еді», -деген тұжырымға келді. Ньютон сондай-ақ қабырғаға соғылған доптың кері қалай серпілетіні секілді, жарықтың да айнаға соғылып, кері шағылғанын байқайды. Бұл құбылыс оны жарық ұсақ бөлшектерден тұрады деген ойға жетеледі. Жарық-заттың бөлшектерінің табиғатынан бөлек, табиғаты ерекше бөлшектер ағыны болып табылады. Жарық бөлшектері фотондар деп аталады. Олардың массасы мен энергиясы, толқындық қасиеттері бар және қозғалыста ғана өмір сүре алады. Фотондар ағыны энергияны жарық көзінен жарықталынған денелерге жеткізеді. Бұл энергияны жарық энергиясы немесе жарықтың сәуле шығару энергиясы деп аталады.

Жарық әсерінен денелер қызады, металдардан электрондар ұшып шығады, осының нәтижесінде металдар электрленеді. Жарық әр түрлі химиялық реакциялар тудырады, мысалы, маталарда бояудың оңуы, фотопластинкалар мен фотопленкалардың қараюы. Өсімдік жапырақтарында жарық әсерінен хлорофилл түзіледі. Жарық-әрбір жекеленген түстің мұқият араласқан қоспасы, олар сендерге жеке көрінбейді. 1665 жылдың 22 жастағы Иссак Ньютон Англияда анасының фермасында қараңғы бөлмеде отырып, перде саңылауынан түскен жіңішке жарық сәулесін призма арқылы өткізеді.

Призмадан шыққан сәуле бірнеше сәулеге бөлінеді. Олар қызыл, қызғылт сары, сары, жасыл, көгілдір, көк, күлгін түс болып, кемпірқосақта болатын түстерге боялады. Кемпірқосақты біз жаңбыр жауарда немесе жаңбырдан кейін көреміз. Күн сәулесі жаңбырдың әрбір тамшысына енеді. Тамшылар күн сәулесін сындырған кезде спектрдің барлық түстері көзге көрінеді. Кемпірқосақ – жарықтың жаңбыр тамшыларында призмадағыдай жіктелуі нәтижесінде пайда болған күн жарығының үздіксіз спектрі. Кемпірқосақтың үстіңгі жолағы қызыл, төменгі жолағы күлгін болады да, ортасында қалған түстен орналасады.

Кемпірқосақ доғал болып келеді, өйткені сендер жарық белгілі бір бұрышта сынатын жердегі түстерді ғана көресіңдер. Кемпірқосақ жолында жер болмағанда, оның пішіні домалақ болар еді.

Ньютонның ашқан құбылысы жарықтың дисперсиясы деп аталды.

Дисперсия латынша dispersion- шашырау сөзінен шыққан. Жасыл көгілдір және қызыл түстерді қоссақ, нәтижесінде ақ жарық аламыз. Дәл осы тәрізді сары мен жасыл түс араласқанда ақ жарық береді. Бір-біріне қосқанда ақ жарық беретін түстерді ньютон толықтауыш түстер деп атаған.

1807 жылы ағылшын физигі Томас Юнг өте маңызды жаңалық ашты. Ол қызыл, жасыл және көгілдір түстерді қосып, ақ түс алуға болатын байқады. Юнг бұл түстерді алғашқы түстер деп атады.

Жарық-электромагниттік сәулелердің көзімізге көрінетін түрі, ақ түс кемпірқосақтың барлық түрінің қосындысы. Олар бірігіп көзге көрінетін спектр құрады.

Жарықтың толқын екендігі туралы алғашқы болжамды осыдан 400 жылдай бұрын итальяндық ғалым Гримальди айтқан болатын. Ол жіңішке сәулелердің көлеңкелерін зерттеді. Көлеңкенің пайда болуы біртекті ортада жарықтың түзу сызықты таралуымен түсіндіріледі. Жарық та толқын секілді сынады.

Жарықтың зияны: Мысалы: Исаактың көзінің зақымдануы.

1.Призмаға байланысты табысына жігерленген Ньютон көптеген тәжірибелер жасады. Ол адам көзі призма секілді жарықты бізге көрінетін түстерге жіктейді деп ойлайды. Осы теорияны тексеріп көру үшін ол іс тігетін инені көзіне тақап көрген. Теория қате болып шықты, ол Ньютонның көзіне зақым келтірумен аяқталды. Тіпті ол көз жанарынан айырылып қала жаздады.

2.Рентген сәулелерінің толқындары атомның көлеміндей болады. Олардың да қуаты өткір келеді. Рентген сәулелерінің аздаған мөлшері қауіпті емес. Бірақ көп мөлшері тірі организмге зиян келтіреді. Олар дененің жұмсақ тәні арқылы өтеді, алайда сүйектер, тістер мен металдар ол үшін мөлдір емес. Рентген суретінде олар көлеңке секілді болып көрінеді.

3.Ультракүлгін сәулелер бізге Күннен беріледі. Ультракүлгін сәулелер бізге көрінбейді, алайда оларды аралар, көбелектер, құстар мен жарғанаттар көре алады. Бұл сәулелер теріні күйдіреді және әжімнің пайда болуына әсер етеді. Өткір ультракүлгін сәуле адам терісінен өтіп, тірі жасушаларды зақымдап, тері рагын туғызуы мүмкін.

Жарықтың пайдасы:

1.Жарық кедір-бұдыр беттен басқаша шағылады. Мұндай бет оған түскен жарықты барлық бағытта шағылдырады. Жарықтың дәл осы шашыранды шағылуынан, біз өзімізді қоршаған барлық нәрселерді әр түрлі көру бұрыштарымен көре аламыз. Шашыраған жарық айналық шағылуға қарағанда көзге жағымдырақ сезіледі, ол көзді көп шаршатпайды. Мысалы: көлдер, шығанақтар, қойнаулар, тоғандар, су беті және т.б.

2.Гамма сәуле- ең қауіпті электромагниттік сәуле. Өтімділік қабілеті рентген сәулелерінікінен анағұрлым артық. Оның толқындары атомнан да кішкене болғанымен, қуаты күшті. Ол тіпті қатты нәрселерді (мәселен, қорғасын немесе бетон) тесіп өтеді және тірі тәндерге зиян келтіреді. Табиғатта гамма сәуле ядролық жарылыстан кейін радиоактивті заттар ыдырау кезінде пайда болады. Олар сондай-ақ, рак ауруларын емдеуге қолданылады.

Жарық көпіршіктің пленкасының сыртқы және ішкі беткі қабаттарына шағыла отырып, интерференцияланатын екі толқындар тобын құрайды. Көпіршіктің айтарлықтай тығыз жерінде белгілі бір толқын ұзындықтары қабықтан ішке өтіп, бізге алуан түстер болып көрінеді. Қалған толқын ұзындықтары қабықтан кері шағылған кезде түстер жоғалады. Егер суға екі тас тастайтын болсақ, екі дөңгелек толқын туатынын және бір толқын екіншіден өтіп, екінші толқын болмағандай-ақ, кідірмей тарай беретінін байқауға болады. Жарық толқындары да осылай әрекет етеді. Жарық интерференциясын ашқан Т.Юнг 1802 жылы дифракциядан классикалық тәжірибе жасады. Дифракция латынша difractus-сынған сөзінен шыққан. Жарық толқындары өлшемдері жөнінен жарық толқыны ұзындығымен шамалас бөгеттерді орағытып өтеді. Француз физигі Огюстен Френель дифракциялық көріністі есептеудің жуық әдісін жасап шығарған.

Көпіршік

Көпіршік ішіне ауа толтырылған шар секілді, бірақ резеңке сияқты емес, оның қабығы сұйық заттардан құралған плёнкадан тұрады. Плёнканың үш қабаты бар: сабын молекулаларының ішкі және сыртқы қабаты және арасындағы су молекулаларының қабаты. Су молекулалары бір-біріне соғыла отырып, көпіршікті бірге ұстап тұратын күш тудырады. Плёнканың қалыңдығы жарық толқындарының ұзындығымен бірдей мыңдаған миллиметрден де кіші болады.

Теңіз неге көгілдір?

Күн неге қызарып батады?

Бұлт неге ақ болады?

сабын көпіршігі