Интенсивность световой волны. В чем измеряется свет. Комфортная интенсивность освещения

Свет играет огромную роль не только в интерьере, но и в нашей жизни в целом. Ведь от правильной освещенности помещения зависит эффективность работы, а так же наше психологическое состояние. Свет дает человеку возможность не только видеть, но и оценивать цвета и формы окружающих предметов.

Конечно, для человеческих глаз наиболее комфортен естественный свет. При таком освещении все видно очень хорошо и без искажений цветов. Но не всегда естественное освещение присутствует, в темное время суток, например, приходиться обходиться искусственными источниками света.

Чтобы глаза не напрягались, и не портилось зрение, необходимо создать оптимальные условия света и тени, создавая максимально комфортное освещение.

Для глаз самое приятное освещение - естесcтвенное

Освещение, так же как и многие другие факторы, оценивается по количественным и качественным параметрам. Количественные характеристики определяются интенсивностью света, а качественные – его спектральным составом и распределением в пространстве.

Как и в чем измеряется интенсивность света?

У света есть множество характеристик и на каждую существует своя единица измерения:

• Сила света характеризует величину световой энергии, которая переносится за определенное время в какое-либо направление. Она измеряется в канделах (кд), 1 кд приблизительно равна силе света, который излучает одна горящая свеча;
• Яркость так же измеряется в канделах, помимо этого существуют такие единицы измерения, как стильб, апостильб и ламберт;
• Освещенность – это отношение светового потока, который падает на определенный участок, к его поверхности. Измеряется она в люксах.

Именно освещенность является важным показателем для правильной работы зрения. Для того, чтобы определить эту величину используется специальный прибор для измерения. Называется он люксометр.

Люксометр – это прибор для измерения освещенности.

Состоит данный прибор из приемника света и измерительной части, она бывает стрелочного типа или электронного. Приемник света – это фотоэлемент, который преобразует световую волну в электрический сигнал и направляет в измерительную часть. Это устройство является фотометром и обладает заданной спектральной чувствительностью. С его помощью можно измерить не только видимый свет, но и инфракрасное излучение и т. д.

Данный прибор используется как в производственных помещениях, так и в учебных заведениях, а так же дома. Для каждого вида деятельности и занятий существуют свои нормы того, какой должна быть интенсивность света.

Комфортная интенсивность освещения

Зрительный комфорт зависит от многих факторов. Безусловно, самым приятным для человеческого глаза является солнечный свет. Но современный ритм жизни диктует свои правила, и очень часто приходится работать или просто находиться при искусственном освещении.

Производители осветительных приборов и ламп стараются создавать такие источники света, которые отвечали бы особенностям зрительного восприятия людей и создавали бы максимально комфортный по интенсивности свет.

Свет от лампы накаливания наиболее точно передает естественные оттенки

В обычных лампах накаливания в качестве источника освещения используется раскаленная пружина, а потому, этот свет наиболее похож на естественный.

Лампы разделяют на следующие категории по типу света, который они дают:

• теплый свет, имеющий красноватые оттенки, он хорошо подходит для домашней обстановки;
• нейтральный свет, белый, используется для освещения рабочих мест;
• холодный свет, голубоватый, предназначен для мест, где выполняются работы высокой точности или для мест с жарким климатом.

Важно не только то, к какому типу относятся лампы, но и конструкция самого светильника или люстры: сколько лампочек вкручивается туда, куда направлен свет, закрыты или открыты плафоны – все эти особенности нужно учитывать при выборе осветительного прибора.

Нормы освещенности зафиксированы в нескольких документах, самые главные это: СНиП (строительные нормы и правила) и СанПиН (санитарные правила и нормы). Существуют также МГСН (Московские городские строительные нормы), а так же свой свод правил для каждого региона.

Именно на основе всех этих документов и принимается решение о том, какой должна быть интенсивность освещения.

Безусловно, задумываясь о том, какую люстру повесить в гостиную, спальню или кухню, никто не замеряет интенсивность освещения с помощью люксометра. Однако, знать в общих чертах какой свет будет комфортней для глаз, очень полезно.

В Таблице 1 приведены нормы освещенности для жилых помещений:

Таблица 1

В Таблице 2 привдены нормы освещенности для офисов

В домашних условиях, без специального оборудования трудно измерить освещение в помещениях, а потому для того чтобы понять, какую лампу выбрать, стоит обратить внимание на цвет (холодный, нейтральный или теплый) и количество Ватт. В помещениях для отдыха лучше использовать не слишком яркие, а в рабочих кабинетах – с более интенсивным светом.

Поскольку для глаз наиболее приятно естественное освещение, то предпочтение в домашней обстановке стоит отдавать лампам, дающим теплый свет. Когда мы приходим домой, глазам обязательно нужен отдых после напряженного рабочего дня. Правильно подобранные по яркости лампы для люстр и светильников помогут создать подходящее по интенсивности освещение.

Интенсивность света измеряется при размещении освещения в помещении или при подготовке оборудования к фотосъемке. Термин "интенсивность" используется по-разному, и из этой статьи вы узнаете, какие устройства и методы подойдут для ваших целей. Профессиональные фотографы и светотехники используют цифровые экспонометры, но вы можете сделать простое устройство со схожим действием - фотометр Джоли - самостоятельно.

Шаги

Как измерить интенсивность освещения в помещении и интенсивность света лампы

Разберитесь в фотометрах, которые измеряют интенсивность света в люкс и фут-канделах. Такие приборы измеряют интенсивность света на поверхности, то есть освещенность . Обычно такие устройства используются для подготовки к фотосъемке и при проверке освещенности помещения.

Узнайте, как следует интерпретировать данные. Вот несколько примеров типичных показаний, которые помогут вам понять, следует ли вам изменить освещение в помещении:

• Работать в офисе комфортно при освещенности 250-500 люкс (23-46 фут-канделов).
• В супермаркетах и на рабочих местах, требующих тонкой работы, используется освещенность 750-1000 люкс (70-93 фут-канделов). Верхнее значение сопоставимо с освещенностью на открытом пространстве на улице в светлый солнечный день.

1. Узнайте, что такое люмены. Если в описании лампочки встречается слово "люмен", оно описывает, сколько энергии испускает лампочка в виде видимого света. Вам нужно знать следующее:

   Измерьте угол наклона и поле лучей. Эти характеристики применимы к источникам света, которые направляют световой поток узким лучом в определенную сторону (к примеру, фонарики). Эти значения можно измерить экспонометром и с помощью линейки и транспортира.

   • Держите экспонометр прямо перед самым ярким лучом. Подвигайте его, пока не найдете участок с максимальной интенсивностью света (освещенностью).
   • Сохраняя то же расстояние до источника света, сместите экспонометр в одну сторону, пока интенсивность света не уменьшится до 50% от максимального уровня. С помощью линейки или нитки проведите линию от источника света до этой точки.
   • Проделайте то же самое с другой стороны. Проведите линию.
   • С помощью транспортира измерьте угол между двумя линиями. Это и будет углом луча - то есть углом, под которым расходится свет.
   • Чтобы измерить поле, проделайте то же самое, только отметьте точки там, где интенсивность освещения будет равняться 10% от максимального значения.

   Как измерить относительную освещенность самодельным устройством

   1. Сделайте устройство своими руками. Собрать его несложно, если у вас есть нужные материалы. Это изобретение называется фотометром Джоли, и с его помощью можно измерить относительную интенсивность двух источников света. Обладая необходимыми знаниями физики, о которых речь пойдет ниже, можно выяснить, какая из двух лампочек дает больше света и какая из них более эффективная.

      • Поскольку значение будет относительным , оно не будет выражено в точных единицах. Вы будете знать соотношение между двумя источниками света, но не сможете выяснить точные числа, не прибегая к еще одному эксперименту.

   2. Разрежьте кусок парафинового воска пополам. Купите воск в хозяйственном магазине, отрежьте кусочек весом 500 граммов, а затем острым ножом разрежьте этот кусочек пополам.

      Положите фольгу между двумя кусками воска. Оторвите кусочек алюминиевой фольги от листа и положите его на один из кусков, стараясь накрыть всю верхнюю поверхность целиком. Сверху поместите второй кусок воска.

      Поверните полученную конструкцию вертикально. Чтобы устройство заработало, его нужно повернуть так, чтобы фольга оказалась в вертикальном положении. Если воск сам не держится, можете пока оставить его в горизонтальном положении, но помните, что коробка, которую вы будете собирать, должна будет удерживать воск вертикально.

      Прорежьте три окошка в картонной коробке. Возьмите коробку, в которую поместится воск. Возможно, вам подойдет упаковка от воска. Отмерьте окошки и вырежьте их ножницами.

      • Прорежьте два окна одинакового размера с противоположных сторон. Отверстия должны быть напротив разных сторон парафина, когда те окажутся в коробке.
      • Прорежьте третье окно любого размера в передней части коробки. Отверстие должно быть по центру, чтобы вы могли видеть обе части восковых кусочков.

   3. Положите внутрь воск. Фольга между двумя кусками должна находиться в вертикальном положении. Возможно, вам придется использовать изоленту либо скотч, небольшие кусочки картона или и то, и другое, чтобы воск не переворачивался, а фольга - не съезжала.

      • Если у коробки нет крышки, накройте ее картоном или любым другим непрозрачным предметом.

   4. Выберите точку отсчета. Решите, какой источник света вы будете использовать в качестве отправной точки. Если вы будете сравнивать более двух источников света, вы сможете использовать эту лампу при каждом сравнении.

      Расположите два источника света на прямой линии. Положите две небольшие лампочки, светодиоды или другие источники света на ровную поверхность на прямой линии. Расстояние между ними должно быть больше ширины коробки, которую вы только что сделали.

      Расположите экспонометр между двумя источниками света. Он должен быть на такой же высоте, как и лампочки, чтобы лампочки могли полностью освещать воск внутри коробки через окошки. Помните, что источники света должны быть на большом расстоянии друг от друга.

      Выключите свет в помещении. Закройте окно, задвиньте шторы, опустите жалюзи, чтобы сторонний свет не проникал в коробку.

      Поправьте лампочки так, чтобы воск был освещен с обеих сторон одинаково. Поднесите фотометр к стороне с меньшей освещенностью. Передвигая коробку, смотрите в окошко на передней стороне коробки. Остановитесь, когда оба куска воска будут подсвечены одинаково.

   5. Измерьте расстояние от экспонометра до каждого источника света. Рулеткой измерьте расстояние от фольги до лампы, которую вы выбрали в качестве точки отсчета. Обозначьте эту точку как d1 . Запишите расстояние, затем измерьте расстояние от фольги до источника света с противоположной стороны, d2 .

      • Расстояние можно измерять в любых величинах, главное - не путать их. К примеру, если вы измеряете в сантиметрах, пишите только сантиметры (без метров).
   6. Например, предположим, что расстояние d 1 до источника света, взятого за точку отсчета, составляет 60 сантиметров, а расстояние d 2 до второго источника света - 1,5 метров.
   7. I 2 = 5 2 /2 2 = 25/4 = 6.25
   8. Интенсивность света второго источника в 6.25 раз больше , чем первого.

2. Рассчитайте эффективность. Если на лампочках отмечена мощность в ваттах (например, 60 ватт), эти цифры означают, сколько электричества потребляет лампочка. Разделите относительную интенсивность лампочки на это число, и вы получите эффективность лампочки относительно других источников света. Например:

   • У лампочки 60 ватт с относительной интенсивностью 6 относительная эффективность равняется 6/60 = 0.1.
   • У лампочки 40 ватт с относительной интенсивностью 1 относительная эффективность равняется 1/40 = 0.025.
   • Поскольку 0.1 / 0.025 = 4, лампочка 60 ватт в четыре раза эффективнее превращает электрический ток в свет. Помните, что она будет потреблять больше энергии, чем лампочка 40 ватт, а это обойдется вам в более крупную сумму. Эффективность - это процент пользы на каждую потраченную денежную единицу.

• Рассчитав сравнительную интенсивность света, можно измерить интенсивность освещенности с помощью аналогового или цифрового экспонометра. Новые цифровые экспонометры измеряют интенсивность в люкс, а старые аналоговые - в фут-канделах. 1 фут-кандела =10.76 люкс.

Таким образом, в геометрической оптике световую волну можно рассматривать как пучок лучей. Лучи, однако, сами по себе определяют лишь направление распространения света в каждой точке; остается вопрос о распределении интенсивности света в пространстве.

Выделим на какой-либо из волновых поверхностей рассматриваемого пучка бесконечно малый элемент. Из дифференциальной геометрии известно, что всякая поверхность имеет в каждой своей точке два, вообще говоря, различных главных радиуса кривизны.

Пусть (рис. 7) - элементы главных кругов кривизны, проведенные на данном элементе волновой поверхности. Тогда лучи, проходящие через точки а и с, пересекутся друг с другом в соответствующем центре кривизны а лучи, проходящие через b и d, пересекутся в другом центре кривизны .

При данных углах раствора лучей, исходящих из длины отрезков пропорциональны соответствующим радиусам кривизны (т. е. длинам и ); площадь элемента поверхности пропорциональна произведению длин , т. е. пропорциональна Другими словами, если рассматривать элемент волновой поверхности, ограниченный определенным рядом лучей, то при движении вдоль них площадь этого элемента будет меняться пропорционально .

С другой стороны, интенсивность, т. е. плотность потока энергии, обратно пропорциональна площади поверхности, через которую проходит данное количество световой энергии. Таким образом, мы приходим к выводу, что интенсивность

Эту формулу надо понимать следующим образом. На каждом данном луче (АВ на рис. 7) существуют определенные точки и , являющиеся центрами кривизны всех волновых поверхностей, пересекающих данный луч. Расстояния и от точки О пересечения волновой поверхности с лучом до точек являются радиусами кривизны волновой поверхности в точке О. Таким образом, формула (54,1) определяет интенсивность света в точке О на данном луче как функцию от расстояний до определенных точек на этом дуче. Подчеркнем, что эта формула непригодна для сравнения интенсивностей в разных точках одной и той же волновой поверхности.

Поскольку интенсивность определяется квадратом модуля поля, то для изменения самого поля вдоль луча мы можем написать:

где в фазовом множителе под R может поразумеваться как так и величины отличаются друг от друга только постоянным (для данного луча) множителем, поскольку разность , расстояние между обоими центрами кривизны, постоянна.

Если оба радиуса кривизны волновой поверхности совпадают, то (54,1) и (54,2) имеют вид

Это имеет место, в частности, всегда в тех случаях, когда свет испускается точечным источником (волновые поверхности являются тогда концентрическими сферами, a R - расстоянием до источника света).

Из (54,1) мы видим, что интенсивность обращается в бесконечность в точках т. е. в центрах кривизны волновых поверхностей. Применяя это ко всем лучам в пучке, находим, что интенсивность света в данном пучке обращается в бесконечность, вообще говоря, на двух поверхностях - геометрическом месте всех центров кривизны волновых поверхностей. Эти поверхности носят название каустик. В частном случае пучка лучей со сферическими волновыми поверхностями обе каустики сливаются в одну точку {фокус).

Отметим, что, согласно известным из дифференциальной геометрии свойствам геометрического места центров кривизны семейства поверхностей, лучи касаются каустик.

Надо иметь в виду, что (при выпуклых волновых поверхностях) центры кривизны волновых поверхностей могут оказаться лежащими не на самих лучах, а на их продолжениях за оптическую систему, от которой они исходят. В таких случаях говорят о мнимых каустиках (или мнимых фокусах). Интенсивность света при этом нигде не обращается в бесконечность.

Что касается обращения интенсивности в бесконечность, то в действительности, разумеется, интенсивность в точках каустики делается большой, но остается конечной (см. задачу к § 59). Формальное обращение в бесконечность означает, что приближение геометрической оптики становится во всяком случае неприменимым вблизи каустик. С этим же обстоятельством связано и то, что изменение фазы вдоль луча может определяться формулой (54,2) только на участках луча, не включающих в себя точек его касания с каустиками. Ниже (в § 59) будет показано, что в действительности при прохождении мимо каустики фаза поля уменьшается на . Это значит, что если на участке луча до его касания первой каустики поле пропорционально множителю - координата вдоль луча), то после прохождения мимо каустики поле будет пропорционально То же самое произойдет вблизи точки касания второй каустики, и за этой точкой поле будет пропорционально

Вычислим теперь полную энергию, излучаемую зарядом при ускорении. Для общности возьмем случай произвольного ускорения, считая, однако, движение нерелятивистским. Когда ускорение направлено, скажем, по вертикали, электрическое поле излучения равно произведению заряда на проекцию запаздывающего ускорения, деленному на расстояние. Таким образом, нам известно электрическое поле в любой точке, а отсюда мы знаем энергию , проходящую через единичную площадку за .

Величина часто встречается в формулах распространения радиоволн. Обратную ей величину можно назвать импедансом вакуума (или сопротивлением вакуума); она равна . Отсюда мощность (в ваттах на квадратный метр) есть средний квадрат поля, деленный на 377.

С помощью формулы (29.1) для электрического поля мы получаем

, (32.2)

где - мощность на , излучаемая под углом . Как уже отмечалось, обратно пропорционально расстоянию. Интегрируя, получаем отсюда полную мощность, излучаемую во всех направлениях. Для этого сначала умножим на площадь полоски сферы, тогда мы получим поток энергии в интервале угла (фиг. 32.1). Площадь полоски вычисляется следующим образом: если радиус равен , то толщина полоски равна , а длина , поскольку радиус кольцевой полоски есть . Таким образом, площадь полоски равна

(32.3)

Фигура 32.1. Площадь кольца на сфере, равна .

Умножая поток [мощность на , согласно формуле (32.2)] на площадь полоски, найдем энергию, излучаемую в интервале углов и ; далее нужно проинтегрировать по всем углам от до :

(32.4)

При вычислении воспользуемся равенством и в результате получим . Отсюда окончательно

Необходимо сделать несколько замечаний по поводу этого выражения. Прежде всего, поскольку есть вектор, то в формуле (32.5) означает , т. е. квадрат длины вектора. Во-вторых, в формулу (32.2) для потока входит ускорение, взятое с учетом запаздывания, т. е. ускорение в тот момент времени, когда была излучена энергия, проходящая сейчас через поверхность сферы. Может возникнуть мысль, что энергия действительно была излучена точно в указанный момент времени. Но это не совсем правильно. Момент излучения нельзя определить точно. Можно вычислить результат только такого движения, например колебания и т. п., где ускорение в конце концов исчезает. Следовательно, мы можем найти только полный поток энергии за весь период колебаний, пропорциональный среднему за период квадрату ускорения. Поэтому в (32.5) должно означать среднее по времени от квадрата ускорения. Для такого движения, когда ускорение в начале и в конце обращается в нуль, полная излученная энергия равна интегралу по времени от выражения (32.5).

Посмотрим, что дает формула (32.5) для осциллирующей системы, для которой ускорение имеет вид . Среднее за период от квадрата ускорения равно (при возведении в квадрат надо помнить, что на самом деле вместо экспоненты должна входить ее действительная часть - косинус, а среднее от дает ):

Следовательно,

Эти формулы были получены сравнительно недавно - в начале XX века. Это замечательные формулы, они имели огромное историческое значение, и о них стоило бы почитать в старых книгах по физике. Правда, там использовалась другая система единиц, а не система СИ. Однако в конечных результатах, относящихся к электронам, эти осложнения можно исключить с помощью следующего правила соответствия: величина где - заряд электрона (в кулонах), раньше записывалась как . Легко убедиться, что в системе СИ значение численно равно , поскольку мы знаем, что и . В дальнейшем мы будем часто пользоваться удобным обозначением (32.7)

Если это численное значение подставить в старые формулы, то все остальные величины в них можно считать определенными в системе СИ. Например, формула (32.5) прежде имела вид . А потенциальная энергия протона и электрона на расстоянии есть или , где СИ.

Цели обучения: ввести и сформировать понятия интенсивности, давления и импульса электромагнитной волны; теоретически и экспериментально обосновать эти понятия.

Цели развития: совершенствовать критичность мышления, умения рассуждать по аналогии; способности применять теоретические знания для объяснения физических явлений.

Цели воспитания: развивать волевые, мотивационные и толерантные характеристики личности.

Дидактические средства:

1. Мякишев Г.Я. Физика: Учеб. для 11 кл. общеобразоват. учреждений / Г.Я.Мякишев, Б.Б.Буховцев. – М.: Просвещение, 2004.
2. Касьянов В.А. Физика. 11 кл.: Учебн. для 11 кл. общеобразоват. учеб. заведений. – М.: Дрофа, 2002.
3. Электронная версия опорного конспекта урока; видеофрагменты демонстрационных опытов.
4. Комплект для изучения электромагнитных волн (выпускается ЗАО НПК «Компьютерлинк»), вольтметр, миллиамперметр, регулируемый источник напряжения.

5.1. Введение

Учитель. Сегодня мы продолжим знакомство с важнейшими характеристиками электромагнитной волны как материального объекта. Перенос энергии волной характеризуется специальной величиной, которая называется интенсивностью . Электромагнитная волна, падая на препятствие, оказывает на него давление. При этом препятствие приобретает импульс, следовательно, импульсом обладает само электромагнитное излучение. Давление и импульс доступной нам электромагнитной волны ничтожно малы, поэтому мы не сможем измерить их в учебных опытах. Однако мы сумеем объяснить их существование и оценить значения соответствующих величин.

5.2. Интенсивность электромагнитной волны

Учитель. Вспомните, как математически записывается гармоническая волна и как выражается её энергия.

Учащиеся. Уравнение для напряжённости электрического поля в гармонической электромагнитной волне имеет вид где

а плотность её энергии:

ω = ε 0 εE 2 . (5.2)

Учитель. Произведение плотности энергии на скорость волны называется поверхностной плотностью потока энергии j = ωυ .

Учащиеся. Неужели мы должны запомнить этот длинный термин?!

Учитель. Нет, конечно. Но авторы школьных учебников почему-то очень любят его, поэтому, если вы хотите получить высшее образование, познакомиться с этим термином и его фамильярным вариантом «плотность потока энергии», хочешь-не хочешь, а запомнить придётся.

Учащиеся. Тогда нужно по крайней мере понять, откуда он взялся.

Учитель. Волна, проходящая по нормали через площадку S за время t , занимает объём V = sυt (рис. 5.1). Так как плотность энергии равна энергии в единице объёма: ω = W/V , – то поверхностную плотность потока энергии можно записать в виде:

Отношение энергии волны W ко времени t , в течение которого она проходит через поверхность, называется потоком энергии. А отношение потока энергии к площади поверхности, через которую он проходит, естественно назвать поверхностной плотностью потока энергии .

Учащиеся. Теперь понятно, что это просто энергия, переносимая волной за единицу времени через единицу площади, или мощность излучения, проходящая через единицу площади.

Учитель. Выясните, как зависит поверхностная плотность потока энергии электромагнитной волны от её частоты.

Учащиеся. Из формул (5.1), (5.2) и (5.3) получаем:

Так как косинус здесь получился в квадрате, то поверхностная плотность потока энергии электромагнитной волны колеблется с частотой, в два раза превышающей частоту волны. Как измерить эту величину?

Учитель. Измеряют не мгновенное, а среднее по времени значение плотности потока энергии, которое называют интенсивностью волны . Вы хорошо знаете, что среднее значение квадрата косинуса равно 1/2. Подставляя его в предыдущую формулу и учитывая выражения для E m (5.1) и для после небольших преобразований можно получить, что интенсивность гармонической волны равна

где K – постоянный коэффициент. Проанализируйте этот результат.

Учащиеся. Из формулы (5.4) следует, что интенсивность электромагнитной волны, испускаемой гармоническим осциллятором, при прочих равных условиях пропорциональна четвёртой степени её частоты и обратно пропорциональна квадрату расстояния, пройденного волной.

Учитель. Дайте ещё один вариант определения интенсивности волны и качественно объясните, почему интенсивность электромагнитной волны пропорциональна четвёртой степени её частоты.

Учащиеся. Интенсивность волны есть средняя по времени энергия W cр, проходящая через единицу площади за единицу времени:

Значит, интенсивность пропорциональна энергии волны J ~ W cр. А энергия пропорциональна квадрату напряжённости электрического поля W cр ~E m 2 . В свою очередь напряжённость электрического поля пропорциональна ускорению излучающего волну заряда E m ~ a m , а ускорение пропорционально квадрату частоты колебаний заряда a m ~ ω 2 . Отсюда следует, что интенсивность пропорциональна четвёртой степени частоты:

J ~ W cр ~ E m 2 ~ a m 2 ~ ω 4 . (5.6)

Учитель. Уточните, какие значения напряжённости и ускорения вы имеете в виду.

Учащиеся. Мы говорим об амплитуде напряжённости электрического поля E m электромагнитной волны и амплитуде ускорения a m гармонически колеблющегося заряда.

Учитель. А почему интенсивность обратно пропорциональна квадрату расстояния?

Учащиеся. Потому, что напряжённость электрического поля электромагнитной волны, созданной колеблющимся зарядом, обратно пропорциональна расстоянию до заряда, а интенсивность волны пропорциональна квадрату напряжённости.

5.3. Экспериментальное исследование излучения диполя

Учитель. На опыте исследуем зависимость интенсивности электромагнитной волны от расстояния до излучающего вибратора. Для этого рядом с лампой приёмного диполя (2,5 В; 0,15 А) расположим точно такую же лампу накаливания, через амперметр подключим её к регулируемому источнику постоянного напряжения и параллельно этой эталонной лампе включим вольтметр. Установим расстояние между излучающим и приёмным диполями 10 см и, регулируя напряжение источника, добьёмся, чтобы яркость эталонной лампы стала равна яркости приёмной (рис. 5.2, а ). Тогда можно утверждать, что в эталонной лампе выделяется та же мощность, что и в приёмной. Вычислите её.

Учащиеся. Приборы показывают, что сила тока и напряжение на эталонной лампе соответственно равны I 1 = 0,111 А и U 1 = 1,8 В, значит, искомая мощность P 1 = U 1 I 1 = 0,20 Вт.

Учитель. Теперь удалим приёмный диполь на расстояние 20 см от излучающего, повторим измерения и сделаем выводы.

Учащиеся. Получилось I 2 = 0,087 А и U 2 = 1,2 В (рис. 5.2, б ), поэтому P 2 = U 2 I 2 = 0,10 Вт. Отношение P 1 / P 2 равно двум, а не четырём, как следовало ожидать! Неужели в теории ошибка?

Учитель. Прежде чем менять теорию, посмотрим соответствуют ли её исходным данным условия эксперимента. Вспомним, при рассмотрении распространения энергии от излучающего диполя мы молчаливо предполагали, что она во все стороны излучается одинаково. Иначе говоря, мы допускали, что диполь является изотропным источником . В таком случае электромагнитная энергия равномерно распределяется по сферической поверхности. Так как площадь сферы S = 4πr 2 пропорциональна квадрату её радиуса, то мощность, приходящаяся на единицу площади, т.е. интенсивность волны, обратно пропорциональна квадрату расстояния.

Учащиеся. Нужно исследовать, как излучает диполь по разным направлениям, и тогда сделать вывод об интенсивности излучения.

Учитель. Параллельно излучающему диполю располагаю приёмный так, чтобы яркость его лампы стала максимальной, и перемещаю его по окружности с центром в центре излучающего диполя (рис. 5.3). Сделайте вывод из результата эксперимента.

Учащиеся. Во всех точках окружности лампа приёмного диполя горит с одинаковым накалом. Значит, во всех направлениях, перпендикулярных излучающему диполю, интенсивность электромагнитной волны одинакова.

Учитель. Теперь я перемещаю и поворачиваю приёмный диполь в плоскости, проходящей через излучающий диполь (рис. 5.4). Делаю это так, чтобы приёмный диполь, двигаясь по окружности с центром в излучающем диполе, был направлен по касательной к этой окружности. Что вы наблюдаете и к какому выводу приходите?

Учащиеся. Лампа горит всё слабее по мере того, как приёмный диполь поворачивается относительно излучающего. Значит, соединённый с генератором диполь даёт максимум излучения в направлении, перпендикулярном диполю, и совершенно не излучает в направлении самого диполя.

Учитель. Если в полярной системе координат построить график зависимости интенсивности электромагнитной волны от угла между диполем и направлением излучения, то получится диаграмма направленности полуволнового диполя, подобная показанной на рис. 5.4 (длина стрелок пропорциональна интенсивности). Вернитесь теперь к опыту, в котором мы измеряли зависимость интенсивности электромагнитной волны от расстояния, и попробуйте объяснить его результат.

Учащиеся. Проделанный только что опыт показывает, что диполь не является изотропным источником электромагнитной волны: излучение распространяется в основном в плоскости, перпендикулярной излучающему диполю и проходящей через его центр. Значит, излучаемая энергия вблизи диполя приходится не на сферическую, а на цилиндрическую поверхность. Площадь боковой поверхности цилиндра пропорциональна его радиусу. Поэтому и интенсивность излучения диполя обратно пропорциональна не квадрату расстояния, а просто расстоянию до источника.

Учитель. Заметьте, что и приёмник не является изотропным: его чувствительность также зависит от направления, под которым на него падает волна. В теоретической модели мы полагали источник и приёмник точечными и изотропными. Нетрудно сообразить, что условия этой модели будут выполнены, если расстояние между источником и приёмником значительно превышает их размеры.

5.4. Давление и импульс электромагнитной волны

Учитель. Опыты показывают, что электромагнитная волна переносит энергию, значит, падая на препятствия, она должна оказывать на них давление. Корректно вывести соответствующую формулу довольно сложно, поэтому воспользуемся гидродинамической аналогией. Представьте, что по трубе, площадь сечения которой S со скоростью u течёт вода (рис. 5.5). Плотность энергии в движущейся воде очевидно равна ω = W/V = mu 2 /(2V ) = ρu 2 /2, где ρ – плотность воды. Внезапно отверстие трубы перекрывают заслонкой. Что при этом происходит?

Учащиеся. Вода возле заслонки останавливается и сжимается. Фронт сжатия распространяется со скоростью перемещения упругой деформации υ навстречу движущейся воде. Скорость υ – это скорость упругой волны или скорость звука в воде.

Учитель. Верно. Применим к рассматриваемому явлению закон сохранения импульса. За небольшое время τ заслонкой останавливается объём воды Sυ τ массой ρSυ τ, который передаёт заслонке импульс ρSυ τu . При этом на заслонку действует сила F , импульс которой равен F τ. Приравнивая два последних выражения, после сокращения на время τ получаем равенство ρSυu = F . Отсюда давление внезапно остановленного потока воды равно P = F/S = ρuυ .

Учащиеся. Но скорость звука в воде равна 1500 м/с, неужели так сильно растёт давление?

Учитель. Именно так, и это явление называется гидродинамическим ударом. К слову сказать, его теорию создал наш соотечественник Н.Е.Жуковский. Но не будем отвлекаться. Допустим, что вода в трубе течёт со скоростью упругой волны u = υ . Что отсюда следует?

Учащиеся. Тогда возникающее давление равно P = ρuυ = ρu 2 . Так как плотность энергии в текущей воде ω = ρu 2 /2, то мы должны заключить, что давление при внезапной остановке воды составляет P = 2ω.

Учитель. Вы только что нашли формулу для давления, которое оказывает на полностью отражающее препятствие падающая на него нормально упругая волна. Но если эта формула справедлива для упругих волн, то почему бы не предположить, что она будет справедлива и для электромагнитных?

Учащиеся. Тогда можно считать, что электромагнитная волна оказывает на отражающее её препятствие или зеркало давление, равное удвоенной плотности энергии падающей волны. Если волна распространяется в вакууме, то её скорость υ = c и с учётом выражения для интенсивности J = ω cр υ = ω cр с . (5.5) имеем:

P = 2ω cр = 2J/c . (5.7)

Учитель. Поскольку электромагнитная волна оказывает давление, она должна обладать импульсом. Попробуйте найти формулу для импульса электромагнитного излучения. Для этого рассмотрите отражение короткого всплеска электромагнитного излучения от зеркала.

Учащиеся. Если импульс электромагнитной волны p, то при полном отражении её от зеркала за время t изменение импульса составляет 2p . Зеркало за то же время t получает импульс Ft = PSt = 2p . Так как давление P = 2J/c (5.7), то, подставляя это выражение в предыдущую формулу, получаем, что импульс электромагнитной волны p = J/c · St .

Учитель. Ещё раз вспоминая выражение для интенсивности J = W cр / St (5.5), получаем

p = W cр /с . (5.8)

Таким образом, импульс электромагнитной волны, распространяющейся в вакууме, равен средней по времени энергии волны, делённой на скорость света в вакууме.

5.5. Почему электромагнитная волна оказывает давление?

Учитель. Нам теперь нужно установить физическую причину, по которой электромагнитная волна оказывает давление. Напротив излучающего диполя я располагаю приёмный с лампой накаливания. Докажите, что в электромагнитном поле на диполь действует сила в направлении распространения волны.

Учащиеся. Под действием электрического поля волны электроны в приёмном диполе приходят в колебательное движение. При этом по диполю идёт переменный электрический ток, о чём свидетельствует свечение лампы. Но откуда берётся сила?

Учитель. Не забывайте, что в электромагнитной волне помимо электрического имеется магнитное поле.

Учащиеся. Тогда понятно! На ток в проводнике со стороны магнитного поля действует сила Ампера (рис. 5.6). Чтобы определить её направление, применим правило левой руки. Получается, что сила F на диполь действует в направлении распространения электромагнитной волны. В следующий полупериод переменного тока в диполе направление индукции сменится на противоположное, но направление силы Ампера не изменится.

Учитель. Вычисления, которые мы проводить не будем, показывают, что среднее по времени значение действующей на электроны силы Лоренца, которая приходится на единицу площади отражающего проводника, в точности совпадает с выражением (5.7). Поэтому гидродинамическая аналогия (рис. 5.5), использованная нами в теоретической модели, вполне уместна.

5.6. Заключение

Учитель. Что нового вы узнали на этом уроке? Чему вы научились? Что произвело на вас наибольшее впечатление?

Учащиеся. Мы узнали, что такое интенсивность, давление и импульс электромагнитной волны, а также, как они связаны друг с другом. Выяснили, как интенсивность зависит от частоты и расстояния, проходимого волной. Научились экспериментально определять интенсивность электромагнитного излучения. Очень интересна аналогия между течением воды и распространением волны. Убедительны опыты, в которых определяется пространственное распределение интенсивности электромагнитного излучения диполя.

Учитель. Как обычно, домашнее задание даётся тем, кому интересно его выполнять, или тем, кто хочет повторить пройденное, узнать новое, углубить свои знания и умения. Материал для выполнения задания вы найдёте в учебниках физики и в электронной версии опорного конспекта урока.

Статья подготовлена при поддержке банка лекций www.Siblec.Ru. Если Вы решили приобрести или расширить свои знания в разных областях науки и техники, то оптимальным решением станет зайти на сайт www.Siblec.Ru. Перейдя по ссылке: «лекции по физике », вы сможете, не потратив много времени, получить доступ к лекциям по физике и по другим научным дисциплинам. Банк лекций www.Siblec.Ru постоянно обновляется, поэтому вы всегда сможете найти свежий и актуальный материал.

1. Дайте определение поверхностной плотности потока излучения. Что понимают под точечным источником электромагнитного излучения? Как плотность потока излучения зависит от частоты и расстояния до источника? [Г.Я.Мякишев , § 50; В.А.Касьянов , § 49.]
2. Что такое интенсивность электромагнитной волны? Как зависит интенсивность от частоты волны? По какому закону убывает интенсивность электромагнитной волны, испускаемой точечным источником? [Г.Я.Мякишев , § 50; В.А.Касьянов , § 49.]
3. Как определяются давление и импульс электромагнитной волны? В чём суть опытов П.Н.Лебедева по определению давления света? [Г.Я.Мякишев , § 92; В.А.Касьянов , § 50.]
4. Сделайте вывод формулы (5.4) для интенсивности гармонической электромагнитной волны. [ОК.]
5. Как экспериментально доказать, что излучающий диполь не является изотропным источником электромагнитной волны? [ОК.]
6. Мощность излучения точечного изотропного источника электромагнитной волны 2 Вт. Чему равна интенсивность на расстоянии 1 м от источника?
7. В некоторой области интенсивность электромагнитного излучения составляет 1 Вт/м 2 . Чему равны напряжённость электрического и индукция магнитного полей в этой области?