Комплект приборов и принадлежностей для демонстрац.св-в электромагн.волн
Описание
Комплект приборов и принадлежностей для демонстрации св-в электромагнитных волн 1. Назначение комплекта Комплект приборов предназначен для постановки демонстрационных опытов при изучения свойств электромагнитных волн. С его помощью можно демонстрировать отражение, преломление интерференцию и дифракцию и другие свойства волн при изучении курса физики как в основной, так и в средних общеобразовательных школах учреждениях в той числе и профильных. Состав комплекта В состав комплекта входят: 1. Блок СВЧ-генератора (см. рис. 1). Рис.1 Основными компонентами этого блока являются электронная схема о излучающим диодом Гана на выходе. Диод Гана генерирует электромагнитные колебания частотой 11+- 1,1 ГГц (гигагерц) и мощностью 10 мВт (милливатт). Эти колебания генерируются в металлизированном волноводе и излучаются рупорной антенной. Внутри этого блока смонтирован и модулятор (звуковой генератор), который и обеспечивает восприятие электромагнитного излучения СВЧ-генератора. На боковой стороне блока генератора смонтированы органы управления: 1 - включатель питания, 2 - сигнал (светодиод) включения прибора, 3 - переключатель вида звукового сигнала (дискретный, мелодичный, непрерывный), 4,5,6 - гнезда для прослушивания модулирующего сигнала с помощью телефонов. 2. Блок приемника (см. рис. 2) Рис.2 до габаритным размерам и внешней конструкции практически совпадает с блоком СВЧ-генератора. Отличить его можно по той стороне блока, на которой смонтированы органы управления: 1 - включатель питания, 2 - сигнал (светодиод) включения прибора, 3 - линейка светодиодов (число светящихся диодов говорит об уровне принимаемого сигнала), 4 - регулятор уровня громкости принимаемого сигнала, 5 - включатель (выключатель) звукового сигнала, 6 - гнездо для включения диполь-приемника, 7 - гнездо для включения вольтметра (мультиметра) с пределом измерения до 10 В. (см. рис.3). Рис.3 3. Диполь-приемник (высокочастотный диод) на стойке (см. рис. 3а) предназначен для обнаружения (приема) высокочастотных электромагнитных колебаний. Выводы этого диода соединены о контактами гнезда, закрепленного в нижней части стойки. Рис.3а 4. Три пластины-экрана из дюралюминия: две размерами 170х150х1,2 мм одна - 170х80х1,2 мм. 5. Два бруска из дерева: один размерами 150х80х40 мм, другой 150х80х20 мм. 6. Парафиновая равнобедренная призма размерами 125х125х45 мм. 7. Два провода: один длиной 1,2 м двойной с двухконтактными штепселями на концах (он предназначен для соединения диполь-диода с блоком приемника), другой - длиной 1,5 м о двухконтактным штепселем на одном конце и двумя зажимами типа "крокодил", на другом конце. 8. Четыре призматические пластмассовые подставки для пластин-экранов. Все компоненты набора приборов размещены в укладках упаковочной коробки. РУКОВОДСТВО ПО ПОСТАНОВКЕ ОПЫТОВ. 1. Передача радиотелеграфных сигналов На демонстрационном столе вдоль метра демонстрационного устанавливают блок передатчика и блок приемника рупорами навстречу друг другу. На модуляторе передатчика устанавливают непрерывный звуковой сигнал. На приемнике переключатель 5 переводят в положение включение звукового сигнала. После включения обоих блоков в сеть приемник воспроизводит непрерывный звуковой сигнал, это значит, что модулированный сигнал, излучаемый передатчиком, принимается приемником. Если выключить тумблером 1 передатчик, то и исчезает приемный сигнал, Замыкая и размыкая тумблер 1 передатчика, можно демонстрировать прием радиотелеграфных сигналов приемником. Передачу и прием радиотелеграфных сигналов можно демонстрировать и при выключенном громкоговорителе приемника. Включают передатчик и приемник, регулятор громкости на приемнике устанавливают в такое положение, когда на "линейке светодиодов" 3 (см. рис.2) Зажигается два-три диода. Далее тумблером 1 передатчика замыкают и размыкают цепи его питания и наблюдают прерывистое свечение диодов на приемнике. 2. Экранирующее действие предметов из разных веществ на распространение электромагнитных волн короткой длины Экспериментальная установка такая же, что в первом опыте. Приемник воспроизводит непрерывный звуковой сигнал, закрывает рупор передатчика или приемника деревянным бруском толщиной 20мм и фиксирует ослабление звукового сигнала, визуально это можно фиксировать с помощью линейки светодиодов. Регулятором громкости уровень принимаемого сигнала фиксируют двумя горящими светодиодами. После закрытия рупора бруском свечение светодиодов исчезает. Если повторить эти же опыты с деревянным бруском толщиной 40мм, то обнаруживают более сильное поглощение коротковолнового электромагнитного излучения. Помещая перед рупором ладонь руки, обнаруживают практически полное поглощение СВЧ излучения. Широкая пластинка из дюралюминия , размещенная между рупорами экспериментальной установки, полностью прекращает прием. Это происходит в том случае, когда эта пластина находится вблизи рупора. Если же она находится посередине меду рупорами, установленными на расстоянии 80 - 100 мм, то прием СВЧ излучения не исчезает полностью. 3. Отражение электромагнитных волн Блок генератора и блок приемника устанавливают рядом на расстоянии 2 - 3 см друг от друга рупорами в одну сторону вдоль крышки демонстрационного стола. Включают генератор и приемник и убеждаются в том, что электромагнитные волны, излучаемые СВЧ генератором, не принимаются приемником. На расстоянии 0,8 - I м от рупоров блоков ставят металлический экран (широкую пластину из комплекта на подставке) и воспринимают отчетливый прием ограненных волн. Убирают экран и звучание приемника прекращается. Собирают установку так, как показано на рис. 4. Рис.4 В этом случае индикатором принимаемых приемником сигналов является вольтметр, включаемый в гнездо 7 приемника (см. рис.3). Экран размещают (поворачивают) так, чтобы показания вольтметра были максимальны. Далее параллельно экрану кладут транспортир, измеряют угол падения в угол отражения электромагнитных волн, устанавливают их равенство (a=b). Одинаковость законов отражения света и электромагнитных волн можно подтвердить с помощью парафиновой призмы, собирают экспериментальную установку, доказанную на рис. 5. Рис.5 Опыт показывает, что парафиновая призма за счет полного внутреннего отражения поворачивает электромагнитное изучение вод прямым углом. Эта же призма может развернуть направленное электромагнитное излучение в обратном направлении, ее собрать экспериментальную установку так как, показано на рис. 6. Рис.6 4. Преломление электромагнитных волн Собирают экспериментальную установку (см. рис. 7), Рис.7 где парафиновая призма установлена на деревянном бруске толщиной 40 мм, размещенном на двух призматических опорах, а приемный диполь-детектор соединен проводником с гнездом 6 приемника. На блоке передатчика вдоль его корпуса размещают метровую линейку, вдоль оси этой же линейки за парафиновой линзой размещают диполь-детектор. Отмечают отсутствие звукового сигнала. Это означает, что электромагнитные волны, проходя через парафиновую линзу, изменяют свое направление распространения. Плавно перемещают стойку о диполем-детектором вдоль широкой стороны бруска-подставки и обнаруживают возрастание громкости звучания приемника, при наибольшей громкости фиксируют положение диполя-детектора и отмечают угол преломления b. Отмечают, что на границе раздела двух сред равной плотности высокочастотное электромагнитное излучение меняет направление своего распространения, т.е. преломляется. Необходимо отметить, что преломление происходит тогда, когда угол падения больше нуля. 5. Измерение длины электромагнитной волны Устанавливают на расстоянии 60 - 80 ом от рупора СВЧ генератора металлический экран перпендикулярно плоскости экрана (рис. 8). Рис.8 Вдоль прямой, соединяющей рупор генератора с экраном на стол кладут измерительную линейку. Вблизи от экрана на эту линейку помещают диполь-детектор на стойке, соединенный о приемником. В этом случае в цепи приемной антенны возникает электрический ток. Сила тока пропорциональна амплитуде колебаний электрического вектора электромагнитной волны. Перемещают диполь-детектор вдоль прямой, соединяющей рупор антенны с экраном. При медленном перемещении фиксируют изменение силы тока в цепи приемной антенны до громкости звучания динамика. Максимальные значения силы тока в цепи приемной антенны наблюдаются при прохождении приемной антенны в пучностях электромагнитной волны, минимальные - в ее узлах. Расстояние между соседними узлами или пучноотями стоячей волны, возникающей в пространстве между рупором и экраном в результате интерференции падающей и отраженной электромагнитной волны, равно половине длины волны l/2 . Медленно перемещают диполь-детектор вдоль линейки, находят такое его положение, когда интенсивность звука становится минимальной. Фиксируют расстояние по шкале линейки от экрана до центра стойки диполя-детектора. Снова перемещают диполь-детектор вдаль линейки в ту же сторону и фиксируют усиление громкости звука. Проходят четыре пучности стоячей электромагнитной волны и устанавливают диполь-детектор в пятом узле. Измеряя расстояние по линейке от первого до пятого узла по формуле: Dl=l5-lo=5l l=2dl/5 вычисляют длину электромагнитной волны . 6. Интерференция электромагнитных волн Для наблюдения интерференции электромагнитных волн измеряют метод расщепления одного пучка волн на два (см. рис. 9) и в соответствии с этим собирают экспериментальную установку. Перемещая диполь-диод, подключенный к приемнику в направлении указанном стрелками, фиксируют несколько последовательных усилений и ослаблений приема. Объясняют это тем, что при движении диполь-диода в этом пространстве имеет место интерференция прямого и отраженного oт пластины (зеркала) пучков волн. Рис.9 7. Дифракция электромагнитных волн Для демонстрации дифракции электромагнитных волн (см. рис. 10). Рис.10 В этой установке экран перекрывает половину рупора передатчика, диполь-диод в начале устанавливают позади экрана, но он не закрывается им. Слушают звучание принимаемого сигнала. Затем медленно перемещают диполь-диод за экран и отмечают, что звучание долго не прекращается. Оно исчезает, когда диполь-диод окажется глубоко за экраном. Обнаружение электромагнитных волн за экраном говорит об их дифракции. Перед рупором передатчика устанавливают два экрана так, чтобы между ними образовалась воздушная щель шириной 3-4 см (см. рис. 11). Рис.11 Позади щели устанавливают диполь-диод подключенный к приемнику. Плавно перемещают за щелью диполь-диод и по звучанию громкоговорителя приемника обнаруживают центральный и один-два побочных максимума с каждой стороны щели. Из двух широких и одного узкого экранов моделируют дифракционную решетку, на которую падает СВЧ излучение от генератора (см. рис. 12). Медленно перемещают за экранами диполь-диод, соединенный с приемником. По звучанию громкоговорителя отмечают, что за малым экраном звучание отсутствует, четко выражены два побочных максимума со стороны щели. Рис.12 8. Поляризация электромагнитных волн Если при выключенных приборах посмотреть в рупоры как блока передатчика, так и преемника, то можно увидеть высокочастотные диоды, расположенные в вертикальной плоскости. Эти .диоды и являются соответственно диполем излучающим и диполем принимающим. Это значит, что вектор напряженности электрического поля излучаемой генератором электромагнитной волны имеет вертикальное направление. Такое поле может перемещать заряды (вызывать ток) вдоль приемного диполя-диода, когда он расположен вертикально и не может этого сделать , когда он горизонтален. Это говорит о том, что электромагнитные волны поперечные, в них колебания вектора напряженности электрического поля происходят в одной плоскости, а вектора магнитной индукции в плоскости, перпендикулярной первой. Устройство, выделяющие колебания, происходящие в одной плоскости, называют поляризатором. Устройство, выделяющее плоскость поляризованной волны, называют анализатором. В нашем случае диполь-диод передатчика излучает поляризованную электромагнитную волну, которую принимает диполь-диод приемника (анализатор), если они расположены в одной плоскости. Изменение плоскости анализатора, например на 90°, приводит к прекращению приема. Эти рассуждения легко проверяются опытом. Приемник и передатчик рупорами устанавливают навстречу друг другу на расстоянии 0,8-1м и воспринимают принимаемый звуковой сигнал. Далее приемник берут в руки и, не изменяя ориентации прибора, медленно поворачивают его вокруг горизонтальной оси. При этом замечают, что громкость звука постепенно уменьшается и она совсем исчезает, когда прибор будет повернут на 90°. [Комплект должен обеспечивать демонстрацию существования электромагнитных волн, изучение их физических свойств и ознакомление с практическим применением электромагнитных излучений. Комплект должен позволять провести не менее 10 демонстрационных экспериментов по следующей тематике: существование тока смещения, электрические и магнитные поля в закрытом и открытом колебательном контуре, волновой характер электромагнитного излучения, перенос энергии электромагнитной волной, затухание, отражение, интерференция, дифракция, поляризация электромагнитных волн, стоячая волна. В состав комплекта должны входить электронные и электротехнические устройства и принадлежности, необходимые для проведения демонстрационных экспериментов. Комплект должен быть обеспечен рекомендациями по использованию.]Характеристики
|
Артикул: |
физика-0094 |