Конечно, электромагнитные волны обладают всеми основными свойствами волн.

Они подчиняются закону отражения волн:

угол падения равен углу отражения. При переходе из одной среды в другую преломляются и подчиня­ются закону преломления волн: отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть вели­чина постоянная для двух данных сред и равная отношению скорости электромагнитных волн в первой среде к скорости электромагнитных волн во второй среде и называется показателем преломле­ния второй среды относительно первой.

Явление дифракции электромагнитных волн, т. е. отклонение направления их распространения от прямолинейного, наблюдается у края преграды или при прохождении через отверстие. Электромагнит­ные волны способны к интерференции. Интерферен­ция — это способность когерентных волн к наложе­нию, в результате чего волны в одних местах друг друга усиливают, а в других местах — гасят. (Когерентные волны — это волны, одинаковые по частоте и фазе колебания.) Электромагнитные волны обладают дисперсией, т. е. когда показатель прелом­ления среды для электромагнитных волн зависит от их частоты. Опыты с пропусканием электромагнит­ных волн через систему из двух решеток показы­вают, что эти волны являются поперечными.

При распространении электромагнитной вол­ны векторы напряженности Е и магнитной индук­ции В перпендикулярны направлению распростра­нения волны и взаимно перпендикулярны между со­бой (рис. 32).

Возможность практического применения элек­тромагнитных волн для установления связи без про­водов продемонстрировал 7 мая 1895 г. русский фи­зик А. Попов. Этот день считается днем рождения радио. Для осуществления радиосвязи необходимо обеспечить возможность излучения электромагнит­ных волн. Если электромагнитные волны возникают в контуре из катушки и конденсатора, то переменное магнитное поле оказывается связанным с катушкой, а переменное электрическое поле — сосредоточенным между пластинами конденсатора. Такой контур на­зывается закрытым (рис. 33, а). Закрытый колеба­тельный контур практически не излучает электро­магнитные волны в окружающее пространство. Если контур состоит из катушки и двух пластин плоского конденсатора, то под чем большим углом разверну­ты эти пластины, тем более свободно выходит элек­тромагнитное поле в окружающее пространство (рис. 33, б). Предельным случаем раскрытого колеба­тельного контура является удаление пластин на противоположные концы катушки. Такая система называется открытым колебательным контуром (рис. 33, в). В действительности контур состоит из катушки и длинного провода — антенны.

Энергия излучаемых (при помощи генератора незатухающих колебаний) электромагнитных коле­баний при одинаковой амплитуде колебаний силы тока в антенне пропорциональна четвертой степени частоты колебаний. На частотах в десятки, сотни и даже тысячи герц интенсивность электромагнитных колебаний ничтожно мала. Поэтому для осуществле­ния радио- и телевизионной связи используются электромагнитные волны с частотой от нескольких сотен тысяч герц до сотен мегагерц.

При передаче по радио речи, музыки и других звуковых сигналов применяют различные виды мо­дуляции высокочастотных (несущих) колебаний. Суть модуляции заключается в том, что высоко­частотные колебания, вырабатываемые генератором, изменяют по закону низкой частоты. В этом и за­ключается один из принципов радиопередачи. Дру­гим принципом является обратный процесс — детек­тирование. При радиоприеме из принятого антенной приемника модулированного сигнала нужно от­фильтровать звуковые низкочастотные колебания.

С помощью радиоволн осуществляется переда­ча на расстояние не только звуковых сигналов, но и изображения предмета. Большую роль в современном морском флоте, авиации и космонавтике играет ра­диолокация. В основе радиолокации лежит свойство отражения волн от проводящих тел. (От поверхности диэлектрика электромагнитные волны отражаются слабо, а от поверхности металлов почти полностью.)

Билет № 27

1. Строение и свойства жидкостей. Поверхностное натяжение.
Молекулы воды, находящиеся внутри жидкости, со всех сторон окружены другими молекулами воды. Равнодействующая сил, действующая на такую молекулу, равна нулю (слайд 3).

Совсем другая картина - на поверхности жидкости: молекулы имеют много соседей-молекул снизу и очень мало - сверху. Равнодействующая сил, действующая на каждую молекулу, будет направлена вглубь жидкости, перпендикулярно поверхности.

Поверхностные молекулы втягиваются внутрь жидкости, поэтому на поверхности жидкости остается меньше молекул, чем в любом слое внутри жидкости. И на поверхности образуется пленка. Жидкость как бы стремится втянуть в себя все молекулы поверхности и по возможности уменьшить свою поверхность.

Наименьшей поверхностью обладает шар. Поэтому жидкость, находящаяся только под воздействием силы тяжести принимает форму шара. Космонавты в космическом корабле могут это наблюдать. Падающая из открытого крана капля воды тоже имеет форму шара. Ученые используют капельная модель ядра. Красивые мыльные пузыри тоже шарообразные.

Можно посмотреть формы сингулярных мыльных пленок (поверхностей минимальной площади), которые образуются на проволочных каркасах, погруженных в мыльный раствор. Эксперимент: опускаем в мыльный раствор металлические каркасы в виде параллелепипеда, тетраэдра, сферы, получаем мыльные пленки разной формы (слайд 4).

Где еще в жизни мы имеем дело с поверхностями минимальной площади? Оказалось, что минимальные поверхности имеют мембраны - барабанные перепонки в нашем ухе; мембраны, служащие границами живых клеток; мембраны в живых организмах, отделяющие один орган от другого. Минимальные поверхности распространены в природе как наиболее экономичные поверхности, формирующие скелеты живых организмов.(слайд 5) Наиболее эффектный пример - скелеты радиолярий, микроскопических морских животных, имеющих самые разнообразные и экзотические формы. Радиолярии состоят из небольших кусочков протоплазмы, заключенных в пенообразные формы, наподобие мыльных пузырей и пленок.

Вернемся к поверхностному слою жидкости. Его молекулы, точно так же, как и молекулы нижних слоев, находятся в равновесии, которое достигается за счет некоторого уменьшения расстояния между молекулами поверхностного слоя и их ближайшими соседями внутри жидкости. Известно, что при уменьшении расстояния между молекулами возникают силы отталкивания. Молекулы поверхностного слоя упакованы более плотно, поэтому они обладают дополнительной потенциальной энергией по сравнению с молекулами внутри жидкости т.е. поверхностной энергией (слайд 6):

.

Поверхностной энергией обладают как жидкие, так и твердые тела. Ведь особые условия, в которых находятся молекулы на поверхности жидкости, характерны также и для поверхности твердых тел. Поверхностная энергия уменьшается, если поверхность покрывают веществом, поверхностная энергия которого меньше, чем у жидкости. Например, если в воду добавить мыло, то молекулы этого вещества устремляются к поверхности и заполняют ее равномерным слоем. Оттесняя молекулы воды внутрь, молекулы мыла уменьшают, тем самым, поверхностное натяжение.

Мыльная вода, обладает способностью образовывать тонкие пленки. Жидкая пленка превращается в эластичную поверхность, стремящуюся минимизировать свою площадь, и, следовательно, минимизировать энергию натяжения, приходящуюся на единицу площади.

Любая молекула на плоской поверхности жидкости со всех сторон окружена другими молекулами, расположенными на том же уровне. Они действуют на нее с силами, равномерно распределенными по всем направлениям на плоскости и потому взаимно уравновешивающимися. Следовательно, на плоской поверхности нет сил поверхностного натяжения. Но когда поверхность жидкости разрывается, например, твердым телом, то на молекулы, находящиеся вблизи поверхности этого тела, действуют дополнительные силы со стороны его молекул. Эти силы могут и не уравновешиваться силами притяжения к молекулам самой жидкости. Вот тогда и появляются силы поверхностного натяжения. Они могут оказывать различные действия, в частности - изменять форму поверхности жидкости. Этим объясняется, например, появление мениска вблизи стенок сосуда с жидкостью Особенно резко выражены силы поверхностного натяжения в тонких пленках, возникающих на каркасах. Такие пленки не могут существовать без ограничивающего их поверхность твердого тела. Но когда тонкая пленка создается в виде мыльного пузыря, то она принимает форму шара, и никаких сил поверхностного натяжения не возникает. Таким образом, силы поверхностного натяжения возникают только в том случае, когда силы взаимодействия между молекулами перестают уравновешиваться.

Бельгийский ученый Жозеф Плато первым в XIX веке начал опыты по изучению конфигураций мыльных пленок: он выдувал мыльные пузыри и конструировал мыльные пленки, затягивающие проволочный контур. Оказалось,что мыльные пленки, образующиеся на каркасах, могут иметь значительные размеры. Но чем больше пленка, тем легче она лопается под действием силы тяжести.

Эксперимент: получение мыльной пленки на каркасе с подвижной стороной.

Итак, опустим в мыльную воду прямоугольный каркас из проволоки, одна сторона которого является подвижной, на нем образуется тонкая мыльная пленка (слайд 7).

Эта пленка сократит свою поверхность, и перекладина переместится наверх. Следовательно, со стороны жидкой пленки вдоль ее поверхности будет действовать сила F_н, касательная к поверхности и перпендикулярная участку периметра, ограничивающего поверхность жидкости., сила поверхностного натяжения.

Приложим к перекладине внешнюю силу F_внеш = F_н подвижная сторона сместится на , то работа этой силы будет равна

У мыльной пленки две поверхности, то -приращение площади поверхности обеих сторон мыльной пленки, где l = 2L - длина периметра, ограничивающего поверхность жидкости. Так как модули внешней силы и силы поверхностного натяжения одинаковы, то:

Коэффициент поверхностного натяжения равен отношению модуля силы поверхностного натяжения к длине периметра, ограничивающего поверхность жидкости. (слайд 9).

Коэффициент поверхностного натяжения зависит:

от рода жидкости: s _{чистой воды} = 73 мН/м, s _ртути = 510 мН/м (при 20 ° С),

от наличия примеси. Например, s _{мыльного раствора} = 40 мН/м,

от температуры. С увеличением температуры s воды уменьшается и становится равной 0 при критической температуре.

Вы когда-нибудь наблюдали за процессом образования капли жидкости, ее отрывом и дальнейшим свободным падением? Сравнивали ее с мячом или воздушным шаром? А ведь они очень похожи, и не только по сферической форме. Внутри каждого из них давление сжатого воздуха больше атмосферного давления.

,

где р - избыточное над атмосферным давление. Как можно его вычислить?

Давайте попробуем (слайд 11). Разрежем мысленно каплю жидкости на две половинки. Каждая из них находится в равновесии под действием сил поверхностного натяжения, приложенных к границе разреза длиной , и сил избыточного давления сжатого воздуха, действующего на площадь сечения . Условие равновесия:

Следовательно, избыточное давление, созданное одной искривленной поверхностью равно

Мыльный пузырь - это тонкая многослойная пленка мыльной воды, наполненная воздухом, обычно в виде сферы с переливчатой поверхностью (слайд 13). Избыточное давление в мыльном пузыре больше, чем в капле воды так как в ней есть две поверхности: внешняя с радиусом R₁ и внутренняя с радиусом R₂). Но так как толщина мыльной пленки очень мала, то R₁ =R_2, тогда избыточное давление внутри мыльного пузыря равно

Таким образом, мыльный пузырь в свободном состоянии будет иметь почти в два раза больший радиус, чем обычная капля воды. Тогда полное давление внутри мыльного пузыря будет равным

Свободная мыльная пленка, натянутая на каркас произвольной формы и не образующая пузырей, будет иметь среднюю кривизну, равную 0.

Кстати, при -25°С мыльные пузыри замерзают в воздухе и могут разбиться при падении на землю!

Еще Галилео Галилей задумывался над вопросом, почему росинки принимают шарообразную форму. Отчего столь пристальное внимание привлекли тонкие пленки и мыльные пузыри, а также самая обычная пена? Дело в том, что разгадка общего механизма действия поверхностных сил привела к объяснению удивительно разнообразных природных явлений - от процесса образования капель до поведения жидкостей в живых организмах. Более того, понимание свойств поверхностного натяжения позволило активно использовать его в широком практическом диапазоне - от сельского хозяйства до космической техники. Исследования в этой области породили красивые и плодотворные аналогии. Так, при сооружении легких строительных конструкций сложных форм найти лучшее решение помогают: мыльные пленки, а построить первую теорию деления атомных ядер удалось, уподобив ядро:капле заряженной жидкости. (