Схема установки.

ИЗУЧЕНИЕ СВОЙСТВ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН

С ПОМОЩЬЮ ГЕНЕРАТОРА СВЧ.

Оборудование: Генератор СВЧ с излучающей антенной. Источник постоянного тока U=12 В для питания генератора СВЧ. Две приемные антенны с детекторами. Усилитель низкой частоты с громкоговорителем. Две алюминиевые пластины на подставках. Выгнутая металлическая пластина. Решетка из параллельных прутьев. Цилиндры разного диаметра для наблюдения дифракции. Лист гетинакса, призма и линза из диэлектрика. Деревянный брусок с миллиметровой шкалой.

Рис. 1.Оборудование для работы практикума

Схема установки.

Установка состоит из 2-х частей: передатчика и приемника. Передатчик работает следующим образом: генератор сверхвысоких частот (ГСВЧ) вырабатывает переменный ток с частотой 10 Гц. Для того чтобы в дальнейшем сигнал можно было принимать на слух высокочастотные колебания модулируют по амплитуде звуковой частоты 1 кГц, которую вырабатывает генератор низкой частоты (ГНЧ). Модулированный ВЧ сигнал поступает в антенну направленного действия, которая излучает электромагнитные волны (радиоволны).

Распространяющаяся в воздухе электромагнитная волна улавливается приемной антенной А или А . Детектор выделяет из модулированных СВЧ колебаний колебания НЧ (1 кГц). Низкочастотный сигнал поступает в усилитель НЧ. Здесь амплитуда напряжения возрастает от 10 В до 1 Вольта. Громкоговоритель преобразует электромагнитные колебания в механические, т.е. звук. По громкости звука судят об энергии принятой электромагнитной волны.

Ход работы:

1. Подключите ГСВЧ к источнику питания. Подключите к УНЧ приемную антенну направленного действия А и антенну-зонд А . Включите источник питания ГСВЧ и усилитель НЧ в сеть ~220 В.
2. Добейтесь появления звука в громкоговорителе, что свидетельствует об исправной работе установки. Поворачивая излучающую антенну и приемную антенну А , убедитесь в их направленном действии.
3. Поставьте между излучающей и приемной антенной лист алюминия. Сделайте вывод: проходят ли электромагнитные волны сквозь проводники?

Рис. 2.Лист алюминия не пропускает электромагнитные волны

Рис. 3.Электромагнитные волны отражаются от листа алюминия

1. Поверните приемную и изучающую антенны вокруг горизонтальной оси и установите их под углом друг к другу. Убедитесь, что прием прекратился. Поместите горизонтально над антеннами на пути электромагнитной волны лист алюминия, чтобы убедиться, что она отражается от листа. Проверьте закон отражения. Результаты эксперимента запишите в тетрадь.
2. Свойство электромагнитной волны отражаться от проводников используют для их фокусировки сферическими поверхностями в излучающих и приемных антеннах («тарелках»). Установите горизонтально излучатель электромагнитных волн и на максимальном расстоянии от него вогнутый металлический отражатель-«тарелку». Замените приемную антенну направленного действия А на антенну-зонд А , имеющую малые размеры, поэтому применяющуюся для исследования электромагнитных волн в отдельных точках пространства. Перемещая антенну-зонд между излучателем и отражателем, найдите по максимальной громкости звука точку, где отраженные электромагнитные волны фокусируются. Измерьте расстояние от центра отражателя до фокуса.

Рис. 4.Фокусировка электромагнитных волн отражающей сферической поверхностью.

Рис. 5.Измерение с помощью стоячих волн длины электромагнитной волны.

1. Установите перед излучающей антенной вместо вогнутого отражателя лист алюминия. Перемещая приемную антенну-зонд А между излучателем и листом алюминия, пронаблюдайте усиление и гашение волн. С каким свойством волн вы встретились? Откуда взялась вторая волна? В этом опыте вы обнаружили стоячую волну, которая возникает в результате интерференции двух волн: волны от изучающей антенны и волны, отраженной листом металла. Расстояние между двумя соседними узлами в стоячей волне равно половине длины волны (попытайтесь доказать самостоятельно). Вставьте внутрь излучающей антенны деревянный брусок с миллиметровой шкалой. Переместите приемную антенну вдоль бруска на 10 полуволн. Измерьте полученное расстояние и определите длину электромагнитной волны. Вычислите частоту излучения ГСВЧ, зная скорость электромагнитной волны.
2. Замените антенну-зонд А на антенну направленного действия А . Установите антенны горизонтально и поместите между ними решетку из прутьев. Поворачивая решетку вокруг горизонтальной оси, определите, излучает антенна поляризованные электромагнитные волны или неполяризованные. Если при повороте решетки энергия прошедшей через нее электромагнитной волны уменьшается от максимального значения до нуля, то электромагнитная волна поляризованная. Направление напряженности электрического поля ( ) в ней параллельно прутьям решетки, когда волна сквозь нее не проходит.

Рис. 6.Определение с помощью решетки из параллельных металлических прутьев направление плоскости поляризации электромагнитной волны.

Рис. 7.При повороте приемной антенны вокруг горизонтальной оси симметрии на 90º прием электромагнитных волн прекращается

Убрав решетку, поверните приемную антенну вокруг оси симметрии на 90º. Почему исчез прием?

1. Поместите между антеннами лист диэлектрика (гетинакса) и сделайте вывод: проникают ли электромагнитные волны сквозь диэлектрик. Исследуйте зависимость поглощения волны от толщины диэлектрика, заменив лист гетинакса одним, двумя, тремя учебниками физики. Проверьте, отражаются ли электромагнитные волны от диэлектриков. Для этого повторите пункт 4, заменив лист алюминия на лист диэлектрика.

Рис. 8.Лист диэлектрика (гетинакса) в отличие от листа проводника (алюминия) хорошо пропускает электромагнитные волны

Рис. 9.Исследование зависимости поглощения электромагнитных волн от толщины слоя диэлектрика (бумаги)

1. Повернув антенны вокруг горизонтальной оси, расположите их под углом друг к другу и убедитесь, что прием прекратился. Поместите между ними призму из диэлектрика. На границе диэлектрика электромагнитные волны меняют свое направление, то есть преломляются. После двойного преломления на гранях призмы электромагнитная волна вновь попадает в приемную антенну.

Рис. 10.На поверхности трехгранной диэлектрической призмы электромагнитная волна дважды преломляется и попадает в приемную антенну

Рис. 11.Черная диэлектрическая линза фокусирует электромагнитные волны также, как стеклянная линза фокусирует свет

1. Замените приемную антенну направленного действия А антенной-зондом А , Поместите между излучающей и приемной антенной линзу из диэлектрика Убедитесь в фокусирующем действии диэлектрической линзы и определите ее фокусное расстояние.
2. Пронаблюдайте дифракцию электромагнитных волн на цилиндрах разного диаметра. Поместите перед антенной-зондом А металлический стержень диаметром 0,5 см, 1 см, 3 см, 5 см. Запишите в тетрадь выводы.
3. Пронаблюдайте дифракцию электромагнитных волн от вертикальной щели, образованной между двумя листами алюминия. Исследуйте зависимость дифракции от ширины щели.

Рис. 12.Исследование зависимости дифракции электромагнитной волны от диаметра стержня, который она огибает

Рис. 13.Исследование зависимости дифракции электромагнитных волн от ширины щели, края которой она огибает

Контрольные вопросы:

1. Почему для наблюдения свойств электромагнитных волн удобно использовать сантиметровые волны, а не метровые?
2. С какими свойствами волн вы познакомились в работе?
3. Приведите примеры, как эти свойства используют в радиотехнике.
4. Какие изменения нужно сделать в конструкции установки, чтобы с ее помощью передать голос человека на расстоянии?
5. Почему сотовые телефоны плохо работают в метро?
6. Почему одежду рабочих радиолокационных станций и мощных радиостанций шьют из ткани с металлическими нитями?
7. Почему на КВ на Земле возможна связь с любой точки планеты, а на Луне это невозможно?
8. Почему при приеме на комнатную антенну изображение на экране телевизора иногда двоится?