microbik.ru
1
А.Е. ВАСИЛЬЕВ, В.А. РАЧКОВ
СОПОСТАВЛЕНИЕ ВАРИАНТОВ УЧЕБНО-НАГЛЯДНЫХ ПОСОБИЙ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ СВОЙСТВ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН
Изучение раздела «электромагнитные колебания и волны» может быть более эффективным, если использовать физический демонстрационный эксперимент. Для этих целей предложено довольно много различных учебно-наглядных пособий (УНП) [1, 2]. Имеет смысл остановиться на УНП для изучения свойств электромагнитных (ЭМ) волн в СВЧ диапазоне с использованием генераторов СВЧ на отражательном клистроне или диоде Ганна. Интерес к данному УНП понятен, т.к. оно позволяет поставить различные физические опыты как в школе так и в ВУЗе достаточно просто и наглядно. Но в различных учебниках почему-то предполагается использовать подобные УНП не совсем удобные для постановки различных физических опытов [1, 3, 4].Так, вариант данного УНП [1], явно устаревший, используется в процессе изучения свойств ЭМ волн [3, 4]. В каталоге [5] предлагается подобное УНП, представляющее собой по существу установку СВЧ [1] с названным меньшим количеством физических опытов.

Известны подобные УНП, более удобные для использования в учебном процессе [6] (Было представлено на ВДНХ СССР в 1987 г. Награждено медалью. Удостоверение №53243). Вариант подобных УНП приведены в работах [7].

Следует отметить, что авторы данной работы не ставили своей целью представить обзор по названным выше УНП, хотя работ из литературы и интернета известно довольно много.

Один из вариантов простого УНП приведём ниже с описанием физического опыта по изучению эффекта Доплера.



Рис. 1

Блок-схема установки для демонстрации эффекта Доплера приведена на рис. 1, где 1 — блок питания ВУП-2, 2 — передающая антенна с генератором на отражающем клистроне, работающем в непрерывном режиме, 3 — СВЧ-диод, 4 — осциллограф. Широкая часть корпуса осциллографавыполняет роль отражающей поверхности (отражатель).

Поскольку излучение рупорной антенны поляризовано в вертикальной плоскости, диод следует располагать вертикально. При неподвижных генераторе, отражателе и диоде СВЧ переменная составляющая на входе осциллографа равна нулю. При перемещении генератора в различных направлениях на входе осциллографа появляется переменная составляющая, что вызвано сложением на нелинейном элементе (диоде) двух электрических колебаний с частотой ~ 10 ГГц, идущего от генератора и электромагнитной волны, идущей от движущегося источника ('+' при движении от генератор, '-' в противоположном направлении). В нашем случае таким источником является мнимый источник, появляющийся за счёт отражения от отражателя. Заметим, что скорость движущегося источника v=2u, где u – скорость перемещения генератора. Таким образом, на входе осциллографа имеем электрический сигнал



При перемещении диода и неподвижных генератора и отражателя получаем тот же результат, так как на диод попадают две волны, для которых доплеровское смещение частоты одинаково по величине, но противоположно по знаку. При этом  - частота электромагнитной волны, падающей на удаляющийся диод непосредственно от генератора,  - частота электромагнитной волны, падающей на приближающийся диод:



Если по каким-либо причинам чувствительность демонстрационной установки мала (некачественный диод СВЧ, мал коэффициент усиления усилителя вертикального отклонения осциллографа, малый ток отражательного клистрона), то необходимо последовательно с осциллографом включить любой усилитель низкой частоты (УЗ-5, усилитель генератора низкой частоты и т. д.).

Следует отметить некоторые интересные возможности применения этого эффекта на практике: 1) использование в учебном процессе в школе и ВУЗе; 2) изменение скорости движения автомобиля инспектором ГИБДД (в данном случае частота пропорциональна скорости движения автомобиля); 3) охранная сигнализация. Если между СВЧ диодом и генератором появляется перемещающийся объект, то СВЧ диод зафиксирует низкочастотный сигнал, который далее может быть преобразован в звуковой или световой сигнал.

С помощью варианта УНП могут быть поставлены следующие опыты по наблюдению свойств ЭМ волн: отражение, преломление, фокусировка, поглощение, интерференция, дифракция, наблюдение пятна Пуассона, поляризация, наблюдение эффекта Доплера.

Предлагаемый вариант установки позволяет с помощью осциллографа быстро и просто показать наличие пятна Пуассона по уверенному приёму сигнала антенной 4. За непрозрачным диском 3, что обусловлено явление дифракции на краях диска в центре тени. Физика данного явления от других препятствий, в случае необходимости, может быть так же рассмотрена на основе данных [1].

  1. Шахмаев Н.М. Демонстрационные опыты по разделу «Колебания и волны». Пособия для учителей. – М.: Просвещение, 1974.

  2. Марголис А.А., Парфентьева Н.Е., Иванова Л.А. Практикум по школьному физическому эксперименту. – М.: Просвещение, 1977.

  3. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Физика: учебник для 11 кл. – М.: Просвещение, 2006. – 381 с.

  4. Мансуров А.Н., Мансуров. Н.А., Физика: 10-11: Учебник для шк. с гум. профилем обучения – М.: Просвещение, 2001.

  5. Каталог продукции 3B Scientific по разделу «Физика». 2010-2011 гг.

  6. Рачков В.А., Романова Н.В., Тележников Ю. Зримая физика. Профтехобразование, 1989. – № 1.

  7. Рачков В.А., Лебедев Е.Л. Применение электронного осциллографа в школьном физическом эксперименте. Методические рекомендации для учителей и студентов педагогических ВУЗов. Сар.ИПКРО, 1994.