IV. Обработка результатов измерений. 1. Используя формулу (9.0), рассчитать напряженность для всех значений тока ,

1. Используя формулу (9.0), рассчитать напряженность для всех значений тока ,

2. По формуле (9.6) рассчитывают постоянную для установки Д.

3. По формуле (9.5) рассчитать величину индукции магнитного поля в железе.

4. По результатам измерения и построить график .

Контрольные вопросы

1. В чем сущность намагничивания сред при помещении их в
магнитное поле?

2. Как связаны векторы индукции и напряженности магнитного поля в веществе?

3. Что представляет собой основная кривая намагничивания для железа? Для диамагнетика? Для парамагнетика?

4. Дайте определение магнитного потока.

5. В чем заключается явление электромагнитной индукции?

6. В чем состоит сущность явления самоиндукции и взаимоиндукции?

7. Что называется вектором намагниченности вещества?

8. Что называют относительной магнитной проницаемостью среды?

9. Какова особенность магнитной проницаемости ферромагнетика?

10. Объясните принцип действия установки.

Литература

1. Белановский А.С. Основы биофизики в ветеринарии/ М.: Агропромиздат, 1989. – 272 с.

2. Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика/ М.:Высшая школа, 1987. – 638 с.

3. Трофимова Т.И. Курс физики: Учеб. пособие. М: Высшая школа, 1985. 432 с.

Вопросы для защиты в форме круглого стола

По IV разделу

«Электромагнетизм»

Рекомендуемая таблица вариантов вопросов для проведения круглого стола

РАЗДЕЛ V.ВОЛНОВАЯ ОПТИКА

ВВЕДЕНИЕ

Общие положения

Оптикой (от греч. Оптос – видимый, зримый) называют раздел физики, в котором изучают природу света, процессы его распространения и явления, происходящие при взаимодействии света с веществом. Первоначально оптика ограничивалась изучением видимого света, но в настоящее время ею рассматриваются также свойства соседних невидимых областей на шкале электромагнитных волн: ультрафиолетового (УФ) и инфракрасного (ИК) излучений. Оптическим считают диапазон с длинами волн от 10 до 400 нм. У человека ощущение света вызывает излучение с длинами волн от 380 до 760 нм. Основным источником теплового излучения и видимого света является Солнце. Максимум энергии в солнечном спектре у поверхности Земли приходится на длину волны 555 нм (цвет весенней травы), она же соответствует максимальной чувствительности восприятия человеческим глазом. Видимый участок спектра позвоночных примерно тот же, что у человека, за исключением ряда рептилий, у которых он сдвинут в ИК-область; для насекомых видимый участок, наоборот, сдвинут в область УФ.

Свет имеет двойственную природу: с одной стороны – это электромагнитные волны(ЭМ), а с другой – поток микрочастиц, квантов – фотонов. В зависимости от того, какое из этих двух свойств света обусловливает наблюдаемое оптическое явление, оптику подразделяют на волновую и квантовую. Волновая оптика объясняет явления интерференции, дифракции, поляризации, дисперсии света и др.

Считают, что интенсивность I света пропорциональна квадрату амплитуды колебаний электрической Е составляющей ЭМ волны, поскольку зрительное восприятие реализуется через передачу нервного импульса электрическим путем: I~E².

I. Интерференцией света называют картину максимумов и мини­мумов интенсивности, наблюдаемую в результате наложения двух и более когерентных волн в течение времени, достаточного для наблюдения. Когерентными называют волны, имеющие одинаковые частоты (и соответственно длины волн) в одной и той же среде, и дающие в любой точке наложения этих волн неизменную во времени разность фаз. Когерентные световые волны обычно получают путем разделения волны от одного теплового источника (за счет диафрагм с от­верстиями, явлений отражения, преломления и т.д.). При этом следует отметить, что излучение лазеров обладает высокой сте­пенью когерентности.

Для объяснения явления интерференции пользуются понятием разности хода между интерферирующими лучами. Для простейшего случая двухлучевой интерференции разность хода Δ – это разность оптических длин путей двух интерферирующих лучей:

, (V.1)

где L₁ и L₂ – оптические длины пути:

L_опт=n·r. (V.2)

Здесь r – геометрическая длина пути луча, а n – показатель преломления среды, который по определению показывает, во сколько раз с – скорость света в вакууме, больше v – скорости света в среде, и обусловлен электрическими и магнитными свойствами этой среды:

, (V.2)

где ε и μ соответственно относительная диэлектрическая и магнитная проницаемость среды распространения света.

При интерференции максимумы освещенности наблюдаются в тех местах, куда лучи световой волны пришли в «одинаковой фазе», т.е. когда разность хода между ними составляет целое число длин волн λ; если они пришли в «противофазе», т.е. разность хода равна нечетному количеству полуволн – наблюдается минимум освещенности в результате их наложения:

– условие максимумов, (V.3)

– условие минимумов. (V.4)

На практике по смещению интерференционной картины судят об изменении оптической длины пути одного из лучей и используют это, как для определения показателя преломления среды, так и для очень точного измерения расстояний, изменения размеров тела, качества обработки поверхностей и др.

Явлением интерференции объясняются радужные цвета масляных пленок на лужах при наложении лучей, отраженных от верхней и нижней поверхности этих пленок.

II. Дифракция – это явление огибания световой волной препятствия, т.е. захода её в область геометрической тени за счет отклонения луча света от направления прямолинейного распространения вблизи препятствия.

Французский физик О. Френель (1788-1827) предложил разбить поверхность волнового фронта (которую согласно принципу Гюйгенса можно считать источником вторичных волн) на некие зоны, именуемые зонами Френеля, так, что расстояние от зоны до точки наблюдения для соседних зон различалось бы на λ/2. Тогда свет, пришедший от соседних зон, в результате интерференции гасится; и если на пути света помещается небольшое отверстие, в котором укладывается четное количество зон Френеля, то в точке наблюдения будет минимум освещенности, а если уложится нечетное количество зон, наблюдатель увидит максимум света. Причем результат будет зависеть не только от диаметра отверстия, но и от расстояния от отверстия до точки наблюдения. На этом принципе основано действие улучшающих зрительное восприятие очков-тренажеров с маленькими отверстиями, которые работают как линзы и годятся для людей, как с близорукостью, так и с дальнозоркостью, потому что на сетчатке глаза находятся различные точки наблюдения, положение которых соответствует максимуму освещенности (в отверстии укладывается нечетное число зон Френеля).

Если на прозрачную пластинку регулярно нанести темные полоски, то получится прибор, именуемый дифракционной решеткой. Расстояние от начала одной полоски до начала соседней называют периодом решетки. Свет, проходя через дифракционную решетку, отклоняется от направления прямолинейного распространения на различные углы дифракции ±φ, величина которых зависит от точки наблюдения. При этом наблюдаются максимумы и минимумы освещенности в зависимости от угла φ и длины волны λ, что позволяет использовать дифракционную решетку как прибор, раскладывающий белый свет на составляющие его волны, т.е. как спектральный прибор. Направление на главные максимумы определяется соотношением:

. (V.5)

Спектральные приборы позволяют проводить оптический спектральный анализ, благодаря чему можно осуществить идентификацию химического состава вещества, поскольку химические элементы имеют набор строго определенных частот (длин волн) линий излучения.

III. Поляризация света – это выделение определенного направления колебаний вектора в световой ЭМ волне. Поскольку на электрические заряды среды, где распространяется свет, действует, в первую очередь, электрический вектор , то при изображении электромагнитной волны отмечают направление колебаний этого вектора, не забывая об обязательном существовании перпендикулярного ему вектора .

Процесс излучения света веществом (раскаленные твердые тела, светящиеся газы) хаотичен, поэтому в луче естественного света колебания вектора совершаются во всех направлениях в плоскости, перпендикулярной направлению распространения луча. При определенных условиях световой луч может содержать колебания вектора , происходящие в некотором выделенном направлении, параллельном одной плоскости; такой свет называют плоско-поляризованным или линейно-поляризованным.

Существует несколько способов получения плоско-поляризованного света. Основным из них является поляризация естественного света при прохождении через кристаллы. При падении естественно­го света на кристалл (например, кристалл исландского шпата СаСо₃) наблюдается явление двойного лучепреломления, т.е. разделение луча на два (обыкновенный я необыкновенный), идущих по разным направлениям в кристалле. Оба луча поляризованы во взаимно перпендикулярных плоскостях. Один из лучей отводят в сторону, а другой используют. Другой способ основан на явлении дихроизма. Оно заключается в том, что некоторые естественные кристаллы (турмалин, герапатит) почти полностью поглощают обыкновенный луч, в результате чего из кристалла выходит только один луч - необыкновенный. На этом свойстве основано изготовление поляроидов. Поляроид - целлулоидная пленка, покры­тая большим количеством мелких, одинаково ориентированных крис­талликов герапатита.

Поляроидная пленка вставлена в лобовые триплексные стекла автомобилей для защиты водителей от ослепления фарами встречных машин; темные очки- поляроиды лучше защищают от негативного воздействия УФ на ткани глаза.

Поляризация света происходит также при отражении луча от границы раздела разных сред, если луч падает на отражающую поверхность под i_Бр – углом Брюстера:

, (V.6)

где n₁ и n₂ – показатели преломления среды, из которой падает свет, и отражающей среды соответственно.

В ряде веществ (сахар, камфара, некоторые масла и растворы кислот и др.) наблюдается явление поворачивания плоскости поляризации линейно поляризованного света. Это используется в лабораториях для определения концентрации сахара в прозрачных растворах (в моче, коньяке и др.).

IV. Дисперсиясвета – это явление зависимости скорости распространения света в веществе от длины световой волны (частоты); это означает, что свет разных цветов (длин волн) по разному преломляется при прохождении через прозрачную среду (см. (V.2)). Дисперсией объясняется появление радуги при преломлении белого солнечного света на капельках воды, игра цвета на хрустальных подвесках люстр и др.

V. Поглощение света веществом легче объясняется с позиций корпускулярного подхода к природе света, но и волновая теория также приводит к экспоненциальной зависимости интенсивности I прошедшего света от толщины вещества х (закон Бугера):

, (V.7)

где I₀ – интенсивность падающего света; k – коэффициент поглощения вещества, который зависит от свойств поглощающей среды и длины волны света. Различное для разных длин волн поглощение (и соответственно пропускание) объясняет окрашенность цветных стекол, кристаллов и пр. На этом же основано действие светофильтров, которые используются для выделения определенного участка спектра из белого света.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 9 (3-5)