Экспериментальные исследования электромагнитных волн

 

Первые опыты с не световыми электромагнитными волнами были осуществлены немецким физиком Генрихом Герцем в 1888 году.

Индуктор давал высокое напряжение, и между электродами вибратора проскакивала искра, и в вибраторе возникали затухающие электромагнитные колебания. Помещая вибраторы разной длины в фокусе вогнутого металлического параболического зеркала, Герц получал направленные плоские волны с длиной волны от 0, 6 до 10 м.

С помощью металлических зеркал и асфальтовой призмы (размерами более 1 м и массой 1200 кг) Герц осуществил отражение и преломление электромагнитных волн и обнаружил, что электромагнитные волны подчиняются тем же законам, что и световые лучи. Отразив бегущую волну с помощью металлического зеркала в обратном направлении, Герц получил стоячую волну. Измерив, расстояние между узлами и пучностями он определил длину бегущей волны l. Умножив длину волны на частоту, он нашел скорость распространения бегущей волны. Она оказалась равной скорости света c. Располагая на пути волны решётку из параллельных металлических прутьев, вращая решётку вокруг оси, совпадающей с направлением распространения волны, Герц обнаружил, что интенсивность прошедших волн сильно меняется. Так была доказана поперечность электромагнитных волн.

 

Оптический эффект Доплера

 

В акустике изменение частоты, обуславливающее эффект Доплера, определяется скоростями движения приёмника и источника относительно среды, являющейся носителем звуковых волн. Скорость звука определяется свойствами среды, а не скоростью источника.

Для световых волн также существует эффект Доплера, но здесь нет среды носителя электромагнитных волн. Доплеровское изменение частоты световых волн определяется только относительной скоростью источника и приёмника. Существует два оптических эффекта Доплера: продольный и поперечный. Рассмотрим продольный эффект Доплера.

Источник находится в системе K, а приёмник – в системе K'. Приёмник K' движется относительно источника K со скоростью v в направлении x.

Запишем уравнение плоской световой (электромагнитной) волны в системе K.

(1)

w – частота колебаний источника (предполагается, что свет распространяется в вакууме, т.е. с фазовой скоростью, равной c ).

Согласно принципу относительности законы природы имеют одинаковый вид во всех инерциальных системах отсчёта. Следовательно, в системе K' волна будет описываться следующим уравнением.

(2)

w' – частота воспринимаемая приёмником.

Легко поставить штрихи, а необходимо найти связь между уравнениями.

От (1) к (2) можно перейти, воспользовавшись преобразованиями Лоренца.

(3)

Уравнение (3) описывает в системе K' ту же волну, что и уравнение (2). Поэтому можно записать.

Итак, если источник и приёмник удаляются друг от друга, то получается.

или (4)

Если источник и приёмник движутся навстречу друг другу, то числитель и знаменатель меняются местами.

или (4')

При удалении приёмника от источника v > 0, следовательно, n' < n. При приближении – v < 0, следовательно, n' > n.

При v < < c формулы (4) можно приближённо записать.

или

 

Отсюда относительное изменение частоты будет равно.

Для световых волн кроме продольного эффекта Доплера существует поперечный эффект Доплера. Он заключается в изменении частоты, воспринимаемой приёмником, когда вектор относительной скорости v направлен перпендикулярно прямой соединяющей источник и приёмник. Например, источник движется по окружности, а приёмник находится в её центре. Относительное изменение частоты в этом случае определяется следующим выражением.

Поперечный эффект Доплера пропорционален и, следовательно, меньше продольного эффекта Доплера.

В общем случае вектор относительной скорости v можно разложить на две составляющие: продольную и поперечную.

Продольный эффект Доплера для электромагнитных волн широко используется в радиолокации, для определения скорости воздушных целей. В астрономии – для определения радиальной скорости звёзд.

Тепловое, колебательное движение атомов и молекул приводит к уширению спектральных линий при излучении и поглощении. В результате их излучения будут наблюдаться все частоты, лежащие в интервале от до

. Таким образом, ширина линии излучения будет равна . Это доплеровская ширина спектральной линии. Более подробно мы рассмотрим этот вопрос в следующем семестре.

 

⇐ Предыдущая1234567Следующая ⇒

Поделиться: