Длина волны

Радиоволны: свойства и применение

Радиоволной называется электромагнитное излучение, длины волн которого варьируются от 5*10-5 до 1010 метров. Стоит подробнее поговорить об основных параметрах радиоволн, которые ограничивают сферу их применения в современной науке и технике.

Основные параметры радиоволн

Среди основных параметров радиоволн следует выделить следующие:

радиочастотный спектр. Это совокупность всех частот, которые установлены международными стандартами связи. Они могут быть использованы для функционирования радиоэлектронных средств и средств связи;
радиочастота. Это та частота, которая установлена для обозначения единичной составляющей радиочастотного спектра;
распределение полос радиочастот. То есть для каждого конкретного подразделения и вида деятельности выделяется отдельная частота, на которой эта служба работает.

Эти параметры радиоволн могут различаться для каждого конкретного случая.

Свойства и применение

Стоит поговорить подробнее об основных свойствах радиоволн. К ним можно отнести:

все радиоволны распространяются в однородной среде прямолинейно. При этом их скорость напрямую будет зависеть от плотности среды, в которой они распространяются;
если радиоволна распространяется в среде отличной от воздуха, то этот процесс сопровождается поглощением энергии;
если радиоволна переходит из одной среды в другую, то она преломляется и отражается;
если радиоволна распространяется в неоднородной среде, то ее траектория искажается;
радиоволнам свойственна дифракция, то есть огибание препятствий встречающихся на пути;
им свойственна интерференция, то есть сложение двух волн одной и той же частоты, которые созданы одним источником.

Теперь можно поговорить о применение радиоволн в современной технике.

Радиоволны широко распространены в радиолокации. Благодаря такому устройству можно наблюдать за предметами на большом расстоянии.

Благодаря радиоволнам у человечества появилась возможность передавать данные на огромные расстояния, при этом не нужно тянуть никаких кабелей. Радиоволны в настоящее время находят широкое распространение при различных исследования во врачебном деле. На их основе делаются различные установки, которые позволяют не только производить обследование человеческого тела, но и лечить его от различных болезней.

Не будь радиоволн, ни один человек никогда бы не узнал, что такое телевидение и радио. Именно они несут сигнал различных частот, которые затем воспринимаются антеннами и спутниковыми тарелками.

Оборонная промышленность очень сильно зависит от радиоволн. Они позволяют настраивать связь на огромных расстояниях, а также используются для наведения на цель.

Освещение очень важно для нормальной жизни и работы. При этом освещение с помощью солнца не всегда доступно по понятным причинам, поэтому часто используется искусственное освещение

Для того, чтобы уразуметь понятие «сила тока», нужно знать что из себя представляет электрический ток.

Коэффициент стоячей волны (иначе КСВ) – один из показателей, характеризующий свойства стоячей волны в каком-либо поле.

Определение и формула длины волн

Волна – это возмущение, распространяющееся от точки, в которой она возникла, в окружающую среду. Такое возмущение переносит энергию без чистого переноса вещества.

Длина представляет собой фактическое расстояние, пройденное волной, которое не всегда совпадает с расстоянием среды, или частиц, в которых распространяется волна. Ее также определяют как пространственный период волнового процесса.

Греческая буква “λ” (лямбда) в физике используется для обозначения длины в уравнениях. Она обратно пропорциональна частоте волны.

Период Т — время завершения полного колебания, единица измерения секунды (с).

Длинная волна соответствует низкой частоте, а короткая – высокой. Длина измеряется в метрах. Количество волн, излучаемых в каждую секунду, называется частотой и обратно пропорционально периоду.

У различных длин разная скорость распространения. Например, скорость света в воде равна 3/4 от скорости в вакууме.

Пространственный период волны – это расстояние, которое точка с постоянной фазой «пролетает» за интервал времени, соответствующий периоду колебаний.

Частота f — количество полных колебаний в единицу времени. Измеряется в Герцах (Гц).

При одном полном колебании в секунду f = 1 Гц; при 1000 колебаний в секунду f = 1 килогерц (кГц); 1 млн. колебаний в секунду f = 1 мегагерц (1 МГц).

Зная, что скорость света в вакууме с — 300 000 км/с, или 300 000 000 м/с, то для перевода длины волны в частоту нужно 3 х 108 м/с поделить на длину в метрах.

Единицы измерения длины волны λ – нанометры и ангстремы, где нанометр является миллиардной частью метра (1 м = 109 нм) и ангстрем является десятимиллиардной частью метра (1 м = 1010 А), то есть нанометр эквивалентен 10 ангстрем (1 нм = 10 А).

Свет, который исходит от Солнца, является электромагнитным излучением, которое движется со скоростью 300 000 км/с, но длина не одинакова для любого фотона, а колеблется между 400 нм и 700 нм. Длина световой волны влияет на цвет.

Белый свет разлагается на спектр различных цветных полос, каждая из которых определяется своей длиной волны. Таким образом, светом с наименьшей длиной является фиолетовый, который составляет около 400 нм, а светом с наибольшей длиной – красный, который составляет около 700 нм.

Таблица показывает длину волны в зависимости от цвета:

Излучения с длиной меньше фиолетового называются ультрафиолетовым излучением, рентгеновским и гамма-лучами в порядке уменьшения. Излучения больше красного называются инфракрасными, микроволнами и радиоволнами, в порядке возрастания.

Предельная дальность связи зависит от длины. Размеры антенны часто превышают рабочую длину радиоэлектронного средства.

Рисунок показывает длину волн и частоту (нм), исходящих от различных источников:

Частота электромагнитного излучения (радиоволны)

Электромагнитное излучение характеризуется частотой, длиной волны и мощностью переносимой энергии. показывает, сколько раз в секунду изменяется в излучателе направление электрического тока и, следовательно, сколько раз в секунду изменяется в каждой точке пространства величина электрического и магнитного полей. Измеряется частота электромагнитного излучения
в герцах (Гц) – единицах названных именем великого немецкого ученого Генриха Рудольфа Герца. 1 Гц – это одно колебание в секунду, 1 мегагерц (МГц) – миллион колебаний в секунду. Это основная единица измерения для данного явления, (аналогично, например, децибелу — единице уровней, затуханий и усилений). Электромагнитные волны, частота электромагнитного излучения
которых условно ограничены 3000 ГГц, распространяются в пространстве без искусственного волновода. Нижняя граница радиоволн – 3 кГц – условная, установлена международными соглашениями. По длине волны диапазон радиоволн подразделяют на: мириаметровые (3-30 кГц), километровые (30-300 кГц), гектометровые (300-3000 кГц), декаметровые (3-30 МГц) и метровые (30-300 МГц), дециметровые (300-3000 МГц), сантиметровые (3-30 ГГц), миллиметровые (30-300 ГГц), децимиллиметровые (300-3000 ГГц).

Длина радиоволны

Длина радиоволны
– это расстояние между двумя соседними максимально высокими или максимально низкими точками, расстояние, которое проходит волна за один период – за время одного колебания. Таким образом, длина радиоволны
представляет собой расстояние между двумя соседними «возвышениями» или «впадинами» волны. Частота и длина радиоволны обратно пропорциональны друг другу. Поэтому, зная частоту и скорость распространения радиоволн, можно определить искомую величину. Длина радиоволны равна скорости распространения, поделенной на частоту. Как уже было описано, с увеличением частоты длина радиоволны
уменьшается, с уменьшением – увеличивается

Знание длины волны очень важно при выборе антенны для радиосистемы, так как от нее напрямую зависит длина антенны. Энергия, которую несут радиоволны, зависит от мощности генератора (излучателя) и расстояния до него

Поток энергии, приходящийся на единицу площади, прямо пропорционален мощности излучения и обратно пропорционален квадрату расстояния до излучателя. Это значит, что дальность связи зависит от мощности передатчика, но в гораздо большей степени от расстояния до него.

Приведённая комптоновская длина волны

В современной физике чаще употребляется приведённая комптоновская длина волны, которая меньше в 2π раз, то есть выражена не через обычную, а через приведённую постоянную Планка. Приведённая комптоновская длина волны обратна комптоновскому волновому числу:

λ¯C=λC2π=ℏmc.{\displaystyle {\overline {\lambda }}_{C}={\frac {\lambda _{C}}{2\pi }}={\frac {\hbar }{mc}}.}

Для электрона, λeC ≈ 0,00386 Å ≈ 3,8615926764(18)⋅10−13 м; для протона, λpC ≈ 0,0000021 Å ≈ 2,10308910109(97)⋅10−16 м.

В физике ядра и элементарных частиц также имеют важное значение (приведённые) комптоновские длины волн:

пи-мезона: λπC ≈ 1,46⋅10−15 м (характерное расстояние );
W-бозона: λWC ≈ 2,45⋅10−18 м (характерное расстояние слабых взаимодействий).

Приведённая комптоновская длина волны часто возникает в уравнениях квантовой механики и квантовой теории поля. Так, в релятивистском уравнении Клейна — Гордона для свободной частицы

∇2ψ−1c2∂2∂t2ψ=(mcℏ)2ψ{\displaystyle \mathbf {\nabla } ^{2}\psi -{\frac {1}{c^{2}}}{\frac {\partial ^{2}}{\partial t^{2}}}\psi =\left({\frac {mc}{\hbar }}\right)^{2}\psi }

эта величина (в квадрате) выступает как множитель в правой части. В таком же качестве она появляется и в уравнении Дирака:

iγμ∂μψ=(mcℏ)ψ.{\displaystyle i\gamma ^{\mu }\partial _{\mu }\psi =\left({\frac {mc}{\hbar }}\right)\psi .}

Хотя в традиционное представление уравнения Шрёдингера комптоновская длина волны в явном виде не входит, его можно преобразовать так, чтобы она «проявилась». Так, нестационарное уравнение Шрёдингера для электрона в водородоподобном атоме с зарядовым числом ядра Z

iℏ∂∂tψ=−ℏ22me∇2ψ−14πϵZe2rψ{\displaystyle i\hbar {\frac {\partial }{\partial t}}\psi =-{\frac {\hbar ^{2}}{2m_{e}}}\nabla ^{2}\psi -{\frac {1}{4\pi \epsilon _{0}}}{\frac {Ze^{2}}{r}}\psi }

можно разделить на ℏc{\displaystyle \hbar c} и переписать так, чтобы заменить элементарный заряд e на постоянную тонкой структуры α:

ic∂∂tψ=−12(ℏmec)∇2ψ−αZrψ.{\displaystyle {\frac {i}{c}}{\frac {\partial }{\partial t}}\psi =-{\frac {1}{2}}\left({\frac {\hbar }{m_{e}c}}\right)\nabla ^{2}\psi -{\frac {\alpha Z}{r}}\psi .}

В результате комптоновская длина волны электрона возникает как множитель в первом члене правой части.

В квантовой теории поля часто применяется упрощающая формулы естественная система единиц, в которой скорость света и постоянная Планка равны 1. В такой системе единиц комптоновская длина частицы просто обратна её массе: λ_C = 1/m.

Задачи на Механические волны с решениями

Формулы, используемые на уроках «Задачи на Механические волны».

Задача № 1.
Лодка качается на волнах, распространяющихся со скоростью 4 м/с, и за 10 с совершает 20 колебаний. Каково расстояние между соседними гребнями волн?

Задача № 2.
Голосовые связки певца, поющего тенором (высоким мужским голосом), колеблются с частотой от 130 до 520 Гц. Определите максимальную и минимальную длину излучаемой звуковой волны в воздухе. Скорость звука в воздухе 330 м/с.

Задача № 3.
Скорость звука в эбоните 2400 м/с, а в кирпиче — 3600 м/с. В каком веществе звуковому сигналу требуется большее время для распространения? Во сколько раз?

Задача № 4.
Расстояние между ближайшими гребнями волн в море 6 м. Лодка качается на волнах, распространяющихся со скоростью 2 м/с. Какова частота ударов волн о корпус лодки?

Задача № 5.
Наблюдатель, находящийся на расстоянии 2 км 150 м от источника звука, слышит звук, пришедший по воздуху, на 4,8 с позднее, чем звук от того же источника, пришедший по воде. Определите скорость звука в воде, если скорость звука в воздухе равна 345 м/с.

Задача № 6.
Охотник выстрелил, находясь на расстоянии 170 м от лесного массива. Через сколько времени после выстрела охотник услышит эхо?

Задача № 7.
Мимо неподвижного наблюдателя, стоящего на берегу озера, за 6 с прошло 4 гребня волны. Расстояние между первым и третьим гребнями равно 12 м. Определить период колебания частиц волны, скорость распространения и длину волны.

Задача № 8.
Скорость звука в воде 1450 м/с. На каком расстоянии находятся ближайшие точки, совершающие колебания в противоположных фазах, если частота колебаний равна 725 Гц?

Задача № 9.
Длина волны в воздухе 17 см (при скорости 340 м/с). Найти скорость распространения звука в теле, в котором при той же частоте колебаний длина волны равна 1,02 м.

Задача № 10.
ОГЭ
Расстояние между гребнями волн в море λ = 5 м. При встречном движении катера волна за t = 1 с ударяет о корпус катера N₁ = 4 раза, а при попутном — N₂ = 2 раза. Найти скорость катера и волны.

Задача № 11.
ОГЭ
Звуковые колебания, имеющие частоту v = 500 Гц и амплитуду А = 0,25 мм, распространяются в воздухе. Длина волны λ = 70 см. Найти скорость распространения колебаний v и максимальную скорость частиц среды.

Это конспект по теме «ЗАДАЧИ на Механические волны». Выберите дальнейшие действия:

Перейти к теме: ЗАДАЧИ на
Посмотреть конспект по теме ДИНАМИКА: вся теория для ОГЭ (шпаргалка)
Вернуться к списку конспектов по Физике.
Проверить свои знания по Физике.

Продольные и поперечные волны.

Волна называется продольной, если частицы среды колеблются параллельно направлению распространения волны. Продольная волна состоит из чередующихся деформаций растяжения и сжатия. На рис. 1 показана продольная волна, представляющая собой колебания плоских слоёв среды; направление, вдоль которого колеблются слои, совпадает с направлением распространения волны (т. е. перпендикулярно слоям).

Рис. 1. Продольная волна

Волна называется поперечной, если частицы среды колеблются перпендикулярно направлению распространения волны. Поперечная волна вызывается деформациями сдвига одного слоя среды относительно другого. На рис. 2 каждый слой колеблется вдоль самого себя, а волна идёт перпендикулярно слоям.

Рис. 2. Поперечная волна

Продольные волны могут распространяться в твёрдых телах, жидкостях и газах: во всех этих средах возникает упругая реакция на сжатие, в результате которой появятся бегущие друг за другом сжатия и разрежения среды.

Однако жидкости и газы, в отличие от твёрдых тел, не обладают упругостью по отношению к сдвигу слоёв. Поэтому поперечные волны могут распространяться в твёрдых телах, но не внутри жидкостей и газов*.

Важно отметить, что частицы среды при прохождении волны совершают колебания вблизи неизменных положений равновесия, т. е

в среднем остаются на своих местах. Волна, таким образом, осуществляетперенос энергии, не сопровождающийся переносом вещества.

Наиболее просты для изучения гармонические волны. Они вызываются внешним воздействием на среду, меняющимся по гармоническому закону. При распространении гармонической волны частицы среды совершают гармонические колебания с частотой, равной частоте внешнего воздействия. Гармоническими волнами мы в дальнейшем и ограничимся.

Рассмотрим процесс распространения волны более подробно. Допустим, что некоторая частица среды (частица ) начала совершать колебания с периодом . Действуя на соседнюю частицу она потянет её за собой. Частица в свою очередь, потянет за собой частицу и т. д. Так возникнет волна, в которой все частицы будут совершать колебания с периодом .

Однако частицы имеют массу, т. е. обладают инертностью. На изменение их скорости требуется некоторое время. Следовательно, частица в своём движении будет несколько отставать от частицы , частица будет отставать от частицы и т. д. Когда частица пустя время завершит первое колебание и начнёт второе, своё первое колебание начнёт частица , находящаяся от частицы на некотором расстоянии .

Итак, за время, равное периоду колебаний частиц, возмущение среды распространяется на расстояние . Это расстояние называется длиной волны. Колебания частицы будут идентичны колебаниям частицы колебания следующей частицы будут идентичны колебаниям частицы и т. д. Колебания как бы воспроизводят себя на расстоянии можно назвать пространственным периодом колебаний; наряду с временным периодом она является важнейшей характеристикой волнового процесса. В продольной волне длина волны равна расстоянию между соседними сжатиями или разрежениями (рис. 1). В поперечной — расстоянию между соседними горбами или впадинами (рис. 2). Вообще, длина волны равна расстоянию (вдоль направления распространения волны) между двумя ближайшими частицами среды, колеблющимися одинаково (т. е. с разностью фаз, равной ).

Скоростью распространения волны называется отношение длины волны к периоду колебаний частиц среды:

Частотой волны называется частота колебаний частиц:

Отсюда получаем связь скорости волны, длины волны и частоты:

. (1)

На поверхности жидкости могут существовать волны особого типа, похожие на поперечные — так называемые поверхностные волны. Они возникают под действием силы тяжести и силы поверхностного натяжения.

Что такое radiowave и ее характеристики?

Природа, в понятии суть Вселенной — не любит прямых углов … Нет, конечно — природа не избегает, однозначно, прямых углов и острых граней в строительстве мира … Но, ее живая, в постоянном движении, структура — истирает грани до округлости … Ээлектромагнитные колебания, базирующиеся на волновой структуре природы — полностью повторяют все ее многообразие … Electromagnetic oscillation — одно из самых известных и не изученных до конца (не классифицированных) явлений мироздания … Двигаясь, из точки рождения — возмущение среды с переносом энергии совершает равноудаленные колебательные движения, синхронизированные скоростью ее распространения … Волновые зависимости скорости, частоты и длины отражены описанием математической формулы …

Исходя из многообразия, длина волны λ также имеет множественные определения :
— как, кратчайшее расстояние между двумя точками колебания в одинаковой фазе …
— как, изменение фазы колебаний волны на 2π (где, 2π — не что иное, как — круг) …
— как, путь фронта волны, равный периоду колебательного процесса …
Длина радиоволн является первой сравнительной характеристикой, от которых зависит длина вибраторов / габаритов антенны ; и конструкция напрямую предопределяет, какая будет частота электромагнитного колебания приема / передачи … Однако — необязательно длина вибратора антенны должна быть равной длине radiowave : прекрасно работают антенны, где частота electromagnetic oscillation выбрана от &lambda / 2, &lambda / 4 и даже с дробными значениями …

Кроме прямых углов — природа не терпит пустоты … Эта особенность объясняет, почему колебания возмущения среды с переносом энергии не расширяются до бесконечности : сама природа, породившая perturbation with energy transfer — стремится противодействовать ее движениям, стремясь к равновесию и балансу сил, тем активнее, чем выше частота, амплитуда и скорость волнообразных колебаний … Перефразируя размышления Н. Теслы, можно сказать : кто познает природу волны — тот познает природу материи и мироздания …

18:43 31.08.2019

…

Длина волны в среде

В оптически более плотной среде (слой выделен тёмным цветом) длина электромагнитной волны сокращается. Синяя линия — распределение мгновенного (t = const) значения напряжённости поля волны вдоль направления распространения. Изменение амплитуды напряжённости поля, обусловленное отражением от границ раздела и интерференцией падающей и отражённых волн, на рисунке условно не показано.

Длина электромагнитной волны в среде короче, чем в вакууме:

λ=cnν,{\displaystyle \lambda ={\frac {c}{n\nu }},}

где n=εμ>1{\displaystyle n={\sqrt {\varepsilon \mu }}>1} — показатель преломления среды; ε — относительная диэлектрическая проницаемость среды; μ — относительная магнитная проницаемость среды. Величины n, μ и ε могут существенно зависеть от частоты (явление дисперсии). Поскольку для большинства сред в радиочастотном диапазоне μ ≈ 1 (для диэлектриков μ = 1, для ферромагнетиков с ростом частоты μ → 1), то в инженерной практике используют величину 1ε{\displaystyle 1/{\sqrt {\varepsilon }}}, показывающую, во сколько раз длины волны в среде короче по отношению к длине волны в вакууме, которую называют коэффициентом укорочения. Например, для полиэтилена (используется в радиочастотном диапазоне как изоляционный материал с малыми потерями) ε ≈ 2,56, и коэффициент укорочения приближенно равен 1/1,5 ≈ 0,67.

Напротив, длина электромагнитной волны (поперечномагнитной, поперечноэлектрической) в волноводах может быть не только больше, чем в среде с тем же значением ε, но и больше, чем вакууме, поскольку фазовая скорость электромагнитной волны в волноводе превышает скорость электромагнитной волны в среде с тем же ε.

Фазовая скорость — радиоволна

Фазовая скорость радиоволн, распространяющихся вдоль земной поверхности ( земных волн) вблизи излучателя, зависит от ее электрических свойств.

Зависимость множителя ослабления W от параметра р.| Границы применимости формулы ( 3 — 24.

Фазовая скорость радиоволны, распространяющейся вблизи земной поверхности, зависит от ее электрических параметров. При переходе радиоволны с моря на сушу ( вблизи береговой линии) происходит изменение направления распространения волны, называемое береговой рефракцией. Это создает ошибку в определении направления прихода радиоволн, что существенно для работы радионавигационных систем.

Флуктуации фазовой скорости радиоволн на трассе распространения сигналов точного времени не позволяют использовать принятые сигналы для точных измерений частоты за короткие промежутки времени. Чем больше величина случайных изменений фазы на трассе распространения радиоволн, тем больший интервал времени необходим для измерения. На погрешность сличения частот влияют также систематические изменения в атмосфере на трассе распространения при восходе и заходе солнца.

Линзовые антенны.

Так как относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика больше единицы, то фазовая скорость радиоволн, проходящих через линзу, уменьшается по сравнению со скоростью в воздухе. Зато лучи 2 и 3 затрачивают большее время на пути до линзы. Таким образом, наряду с преломлением радиоволн на границе воздух — диэлектрик на входе линзы, изменяющим-направление хода лучей, происходит выравнивание фаз.

Как же влияет ионизация атмосферы на распространение радиоволн. Уменьшение диэлектрической проницаемости атмосферы означает увеличение фазовой скорости радиоволн при перехо де их из нижних слоев атмосферы в ионосферу, а это влечет за собой преломление и отражение волн.

Поэтому фаза вынужденных колебаний электронов совпадает с фазой приходящей волны, т.е. имеет место первый из рассмотренных выше случаев — фазовая скорость радиоволн в диэлектрике всегда меньше, чем в вакууме.

Распространение ДВ и СДВ в волноводе Земля — ионосфера.

Как и во всяком волноводе, можно отметить оптимальные волны — волны, распространяющиеся с наименьшим затуханием, и критическую волну. Для волновода, образованного Землей и ионосферой, оптимальными являются волны длиной 25 — 35 км, а критической — волна длиной 100 км. Подобно законам распространения радиоволн в обычных волноводах, в сферическом ионосферном волноводе фазовая скорость радиоволн превышает скорость света в свободном пространстве. Однако фазовая скорость изменяется с изменением расстояния от передатчика. Кроме того, она зависит от электронной плотности и числа столкновений электронов с молекулами в той области ионосферы, где происходит отражение радиоволн.

Если электроны среды не удерживаются в определенных положениях упругими силами, как это имеет место в диэлектрике, а являются свободными, то частота их собственных колебаний обращается в пуль. Поэтому частота радиоволн всегда выше, чем собственная частота колебаний свободных электронов, вследствие чего вынужденные колебания электронов по фазе противоположны приходящей волне. Следовательно, в пространстве, содержащем свободные электроны, в частности в ионосфере, имеет места второй рассмотренный случай — фазовая скорость радиоволн больше, чем в вакууме.

Наоборот, когда фаза вынужденных колебаний электронов противоположна по фазе приходящей волне, то длина волны и фазовая скорость в среде больше, чем т вакууме. Если электроны среды не удерживаются в определенных положениях упругими силами, как это имеет место в диэлектрике, а являются свободными, то частота их собственных колебаний обращается в нуль. Поэтому частота радиоволн всегда выше, чем собственная частота колебаний свободных электронов, вследствие чего вынужденные колебания электронов по фазе противоположны приходящей волне. Следовательно, в пространстве, содержащем свободные электроны, в частности в ионосфере, имеет место второй рассмотренный случай — фазовая скорость радиоволн больше, чем в вакууме.