Podział fal elektromagnetycznych oraz ich zastosowanie, Egzaminy z Nawigacja

Pobierz Podział fal elektromagnetycznych oraz ich zastosowanie i więcej Egzaminy w PDF z Nawigacja tylko na Docsity!

Podział fal elektromagnetycznych oraz ich

zastosowanie

Wstęp do tematu: Rodzaje fal elektromagnetycznych oraz ich zastosowanie. Zasób zawiera: ogólny wstęp do tematu, fotografię, odwołanie do wcześniejszej wiedzy ucznia oraz cele lekcji sformułowane w języku ucznia. Zasób zawiera: wstęp dotyczący polaryzacji i pola elektrycznego wytwarzanego przez ładunki elektryczne w spoczynku i w ruchu; omówienie wytwarzania zmiennego pola elektromagnetycznego; krótkie porównanie fal elektromagnetycznych do fal mechanicznych; określenie fali elektromagnetycznej; parametry opisujące falę (długość, prędkość, częstotliwość fali) wraz z jednostkami; określenie wartości prędkości fali elektromagnetycznej w próżni c. Zasób zawiera: tabelaryczne zestawienie długości fal elektromagnetycznych; rysunek przedstawiający uszeregowanie fal według rosnącej częstotliwości i malejącej długości; przykład rozwiązania tekstowego obliczeniowego dotyczącego długości fali; ćwiczenie interaktywne mające na celu uszeregowanie fal elektromagnetycznych; określenie fal radiowych i ich zastosowania; zdjęcie radioteleskopu; określenie mikrofal i ich zastosowania; dwa ćwiczenia interaktywne dotyczące mikrofal i fal radiowych; określenie promieniowania podczerwonego i jego zastosowania; zdjęcie wykonane w podczerwieni; określenie zakresu światła widzialnego; rysunek przedstawiający widmo fal elektromagnetycznych w zakresie widzialnym; tabelaryczne zestawienie długości poszczególnych składowych światła widzialnego; rysunek przedstawiający wykres obrazujący czułość oka ludzkiego na poszczególne barwy; określenie ultrafioletu i jego zastosowania; zdjęcie przedstawiające odczytywania znaków wodnych na banknotach za pomocą UV; dwa ćwiczenia interaktywne; określenie promieniowania rentgenowskiego i jego zastosowania; zdjęcie przedstawiające różne zastosowanie promieniowania X; biogram: Wilhelm Konrad Röntgen; określenie promieniowaniagamma i jego zastosowania; ćwiczenie interaktywne. Zasób zawiera: dziesięć sformułowań podsumowujących dotyczących rodzajów fal elektromagnetycznych; opis doświadczenia, którego celem jest obserwacja promieniowania podczerwonego. Zasób zawiera wyjaśnienie pojęć: fale radiowe i telewizyjne, mikrofale, podczerwień, promieniowanie rentgenowskie, ultrafiolet, nadfiolet Zasób zawiera: trzy ćwiczenia interaktywne różnego typu (krzyżówka, wyboru odpowiedzi, dopasowanie).

1. Fale elektromagnetyczne

Kiedy umieścimy w jakimś miejscu ładunek elektryczny dodatni lub ujemny, w przestrzeni wokół niego pojawią się siły działające na inne ładunki; wystąpi na przykład zjawisko polaryzacji (rozsunięcia ładunków elektrycznych w przewodniku). Mówimy, że ładunek elektryczny wytwarza wokół siebie pole elektryczne i pole to wywiera oddziaływanie na inne ładunki. To pole elektryczne jest odpowiedzialne za przepływ prądu elektrycznego.

Jeżeli ładunek wytwarzający pole będzie się poruszał, czyli zbliżał do jednych ładunków a oddalał od drugich, to działające siły będą się zmieniały. Wynika z tego, że pole będzie się zmieniało. Możemy zatem mieć do czynienia z polem stałym w czasie (statycznym) lub polem zmiennym w czasie. Jeżeli pole elektryczne w przewodniku będzie stałe to natężenie prądu również. W sytuacji, gdy pole będzie ulegało zmianie, to i natężenie prądu elektrycznego będzie sią zmieniało.

Podobnie jest z oddziaływaniem sił magnetycznych – występują w przestrzeni wokół magnesu, elektromagnesu lub przewodnika, w którym płynie prąd elektryczny. Oznacza to, że wymienione ciała są źródłami pola magnetycznego. Jeżeli źródła pola będą nieruchome i natężenie prądu w uzwojeniach elektromagnesu czy pojedynczym przewodniku będzie miało stałą wartość, to wytworzone pole będzie statyczne. Ruch źródeł i zmiany natężenia prądu wytworzą pole zmienne.

Wiesz już, że zmiana położenia magnesu względem przewodnika może powodować w nim przepływ prądu elektrycznego. Ponieważ przepływ ten wymaga pola elektrycznego, wynika z tego, że zmienne pole magnetyczne powoduje powstanie pola elektrycznego. Wiesz także, że przepływ prądu w przewodniku spowoduje powstanie pola magnetycznego wokół przewodnika, a jeżeli prąd będzie płynął raz w jedną, a raz w drugą stronę lub jego natężenia będzie wzrastać lub maleć, to pole magnetyczne, jakie ten prąd wytworzy, będzie zmienne.

Co się stanie, gdy w jakimś miejscu pojawi się zmienne pole magnetyczne? Natychmiast pojawi się się zmienne pole elektryczne. Nie musi się tam znajdować przewodnik. A gdy w jakimś miejscu pojawi się zmienne oddziaływanie elektryczne, (np. poruszający się )? Tak, masz rację – pojawi się w tym miejscu zmienne pole magnetyczne. W ten sposób przenoszą się te pola w przestrzeni.

Odkształcenie powierzchni wody rozchodzi się, tworząc falę, a zgęszczenie powietrza wywołane ruchem struny przenosi się w powietrzu, tworząc falę dźwiękową. W odniesieniu do zmiennego pola elektrycznego i magnetycznego mówimy o fali elektromagnetycznej. W II połowie XIX wieku teorię rozchodzenia się fal opracował James Clerk Maxwell. Podobno miał on powiedzieć, że jest to niezwykle piękna teoria, która się nigdy do niczego nie przyda.

Fale elektromagnetyczne odkrył Heinrich Hertz w 1886 roku. Teoria Maxwella została potwierdzona, ale Hertz nie dożył już lat, w których powstało radio.

Jak wynika z powyższego, aby wzbudzić falę elektromagnetyczną, trzeba w jakimś miejscu wywołać zmianę pola magnetycznego lub elektrycznego. A skąd wiadomo, że fala gdzieś dotarła? Jeżeli przy jednym brzegu jeziora wzbudzimy falę mechaniczną, to kiedy dotrze ona do łódki unoszącej się na wodzie przy drugim brzegu zauważymy, że zacznie się ona podnosić i opadać. Fala elektromagnetyczna, którą tworzą zmienne pola elektryczne i magnetyczne, spowoduje przepływ prądu w zamkniętym obwodzie odbiornika. Najważniejsza różnica między oboma rodzajami fal polega na tym, że fala mechaniczna wymaga materialnego ośrodka, w którym może się rozchodzić. Fala elektromagnetyczna może rozchodzić się w próżni.

To oczywiście podstawy. O tym, jak spowodować, aby fala niosła informacje np. o dźwięku, a potem jak te informacje przełożyć z powrotem na dźwięk, będziesz się uczyć w liceum (jeżeli wybierzesz poziom rozszerzony) i na studiach technicznych.

fala elektromagnetyczna

• rozchodzenie się zmiennych pół elektrycznych i magnetycznych w przestrzeni. Do fal elektromagnetycznych zalicza się: fale radiowe, mikrofale, podczerwień, światło widzialne, ultrafiolet, promieniowanie rentgenowskie i promieniowanie gamma. Podane fale różnią się między sobą długością i częstotliwością. Długość fali i częstotliwość są do siebie odwrotnie proporcjonalne:

gdzie:

• długość fali;
• prędkość rozchodzenia się fali;
• częstotliwość fali. W próżni wszystkie rodzaje fal elektromagnetycznych rozchodzą się z jednakową prędkością (c) , która wynosi. Długość fali będzie wtedy równa:

2. Zakresy długości fal elektromagnetycznych i ich

zastosowanie

Zakresy długości fal elektromagnetycznych

λ = fv

v

f

3 ⋅ 108 ms

λ = f c

Ćwiczenie 1

Uszereguj wymienione fale elektromagnetyczne według rosnącej częstotliwości.

fale radiowe mikrofale światło widzialne promieniowanie podczerwone promieniowanie rentgenowskie ultrafiolet promieniowanie gamma Źródło: Magdalena Grygiel [email protected], licencja: CC BY 3.0.

Fale radiowe i telewizyjne mają najmniejsze częstotliwości. Są wykorzystywane przede wszystkim w komunikacji. Dzięki ich istnieniu możliwe jest przekazywanie obrazu i dźwięku, co jest podstawą działania stacji radiowych i telewizyjnych. Ze względu na długość fale radiowe dzieli się na długie i krótkie. Na tzw. falach krótkich nadają rozgłośnie radiowe, które wykorzystują różne częstotliwości nadawania dla różnych miejsc w kraju. Są też stacje, które na obszarze całej Polski nadają na jednej częstotliwości – wtedy wykorzystywane są tzw. fale długie. Dzięki nim można odbierać programy stacji radiowych z innych krajów europejskich.

Fale radiowe znalazły też zastosowanie w obserwacjach astronomicznych. W kosmosie występują ciała niebieskie będące naturalnymi źródłami fal radiowych. W obserwatoriach wykorzystuje się radioteleskopy, które umożliwiają prowadzenie tzw. nasłuchu, czyli badań odległych zakątków kosmosu.

Radioteleskop znajduje się w północnej części Chile na pustyni Atakama. Jego średnica wynosi 12 m, a masa 125 ton. Zbudowano go w ramach współpracy Radioastronomicznego Instytutu Maxa Plancka, Obserwatorium Onsala (OSO) i Południowego Obserwatorium Europejskiego (ESO)

Mikrofale najczęściej kojarzone są z kuchenką mikrofalową, a jest to tylko jedno z wielu możliwych ich zastosowań. Są wytwarzane przez specjalne lampy elektronowe. Mikrofale rozchodzą się bez problemów w powietrzu, nawet przy niesprzyjających warunkach atmosferycznych (mgła, opady). Dzięki temu znalazły zastosowanie w radarach – urządzeniach służących do określania położenia. Radary stosuje się w meteorologii, np. do śledzenia chmur deszczowych. Mikrofale znalazły zastosowanie także w łączności radioliniowej i satelitarnej, tzn. między satelitą a Ziemię (telefony, faksy, transmisja danych) oraz między satelitami. Częstotliwość odpowiadająca mikrofalom wykorzystywana jest również w: telefonii komórkowej, nawigacji GPS, łączności bluetooth i bezprzewodowych sieciach komputerowych WLAN.

Zapamiętaj!

Mikrofale to fale elektromagnetyczne stosowane w radarach, łączności satelitarnej i nawigacji GPS.

Ćwiczenie 2

Wybierz wszystkie prawdziwe stwierdzenia dotyczące fal radiowych i mikrofal.

Fale radiowe mają mniejszą częstotliwość niż mikrofale. Fale radiowe i mikrofale rozchodzą się w próżni z prędkością 300000 km/s. Fale radiowe mają długość od 10 cm do 10 km. Mikrofale są emitowane przez ciała ciepłe i gorące. Źródło: Magdalena Grygiel [email protected], licencja: CC BY 3.0.

Zapamiętaj!

Podczerwień wysyłają różne ciała, np. żarówki, Słońce, ciało człowieka. Ogrzewa ciała stałe i ciecze, na które pada. Wykorzystuje się ją m.in. w noktowizorach i kamerach termowizyjnych.

Światło widzialne, czyli rejestrowane przez ludzki wzrok, mieści się w zakresie od 400 nm do 780 nm. Oko odbiera fale o różnych częstotliwościach i ich złożenia, mózg interpretuje je zaś jako kolory.

Długości fal podano w nanometrach.

Zakresy długości fal odpowiadających poszczególnym kolorom Kolor Długość fali [nm] fioletowy 400– niebieski 450– zielony 500– żółty 570– pomarańczowy 590– czerwony 610–

Narząd wzroku jest najbardziej wrażliwy na kolor zielony i jego odcienie. Dlatego też w sygnalizatorach świetlnych stosuje się kolor zielony jako sygnał do ruszenia. Warto też wykorzystywać ten kolor, gdy notujemy ważne informacje. Wśród wielu linijek jednobarwnego (czarnego, niebieskiego) teksu oko skupi się na fragmencie zapisanym (zaznaczonym) na zielono

Ultrafiolet (UV) to promieniowanie, które dociera do nas razem z promieniami słonecznymi. Jest ono niezbędne do wytwarzania witaminy D w organizmie człowieka, ale nadmiar tego promieniowania może grozić poważnymi konsekwencjami. Gdy się opalasz, to właśnie promieniowanie UV wywołuje opaleniznę, ale czasem poparzenie skóry. Długotrwałe opalanie się powoduje uszkodzenia włókien kolagenowych skóry oraz szybsze jej starzenie się (powstawanie zmarszczek). Zbyt duże dawki promieniowania UV mogą prowadzić do trwałych zmian skórnych, nawet nowotworowych. Dlatego ważna jest ochrona przed tym promieniowaniem. Warto stosować kremy z filtrem UV (im wyższy wskaźnik ochrony przeciwsłonecznej, tym lepiej), które rzeczywiście chronią skórę. Pamietajcie też, że promieniowanie UV zawiera światło łuku elektrycznego, powstające podczas spawania elektrycznego (oglądamy takie światło np. podczas spawania szyn tramwajowych). Kilkunastosekundowe patrzenie na taki łuk wywoła uszkodzenie wzroku.

Ćwiczenie 4

Uzupełnij puste miejsca wybierając brakujące elementy z listy.

równa, czerwony, nie zalicza się, pomarańczowy, większa od, niebieskiemu, czerwonemu, pomarańczowemu, mniejsza od, niebieskiemu, większej od, nie jest, jest, mniejszej od, widzialny, żółtemu, niewidzialny, zalicza się, niebieski, fioletowy, żółty, czerwonemu, pomarańczowemu, żółtemu, zielonemu, fioletowemu, fioletowemu, równej, zielonemu, zielony

Promieniowanie podczerwone ................................ wysyłane przez wszystkie ciała. Podczerwień ................................ do fal elektromagnetycznych. Jej częstotliwość jest ................................ częstotliwości światła widzialnego. Najmniejsza długość fali światła widzialnego odpowiada kolorowi ................................ , a największa długość fali kolorowi ................................. Ludzkie oko jest najbardziej czułe na kolor ................................. Ultrafiolet należy do fal elektromagnetycznych o długości ................................ długości fal światła widzialnego, więc jest ................................ dla ludzkiego oka.

Źródło: Magdalena Grygiel [email protected], licencja: CC BY 3.0.

Ćwiczenie 5

Przeczytaj uważnie zdania. Oceń, czy są prawdziwe czy fałszywe.

Prawda Fałsz Promieniowanie podczerwone wykorzystuje się w kamerach termowizyjnych.

Promieniowani ultrafioletowe sprzyja wytwarzaniu witaminy D w organizmie człowieka.

Ultrafiolet może niszczyć organizmy żywe, więc stosuje się go do sterylizacji.

Źródłem promieniowania podczerwonego są lampy kwarcowe.

Źródło: Magdalena Grygiel [email protected], licencja: CC BY 3.0.

W 1895 roku Wilhelm Röntgen odkrył Promieniowanie rentgenowskie (X). Jego źródłem są specjalne lampy. Emitują one promieniowanie w wyniku hamowania ropędzonych elektronów na metalowej elektrodzie. Promieniowanie rentgenowskie ma szerokie zastosowanie w diagnostyce medycznej (prześwietlenia RTG, mammografia i inne), ponieważ przenika przez skórę i jest pochłaniane przez kości. Zbyt duża dawka tego promieniowania może prowadzić do uszkodzeń narządów wewnętrznych i zmian chorobowych, dlatego podczas badań stosuje się osłony – fartuchy wykonane gumy z zawarością tlenków ołowiu. Promieniowanie takie może uszkodzić materiał genetyczny komórek i doprowadzić do zmian genetycznych potomstwa.

Promieniowanie rentgenowskie to fala elektromagnetyczna o dużej częstotliwości. Jest przenikliwa, dzięki czmu można prześwietlać bagaże na lotniskach i przeprowadzać badania diagnostyczne.

Promieniowanie gamma jest falą elektromagnetyczną o największej częstotliwości i najmniejszej długości fali. Jest dużo bardziej przenikliwe niż promieniowanie X, może swobodnie przenikać przez papier, tekturę, aluminium. Pochłaniane jest przez warstwę ołowiu. Źródłem tego promieniowania są różne pierwiastki promieniotwórcze. Niektóre z nich stosowane są w medycynie i radioterapii. Więcej temat promieniowania gamma dowiecie się z rozdziałów poświęconych fizyce jądrowej i atomowej.

Ćwiczenie 6

Wybierz zdanie prawdziwe.

Promieniowanie gamma i promieniowanie rentgenowskie ma zastosowanie w medycynie. Promieniowanie rentgenowskie jest bardziej przenikliwe niż promieniowanie gamma. Promieniowanie rentgenowskie przenika przez warstwę ołowiu. Źródło: Magdalena Grygiel [email protected], licencja: CC BY 3.0.

Podsumowanie

Fale elektromagnetyczne są falami poprzecznymi, które rozchodzą się z prędkością 300 000 km/s. Długość fali ( ) oblicza się ze wzoru:

gdzie

• prędkość rozchodzenia się fali
  • częstotliwość. Im większa jest długość fali, tym mniejsza jest jej częstotliwość. Mówimy, że długość i częstotliwość fali są do siebie odwrotnie proporcjonalne. Do fal elektromagnetycznych zaliczamy fale radiowe i telewizyjne, mikrofale, podczerwień, światło widzialne, ultrafiolet, promieniowanie rentgenowskie i promieniowanie gamma. Fale radiowe mają największą długość fali i najmniejszą częstotliwość. Znalazły zastosowanie w radiofonii i telewizji.

λ = fv

v

f

Mikrofale mają mniejszą długość niż fale radiowe. Stosowane są m.in. w radarach, łączności satelitarnej, kuchenkach mikrofalowych. Podczerwień jest emitowana przez ciała ciepłe i gorące, także przez ciało człowieka. Ultrafiolet ma większą częstotliwość niż światło widzialne. Źródłem ultrafioletu są lampy kwarcowe i Słońce. Promieniowanie rentgenowskie jest przenikliwe, zatrzymuje je warstwa ołowiu. Promieniowanie gamma ma największą częstotliwość i jest najbardziej przenikliwe.

Praca domowa

Słowniczek

fale radiowe i telewizyjne

• fale elektromagnetyczne o najmniejszej częstotliwości. Są wykorzystywane w radiofonii i telewizji oraz do obserwacji astronomicznych.

mikrofale

• fale elektromagnetyczne stosowane w radarach, łączności satelitarnej, nawigacji GPS.

podczerwień

• wysyłana jest przez różne ciała, np. żarówki, Słońce, ciało człowieka. Ogrzewa ona ciała stałe i ciecze, które ją pochłaniają. Ma zastosowanie m.in. w noktowizorach, kamerach termowizyjnych.

promieniowanie rentgenowskie (X)

• fala elektromagnetyczna o dużej częstotliwości. Jest przenikliwa, co pozwala na prześwietlanie bagaży na lotniskach i przeprowadzanie badań diagnostycznych.

ultrafiolet (UV, nadfiolet)

• fala elektromagnetyczna o częstotliwości większej od częstotliwości światła widzialnego. Źródłem ultrafioletu są Słońce i lampy kwarcowe. Ultrafiolet znalazł zastosowanie m.in. w sterylizacji pomieszczeń i kryminalistyce.

Zadania podsumowujące lekcję

Ćwiczenie 7

Rozwiąż krzyżówkę.

1. Fale elektromagnetyczne o największych długościach to fale...
2. Kolor, któremu odpowiadają fale o najmniejszej długości z zakresu światła widzialnego.
3. Np. podczerwone, X
4. Fale elektromagnetyczne o częstotliwości większej niż światło widzialne.
5. Fale elektromagnetyczne o największej częstotliwości.
6. Jej źródłem jest m.in. ciało człowieka.
7. Urządzenie wykorzystujące w swym działaniu mikrofale - ...mikrofalowa

1 2 3 4 5 6 7

Źródło: Magdalena Grygiel [email protected], licencja: CC BY 3.0.

Ćwiczenie 8

Polskie Radio Program Pierwszy nadaje w pewnym regionie na częstotliwości 100MHz. Długość tej fali jest równa około

300 cm. 3 m. 0,3 cm. 3 cm. 30 cm. 3000 cm. 0,3 m. 30 m. 300 m. 3000 m.

Źródło: Magdalena Grygiel [email protected], licencja: CC BY 3.0.