Изобретение относится к способам демонстрации в учебных целях волновых свойств электромагнитного излучения и может быть использовано для проведения лекционных демонстраций и лабораторных работ при изучении электромагнитных волн.
Известны способы учебной демонстрации явлений дифракции, интерференции и поляризации электромагнитных волн. В учебном пособии для втузов [1] описан способ демонстрации явлений дифракции и поляризации, при котором с помощью волновода с прямоугольным сечением, подключенного к генератору, излучают линейно поляризованные радиоволны с частотой 1010 Гц (длина волны λ = 3 см) и направляют их либо на металлический экран с двумя щелями для изучения дифракции, либо на анализатор поляризации (волновод с прямоугольным сечением) для изучения явления поляризации. Прошедшее излучение подается на приемник, регистрирующий пространственное распределение энергии радиоволн при демонстрации дифракционной картины, а также изменения энергии при повороте анализатора относительно излучающего волновода. Описанный способ недостаточно полно представляет совокупность физических эффектов, свойственных волновым процессам: в связи с тем, что линейные размеры используемых устройств сравнимы с длиной волны, они не являются квазиоптическими и с их помощью невозможно демонстрировать дифракционные и интерференционные эффекты в параллельных пучках, например, явление дифракции на дифракционной решетке или работу интерференционных приборов, а также моделировать эффекты, связанные с преобразованиями вида поляризации при пропускании параллельного пучка света через оптические устройства.
Способ демонстрации явлений дифракции, интерференции и поляризации радиоволн с частотой 1010 Гц, описанный в учебном пособии для студентов втузов [2], обладает такими же недостатками. В частности демонстрация интерференции электромагнитных волн, излучаемых двумя волноводами, запитываемыми от одного генератора диапазона 3 см, из-за большой длины волны не моделирует излучаемые в курсе оптики эффект интерференции света в пластинах с переменной оптической толщиной и работу интерферометров различных типов (например, интерферометр Фабри-Перо). Реализация учебной демонстрации физических эффектов, связанных с прохождением параллельных пучков волн в свободном пространстве, требует квазиоптической аппаратуры и в диапазоне волн длиннее 3 мм приводит к неприемлемому увеличению размеров демонстрационных стендов.
Наиболее близким к предлагаемому является способ демонстрации явлений дифракции, интерференции и поляризации электромагнитных волн, описанный в учебном пособии для университетов [3] , где на с. 493-497 этого пособия описаны методика изучения дифракции света и методика учебной демонстрации этого явления. Согласно описанию параллельный пучок света направляют на дифракционную решетку, содержащую 50-200 штрихов на миллиметр, при ширине штрихов d >> λ, где λ - длина волны света. Наблюдение дифракционной картины производят с помощью зрительной трубы при ее повороте относительно решетки. На с. 632-634 и 638-648 [3] описана методика учебной демонстрации явления интерференции света. Согласно приведенному описанию производят излучение света, направляя его в интерферометр Фабри-Перо, принимают выходящие из него лучи объективом и рассматривают интерференционную картину в фокальной плоскости последнего. При этом, как указано в работе [3, с. 632], для обеспечения нормальной работы интерферометра плоскостность поверхностей его зеркал и их параллельность должны быть выдержаны с точностью до 0,01 λ. В работе [3, с. 551-555] описаны методика изучения поляризации света и методика учебной демонстрации этого явления, согласно которой производят излучение параллельного пучка света с направлением его на поляризатор, выполненный в виде отражающей пластины из черного стекла, отраженный линейно поляризованный свет подают на анализатор (николь) и прошедший через него световой поток принимают для регистрации.
Таким образом, приведенные сведения показывают, что известен способ учебной демонстрации явлений дифракции, интерференции и поляризации электромагнитных волн, при котором эти волны излучают, направляя на устройства, соответствующие демонстрируемым явлениям и содержащие линзы, зеркала, дифракционные решетки, интерферометры, поляризаторы, осуществляют при необходимости подстройку этих устройств, принимают прошедшее через них или отраженное излучение, измеряют его физические параметры [3].
Недостатки этого способа обусловлены малой длиной волны излучения, используемого в установках. Известный способ не обеспечивает достаточной наглядности, не позволяя, например, учащимся непосредственно, без сложных измерительных приборов определять количество штрихов дифракционной решетки и затрудняет показ явлений из-за невозможности одновременного наблюдения несколькими учащимися дифракционной или интерференционной картины через окуляр. Демонстрация волновых свойств электромагнитного излучения по известному способу требует высокой точности изготовления и юстировки используемых оптических устройств (например, зеркал в интерферометре Фабри-Перо), что приводит к высокой стоимости аппаратуры. В диапазоне видимого света ограничиваются возможности демонстрации ряда важных волновых эффектов (например, при прохождении света в пластинах с переменной оптической толщиной недостаточен контраст интерференционной картины вследствие малых показателей преломления вещества пластины). Следует также отметить, что использование лазеров в качестве источников света создает опасность поражения зрения учащихся излучением, отражающимся от деталей оптических приборов.
Задача изобретения - повышение наглядности демонстрации волновых свойств электромагнитного излучения, снижение требований к точности изготовления и установки используемых в демонстрационных стендах устройств и приборов, обеспечение показа новых физических эффектов, способствующих более полному пониманию учащимися свойств электромагнитных волн.
Сущность изобретения заключается в том, что в способе учебной демонстрации явлений дифракции, интерференции и поляризации электромагнитных волн, при котором эти волны излучают, направляя на устройства, соответствующие демонстрируемым явлениям, и осуществляют при необходимости подстройку этих устройств, принимают прошедшее через них или отраженное излучение и измеряют его физические параметры, согласно изобретению, излучение и прием волн производят в диапазоне субмиллиметровых волн (1011 - 1012 Гц), при этом устройства, служащие для демонстрации свойств электромагнитных волн, выбирают квазиоптическими для указанного диапазона.
Изобретение реализуется следующим образом.
Увеличение длины волны на 3-4 порядка по сравнению с демонстрацией световых явлений и использование квазиоптических приборов позволяют существенно повысить наглядность показа волновых явлений, так как обучающиеся могут непосредственно наблюдать изменения оптического пути, например, при прохождении излучения через пластины с регулируемой толщиной или между зеркалами с регулируемым расстоянием между ними (в отличие от экспериментов со светом, где изменения составляют тысячные доли миллиметра, здесь они возрастают до миллиметров). В проволочных квазиоптических поляризаторах обучающиеся могут видеть без специальных приборов ориентацию поляризационных элементов, представлять себе направления образующихся векторов напряженности электрического и магнитного полей и непосредственно убеждаться, например, что максимум сигнала на выходе устройства, содержащего два таких поляризатора, наблюдается при параллельности проволочек в них, а минимум - при их ортогональности. При демонстрации действия просветляющих покрытий в интерференционных экспериментах в диапазоне 1011 - 1012 Гц толщина требуемых для просветления диэлектрических пленок достигает десятых долей миллиметра, что позволяет учащимся просто прикладывать их к соответствующим приборам и наблюдать увеличение сигнала на выходе приемника излучения. При демонстрации дифракционных явлений в этом диапазоне размер штрихов дифракционной решетки имеет порядок нескольких миллиметров, поэтому учащиеся могут измерять их простым мерительным инструментом (например, штангенциркулем) и сопоставлять с наблюдаемой картиной дифракции.
Использование квазиоптических приборов и узлов субмиллиметрового диапазона (0,3 мм ≤ λ ≤ 3 мм, где λ - рабочая длина волны) существенно снижает требования к точности их изготовления и установки на демонстрационных стендах. В частности в отличие от экспериментов со светом, требуемые плоскостность и параллельность зеркал в интерферометре Фабри-Перо легко достигаются даже при их относительных перемещениях на расстоянии в десятки длин волн (в оптике последнее достигается лишь с помощью дорогих и сложных в обращении пьезоэлектрических узлов, при этом смещение зеркал невозможно наблюдать непосредственно).
Излучение и прием электромагнитных волн в субмиллиметровом диапазоне позволяют расширить объем демонстрируемых физических эффектов для лучшего понимания учащимися волновой природы излучения.
В частности в этом диапазоне существенно облегчается демонстрация явлений отражения волн от дифракционной решетки и их интерференции в пластине переменной толщины. В последнем случае учащимся может быть показан также имеющий большое познавательное значение эффект интерференции при прохождении волн через диэлектрическую пластину и контактирующую с ней металлическую пленку. В субмиллиметровом диапазоне оказывается возможным использование в зеркалах интерферометров, а в поляризаторах - одномерных и двумерных проволочных сеток с шагом, много меньшим длины волны (это неосуществимо в оптическом диапазоне), что позволяет демонстрировать учащимся также возможности простого преобразования типов поляризации электромагнитных волн от линейной до эллиптической, включая круговую, с помощью таких элементов.
Помимо этого использование квазиоптических устройств субмиллиметрового диапазона позволяет уменьшить время подготовки демонстрационных стендов к работе, обеспечивает показ волновых явлений одновременно нескольким учащимся, может обеспечить более высокую безопасность работы с источниками электромагнитного излучения по сравнению, например, с лазерными излучателями.
Для осуществления способа учебной демонстрации явлений дифракции, интерференции и поляризации электромагнитных волн предлагаются стенды, оснащенные для демонстрации этих явлений необходимыми устройствами, размещенными на опорной горизонтальной плите. В качестве плиты может быть использована, например, горизонтально расположенная стальная плита толщиной 10 мм, имеющая длину приблизительно 1 м и ширину порядка 0,8 м, в которой проделаны отверстия диаметром 5-6 мм с резьбой для установки излучателя, приемника и квазиоптических устройств, необходимых по характеру демонстраций.
Излучатель параллельного пучка субмиллиметровых волн диапазона 1011 - 1012 Гц содержит источник излучения (лампу обратной волны, лавиннопролетный диод или СВЧ-генератор сантиметрового диапазона с умножителем частоты на СВЧ-диодах и с полосовым фильтром), перед выходным рупором которого на расстоянии, равном фокусному (порядка 50 мм), установлена сферическая линза из тефлона, так что выходящий из нее пучок электромагнитных волн является параллельным и горизонтальным (направлен вдоль плиты на высоте от нее порядка 100-200 мм).
Использование изобретения повышает наглядность демонстрации волновых свойств электромагнитного излучения.
название | год | авторы | номер документа |
---|---|---|---|
УЧЕБНО-ДЕМОНСТРАЦИОННАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ И ТЕСТ-ОБЪЕКТ ДЛЯ ЕЕ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ | 2014 |
|
RU2567686C1 |
Устройство для демонстрации спектра лазерного излучения | 1988 |
|
SU1527652A1 |
Устройство для демонстрации явлений интерференции и дифракции света | 1989 |
|
SU1622897A1 |
Способ демонстрации оптической интерференции и дифракции света | 1988 |
|
SU1541660A1 |
УЧЕБНЫЙ ПРИБОР ПО ОПТИКЕ | 1996 |
|
RU2112283C1 |
Учебный прибор по оптике | 1987 |
|
SU1481843A1 |
УСТРОЙСТВО РАСПОЗНАВАНИЯ ВНУТРЕННИХ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ ОБЪЕКТА | 2005 |
|
RU2276355C1 |
УЧЕБНЫЙ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЙ ПРИБОР С КРИСТАЛЛОМ ИСЛАНДСКОГО ШПАТА | 2001 |
|
RU2219490C2 |
УСТРОЙСТВО ЭКСПОНИРОВАНИЯ ПРИ ФОРМИРОВАНИИ НАНОРАЗМЕРНЫХ СТРУКТУР И СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ НАНОРАЗМЕРНЫХ СТРУКТУР | 2010 |
|
RU2438153C1 |
ИЗМЕРИТЕЛЬ ТОКА ОПТИЧЕСКИЙ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЙ | 2021 |
|
RU2767166C1 |
Изобретение относится к способам демонстрации в учебных целях волновых свойств электромагнитного излучения. Сущность изобретения: для повышения наглядности демонстрации и снижения требований к точности изготовления и установки применяемых демонстрационных приборов излучение, преобразование, распространение и регистрацию электромагнитных волн производят в субмиллиметровом (1011 - 1012 Гц) диапазоне с помощью квазиоптических устройств и узлов.
\ \ \ 1 Способ учебной демонстрации явлений дифракции, интерференции и поляризации электромагнитных волн, при котором эти волны излучают, направляя на устройства, соответствующие демонстрируемым явлениям, и осуществляют при необходимости подстройку этих устройств, принимают прошедшее через них или отраженное излучение и измеряют его физические параметры, отличающийся тем, что излучение и прием волн производят в диапазоне субмиллиметровых волн 10<M^>11<D> - 10<M^>12<D> Гц, при этом устройства, служащие для демонстрации свойств электромагнитных волн, выбирают квазиоптическими для указанного диапазона.
Печь для непрерывного получения сернистого натрия | 1921 |
|
SU1A1 |
Лабораторный практикум по физике | |||
/ Под ред | |||
А.С.Ахматова | |||
Способ получения фтористых солей | 1914 |
|
SU1980A1 |
Аппарат для очищения воды при помощи химических реактивов | 1917 |
|
SU2A1 |
Лабораторный практикум по физике | |||
/ Под ред | |||
К.А.Барсукова и Ю.И.Уханова | |||
Механическая топочная решетка с наклонными частью подвижными, частью неподвижными колосниковыми элементами | 1917 |
|
SU1988A1 |
Переносная печь для варки пищи и отопления в окопах, походных помещениях и т.п. | 1921 |
|
SU3A1 |
Физический практикум | |||
Электричество и оптика | |||
/ Под ред | |||
В.И.Ивероновой | |||
Приспособление для контроля движения | 1921 |
|
SU1968A1 |
Авторы
Даты
1998-05-27—Публикация
1993-04-28—Подача