Способ демонстрации свойств электромагнитных волн

 

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.

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.

Формула изобретения

\ \ \ 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 10¹¹ - 10¹² Гц, при этом устройства, служащие для демонстрации свойств электромагнитных волн, выбирают квазиоптическими для указанного диапазона.