Конвертер длины и расстояния Конвертер массы Конвертер мер объема сыпучих продуктов и продуктов питания Конвертер площади Конвертер объема и единиц измерения в кулинарных рецептах Конвертер температуры Конвертер давления, механического напряжения, модуля Юнга Конвертер энергии и работы Конвертер мощности Конвертер силы Конвертер времени Конвертер линейной скорости Плоский угол Конвертер тепловой эффективности и топливной экономичности Конвертер чисел в различных системах счисления Конвертер единиц измерения количества информации Курсы валют Размеры женской одежды и обуви Размеры мужской одежды и обуви Конвертер угловой скорости и частоты вращения Конвертер ускорения Конвертер углового ускорения Конвертер плотности Конвертер удельного объема Конвертер момента инерции Конвертер момента силы Конвертер вращающего момента Конвертер удельной теплоты сгорания (по массе) Конвертер плотности энергии и удельной теплоты сгорания топлива (по объему) Конвертер разности температур Конвертер коэффициента теплового расширения Конвертер термического сопротивления Конвертер удельной теплопроводности Конвертер удельной теплоёмкости Конвертер энергетической экспозиции и мощности теплового излучения Конвертер плотности теплового потока Конвертер коэффициента теплоотдачи Конвертер объёмного расхода Конвертер массового расхода Конвертер молярного расхода Конвертер плотности потока массы Конвертер молярной концентрации Конвертер массовой концентрации в растворе Конвертер динамической (абсолютной) вязкости Конвертер кинематической вязкости Конвертер поверхностного натяжения Конвертер паропроницаемости Конвертер плотности потока водяного пара Конвертер уровня звука Конвертер чувствительности микрофонов Конвертер уровня звукового давления (SPL) Конвертер уровня звукового давления с возможностью выбора опорного давления Конвертер яркости Конвертер силы света Конвертер освещённости Конвертер разрешения в компьютерной графике Конвертер частоты и длины волны Оптическая сила в диоптриях и фокусное расстояние Оптическая сила в диоптриях и увеличение линзы (×) Конвертер электрического заряда Конвертер линейной плотности заряда Конвертер поверхностной плотности заряда Конвертер объемной плотности заряда Конвертер электрического тока Конвертер линейной плотности тока Конвертер поверхностной плотности тока Конвертер напряжённости электрического поля Конвертер электростатического потенциала и напряжения Конвертер электрического сопротивления Конвертер удельного электрического сопротивления Конвертер электрической проводимости Конвертер удельной электрической проводимости Электрическая емкость Конвертер индуктивности Конвертер Американского калибра проводов Уровни в dBm (дБм или дБмВт), dBV (дБВ), ваттах и др. единицах Конвертер магнитодвижущей силы Конвертер напряженности магнитного поля Конвертер магнитного потока Конвертер магнитной индукции Радиация. Конвертер мощности поглощенной дозы ионизирующего излучения Радиоактивность. Конвертер радиоактивного распада Радиация. Конвертер экспозиционной дозы Радиация. Конвертер поглощённой дозы Конвертер десятичных приставок Передача данных Конвертер единиц типографики и обработки изображений Конвертер единиц измерения объема лесоматериалов Вычисление молярной массы Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева

Исходная величина

Преобразованная величина

герц эксагерц петагерц терагерц гигагерц мегагерц килогерц гектогерц декагерц децигерц сантигерц миллигерц микрогерц наногерц пикогерц фемтогерц аттогерц циклов в секунду длина волны в эксаметрах длина волны в петаметрах длина волны в тераметрах длина волны в гигаметрах длина волны в мегаметрах длина волны в километрах длина волны в гектометрах длина волны в декаметрах длина волны в метрах длина волны в дециметрах длина волны в сантиметрах длина волны в миллиметрах длина волны в микрометрах Комптоновская длина волны электрона Комптоновская длина волны протона Комптоновская длина волны нейтрона оборотов в секунду оборотов в минуту оборотов в час оборотов в сутки

Удельная теплоёмкость

Подробнее о частоте и длине волны

Общие сведения

Частота

Частота - это величина, измеряющая как часто повторяется тот или иной периодический процесс. В физике с помощью частоты описывают свойства волновых процессов. Частота волны - количество полных циклов волнового процесса за единицу времени. Единица частоты в системе СИ - герц (Гц). Один герц равен одному колебанию в секунду.

Длина волны

Существует множество различных типов волн в природе, от вызванных ветром морских волн до электромагнитных волн. Свойства электромагнитных волн зависят от длины волны. Такие волны разделяют на несколько видов:

• Гамма-лучи с длиной волны до 0,01 нанометра (нм).
• Рентгеновские лучи с длиной волны - от 0,01 нм до 10 нм.
• Волны ультрафиолетового диапазона , которые имеют длину от 10 до 380 нм. Человеческому глазу они не видимы.
• Свет в видимой части спектра с длиной волны 380–700 нм.
• Невидимое для людей инфракрасное излучение с длиной волны от 700 нм до 1 миллиметра.
• За инфракрасными волнами следуют микроволновые , с длиной волны от 1 миллиметра до 1 метра.
• Самые длинные - радиоволны . Их длина начинается с 1 метра.

Эта статья посвящена электромагнитному излучению, и особенно свету. В ней мы обсудим, как длина и частота волны влияют на свет, включая видимый спектр, ультрафиолетовое и инфракрасное излучение.

Электромагнитное излучение

Электромагнитное излучение - это энергия, свойства которой одновременно сходны со свойствами волн и частиц. Эта особенность называется корпускулярно-волновым дуализмом. Электромагнитные волны состоят из магнитной волны и перпендикулярной к ней электрической волны.

Энергия электромагнитного излучения - результат движения частиц, которые называются фотонами. Чем выше частота излучения, тем они более активны, и тем больше вреда они могут принести клеткам и тканям живых организмов. Это происходит потому, что чем выше частота излучения, тем больше они несут энергии. Большая энергия позволяет им изменить молекулярную структуру веществ, на которые они действуют. Именно поэтому ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма излучение так вредно для животных и растений. Огромная часть этого излучения - в космосе. Оно присутствует и на Земле, несмотря на то, что озоновый слой атмосферы вокруг Земли блокирует большую его часть.

Электромагнитное излучение и атмосфера

Атмосфера земли пропускает только электромагнитное излучение с определенной частотой. Большая часть гамма-излучения, рентгеновских лучей, ультрафиолетового света, часть излучения в инфракрасном диапазоне и длинные радиоволны блокируются атмосферой Земли. Атмосфера поглощает их и не пропускает дальше. Часть электромагнитных волн, в частности, излучение в коротковолновом диапазоне, отражается от ионосферы. Все остальное излучение попадает на поверхность Земли. В верхних атмосферных слоях, то есть, дальше от поверхности Земли, больше радиации, чем в нижних слоях. Поэтому чем выше, тем опаснее для живых организмов находиться там без защитных костюмов.

Атмосфера пропускает на Землю небольшое количество ультрафиолетового света, и он приносит вред коже. Именно из-за ультрафиолетовых лучей люди обгорают на солнце и могут даже заболеть раком кожи. С другой стороны, некоторые лучи, пропускаемые атмосферой, приносят пользу. Например, инфракрасные лучи, которые попадают на поверхность Земли, используют в астрономии - инфракрасные телескопы следят за инфракрасными лучами, излучаемыми астрономическими объектами. Чем выше от поверхности Земли, тем больше инфракрасного излучения, поэтому телескопы часто устанавливают на вершинах гор и на других возвышенностях. Иногда их отправляют в космос, чтобы улучшить видимость инфракрасных лучей.

Взаимоотношение между частотой и длиной волны

Частота и длина волны обратно пропорциональны друг другу. Это значит, что по мере увеличения длины волны частота уменьшается и наоборот. Это легко представить: если частота колебаний волнового процесса высокая, то время между колебаниями намного короче, чем у волн, частота колебаний которых меньше. Если представить волну на графике, то расстояние между ее пиками будет тем меньше, чем больше колебаний она совершает на определенном отрезке времени.

Чтобы определить скорость распространения волны в среде, необходимо умножить частоту волны на ее длину. Электромагнитные волны в вакууме всегда распространяются с одинаковой скоростью. Эта скорость известна как скорость света. Она равна 299 792 458 метрам в секунду.

Свет

Видимый свет - электромагнитные волны с частотой и длиной, которые определяют его цвет.

Длина волны и цвет

Самая короткая длина волны видимого света - 380 нанометров. Это фиолетовый цвет, за ним следуют синий и голубой, затем зеленый, желтый, оранжевый и, наконец, красный. Белый свет состоит из всех цветов сразу, то есть, белые предметы отражают все цвета. Это можно увидеть с помощью призмы. Попадающий в нее свет преломляется и выстраивается в полосу цветов в той же последовательность, что в радуге. Эта последовательность - от цветов с самой короткой длиной волны, до самой длинной. Зависимость скорости распространения света в веществе от длины волны называется дисперсией.

Радуга образуется похожим способом. Капли воды, рассеянные в атмосфере после дождя, ведут себя так же как призма и преломляют каждую волну. Цвета радуги настолько важны, что во многих языках существуют мнемоника, то есть прием запоминания цветов радуги, настолько простой, что запомнить их могут даже дети. Многие дети, говорящие по-русски, знают, что «Каждый охотник желает знать, где сидит фазан». Некоторые люди придумывают свою мнемонику, и это - особенно полезное упражнение для детей, так как, придумав свой собственный метод запоминания цветов радуги, они быстрее их запомнят.

Свет, к которому человеческий глаз наиболее чувствителен - зеленый, с длиной волны в 555 нм в светлой среде и 505 нм в сумерках и темноте. Различать цвета могут далеко не все животные. У кошек, например, цветное зрение не развито. С другой стороны, некоторые животные видят цвета намного лучше, чем люди. Например, некоторые виды видят ультрафиолетовый и инфракрасный свет.

Отражение света

Цвет предмета определяется длиной волны света, отраженного с его поверхности. Белые предметы отражают все волны видимого спектра, в то время как черные - наоборот, поглощают все волны и ничего не отражают.

Один из естественных материалов с высоким коэффициентом дисперсии - алмаз. Правильно обработанные бриллианты отражают свет как от наружных, так и от внутренних граней, преломляя его, как и призма. При этом важно, чтобы большая часть этого света была отражена вверх, в сторону глаза, а не, например, вниз, внутрь оправы, где его не видно. Благодаря высокой дисперсии бриллианты очень красиво сияют на солнце и при искусственном освещении. Стекло, ограненное так же, как бриллиант, тоже сияет, но не настолько сильно. Это связано с тем, что, благодаря химическому составу, алмазы отражают свет намного лучше, чем стекло. Углы, используемые при огранке бриллиантов, имеет огромное значение, потому что слишком острые или слишком тупые углы либо не позволяют свету отражаться от внутренних стен, либо отражают свет в оправу, как показано на иллюстрации.

Спектроскопия

Для определения химического состава вещества иногда используют спектральный анализ или спектроскопию. Этот способ особенно хорош, если химический анализ вещества невозможно провести, работая с ним непосредственно, например, при определении химического состава звезд. Зная, какое электромагнитное излучение поглощает тело, можно определить, из чего оно состоит. Абсорбционная спектроскопия, являющаяся одним из разделов спектроскопии, определяет какое излучение поглощается телом. Такой анализ можно делать на расстоянии, поэтому его часто используют в астрономии, а также в работе с ядовитыми и опасными веществами.

Определение наличия электромагнитного излучения

Видимый свет, так же как и всё электромагнитное излучение - это энергия. Чем больше энергии излучается, тем легче эту радиацию измерить. Количество излученной энергии уменьшается по мере увеличения длины волны. Зрение возможно именно благодаря тому, что люди и животные распознают эту энергию и чувствуют разницу между излучением с разной длиной волны. Электромагнитное излучение разной длины ощущается глазом как разные цвета. По такому принципу работают не только глаза животных и людей, но и технологии, созданные людьми для обработки электромагнитного излучения.

Видимый свет

Люди и животные видят большой спектр электромагнитного излучения. Большинство людей и животных, например, реагируют на видимый свет , а некоторые животные - еще и на ультрафиолетовые и инфракрасные лучи. Способность различать цвета - не у всех животных - некоторые, видят только разницу между светлыми и темными поверхностями. Наш мозг определяет цвет так: фотоны электромагнитного излучения попадают в глаз на сетчатку и, проходя через нее, возбуждают колбочки, фоторецепторы глаза. В результате по нервной системе передается сигнал в мозг. Кроме колбочек, в глазах есть и другие фоторецепторы, палочки, но они не способны различать цвета. Их назначение - определять яркость и силу света.

В глазу обычно находится несколько видов колбочек. У людей - три типа, каждый из которых поглощает фотоны света в пределах определенных длин волны. При их поглощении происходит химическая реакция, в результате которой в мозг поступают нервные импульсы с информацией о длине волны. Эти сигналы обрабатывает зрительная зона коры головного мозга. Это - участок мозга, ответственный за восприятие звука. Каждый тип колбочек отвечает только за волны с определенной длиной, поэтому для получения полного представления о цвете, информацию, полученную от всех колбочек, складывают вместе.

У некоторых животных еще больше видов колбочек, чем у людей. Так, например, у некоторых видов рыб и птиц их от четырех до пяти типов. Интересно, что у самок некоторых животных больше типов колбочек, чем у самцов. У некоторых птиц, например у чаек, которые ловят добычу в воде или на ее поверхности, внутри колбочек есть желтые или красные капли масла, которые выступают в роли фильтра. Это помогает им видеть большее количество цветов. Подобным образом устроены глаза и у рептилий.

Инфракрасный свет

У змей, в отличие от людей, не только зрительные рецепторы, но и чувствительные органы, которые реагируют на инфракрасное излучение . Они поглощают энергию инфракрасный лучей, то есть реагируют на тепло. Некоторые устройства, например приборы ночного видения, также реагируют на тепло, выделяемое инфракрасным излучателем. Такие устройства используют военные, а также для обеспечения безопасности и охраны помещений и территории. Животные, которые видят инфракрасный свет, и устройства, которые могут его распознавать, видят не только предметы, которые находятся в их поле зрения на данный момент, но и следы предметов, животных, или людей, которые находились там до этого, если не прошло слишком много времени. Например, змеям видно, если грызуны копали в земле ямку, а полицейские, которые пользуются прибором ночного видения, видят, если в земле были недавно спрятаны следы преступления, например, деньги, наркотики, или что-то другое. Устройства для регистрации инфракрасного излучения используют в телескопах, а также для проверки контейнеров и камер на герметичность. С их помощью хорошо видно место утечки тепла. В медицине изображения в инфракрасном свете используют для диагностики. В истории искусства - чтобы определить, что изображено под верхним слоем краски. Устройства ночного видения используют для охраны помещений.

Ультрафиолетовый свет

Некоторые рыбы видят ультрафиолетовый свет . Их глаза содержат пигмент, чувствительный к ультрафиолетовым лучам. Кожа рыб содержит участки, отражающие ультрафиолетовый свет, невидимый для человека и других животных - что часто используется в животном мире для маркировки пола животных, а также в социальных целях. Некоторые птицы тоже видят ультрафиолетовый свет. Это умение особенно важно во время брачного периода, когда птицы ищут потенциальных партнеров. Поверхности некоторых растений также хорошо отражают ультрафиолетовый свет, и способность его видеть помогает в поиске пищи. Кроме рыб и птиц, ультрафиолетовый свет видят некоторые рептилии, например черепахи, ящерицы и зеленые игуаны (на иллюстрации).

Человеческий глаз, как и глаза животных, поглощает ультрафиолетовый свет, но не может его обработать. У людей он разрушает клетки глаза, особенно в роговице и хрусталике. Это, в свою очередь, вызывает различные заболевания и даже слепоту. Несмотря на то, что ультрафиолетовый свет вредит зрению, небольшое его количество необходимо людям и животным, чтобы вырабатывать витамин D. Ультрафиолетовое излучение, как и инфракрасное, используют во многих отраслях, например в медицине для дезинфекции, в астрономии для наблюдения за звездами и другими объектами и в химии для отверждения жидких веществ, а также для визуализации, то есть для создания диаграмм распространения веществ в определенном пространстве. С помощью ультрафиолетового света определяют поддельные банкноты и пропуска, если на них должны быть напечатаны знаки специальными чернилами, распознаваемыми с помощью ультрафиолетового света. В случае с подделкой документов ультрафиолетовая лампа не всегда помогает, так как преступники иногда используют настоящий документ и заменяют на нем фотографию или другую информацию, так что маркировка для ультрафиолетовых ламп остается. Существует также множество других применений для ультрафиолетового излучения.

Цветовая слепота

Из-за дефектов зрения некоторые люди не в состоянии различать цвета. Эта проблема называется цветовой слепотой или дальтонизмом, по имени человека, который первый описал эту особенность зрения. Иногда люди не видят только цвета с определенной длиной волны, а иногда они не различают цвета вообще. Часто причина - недостаточно развитые или поврежденные фоторецепторы, но в некоторых случаях проблема заключается в повреждениях на проводящем пути нервной системы, например в зрительной коре головного мозга, где обрабатывается информация о цвете. Во многих случаях это состояние создает людям и животным неудобства и проблемы, но иногда неумение различать цвета, наоборот - преимущество. Это подтверждается тем, что, несмотря на долгие годы эволюции, у многих животных цветное зрение не развито. Люди и животные, которые не различают цвета, могут, например, хорошо видеть камуфляж других животных.

Несмотря на преимущества цветовой слепоты, в обществе ее считают проблемой, и для людей с дальтонизмом закрыта дорога в некоторые профессии. Обычно они не могут получить полные права по управлению самолетом без ограничений. Во многих странах водительские права для этих людей тоже имеют ограничения, а в некоторых случаях они не могут получить права вообще. Поэтому они не всегда могут найти работу, на которой необходимо управлять автомобилем, самолетом, и другими транспортными средствами. Также им сложно найти работу, где умение определять и использовать цвета имеет большое значение. Например, им трудно стать дизайнерами, или работать в среде, где цвет используют, как сигнал (например, об опасности).

Проводятся работы по созданию более благоприятных условий для людей с цветовой слепотой. Например, существуют таблицы, в которых цвета соответствует знакам, и в некоторых странах эти знаки используют в учреждениях и общественных местах наряду с цветом. Некоторые дизайнеры не используют или ограничивают использование цвета для передачи важной информации в своих работах. Вместо цвета, или наряду с ним, они используют яркость, текст, и другие способы выделения информации, чтобы даже люди, не различающие цвета, могли полостью получить информацию, передаваемую дизайнером. В большинстве случаев люди с цветовой слепотой не различают красный и зеленый, поэтому дизайнеры иногда заменяют комбинацию «красный = опасность, зеленый = все нормально» на красный и синий цвета. Большинство операционных систем также позволяют настроить цвета так, чтобы людям с цветовой слепотой было все видно.

Цвет в машинном зрении

Машинное зрение в цвете - быстроразвивающаяся отрасль искусственного интеллекта. До недавнего времени большая часть работы в этой области проходила с монохромными изображениями, но сейчас все больше научных лабораторий работают с цветом. Некоторые алгоритмы для работы с монохромными изображениями применяют также и для обработки цветных изображений.

Применение

Машинное зрение используется в ряде отраслей, например для управления роботами, самоуправляемыми автомобилями, и беспилотными летательными аппаратами. Оно полезно в сфере обеспечения безопасности, например для опознания людей и предметов по фотографиям, для поиска по базам данных, для отслеживания движения предметов, в зависимости от их цвета и так далее. Определение местоположения движущихся объектов позволяет компьютеру определить направление взгляда человека или следить за движением машин, людей, рук, и других предметов.

Чтобы правильно опознать незнакомые предметы, важно знать об их форме и других свойствах, но информация о цвете не настолько важна. При работе со знакомыми предметами, цвет, наоборот, помогает быстрее их распознать. Работа с цветом также удобна потому, что информация о цвете может быть получена даже с изображений с низким разрешением. Для распознавания формы предмета, в отличие от цвета, требуется высокое разрешение. Работа с цветом вместо формы предмета позволяет уменьшить время обработки изображения, и использует меньше компьютерных ресурсов. Цвет помогает распознавать предметы одинаковой формы, а также может быть использован как сигнал или знак (например, красный цвет - сигнал опасности). При этом не нужно распознавать форму этого знака, или текст, на нем написанный. На веб-сайте YouTube можно увидеть множество интересных примеров использования цветного машинного зрения.

Обработка информации о цвете

Фотографии, которые обрабатывает компьютер, либо загружены пользователями, либо сняты встроенной камерой. Процесс цифровой фото- и видеосъемки освоен хорошо, но вот обработка этих изображений, особенно в цвете, связана с множеством трудностей, многие из которых еще не решены. Это связано с тем, что цветное зрение у людей и животных устроено очень сложно, и создать компьютерное зрение наподобие человеческого - непросто. Зрение, как и слух, основано на адаптации к окружающей среде. Восприятие звука зависит не только от частоты, звукового давления и продолжительности звука, но и от наличия или отсутствия в окружающей среде других звуков. Так и со зрением - восприятие цвета зависит не только от частоты и длины волны, но и от особенностей окружающей среды. Так, например, цвета окружающих предметов влияют на наше восприятие цвета.

С точки зрения эволюции такая адаптация необходима, чтобы помочь нам привыкнуть к окружающей среде и перестать обращать внимание на незначительные элементы, а направить все наше внимание на то, что меняется в окружающей обстановке. Это необходимо для того, чтобы легче замечать хищников и находить пищу. Иногда из-за этой адаптации происходят оптические иллюзии. Например, в зависимости от цвета окружающих предметов, мы воспринимаем цвет двух тел по-разному, даже когда они отражают свет с одинаковой длиной волны. На иллюстрации - пример такой оптической иллюзии. Коричневый квадрат в верхней части изображения (второй ряд, вторая колонка) выглядит светлее, чем коричневый квадрат в нижней части рисунка (пятый ряд, вторая колонка). На самом деле, их цвета одинаковы. Даже зная об этом, мы все равно воспринимаем их, как разные цвета. Поскольку наше восприятие цвета устроено так сложно, программистам трудно описать все эти нюансы в алгоритмах для машинного зрения. Несмотря на эти трудности, мы уже достигли многого в этой области.

Unit Converter articles were edited and illustrated by Анатолий Золотков

Вы затрудняетесь в переводе единицы измерения с одного языка на другой? Коллеги готовы вам помочь. Опубликуйте вопрос в TCTerms и в течение нескольких минут вы получите ответ.

В ходе урока вы сможете самостоятельно изучить тему «Длина волны. Скорость распространения волны». На этом уроке вы сможете познакомиться с особенными характеристиками волн. В первую очередь вы узнаете, что такое длина волны. Мы рассмотрим ее определение, способ ее обозначения и измерения. Затем мы также подробно рассмотрим скорость распространения волны.

Для начала вспомним, что механическая волна – это колебание, которое распространяется с течением времени в упругой среде. Раз это колебание, волне будут присущи все характеристики, которые соответствуют колебанию: амплитуда, период колебания и частота.

Кроме этого, у волны появляются свои особые характеристики. Одной из таких характеристик является длина волны . Обозначается длина волны греческой буквой (лямбда, или говорят «ламбда») и измеряется в метрах. Перечислим характеристики волны:

Что такое длина волны?

Длина волны - это наименьшее расстояние между частицами, совершающими колебание с одинаковой фазой.

Рис. 1. Длина волны, амплитуда волны

Говорить о длине волны в продольной волне сложнее, потому что там пронаблюдать частицы, которые совершают одинаковые колебания, гораздо труднее. Но и там есть характеристика - длина волны , которая определяет расстояние между двумя частицами, совершающими одинаковое колебание, колебание с одинаковой фазой.

Также длиной волны можно назвать расстояние, пройденное волной, за один период колебания частицы (рис. 2).

Рис. 2. Длина волны

Следующая характеристика - это скорость распространения волны (или просто скорость волны). Скорость волны обозначается так же, как и любая другая скорость, буквой и измеряется в . Как наглядно объяснить, что такое скорость волны? Проще всего это сделать на примере поперечной волны.

Поперечная волна - это волна, в которой возмущения ориентированы перпендикулярно направлению ее распространения (рис. 3).

Рис. 3. Поперечная волна

Представьте себе летящую над гребнем волны чайку. Ее скорость полета над гребнем и будет скоростью самой волны (рис.4).

Рис. 4. К определению скорости волны

Скорость волны зависит от того, какова плотность среды, каковы силы взаимодействия между частицами этой среды. Запишем связь между скоростью волны, длиной волны и периодом волны: .

Скорость можно определить, как отношение длины волны, расстояние, пройденное волной за один период, к периоду колебания частиц среды, в которой распространяется волна. Кроме этого, вспомним, что период связан с частотой следующим соотношением:

Тогда получим соотношение, которое связывает скорость, длину волны и частоту колебаний: .

Мы знаем, что волна возникает в результате действия внешних сил. Важно заметить, что при переходе волны из одной среды в другую изменяются ее характеристики: скорость движения волн, длина волны. А вот частота колебания остается прежней.

Список литературы

1. Соколович Ю.А., Богданова Г.С. Физика: справочник с примерами решения задач. - 2-е издание передел. - X.: Веста: издательство «Ранок», 2005. - 464 с.
2. Перышкин А.В., Гутник Е.М., Физика. 9 кл.: учебник для общеобразоват. учреждений / А.В. Перышкин, Е.М. Гутник. - 14-е изд., стереотип. - М.: Дрофа, 2009. - 300 с.

1. Интернет-портал «eduspb» ()
2. Интернет-портал «eduspb» ()
3. Интернет-портал «class-fizika.narod.ru» ()

Домашнее задание

При изучении этого раздела следует иметь в виду, что колебания различной физической природы описываются с единых математических позиций. Здесь надо четко уяснить такие понятия, как гармоническое колебание, фаза, разность фаз, амплитуда, частота, период колебани.

Надо иметь в виду, что во всякой реальной колебательной системе есть сопротивления среды, т.е. колебания будут затухающими. Для характеристики затухания колебаний вводится коэффициент затухания и логарифмический декремент затухани.

Если колебания совершаются под действием внешней, периодически изменяющейся силы, то такие колебания называют вынужденными. Они будут незатухающими. Амплитуда вынужденных колебаний зависит от частоты вынуждающей силы. При приближении частоты вынужденных колебаний к частоте собственных колебаний амплитуда вынужденных колебаний резко возрастает. Это явление называется резонансом.

Переходя к изучению электромагнитных волн нужно четко представлять, что электромагнитная волна - это распространяющееся в пространстве электромагнитное поле. Простейшей системой, излучающей электромагнитные волны, является электрический диполь. Если диполь совершает гармонические колебания, то он излучает монохроматическую волну.

Таблица формул: колебания и волны

Физические законы, формулы, переменные	Формулы колебания и волны
Уравнение гармонических колебаний: где х - смещение (отклонение) колеблющейся величины от положения равновесия; А - амплитуда; ω - круговая (циклическая) частота; α - начальная фаза; (ωt+α) - фаза.
Связь между периодом и круговой частотой:
Частота:
Связь круговой частоты с частотой:
Периоды собственных колебаний 1) пружинного маятника: где k - жесткость пружины; 2) математического маятника: где l - длина маятника, g - ускорение свободного падения; 3) колебательного контура: где L - индуктивность контура, С - емкость конденсатора.
Частота собственных колебаний:
Сложение колебаний одинаковой частоты и направления: 1) амплитуда результирующего колебания где А 1 и А 2 - амплитуды составляющих колебаний, α 1 и α 2 - начальные фазы составляющих колебаний; 2) начальная фаза результирующего колебания
Уравнение затухающих колебаний: е = 2,71... - основание натуральных логарифмов.
Амплитуда затухающих колебаний: где А 0 - амплитуда в начальный момент времени; β - коэффициент затухания;
Коэффициент затухания: колеблющегося тела где r - коэффициент сопротивления среды, m - масса тела; колебательного контура где R - активное сопротивление, L - индуктивность контура.
Частота затухающих колебаний ω:
Период затухающих колебаний Т:
Логарифмический декремент затухания:
Связь логарифмического декремента χ и коэффициента затухания β:

>>Физика: Скорость и длина волны

Каждая волна распространяется с какой-то скоростью. Под скоростью волны понимают скорость распространения возмущения. Например, удар по торцу стального стержня вызывает в нем местное сжатие, которое затем распространяется вдоль стержня со скоростью около 5 км/с.

Скорость волны определяется свойствами среды, в которой эта волна распространяется . При переходе волны из одной среды в другую ее скорость изменяется.

Помимо скорости, важной характеристикой волны является длина волны. Длиной волны называется расстояние, на которое распространяется волна за время, равное периоду колебаний в ней.

Направление распространения воины

Поскольку скорость волны - величина постоянная (для данной среды), то пройденное волной расстояние равно произведению скорости на время ее распространения. Таким образом, чтобы найти длину волны, надо скорость волны умножить на период колебаний в ней :

Выбрав направление распространения волны за направление оси х и обозначив через у координату колеблющихся в волне частиц, можно построить график волны . График синусоидальной волны (при фиксированном времени t) изображен на рисунке 45.

Расстояние между соседними гребнями (или впадинами) на этом графике совпадает с длиной волны.

Формула (22.1) выражает связь длины волны с ее скоростью и периодом. Учитывая, что период колебаний в волне обратно пропорционален частоте, т.е. Т=1/v , можно получить формулу, выражающую связь длины волны с ее скоростью и частотой:

Полученная формула показывает, что скорость волны равна произведению длины волны на частоту колебаний в ней .

Частота колебаний в волне совпадает с частотой колебаний источника (так как колебания частиц среды являются вынужденными) и не зависит от свойств среды, в которой распространяется волна.При переходе волны из одной среды в другую ее частота не изменяется, меняются лишь скорость и длина волны.

??? 1. Что понимают под скоростью волны? 2. Что такое длина волны? 3. Как длина волны связана со скоростью и периодом колебаний в волне? 4. Как длина волны связана со скоростью и частотой колебаний в волне? 5. Какие из следующих характеристик волны изменяются при переходе волны из одной среды в другую: а) частота; б) период; в) скорость; г) длина волны ?

Экспериментальное задание . Налейте воду в ванну и посредством ритмичных касаний воды пальцем (или линейкой) создайте на ее поверхности волны. Используя разную частоту колебаний (например, касаясь воды один и два раза в секунду), обратите внимание на расстояние между соседними гребнями волн. При какой частоте колебаний длина волны больше?

С.В. Громов, Н.А. Родина, Физика 8 класс

Отослано читателями из интернет-сайтов

Полный список тем по классам, тесты физика бесплатно, календарный план согласно школьной программы физика, курсы и задания с физики для 8 класса, библиотека рефератов , готовые домашние задания

Содержание урока конспект урока опорный каркас презентация урока акселеративные методы интерактивные технологии Практика задачи и упражнения самопроверка практикумы, тренинги, кейсы, квесты домашние задания дискуссионные вопросы риторические вопросы от учеников Иллюстрации аудио-, видеоклипы и мультимедиа фотографии, картинки графики, таблицы, схемы юмор, анекдоты, приколы, комиксы притчи, поговорки, кроссворды, цитаты Дополнения рефераты статьи фишки для любознательных шпаргалки учебники основные и дополнительные словарь терминов прочие Совершенствование учебников и уроков исправление ошибок в учебнике обновление фрагмента в учебнике элементы новаторства на уроке замена устаревших знаний новыми Только для учителей идеальные уроки календарный план на год методические рекомендации программы обсуждения Интегрированные уроки

5. Каково влияние среды на распространение радиоволн?

6. Какие факторы влияют на распространение радиоволн?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4

ВОЛНОВОДНЫЕ ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ ЭНЕРГИИ

Цель занятия: по имеющимся данным рассчитать параметры и характеристики волноводных линий передачи электромагнитной энергии.

1. Краткие сведения по теме

С увеличением частоты потери энергии во внутреннем проводнике и диэлектрике коаксиального фидера возрастают, и его КПД становится малым. В коротковолновой части дециметрового диапазона, в диапазоне сантиметровых и более коротких волн в качестве фидеров применяются волноводы прямоугольного, круглого и эллиптического сечения.

В отличие от двухпроводной и коаксиальной линий с воздушным диэлектриком, в которых электромагнитное поле, как и в плоской волне, не имеет продольных составляющих, распространяется со скоростью света и обладает в направлении распространения периодичностью с длиной волны , в волноводах волны такого типа (их называют поперечными или Т-волнами), распространяться не могут.

В волноводах лишь один из векторов, электрический или магнитный, расположен в плоскости, перпендикулярной направлению распространения. Второй вектор поля (соответственно магнитный или электрический), для обеспечения выполнения граничных условий, обязательно будет иметь продольную составляющую.

Другой особенностью волноводов является то, что в плоскости поперечного сечения напряженности того и другого вектора обладают пространственной периодичностью, подобной стоячим волнам в короткозамкнутой линии. Вдоль каждого из двух взаимно перпендикулярных размеров сечения волновода должно укладываться целое число таких полуволн - m,n (0,1,2,...к ). Значения m и n не могут быть равны нулю одновременно.

Таким образом, в волноводах могут распространяться электромагнитные волны лишь определенных типов: поперечно-магнитные (Е-волны), в которых продольную составляющую имеет вектор Е, и поперечно-электрические (Н-волны), в которых продольную составляющую имеет вектор Н. В каждом из этих типов волн будут различаться волны, имеющие различную периодичность в поперечной плоскости, обозначаемые Н mn , Е mn . Периодичность поля в направлении распространения, т.е. длина волны в вдоль волновода, будет определяться периодом продольной составляющей поля.

Использование волновода в условиях, когда в нем возможно распространение нескольких типов волн, обычно является нежелательным, так как вследствие различия фазовых и групповых скоростей возможны искажения передаваемых сигналов. Поэтому на практике стремятся, чтобы во всем интервале рабочих длин волн имелось только одно, причем наименьшее, значение (к mn )мин. При этом в волноводе будет распространяться основной тип волны. Для выполнения этого требования наибольшая допустимая длина волны передаваемых сигналов не должна превышать кр=2π/ (к mn )мин, а минимальная длина волны должна быть больше, чем кр для ближайшего высшего типа волны.

Если же необходимо, чтобы в волноводе распространялся один из высших типов, то принимают меры для подавления нежелательных типов волн.

Основной для прямоугольного волновода является волна типа Н 10 , которая характеризуется постоянством амплитуд поля Е по оси y и изменением по закону sin(π x/a) по оси x. Фазовая скорость и длина волны типа Н 10 в прямоугольном волноводе определяются внутренним размером широкой стенки волновода и соответственно равны:

.

Групповая скорость волны Н10 в волноводе:

.

Критическая длина волны =2а. По волноводу могут распространяться только волны короче. Для возможности распространения энергии по волноводу необходимо, чтобы a>0,5.

Затухание, в децибелах, на один метр длины, прямоугольного волновода

,

где b- внутренний размер узкой стенки волновода;

- проводимость металла, из которого выполнены стенки волновода, См/м (для меди =5,8*10 7 , латуни марки Л-96 =4,07*10 7).

Реальное затухание в волноводе больше рассчитанного по приведенной формуле в среднем в 1,05-1,2 раза. Увеличение затухания обусловлено шероховатостью стенок волновода и их окислением, которые в формуле не учтены. Уменьшение затухания достигается увеличением поперечного сечения волновода и серебрением его внутренней поверхности. Стабилизация затухания во времени обеспечивается антикоррозийным покрытием, однако увеличение поперечного сечения ограничено из-за возможности появления в волноводе волн высших типов Н 20 , Е 11 и др.

Для распространения волны Н 10 и исключения возможности существования других типов волн необходимо, чтобы выполнялись следующие условия: наиболее длинная волна рабочего диапазона должна быть меньше удвоенной длины широкой стенки волновода, наиболее короткая волна должна быть больше широкой стенки. Узкая стенка волновода обычно меньше половины широкой стенки. Таким образом, внутренние размеры сечения волновода равны:

.

В диапазоне 3,4-3,9 ГГц рекомендуется применять прямоугольные волноводы с внутренним сечением 58X25 мм с затуханием 3,6-4 дБ/100 м и 72X34 мм с затуханием 2-2,4 дБ/100 м, выполненные из латуни марки Л-96 с 96% содержанием меди, секциями длиной до 5 м и толщиной стенок 2 мм. В диапазоне 5,6-6,2 ГГц рекомендуются волноводы с сечениями 40 X20 мм с затуханием 3,5-4 дБ/100 м и 48 X 24 мм с затуханием 3,5-4 дБ/100 м.

Кроме волноводов прямоугольного сечения применяются круглые волноводы, особенно в случаях, когда антенна одновременно используется на прием и передачу и работает с полями, имеющими вертикальную и горизонтальную поляризации. Полям с вертикальной и горизонтальной поляризациями в антенне будут соответствовать в волноводе волны типа Н11 с взаимно перпендикулярными направлениями вектора Е. Работа с взаимно перпендикулярными поляризациями позволяет улучшить развязку между приемниками и передатчиками за счет поляризационной избирательности антенно-волноводного тракта. Последняя будет эффективной только в том случае, когда отсутствует перекрестная поляризация. Перекрестной поляризацией называется явление, когда за счет поля с основной поляризацией появляется поле с перпендикулярной поляризацией. Перекрестная поляризация ухудшает развязку между передающим и приемным трактами. Перекрестная поляризация вызывается эллиптичностью волновода, т.е. отличием сечения волновода от круглого, а также изгибами, вмятинами и небрежным монтажом. При изготовлении круглых волноводов всегда имеется некоторая эллиптичность сечения. При диаметре 70 мм неточность медных волноводов достигает 200 мкм. Для увеличения точности выполнения волноводы такого диаметра изготовляют из стали с медным покрытием, т.е. биметаллическим. Толщина стали биметаллического волновода 3,7 мм, меди 0,3 мм. В таком волноводе отклонение поперечного сечения от расчетной величины не превышает 500 мкм. Установлено, что при совпадении направления вектора Е с одной из осей эллипса поперечного сечения волновода положение плоскости поляризации волны в волноводе не будет изменяться.

Для уменьшения перекрестной поляризации при монтаже стыкуемые секции поворачивают до совпадения осей эллипсов отдельных секций волновода. Для облегчения сборки на волноводных секциях заводы-изготовители ставят метки. Биметаллические волноводы за счет меньшей зеркальности внутренней поверхности имеют затухание примерно на величину 0,2 дБ/100 м большее по сравнению с медными.

Волна типа Н 11 является основной для круглого волновода. Для передачи волны Н 11 диаметр круглого волновода должен быть:

.

Затухание волны Н 11 в волноводе круглого сечения, дБ/м,

где r - внутренний радиус волновода, м; - проводимость металла, из которого выполнены стенки волновода, См/м;- длина волны, м.

Для снижения затухания диаметры волноводов берут больше, чем это определяется условием. Например, в диапазоне частот (3,4 - 3,9) ГГц рекомендуется применять волноводы диаметром 70 мм с затуханием (1,4 - 1,6) дБ/100 м, а в диапазоне (5,6 - 6,2) ГГц - диаметром 46 мм с затуханием (3 -3,5) дБ/100 м. В этом случае кроме основной волны распространяется еще и волна Е 01 . Волновод с 70 мм может применяться на более высоких частотах (например, в диапазоне 6 ГГц), допуская существование еще большего числа волн высших типов.

Для обеспечения распространения лишь основного типа волны высшие типы должны быть подавлены.

Для подавления волн высших типов, имеющих продольную составляющую поля Е, параллельно полю Е подавляемой волны располагают стержни из материала с малой проводимостью, например, диэлектрические стержни, покрытые окисным слоем.

Для увеличения гибкости волноводы гофрируют с шагом гофра (0,12 - 0,15) ср и глубиной гофра приблизительно равной 0,05 ср. При вертикальной подвеске в волноводе возникают осевые усилия, сжимающие малую ось эллипса, причем большие нагрузки вызывают необратимые процессы деформации. При заполнении внутреннего пространства волновода избыточным газовым давлением удлиняется малая ось эллипса. Волноводы допускают давление (1,5 - 2)*10 5 Па. Гибкие волноводы изготовляют большей длины и транспортируют в свернутом виде на барабанах. Эллиптические волноводы применяются в подвижных радиорелейных системах, когда требуются частые развертывания и свертывания линий связи, а также в стационарных радиорелейных системах особенно на участках, где волноводные тракты изменяют свое направление, например при переходе из вертикального положения в горизонтальное.

Жесткие волноводы изготовляются секциями длиной до 5 м, которые на концах заканчиваются фланцами. Фланцевые соединения должны исключить возможность просачивания энергии из волновода и быть герметичными. Фланцы имеют кольцевые канавки, в которые закладывают уплотняющие прокладки из морозостойкой резины и металлические кольца, уплотняющие резину и устраняющие просачивание энергии из волновода.

Недостаточно точное сопряжение волноводов в стыках вызывает отражения. Уменьшение отражений достигается специальной обработкой концов волноводов серебрением (с покрытием палладием) соприкасающихся поверхностей и применением калиброванных болтов или шпилек. Фланцы наружных волноводов должны выдерживать значительную механическую нагрузку. С учетом гололеда нагрузка на верхний фланец при длине вертикального волновода 50 м может достигать 1 т. Медные и латунные волноводы крепятся жестко к телу мачты только в верхней своей части.

Материал волновода (латунь) и мачты (сталь) имеет разные коэффициенты линейного расширения. Закрепление волноводов к мачте в нескольких точках при изменении температуры приведет к деформации волновода. Вертикальные волноводы для устранения поперечных колебаний снабжаются проходными муфтами, устанавливаемыми через (5-7) м. Промежуточное крепление волноводов осуществляется через (15-20) м посредством пружинных подвесов. Биметаллические волноводы позволяют производить жесткое крепление по всей длине без пружинных подвесов.

Наличие влаги в волноводе увеличивает его затухание. Во избежание этого наружные волноводы герметизируют и содержат под избыточным давлением (0,2-0,5)*10 3 Па осушенного воздуха. Для герметизации в нижней и верхней частях волноводов устанавливают герметизирующие вставки. Герметизирующие вставки выполняются в виде волноводных разъемов с двумя тонкими диэлектрическими пленками, установленными поперек волновода.

Пример 1. Выбрать сечение прямоугольного волновода для работы с волной типа Н 10 на частоте 10ГГц.

Длина волны в свободном пространстве:

Внутренний размер широкой стенки волновода:

a=(0,525-0,95)=0,7*3=2,1см.

Внутренний размер узкой стенки волновода:

b=(0,3-0,5)a=0,5*2,1=1см.

Выбираем сечение волновода 10х21мм 2 . Данный волновод обеспечивает возможность работы в диапазоне волн:

=а/(0,525-0,95)=2,1/(0,525-0,95)=(2,2-4) см,

что соответствует частотам (7,5-13,6) ГГц.

Пример 2. Для работы в диапазоне частот (5,6-6,2) ГГц выбрать размеры сечения прямоугольного волновода и определить затухание в нем. Волновод выполнен из меди =5,8*10 7 См/м.

Решение: Рабочему диапазону соответствуют длины волн:

При выборе широкой стенки волновода будем исходить из условия

Для получения минимального затухания выберем максимально допустимую ширину волновода, равную 40мм, сечение волновода 40х20мм 2 . В исключительных случаях можно использовать волновод с а=0,99 кор =48мм и сечением 48х24мм 2 .

Затухание в волноводе на частоте 5,6 ГГц

=

Пример 3. Для работы в диапазоне частот (3,4-3,9) ГГц выбрать диаметр круглого волновода и определить затухание в нем. Материал волновода латунь Л-96 =4,07См/м.

Диаметр волновода, допускающий распространение кроме волны Н 11 еще и волны Е 01 , определяется условием:

0,765 дл

0,765 дл =0,765*8,8=6,7см=67мм

0,925 кор =0,975*7,7=7,1см=71мм

Стремясь получить наименьшее затухание и допуская возможность распространения волны Е 01 , из условия 68

Затухание волны Н 11 на минимальной частоте диапазона 3,4ГГц