§ 20. Шкала електромагнітних хвиль

Зміст

Контрольні запитання

1. Назвіть відомі вам види електромагнітних хвиль.

До основних видів електромагнітних хвиль належать: радіохвилі, інфрачервоне випромінювання, видиме світло, ультрафіолетове випромінювання, рентгенівське випромінювання та гамма-випромінювання.

2. Що спільного між усіма видами електромагнітних хвиль? У чому їх відмінність?

• Спільне: єдина електромагнітна природа, однакова швидкість поширення у вакуумі ($c = 3 \cdot 10^8\text{ м/с}$), наявність хвильових властивостей (відбивання, заломлення, дифракція, інтерференція).
• Відмінне: різна довжина хвилі та частота, різні джерела і механізми випромінювання, відмінність у проникній здатності та хімічній і біологічній активності.

3. Як змінюються властивості електромагнітних хвиль зі збільшенням їхньої частоти?

Зі збільшенням частоти (і зменшенням довжини хвилі) зростає енергія фотонів, збільшуються проникна здатність, хімічна активність та біологічний вплив випромінювання, а хвильові властивості стають менш помітними.

4. Наведіть приклади застосування різних видів електромагнітних хвиль.

• Радіохвилі: радіозв’язок, мобільний зв’язок, телебачення, радіолокація, Wi-Fi, GPS-навігація.
• Інфрачервоне випромінювання: пульти дистанційного керування, тепловізори, медичні обігрівачі, промислове сушіння.
• Видиме світло: зорове сприйняття, освітлення, оптоволоконний зв’язок, лазери.
• Ультрафіолетове випромінювання: знезараження операційних, перевірка справжності банкнот, люмінесцентний аналіз.
• Рентгенівське випромінювання: рентгенодіагностика, флюорографія, митний контроль багажу, дефектоскопія.
• Гамма-випромінювання: променева терапія пухлин, радіаційна стерилізація медичних виробів, дефектоскопія товстостінних виробів.

5. Як уникнути негативного впливу деяких видів електромагнітного випромінювання на здоров’я людини?

• Обмежувати час розмов по мобільному телефону безпосередньо біля вуха, використовуючи гарнітуру.
• Уникати перебування на відкритому сонці в години максимальної активності (з 11:00 до 16:00) та користуватися сонцезахисними окулярами з UV-фільтрами.
• При проведенні медичних рентген-досліджень використовувати захисні свинцеві фартухи та суворо дотримуватися допустимих доз навантаження.

Вправа № 20

1. Розташуйте електромагнітні хвилі в порядку збільшення їхньої довжини: 1) видиме світло; 2) ультрафіолетове випромінювання; 3) радіохвилі; 4) рентгенівське випромінювання.

Порядок збільшення довжини хвилі:
4) рентгенівське випромінювання $\rightarrow$ 2) ультрафіолетове випромінювання $\rightarrow$ 1) видиме світло $\rightarrow$ 3) радіохвилі.

2. Установіть відповідність між випромінювачем (1–4) та електромагнітними хвилями, які він здебільшого випромінює (А–Д).

1 — Д (Мобільний телефон — Радіохвилі)
2 — В (Батарея опалення — Інфрачервоне випромінювання)
3 — Г (Світлячок — Видиме світло)
4 — А (Радіоактивний препарат — $\gamma$-випромінювання)

3. Довжина хвилі світла жовтого кольору у вакуумі — 570 нм. Визначте частоту цієї хвилі.

Дано:
$\lambda = 570\text{ нм} = 570 \cdot 10^{-9}\text{ м} = 5{,}7 \cdot 10^{-7}\text{ м}$
$c = 3 \cdot 10^8\text{ м/с}$

Знайти:
$
u – ?$

Розв’язання:
Швидкість поширення електромагнітної хвилі у вакуумі пов’язана з довжиною хвилі та її частотою співвідношенням:
$$c = \lambda
u$$

Звідси знайдемо частоту:
$$
u = \dfrac{c}{\lambda}$$

Обчислення:
$$
u = \dfrac{3 \cdot 10^8}{5{,}7 \cdot 10^{-7}} \approx 5{,}26 \cdot 10^{14}\text{ Гц} = 526\text{ ТГц}$$

Відповідь: $
u \approx 5{,}26 \cdot 10^{14}\text{ Гц}$ ($526\text{ ТГц}$).

4. Якою є довжина електромагнітної хвилі у вакуумі, якщо її частота дорівнює $3 \cdot 10^{12}\text{ Гц}$? До якого діапазону належить ця хвиля?

Дано:
$
u = 3 \cdot 10^{12}\text{ Гц}$
$c = 3 \cdot 10^8\text{ м/с}$

Знайти:
$\lambda – ?$
Діапазон — ?

Розв’язання:
Довжина електромагнітної хвилі обчислюється за формулою:
$$\lambda = \dfrac{c}{
u}$$

Обчислення:
$$\lambda = \dfrac{3 \cdot 10^8}{3 \cdot 10^{12}} = 10^{-4}\text{ м} = 0{,}1\text{ мм}$$

За шкалою електромагнітних хвиль випромінювання з довжиною хвилі $10^{-4}\text{ м}$ належить до інфрачервоного діапазону.

Відповідь: $\lambda = 10^{-4}\text{ м}$ ($0{,}1\text{ мм}$); хвиля належить до інфрачервоного випромінювання.

5. Об’єднайтесь у групи, виберіть для кожної групи один із видів електромагнітного випромінювання та знайдіть якомога більше інформації щодо його застосування. Презентуйте отриману інформацію.

Приклад: Інфрачервоне випромінювання (ІЧ)

1. Побут та комфорт: ІЧ-обігрівачі нагрівають безпосередньо поверхні та людей, а не повітря, що забезпечує високу енергоефективність.
2. Електроніка: світлодіоди інфрачервоного спектра застосовуються в пультах дистанційного керування побутовою технікою та портах бездротової передачі даних.
3. Безпека та військова справа: тепловізори фіксують власне теплове випромінювання тіл і техніки, забезпечуючи орієнтацію в повній темряві та за умов задимлення.
4. Медицина: локальне прогрівання інфрачервоними променями застосовується у фізіотерапії для покращення кровообігу та зняття м’язового напруження.

6. Дізнайтесь історію винайдення будь-якого пристрою, дія якого ґрунтується на електромагнітному випромінюванні.

Винайдення мікрохвильової печі:
У 1945 році американський інженер Персі Спенсер працював над удосконаленням магнетронів — потужних генераторів надвисокочастотних (НВЧ) радіохвиль для радарів. Під час чергового експерименту він помітив, що шоколадний батончик у його кишені повністю розтанув. Зацікавившись цим явищем, учений провів досліди із зернами кукурудзи (отримавши попкорн) та сирим яйцем. Спенсер з’ясував, що НВЧ-випромінювання змушує полярні молекули води в продуктах інтенсивно коливатися, що призводить до швидкого нагрівання їжі зсередини. Того ж року було оформлено патент, а в 1947 році з’явилися перші промислові мікрохвильові печі.