Физика в примерах и задачах - Бутиков Е.И.
Скачать (прямая ссылка):
Р
Рис. 15.1. При когерентных источниках Sj и S2интенсивность колебаний в точке Р зависит от разности хода волн Г-i—rt
Рис. 15.2. К вычислению разности хода волн для удаленной точки наблюдения
Д =d sin 0.
(1)
3S6
VIII. КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ
половины длины волны. Если расстояние d лишь немного меньше К/2, то в направлениях вдоль линии, соединяющей антенны, излучение почти не происходит, так как в любую точку на этой линии электромагнитные колебания от антенны приходят почти в противофазе. Если это расстояние уменьшать и дальше, то излучение в этих направлениях
будет увеличиваться, так как разность фаз колебаний будет уменьшаться.
Таким образом, для того чтобы направить излучение радиостанции преимущественно вдоль населенного берега моря, антенны нужно расположить на прямой, перпендикулярной береговой линии. Расстояние между антеннами должно быть меньше К/2 и выбираться из требования, чтобы интенсивность излучения в перпендикулярном берегу направлении была не меньше определенного значения, например, чтобы она составляла 10 % от интенсивности излучения вдоль берега.
Нетрудно сообразить, что с помощью таких антенн можно сконцентрировать излучение в нужных направлениях и в том случае, когда город расположен узкой полосой вдоль берега залива, углом вдающегося в сушу (рис. 15.3). Для этого достаточно только заметить, что максимум излучения двух антенн будет направлен не перпендикулярно соединяющей их линии, а под некоторым углом 0 (рис. 15.2), если колебания в антеннах происходят с постоянным сдвигом по фазе б. Направление максимального излучения в этом случае определится из условия, что вносимая антеннами первоначальная разность фаз б компенсируется запаздыванием одной из волн при прохождении ею «лишнего» расстояния А (рис. 15.2). Если, например, колебания в антенне 5а отстают от колебаний в Si по фазе на б, то угол 0 находится из формулы
Рис. 15.3. Направления максимального излучения повернуты на некоторый угол 0, если колебания в антенне 52 отстают по фазе от колебаний в антенне Si
-j- d sin 0 = 6,
(2)
15. НАПРАВЛЕННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ РАДИОВОЛН 387
так как именно в этом направлении волны от Si и Sа распространяются в одинаковой фазе и при сложении усиливают друг друга. Разумеется, максимальная интенсивность излучения будет наблюдаться в двух направлениях, образующих угол 0 с перпендикуляром к линии, соединяющей антенны, как показано на рис. 15.3.
Для уменьшения доли бесполезно излучаемой радиостанцией энергии целесообразно добиться направленного излучения радиоволн не только в горизонтальной, но и в вертикальной плоскости. Формирование узкой диаграммы направленности, «прижатой» к земной поверхности, сравнительно просто обеспечивается в диапазоне метровых и бол^е коротких волн (телевидение, УКВ-радиове-щание). Вибраторы передающей антенны располагают на вертикальной мачте в несколько рядов друг над другом, так чтобы расстояние между ними по вертикали было меньше длины волны. Колебания во всех вибраторах возбуждаются в одинаковой фазе. Проще всего добиться этого, используя кабели одинаковой длины для подвода энергии от генератора ко всем вибраторам. Электромагнитные волны от всех вибраторов такой «многоэтажной» антенны в результате интерференции усиливают друг друга, если они распространяются в горизонтальном направлении. Волны, распространяющиеся во всех других направлениях, т. е. отклоняющиеся вверх и вниз от горизонтали, гасят друг друга. Характер углового распределения излучения такой антенны легко понять по аналогии с задачей о дифракции плоской волны, проходящей через щель: чем больше размер щели по сравнению с длиной волны, тем меньше угловой разброс прошедшей через щель волны. Как вы думаете, почему расстояние по вертикали между соседними вибраторами должно быть меньше длины волны? ^
IX. ОПТИКА
В оптике изучается распространение и взаимодействие с веществом коротких электромагнитных волн, длина которых составляет примерно 10"^—10-7 м. Внутри этой спектральной области лежит сравнительно узкий участок длин волн от 400 до 760 нм, соответствующий видимому свету, непосредственно воспринимаемому человеческим глазом. В оптический диапазон, кроме видимого света, включают также инфракрасное и ультрафиолетовое излучения, так как между ними нет принципиального физического различия. Поэтому границы оптического диапазона достаточно условны, и по существу они определяются только используемыми способами получения и регистрации электромагнитных воли.
В основе волновой теории света лежит принцип Гюйгенса, позволяющий по известному положению волнового фронта в данный момент времени найти его положения в последующие моменты времени. По принципу Гюйгенса каждая точка волнового фронта является источником вторичных сферических волн. Огибающая поверхность этих вторичных волновых поверхностей дает положение фронта волны в последующий момент времени.
Волновая теория света позволяет объяснить такие явления, как интерференция и дифракция. Для наблюдения устойчивой картины интерференции источники света должны быть когерентными, т. е. создаваемые ими волны должны приходить в точку наблюдения с постоянной разностью фаз. Добиться неизменной разности фаз двух волн от независимых нелазерных источников света невозможно. Поэтому для получения интерференционной картины свет от одного источника обычно разделяют на два пучка, а затем после прохождения ими разных путей вновь сводят их вместе. Дифракционные явления, возникающие при прохождении света через отверстия или преграды, получают объяснение при рассмотрении интерференции когерентных вторичных волн, построенных по принципу Г юйгенса.
