Электромагнитный спектр
| English | Русский |
|---|---|
| electromagnetic waves/ɪˌlektrəʊməɡˈnetɪk weɪvz/ | электромагнитных волн |
| spectrum/ˈspektrəm/ | спектр |
| vacuum/ˈvækjuːm/ | вакуум |
| microwave/ˈmaɪkrəʊweɪv/ | микроволны |
| infrared/ˌɪnfrəˈred/ | инфракрасное излучение |
| ultraviolet/ˌʊltrəˈvaɪəlɪt/ | ультрафиолетовое излучение |
| gamma/ˈɡæmə/ | бета-излучение |
Всё из одной семьи
- Радио, тепло от огня, солнечный ожог, рентген в больнице — всё это электромагнитные волны.
- Они различаются только длиной волны (и, следовательно, частотой).
- Одна семья, один спектр.
Что у них общего
- Все ЭМ-волны являются поперечными.
- В вакууме они все распространяются с одинаковой скоростью, $c = 3.00 \times 10^{8}\ \dfrac{\text{m}}{\text{s}}$.
Электромагнитный спектр
Проведите курсор по спектру
Радиоволны, видимый свет и гамма-излучение — это одна и та же волна; меняется только длина волны, а вместе с ней — частота, энергия фотонов и бытовое применение.
Все электромагнитные волны являются поперечными.
Да — каждая ЭМ-волна является поперечной, и все они распространяются со скоростью $c$ в вакууме.
В вакууме какая ЭМ-волна распространяется быстрее всего?
В вакууме любая ЭМ-волна распространяется со скоростью $c = 3.0 \times 10^{8}\ \dfrac{\text{m}}{\text{s}}$.
Что общего у всех электромагнитных волн? Выберите все подходящие варианты.
Отсутствие необходимости в среде позволяет солнечному свету пересекать космос. Поперечность делает каждую из них поляризуемой, в отличие от звука.
Спектр по порядку
- От длинных к коротким волнам: радио · микроволны · инфракрасное · видимое · ультрафиолетовое · рентгеновское · гамма.
- По мере уменьшения длины волны частота увеличивается.
Расположите их в порядке возрастания частоты (от наименьшей).
Частота возрастает по мере убывания длины волны: радио (самая длинная) → микроволны → видимый свет → рентгеновское (гораздо короче).
Расположите электромагнитный спектр в порядке возрастания длины волны.
Возрастание длины волны означает убывание частоты и убывание энергии фотонов, поэтому тот же список, прочитанный в обратном порядке, отвечает на все три вопроса.
Длины волн и связь
- Выучите порядки величины: радио $> 10^{-1}\ \text{m}$; микроволны $10^{-1}$ до $10^{-3}\ \text{m}$; инфракрасное $10^{-3}$ до $7 \times 10^{-7}\ \text{m}$; видимое $400$–$700\ \text{nm}$; ультрафиолетовое $4 \times 10^{-7}$ до $10^{-8}\ \text{m}$; рентгеновские лучи $10^{-8}$ до $10^{-13}\ \text{m}$; гамма ниже примерно $10^{-10}\ \text{m}$.
- Видимый свет — это узкая полоса $400$–$700\ \text{nm}$ — фиолетовый на коротком конце, красный на длинном.
- Переключайтесь между $\lambda$ и $f$ с помощью $c = f\lambda$.
Длины волн видимого света составляют примерно:
Около $400\ \text{nm}$ (фиолетовый) до $700\ \text{nm}$ (красный) — крошечный фрагмент всего спектра.
Длина волны радиосигнала составляет $3.0\ \text{m}$. Какова её частота, в мегагерцах? (Используйте $c = 3.0 \times 10^{8}\ \dfrac{\text{m}}{\text{s}}$.)
$f = \dfrac{c}{\lambda} = \dfrac{3.0 \times 10^{8}}{3.0} = 1.0 \times 10^{8}\ \text{Hz} = 100\ \text{MHz}$.
Названия диапазонов
- В экзаменационных вопросах даётся длина волны или частота, и просят указать какой диапазон. Переведите в длину волны при необходимости, затем расположите её на шкале.
- Прямо под $400\ \text{nm}$ находится ультрафиолетовый; прямо над $700\ \text{nm}$ — инфракрасный.
- Рентгеновские и гамма-лучи перекрываются по длине волны — их различают по источнику происхождения (рентген от электронов, гамма от ядер), поэтому в зоне перекрытия правильным может быть любое название.
Электромагнитная волна имеет длину волны 500 нм. Какова её частота, в единицах 1e14 Гц?
f = c/lambda = 3.00e8/5.00e-7 = 6.0e14 Гц, в зеленой части видимого спектра. Переведите нм в м перед делением.
Разобранный пример: какой диапазон и какой период?
(a) Лазер излучает волны длиной $8.1 \times 10^{-8}\ \text{m}$. (b) Спутниковая связь использует $12\ \text{GHz}$. Назовите каждый диапазон и найдите период спутниковых волн в пикосекундах.
- (a) $8.1 \times 10^{-8}\ \text{m} = 81\ \text{nm}$, что ниже $400\ \text{nm}$, но выше $10^{-8}\ \text{m}$: ультрафиолетовый. Его частота составляет $f = \dfrac{c}{\lambda} = \dfrac{3.00 \times 10^{8}}{8.1 \times 10^{-8}} = 3.7 \times 10^{15}\ \text{Hz}$.
- (b) $\lambda = \dfrac{c}{f} = \dfrac{3.00 \times 10^{8}}{12 \times 10^{9}} = 0.025\ \text{m}$: несколько сантиметров, значит микроволна.
- Период: $T = \dfrac{1}{f} = \dfrac{1}{12 \times 10^{9}} = 8.3 \times 10^{-11}\ \text{s} = 83\ \text{ps}$.
- Проверка: $1\ \text{ps} = 10^{-12}\ \text{s}$, значит, разделите на $10^{-12}$ для перевода — ответ $0.083\ \text{ps}$ означает, что префикс был применён неправильно.
Электромагнитная волна имеет длину волны $5.0 \times 10^{-9}\ \text{m}$. К какому диапазону спектра она относится?
$5.0 \times 10^{-9}\ \text{m} = 5\ \text{nm}$ — короче, чем $10^{-8}\ \text{m}$ (нижняя граница ультрафиолетового диапазона), значит, это рентгеновское излучение.
Микроволны в спутниковой связи имеют частоту $12\ \text{GHz}$. Каков их период, в пикосекундах?
$T = \dfrac{1}{f} = \dfrac{1}{12 \times 10^{9}} = 8.3 \times 10^{-11}\ \text{s}$, и $1\ \text{ps} = 10^{-12}\ \text{s}$, следовательно, $T = 83\ \text{ps}$.
$c = 3.00 \times 10^{8}\ \dfrac{\text{m}}{\text{s}}$ — это скорость в вакууме (воздух достаточно близок). В стекле или воде волна замедляется, а её длина волны сокращается, но её частота остаётся неизменной — частота определяется источником. И порядок спектра по частоте обратен порядку по длине волны.
Когда свет переходит из воздуха в стекло, его скорость и длина волны уменьшаются, но его ____ не изменяется.
Частота определяется источником. Поскольку $v = f\lambda$, меньшая $v$ при той же $f$ означает меньшую $\lambda$.
Узнавайте их по применению
- Радио: вещание. Микроволны: телефоны, спутниковые каналы связи, печи. Инфракрасное: пульты дистанционного управления, тепловизоры, нагрев.
- Видимое: зрение, волоконно-оптические сигналы. Ультрафиолетовое: флуоресценция, стерилизация, солнечный ожог.
- Рентгеновские: медицинская диагностика. Гамма: стерилизация оборудования, лечение рака.
Вы поняли
- все ЭМ-волны являются поперечными и распространяются со скоростью $c = 3.0 \times 10^{8}\ \dfrac{\text{m}}{\text{s}}$ в вакууме
- порядок по длине волны: радио → микроволны → ИК → видимый → УФ → рентген → гамма (частота идёт в другом направлении)
- видимый свет составляет $400$–$700\ \text{nm}$; используйте $c = f\lambda$ и $T = \dfrac{1}{f}$, чтобы назвать диапазон