Некоторые примеры практического применения физического материала в вопросах курса «Электродинамика и распространение волн»

НА ГЛАВНУЮ

Андреева Наталья Владимировна,

доцент кафедры физики Череповецкого военного инженерного института радиоэлектроники,

Нилова Людмила Ивановна,

соискатель кафедры физики Череповецкого военного инженерного института радиоэлектроники.

Современная физика - быстроразвивающаяся наука, стремительно увеличивающая свой информационный объем. В последнее время в преподавании курса физики все более серьезным становится противоречие между требованием формирования у обучаемых единой физической картины мира и необходимостью обучать приложениям физических законов к конкретным специальностям.

Решать данную проблему в высших военных учебных заведениях путем изучения небольших спецкурсов прикладного характера, требующих выделения учебного времени, неприемлемо. В этих условиях проблема повышения военно-прикладной направленности курса физики может быть решена путем перестройки методики проведения занятий с введением вопросов и примеров, непосредственно связанных с практическими потребностями кафедр института и требованиями к специалисту - выпускнику.

Первостепенное значение в практической реализации поставленных задач имеют исследование межпредметных связей дисциплин, в данном случае связи физика - профилирующие дисциплины, и выработка критерия использования физики при изучении профилирующих дисциплин.

Ниже приводятся примеры практического применения физического материала в вопросах курса «Электродинамика и распространение радиоволн».

Понятие стоячих волн более наглядно можно дать для случая механических волн (волны в упругой среде). А процессы, связанные с образованием стоячей и бегущей волн при наличии неоднородностей, удобно рассматривать на примере системы: передатчик - линия связи (фидер) - антенна. При равенстве импедансов выхода передатчика, фидера и антенны вся система работает в согласованном режиме, в ней устанавливается режим бегущей волны. Если имеет место отражение волн, то кроме бегущей волны появится стоячая волна. В пределе при коэффициенте отражения, равном единице в системе устанавливается режим стоячей волны, и такая система не передает энергию волн в антенну.

По теме «Интерференция волн» рассматриваются принципы организации антенны с изменяемой диаграммой направленности. В простейшем случае такая антенна представляет собой два элементарных вибратора, расположенных на расстоянии в полволны друг от друга. Вибраторы питаются синфазным сигналом. Вследствие явления интерференции волны, распространяющиеся вдоль линии, соединяющей антенны, гасят друг друга, излучение волн практически отсутствует. В перпендикулярном направлении амплитуды волн складываются, имеет место усиление сигнала.

В качестве примера, иллюстрирующего явление интерференции, на практическом занятии рассматривается отражение радиоволн от неровностей земной поверхности. При падении волн на совершенно ровную поверхность происходит зеркальное отражение, т.е. вся энергия отраженной волны, согласно законам геометрической оптики, движется в одном направлении. Если поверхность земли неровная, то радиоволны отражаются в различных направлениях, в том числе обратном.

Пусть плоская волна отражается от поверхности, наибольшая высота неровностей которой h. При отражении волн от нижнего и верхнего уровня неровностей земной поверхности, волны проходят различную длину пути и интерферируют с определенной разностью фаз. При этом результирующая амплитуда определяется по формуле:

из которой видно, что амплитуда начинает сильно уменьшаться, если разность фаз становится больше p /2, достигая минимального значения при . Таким образом, допустимым критерием ослабления сигнала вследствие интерференции волн можно считать выполнение условия .

При расчете радиотрасс, работающих на земном луче (прямая волна), важную роль играет первая зона Френеля. По теме «Дифракция волн» на занятии можно рассмотреть задачу о распространении радиоволн над поверхностью, имеющей препятствие высотой h. (Практически это может быть холм или горная гряда). Если в пределы препятствия попадает одна центральная зона Френеля (), то волны огибают препятствие, и возможность установления радиосвязи определяется только параметрами приемно-передающей аппаратуры.

При изучении темы «Кинематика волновых процессов» целесообразно рассматривать на лекции вывод формулы напряженности электрического и магнитного полей изотропного излучателя в однородной среде для свободного пространства, диэлектрической среды, среды с проводимостью и среды со свободными зарядами. Использование уравнений Максвелла в дифференциальной форме дает возможность ввести понятие комплексной диэлектрической проницаемости. Для ионизированного газа действительная часть ее описывает явление дисперсии, мнимая часть - поглощение электромагнитной волны. Теоретические выкладки позволяют обратить внимание на то, что величина ε ионизированного газа меньше 1, и среда является оптически менее плотной, чем вакуум. Этот интересный вывод из теории можно наблюдать на практике. При приеме радиостанций, работающих на длинных волнах в зимнее время, можно наблюдать сигналы радиоэха с периодом 1с. Это объясняется тем, что в области, где ε ≈ 0, происходит полное внутреннее отражение электромагнитной волны с групповой скоростью, близкой к нулю. В результате чего и возникают секундные задержки в распространении сигнала.

При таком подходе к организации обучения основные разделы физики становятся более интересными для обучаемых. Это позволяет повысить уровень мотивации при овладении знаниями, умениями и навыками на занятиях по физике и уменьшить процент приобретения знаний «в запас», без ясного понимания их значения.

Выводы:

1. Реализация принципа межпредметных связей позволяет повысить практическую направленность курса физики.

2. Комплексное изучение физических законов и практических приложений способствует познанию их взаимосвязей, более глубокому усвоению физических понятий, повышению интереса обучаемых к предмету.

Повышение практической направленности физики усиливает преемственность между курсом физики и общенаучными, общеинженерными и военно-техническими дисциплинами.

Литература

1. Грудинская Г.П. Распространение радиоволн: Учеб. пособие для вузов. – М.: Высшая школа, 1975. – 280 с.

2. Марков Г.Т., Петров Б.В., Грудинская Г.П. Электродинамика и распространение радиоволн: Учеб. пособие для вузов. – М.: Сов. радио, 1969. – 376 с.

3. Робертсон Б. Современная физика в прикладных науках: Пер. с англ. – М.: Мир, 1985. – 272 с.

Поступила в редакцию 18.01.2010 г.