Экзаменационные вопросы по естествознанию физика (стр. 11 из 13)

Во втором случае сам Доплеровский измеритель составляющих скорости устанавливается непосредственно на самолете. Излучаются наклонно вниз три или четыре луча — влево вперед, вправо вперед, влево назад и вправо назад. принимаемые частоты сигналов сравниваются с частотами излучаемых сигналов, разности частот дают представление о составляющей движения самолета по направлению луча, а далее пересчетом полученной информации с учетом положения лучей относительно самолета высчитываются скорость и угол сноса самолета.

В третьем случае в радиолокаторе, установленном на самолете, определяются не только дальность до другого самолета, как в обычных радиолокаторах, но еще и Доплеровский сдвиг частот, что позволяет не только знать расстояние до другого самолета (цели), но и его скорость. На фоне такой способ позволяет отличить движущуюся цель от неподвижной.

Применение эффекта Доплера совместно со спектрометрами в астрономии позволяет получать большой объем информации о поведении далеких от нас звездных объектов и образований.

25. Квантовые явления в физических средах.

Квантовые генераторы: физическая сущность,

виды и особенности лазеров, области применения

В различных средах, особенно в так называемых “активных” средах имеются квантовые эффекты, которые с успехом могут быть использованы в прикладном плане. Так например в результате накачки атомов активной среды внешней электрической или световой энергией электроны в среде переводятся на более высокий уровень, чем они находятся в обычном состоянии, а затем уже самопроизвольно перебрасываются на нижний уровень, испуская электромагнитную волну строго определенной частоты. При этом испускание фотонов света частью атомов стимулирует механизм испускания фотонов другими атомами, получается лавинный процесс, в котором все испускаемые фотоны синфазируются друг с другом. На это основан принцип действия квантовых генераторов.

Квантовый генератор — это генератор электромагнитных волн, в котором использовано явление вынужденного излучения. Квантовый генератор радио-диапазона сверхвысоких частот (СВЧ) так же как и квантовый усилитель этого диапазона часто называют мазером. Первый квантовый генератор был создан в диапазоне СВЧ в 1955 г. одновременно в СССР (Н. Г. Басов и А. М. Прохоров) и в США (Ч. Таунс). В качестве активной среды а нем использовался пучок молекул аммиака. Поэтому он получил название молекулярного генератора. В дальнейшем был построен квантовый генератор на пучке атомов водорода, стабильность частоты в нем составляла 10^-13, в силу чего такие генераторы используются как стандарты частоты для целей высокоточного измерения времени.

Квантовые генераторы оптического диапазона — лазеры появились в 1960 г. Лазеры работают в широком диапазоне длин волн от ультрафиолетовой до субмиллиметровой областей спектра, в импульсном и непрерывном режимах. Существуют лазеры на кристаллах и стеклах, газовые, жидкостные и полупроводниковые. В отличие от других источников света лазеры излучают высококогерентные монохроматические световые волны, вся энергия которых концентрируется в очень узком телесном угле.

Первый лазер был создан в США с использованием монокристалла рубина. Источником накачки была лампа-вспышка. Эти лазеры в дальнейшем оказались рекордсменами в части энергии импульса. При средней энергии излучения в 3 Дж вследствие очень короткого импульса в 1-10 нс, получается мощность одного импульса, исчисляемая миллиардами Вт.

Затем были созданы газовые лазеры, работающие на смели гелия и неона, а затем полупроводниковые. В газовых лазерах накачка происходит за счет газового разряда в рабочем теле. Особенно перспективен для юстировочных и нивелировочных работ газодинамический лазер на СО₂.

В полупроводниковых лазерах накачка происходит за счет инжекции (проникновения) носителей тока через электронно-дырочный переход. Полупроводниковые лазеры отличает высокий кпд и относительная большая мощность непрерывного излучения.

Применение лазеров очень широкое — считывание информации с оптических носителей, измерение дальности (впервые с помощью установленного на Луне уголкового отражателя было измерено расстояние до Луны с точностью 1,5 м), обработка материалов и др. Лазеры нашли применение в микробиологии, медицине, фотохимии, катализе, топографии и пр.

26. Квантовые эффекты в микромире. Понятие о спектрах

излучения и поглощения, спектрометрия

Излучение и поглощение электромагнитных волн атомами вещества подчиняется квантовым законам. В частности, оптическое излучение возникает при квантовых переходах между уровнями энергии атомов, молекул, а также твердых и жидких тел. При этом излучение характеризуется определенным спектром - набором частот электромагнитных волн. Спектры испускания соответствуют квантовым переходам с верхних уровней энергии на нижние, спектры поглощения — с нижних на верхние.

Оптические спектры — эго спектры электромагнитного излучения в инфракрасном, видимом и ультрафиолетовом диапазона шкалы электромагнитных волн. Оптические спектры разделяют на спектра испускания (излучения), спектры поглощения, рассеяния и отражения.

Оптические спектры испускания получаются от источников света разложением их излучения по длинам волн спектральными приборами. Спектры поглощения (абсорбции), рассеяния и отражения обычно получают при прохождении света через вещество с последующим его разложением по длинам волн. Оптический спектр характеризуется долей энергии света каждой из длин волн.

Оптические спектры разделяют на линейчатые, состоящие из отдельных спектральных линий, полосатые, состоящие из отдельных полое, охватывающих каждая определенный интервал длин волн, и сплошные, охватывающие широкий диапазон длин волн.

Частота излучения или поглощения определяется законны:

hv=E₁-E_2, (70)

гае h = 6,625 • 10¹⁴ Дж×с — постоянная Планка; Е₁ и E₂ — энергии уровней, v — частота излучения (поглощения) электромагнитных колебаний.

Энергия излучения сплошных спектров (энергия излучения в единице объема) определяется законом Планка:

(71)

где k = 1,38-10^-23 Дж-К^-1 — постоянная Больцмана, T — абсолютная температура.

27. Проблема отражения и запоминания информации.

Понятие о голографии, области применения

Проблема отражения — фундаментальное свойство взаимодействия материальных объектов. Простейшим примером отражения является след, оставленный человеком на дороге. Но то же самое происходит в природе повсеместно, так как сам факт взаимодействия тел — это передача и запоминание влияния одного материального тела на другое. В технике это взаимодействие используется во многих направлениях, в частности, для запоминания информации.

Существует множество способов запоминания и накапливания информации. Одним из наиболее перспективных для запоминания изображений является метод голографии.

Голография — метод получения объемного изображения, основанная на интерференции волн. Идея голографии впервые была высказана Д. Габором (Англия) в 1948 г.

Если в процессе обычной фотографии на фотопластинке фиксируется лишь распределение интенсивности волн (амплитуд всех попавших в каждую точку волн), то с помощью голографии на фотопластинке фиксируется не только амплитуда, но и фаза каждой волны света, рассеянного объектом. Для этого на фотопластинку одновременно с волной, рассеянной объектом (сигнальная волна) необходимо направить вспомогательную волну, идущую от того же источника света, например, лазера с фиксированной амплитудой и фазой (опорная волна).

Интерференционная картина (чередование темных и светлых полос или пятен), возникающая в результате взаимодействия сигнальной и опорной волн, содержит полную информацию об амплитуде и фазе сигнальной волны, т. е. об объекте. Зафиксированная на светочувствительной поверхности интерференционная картина после проявления называется голограммой.

Для того чтобы увидеть изображение предмета, голограмму необходимо просветить той же волной, которая использовалась при ее получении. В простейшем случае — интерференции двух плоских волн (двух параллельных пучков) голограмма представляет собой дифракционную решетку.

В результате просвечивания голограммы наблюдатель, смотрящий сквозь голограмму, видит мнимое изображение объекта в том месте, где объект находился при съемке.

Если наблюдатель смотрит на голограмму с разных сторон; он соответственно получает отраженный свет с изменением фаз, соответствующих повороту объекта.

В настоящее время разработаны методы голография, позволяющие освещать голограммы обычным светом и тем не менее получать поднос объемное изображение предметов. Голографическое изображение точки представляет собой пятно, диаметр которого равен:

(72)

где D — размер голограммы, l — длина волны, Н — расстояние от объекта до голограммы. Так при длине волны в 5 • 10^-7 м, D =0,1 м и H=1 м имеем s = ^10-7 м.

Качество голографического изображения зависит от разрешающей способности фотоматериалов.

Поскольку изображение каждой точки запоминается на всей поверхности голограммы, то отрезание части голограммы не уничтожает изображения, а только ухудшает качество изображения.