Цикл лекционных опытов по колебательным и волновым процессам (разработка аппаратуры и опытов) тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.03, кандидат физико-математических наук Егоров, Геннадий Степанович

• Егоров, Геннадий Степанович
• кандидат физико-математических наук
• 1985

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Егоров, Геннадий Степанович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. ДЕМОНСТРАЦИИ ПО КОЛЕБАТЕЛЬНЫМ ПРОЦЕССАМ В ЛИНЕЙНЫХ, ПАРАМЕТРИЧЕСКИХ И НЕЛИНЕЙНЫХ ОСЦИЛЛЯТОРАХ

Введение

1.1. Линейный колебательный контур как спектраль -ный прибор и селективный приемник квазимоно -хроматических сигналов

1.2. Асимметрия и гистерезис резонансной кривой нелинейного колебательного контура.

1.3. Многоцелевая установка для демонстрации нелинейных и параметрических эффектов в колеба -тельном контуре

1.3.1. Нелинейные искажения формы входного сигнала. •

1.3.2. Преобразование спектра входного сигнала

1.3.3. Резонансы на обертонах

1.3.4. Появление комбинационных гармоник

1.3.5. Резонансная кривая нелинейного контура

1.4. Явление параметрического резонанса и парамет -рического усиления колебаний

1.4.1. Наблюдение параметрического резонанса

1.4.2. Параметрическое усиление малых колебаний

1.5. Иллюстрирование фазовой плоскости и некоторых особенностей автоколебательных систем

ГЛАВА 2. НЕКОТОРЫЕ ОПЫТЫ ПО РЕГУЛЯРНЫМ ВОЛНОВЫМ ПРОЦЕССАМ

В в е д е н и е.

2.1. Моделирование "гравитационной линзы" в лекционной демонстрации

2.2. Установка по демонстрации свойств электромагнитных волн

2.2.1. Распространение электромагнитных волн

2.2.2. Волновая структура излучения.

Измерение длины СВЧ волны

2.2.3. Зависимость амплитуды излучаемой волны от расстояния.

2.2.4. Поперечный характер электромагнитной волны

2.2.5. Линейный характер поляризации волны

2.2.6. Модельное иллюстрирование электронного "механизма" явления отражения

2.2.7. Изменение характера поляризации волны при отражении.

2.2.8. Поляризационная структура прошедшей волны.

2.2.9. Диаграмма направленности излучателя

2.2.10. Опыты по рассеиванию волн объемными рассеивателями.

2.3. Интерферометр Майкельсона в 10 см диапазоне

2.3.1. Наблюдение интерференционной картины

2.3.2. Зависимость ширины интерференционной полосы от юстировки зеркал

2.3.3. Измерение длины волны

2.4. Демонстрация распределения освещенности в различных зонах дифракции.

2.4.1. Наблюдение распределения интенсивности в различных зонах дифракции.

2.4.2. Волновой принцип неопределенности

2.4.3. Симметрия пространственных спектров в дальней зоне дифракции. П6>

ГЛАВА 3. ДЕМОНСТРАЦИИ ПО СТАТИСТИЧЕСКИМ СВОЙСТВАМ ВОЛНОВЫХ ПОЛЕЙ В в е д е н и е.

3.1. Опыты с хаотически модулированными колебаниями.

3.2. Влияние инерционности регистрирующих устройств на вид

§сть интерференционной картины.

3.3. Опыты по интерференции частично когерентных волновых полей

3.3.1. Модуляционный способ синтеза частично когерентных световых полей

3.3.2. Двухисточечный способ получения частично коррелированных световых колебаний

3.4. Влияние степени пространственной когерентности колебаний на видность интерференционной картины

3.4.1. Опыт Юнга в сантиметровом диапазоне волн.

3.4.2. Моделирование работы звездного интерферометра Майкельсона

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Цикл лекционных опытов по колебательным и волновым процессам (разработка аппаратуры и опытов)»

Последние десятилетия, как хорошо известно, характеризуются весьма быстрым развитием науки и техники, в том числе (и в первую очередь) одной из основных фундаментальных наук - физики и её приложений. Появляются новые разделы и направления, стремительно растет поток информации, который нельзя обойти и в вузовских программах. В то же время, несмотря на имеющиеся постановления директивных органов о необходимости улучшения фундаментального' образования выпускаемых специалистов, реально количество отводимого на физические дисциплины времени в учебных планах не только не увеличивается, но в последние годы и существенно сокращается (особенно в технических вузах). Всё это ставит перед высшей школой острые и срочные вопросы по улучшению всей системы, содержа -ния и методики образования, интенсификации процесса обучения, повышения его эффективности, в том числе путём широкого использования разнообразного арсенала технических средств. Одним из наибо -лее эффективных и перспективных средств, прежде всего при препо -давании предметов физического цикла, по нашему убеждению, являются лекционные демонстрационные опыты, которым и посвящена данная диссертационная работа.

Отметим, что нередко предлагается другой путь (а иногда, в том числе в отечественных вузах, насколько нам известно, и алро -бировался) в определенном смысле альтернативный: с целью экономии времени даже в курсе общей физики максимально использовать абст -рактно-аксиоматическое построение - сразу формулировать основные законы, уравнения в максимально общем виде и затем переходить к частным случаям, не останавливаясь ни на экспериментальном обос новании, ни на "промежуточных" физических моделях и представлениях, сыгравших большую роль в истории физики, ни, тем более, на лекционных демонстрациях. Вполне допустимый и даже желательный при чтении отдельных разделов теоретической физики, такой подход представляется совершенно неприемлемым, когда речь идет о курсе общей физики, не говоря уже о том, что на младших курсах этот путь встретил бы большие трудности при стыковке с математическими дисциплинами. Чрезмерная "теоретизация" противоречит самому духу курса общей физики, являющейся в своей основе наукой экспериментальной. Интересные и убедительные соображения о необходимости предварять обучение опытами, в том числе лекционными, высказывали ещё М.В.Ломоносов [I] , автор известного учебника физики Э.Х.Ленц [2] , основоположник классической электродинамики Дж. Максвелл [3] , выдающийся ученый и педагог А.Н. Крылов [4], академик П.Л.Капица [5] и др. Здесь мы приведем лишь одно высказывание, принадлежащее великому физику-теоретику - А.Эйнштейну, показавшему, между прочим, блестящие примеры "дедуктивного" построения специальной и общей теории относительности, исходя из нескольких общих принципов. Отмечая ведущую роль эксперимента в обучении физике, он писал [6] : "На первой ступени обучения физике из неё надо вообще исключить всё, кроме экспериментальной стороны . Красивый эксперимент сам по себе часто гораздо ценнее, чем двадцать формул, добытых в реторте отвлеченной мысли". Важно отметить, что "индуктивное" построение курса общей физики, с обсуждением принципиальных экспериментальных фактов, позволяет показать студентам диалектику развития физических идей.

Хотя в настоящей диссертационной работе не ставится целью обсуждение вопросов чисто педагогического и методического характера, заметим, что ценность лекционных демонстраций с точки зрения вузовской дидактики состоит в том, что они позволяют органически сочетать абстрактное мышление с обеспечением необходимой степени наглядности и конкретности. Напомним, что всеми классиками педагогики, начиная с Я.Каменского, постоянно подчеркивалось, что чем больше органов чувственного восприятия принимает участие в выработке восприятия, тем глубже, прочнее и легче материал усваивается . Многие же вещи гораздо проще, быстрее и эффективнее показать, чем долго рассказывать. Наконец, для возбуждения интереса аудитории к обсуждаемому вопросу некоторые опыты могут быть удачно использованы лекторами для так называемого "проблемного" обучения, создания "проблемных" ситуаций, о чем в последнее время достаточно много дискутируют. Некоторые примеры таких опытов будут приведены в настоящей работе ниже.

Конечно, лекционные опыты не рассчитаны на выработку у студентов экспериментальных навыков и в этом смысле не подменяют лабораторные занятия, предусмотренные учебными планами физических и многих нефизических специальностей. Однако отклада -вать вообще все физические опыты до лабораторных занятий совершенно недопустимо по ряду причин, в частности, потому, что лабораторные работы выполняются студентами, как правило, в разное время (не фронтально) - как после, так и до соответствующих лекций, или же выполняются не всеми студентами, в зависимости от "маршрутов" прохождения лаборатории.

Достижения науки и техники, открытие новых явлений, появление принципиально новых приборов приводят к возрастанию роли лекционного эксперимента и, вместе с тем, открывают новые возможности. Современная литература по лекционным демонстрациям, в

Например, по данным ЮНЕСКО, человек, слушая, запоминает 15 % речевой информации: когда смотрит, то у него остается 25% видимой информации, а когда слушает и смотрит одновременно, он запоминает 65% преподносимой информации [7] . той или иной мере отражающая эти тенденции, не так уж мала.

К основным отечественным пособиям по лекционным демонстра циям можно отнести девять выпусков "Лекционных демонстраций по физике", написанных под редакцией проф. А.Б. Млодзеевского. В этом труде достаточно подробно изложен большой арсенал лекционных демонстраций по всецу курсу общей физики, в том числе по разделам "Колебания и волны" ы и "Оптика" [9] . Детальное описание большого количества оригинальных опытов, выполненных на легко воспроизводимой демонстрационной аппаратуре, делает пособие полезным для физиков-демонстраторов.

Второе, дополненное издание этого руководства [ю] , вышедшее под редакцией проф. В.А.Ивероновой и ставшее в настоящее время настольной книгой по лекционному эксперименту, содержит новую главу, посвященную демонстрациям с использованием коге -рентных источников света, постановка которых ранее была либо практически невозможной, либо затруднительной из-за плохой временной когерентности используемых источников излучения. Достаточно ценным и значимым дополнением к этому руководству можно считать большое количество оригинальных демонстраций, содержа -щееся в сборнике [п] по методике и технике лекционного экспе -римента.

Целый ряд интересных интерференционных опытов с использо -ванием амплитудных и фазовых зонных пластинок акустического и СВЧ диапазонов содержится в работе Б.Ш.Перкальскиса к] .

Весьма интересны описанные здесь СВЧ опыты, иллюстрирующие основные положения кристаллооптики с использованием анизотропных "кристаллооптических" пластин, соответствующим образом вырезанных из древесины кедра (пихты). Полезные опыты в СВЧ диапазоне описаны также в пособиях Л. П. Стрелковой [13] и Н.М.Шахмаева [14] где, кроме большого количества опытов, приведено подробное описание самодельного демонстрационного оборудования и даны методические указания по использованию этих опытов. Наиболее полным из существующих пособий по лекционным демонстрациям в трехсантиметровом диапазоне волн, охватывающим практически все принципиально важные разделы геометрической и волновой оптики, можно считать работу Н.Я. Молоткова [1б] . В описание к каждой демонстрации здесь, кроме рассмотрения физического явления, включены методические рекомендации и подробные указания по изготовлению используемого оборудования.

Ценным вкладом в дело дальнейшего совершенствования и расширения арсенала лекционных демонстраций является изданное под редакцией Н.И.Калитеевского [1б] пособие по оптическим демонст -рациям, в котором описан целый ряд оригинальных экспериментов как в оптическом диапазоне, так и с использованием УКВ излучения. Это, если не единственная, то одна из немногих такого рода работ, где имеются рекомендации по постановке опытов для иллюстрирова -ния статистической структуры световых полей.

Из первых публикаций, касающихся использования звукового диапазона в учебном эксперименте, следует упомянуть лекции Р.Ву-да [17] , в которых, наряду с интерференционными опытами, описывается оригинальная методика по визуализации звуковых волн с помощью чувствительного газового пламени, а также их теневому фотографированию. Заслуживает также внимания работа У.Кока [18] , где, наряду с опытами по интерференции и дифракции звуковых волн, также описывается методика визуализации картины акустического поля с использованием разнообразных "фонографов", предварительно равномерно засвеченной фотопластинки. Здесь же описывается метод световой индикации звука, используя который появляется возмож -ность прямого, в реальном масштабе времени, иллюстрирования структуры невидимого звукового поля.

Из книг, содержащих описание большого числа разнообразных опытов в ультразвуковом диапазоне волн, необходимо отметить монографии Б.Б.Кудрявцева [19] и В.В.Майера [20] , в которых даются рекомендации по изготовлению самодельных кварцевых и магни-тострикционных излучателей и постановке ряда содержательных лекционных опытов, например, по дифракции света на ультразвуковой дифракционной решетке.

Из зарубежных пособий, посвященных лекционному эксперименту, в первую очередь необходимо отметить насчитывающее более тысячи опытов двухтомное руководство [21] , вышедшее в США под редакцией Ф.Мейнерса, а также работу С.Пэлмера [22] , посвященную оптическим демонстрациям. Достаточное внимание в них уделено обсуждению вопроса о мере и роли лекционного эксперимента в курсе физики высшей школы. В книге [21] также приводятся рекомендации, касающиеся как технической стороны вопроса, так и методики показа, в том числе по общей теории волновых процессов (первый том) и оптике (второй том). Достаточно обширный материал по постановке современных оптических опытов (касающихся, например, вопросов фазового контраста, пространственной фильтрации и т.д.) содер -жится в руководстве [*23] , написанном в соавторстве с известным французским специалистом по когерентной оптике М.Франсоном. Подробное описание большого числа лекционных опытов содержится также и в изданной в Польше книге Т.Дринского [24] .

Кроме перечисленных книг, посвященных лекционному экспери -менту в высшей школе, интересные моменты как в идейном отноше -нии, так и в смысле технического решения можно найти в изданных в последние десятилетия книгах по школьному учебному эксперименту. Так, наряду с уже отмеченной книгой Н.М.Шахмаева [14] , большое внимание современным демонстрациям в школьном курсе уделено в работах [25-2б] и четырехтомнике "Методика преподавания физики в школе" [27] . Детальное описание целого ряда интересных опытов для средних школ содержит также вышедшая в ФРГ книга "Демонстрационные опыты по оптике" [2в] .

Особое место по технике школьного эксперимента по праву занимает такое фундаментальное пособие, как двухтомник "Демонстрационный эксперимент по физике в средней школе" [29] под редакцией А.А.Покровского. Высокий технический уровень многих описанных здесь опытов делает их вполне приемлемыми и для высшей школы.

Кроме специальной литературы, другим важным источником, содержащим много полезного и интересного материала для физиков-демонстраторов, являются как некоторые учебники по общему курсу физики, так и книги по отдельным разделам курса. Среди отечественных учебников, в которых большое внимание уделяется лекцион -ному эксперименту, видное место по праву занимает глубокая по замыслу и оригинальная по содержанию монография Г.С.Горелика "Колебания и волны" [зо] . Обсуждаемые в ней опыты с использованием УКВ диапазона,по иллюстрации флуктуационных явлений, статистических свойств световых полей и т.д. по сути являются пионерскими.

В большинстве других отечественных учебников, включая и недавно вышедший "Общий курс физики" Д.В.Сивухина [31] . описанию демонстрационного эксперимента отводится весьма скромное место. Приятным исключением можно считать "Волновую оптику" Н.И.Калитее-вского [32] , наличие сравнительно большого демонстрационного материала в которой, бесспорно, оживило изложение теоретических вопросов, сделало их более интересными и полезными для преподавателей.

Среди учебных пособий по физике зарубежных авторов, содержащих достаточно обширный набор демонстраций, заслуживают внимания "Физическая оптика" Р.Вуда [зз} , а также "Введение в оптику" [34] , "Механика, акустика и учение о теплоте" [35] Р.В.Поля. Много полезного при постановке экспериментальных иллюстраций с использованием как капиллярных (волн на "мелкой" воде), так и гравитационных волн на поверхности "глубокой" воды содержится в учебном пособии [Зб] #

Богатый набор современных демонстраций по колебательным и волновым процессам содержится в целом ряде журнальных статей. Ниже,в начале каждой главы диссертации,будет приведен краткий обзор наиболее интересных из них, характеризующих состояние лекционного эксперимента по тому или иному разделу как в отечест -венных, так и в зарубежных вузах.

Отметим, наконец, что обстоятельные списки демонстрационного оборудования соответствующего периода приведены в каталогах [37-39] , не потерявших своего значения и на сегодняшний день. Учтем также, что Минвузом СССР в 1974 году был утвержден "Минимальный перечень демонстраций, необходимых для оснащения физи -ческих кабинетов университетов", а в 1978 году - "Перечень лекционных демонстраций по курсу "Физика" втузов", в общем дающие достаточно типичную картину арсенала основных лекционных демонстраций.

Тем не менее, в целом положение с лекционным экспериментом в вузах страны трудно назвать удовлетворительным. Разработкой демонстрационной аппаратуры или даже методических руководств в централизованном порядке в стране никто практически не занимается. В такой ситуации кафедрам вузов, демонстрационным кабинетам нужно проявлять максимум инициативы по постановке лекционных опытов, разработке различного демонстрационного оборудования. Значительный опыт в этом на протяжении ряда лет накоплен демонстрационным кабинетом при кафедре общей физики Горьковского университета. Поэтому, прежде чем перейти к конкретному материалу, представляется целесообразным высказать несколько общих соображений, обобщающих этот опыт по постановке и использованию лекционных демонстраций, направлению развития демонстрационного дела, тем более, что в литературе подобным вопросам уделяется весьма мало внимания (за исключением [8] , см. также [40] ).

Прежде всего, касаясь технической и материальной стороны вопроса, заметим, что из литературы, в том числе из упомянутых выше учебников и имеющихся пособий по лекционным демонстрациям, мы знаем немало эффективных, классических опытов, зачастую реализуемых несложным оборудованием и не потерявших своего значе -ния до сих пор. Однако мы не можем ими ограничиться и должны ставить новые опыты с применением иногда довольно сложной, от -носительно дорогой (и, к сожалению, дефицитной) современной аппаратуры, открывающей новые возможности. При этом, конечно, далеко не все, что хорошо в лабораторных условиях, подходит для демонстрационных целей в условиях лекционной аудитории. Нужна, безусловно, специальная демонстрационная аппаратура - нагляд -ная, хорошо обозреваемая и с "понятным" устройством (а не в виде выносимого в аудиторию загадочного "черного ящика"), и в то же время компактная, надежная и транспортабельная, не требующая долгой настройки во время демонстрации на лекции.

Как известно, большинство физических кабинетов вузов страны испытывают трудности как с квалифицированными кадрами, так и с производственными площадями. Поэтому предпочтительнее иметь не только узкоцелевые, демонстрирующие отдельные явления или процессы, а многоцелевые установки, позволяющие варьировать опыты в зависимости от целей и возможностей конкретного лекционного курса.

Следует отметить также четко выраженную современную тенденцию - теперь желательно ставить не только чисто качественные, но количественно-информативные опыты, позволяющие получить хотя бы грубые количественные характеристики изучаемого процесса. При возможности производить измерения оперативно и наглядно, их не обязательно проводить только в лабораториях, как утверждается, например, в [41] . Именно такие демонстрации показывают, что физика в своей основе - наука не только экспериментальная, но и на эмпирическом уровне познания является наукой точной.

Известно, что любой опыт, тем более демонстрационный, осуществляется непосредственно с интересующим объектом. Но в процессе расширения области физического познания происходит удаление от явлений, которые хотя бы приближенно напоминали то, с чем мы встречаемся в обыденной практике, в области явлений, интерпретация которых требует новых образов и понятий, не похожих, а часто и просто несовместимых с нашими обычными представлениями. Это ведет к необходимости построения моделей. Использование моделирования позволяет применить экспериментальный метод к иллюстрированию таких объектов, непосредственное оперирование с которыми затруднено вследствие их пространственной или времен -ной недоступности. Будучи методически осмысленными и удачно реализованными, модельные демонстрационные опыты способствуют пониманию сущности физического явления. Например, недоступную для непосредственного показа статистическую структуру светового поля можно удачно промоделировать в радиодиалазоне ( [30] , см. также ниже).

Далее, в настоящее время лекционные демонстрации должны составлять не случайный набор разнотемных и разноплановых опытов, а тщательно продуманный, систематический и максимально полный цикл, обладающий определенной внутренней завершенностью и охватывающий максимум вопросов по всем разделам читаемого курса. Как справедливо подчеркивал проф. А.В.Млодзеевский [8] , физи ческие демонстрации не являются дополнением к словесному изложению курса, но представляют собой его неотъемлемую, органическую часть, ибо удачная демонстрация глубоко проясняет существо физического явления и способствует его запоминанию.

Разработке одного из таких циклов - колебательно-волнового - и посвящена настоящая диссертационная работа. Целью работы ставились как систематизация и модернизация имеющегося арсенала демонстраций, так и, главным образом, разработка, изготовление, методическая отработка и "обкатка" ряда новых опытов, необходимость в которых появилась в связи с развитием соответствующих разделов физической науки и техники.

Выбор именно этого цикла определялся, прежде всего, тем, что колебательно-волновые процессы играют важную роль практи -чески во всех разделах физики, а общие идеи, закономерности и методы физики колебаний находят приложение и при исследовании ряда других, например, биологических, социально-экономических и т.д. систем.

Важным фактором, стимулирующим дальнейшее развитие иллюстративных опытов по колебательно-волновому разделу, явилось и то, что в Горьковском университете давно сложилась традиция -изучение колебательных и волновых процессов различной физической природы в курсе общей физики концентрировать в одном (четвертом) семестре. Во-первых, это дает существенную экономию времени, исключая неоднократное рассмотрение аналогичных явлений в разных диапазонах, во-вторых, позволяет контрастнее подчеркнуть единую колебательно-волновую картину, что способствует повышению мировозренческого уровня преподавания. И, наконец, такое построение курса открывает широкие возможности маневрирования при постановке и использовании лекционных опытов - теперь их можно реализовать с разными по природе видами волн, в различных диапазонах, наиболее удобных для лекционных условий. В частности, малость пространственного периода и неизбежная инерцион -ность наблюдений затрудняют показ в "натуре" целого ряда опти -ческих эффектов, например, "цуговой" структуры светового поля. Однако переход в радиодиапазон, т.е. увеличение длины волны излучения в 10 раз, позволяет продемонстрировать их с максимальной наблюдаемостью и эффективностью. В таких демонстрациях показывается глубокое единство физической сущности оптических и электромагнитных явлений, утверждается взгляд на волновую оптику как на частный случай электромагнитных колебаний.

В первую очередь, естественно, мы ставили целью разработку демонстрационных опытов по сравнительно новым разделам и направлениям. В частности, в современных программах колебательно-вол -новых курсов, в том числе и соответствующих разделах курса общей физики, предусматривается довольно обстоятельное изложение раз -личных нелинейных и параметрических эффектов ¡30-31] . Поскольку, в то же время, количество лекционного времени, отводимого на эти разделы, весьма ограничено, а математический аппарат сравнительно сложен, особенно желательны наглядные лекционные опыты. Однако в литературе к настоящему времени список таких демонстраций весьма скуден, поэтому мы разработали ряд опытов, описание которых дается в первой главе.

Что касается волновых процессов, в особенности интерференции и дифракции волн, то есть определенная потребность в опытах, позволяющих непосредственно в ходе лекции иллюстрировать и количественные закономерности; подобные опыты описываются во второй главе.

Кроме того, создание квантовых когерентных источников света привело к существенному расширению возможностей волновой оптики, что придало особую актуальность вопросам статистических свойств волновых полей, понятиям временной и пространственной когерентности, влиянию степени когерентности на видность интерфе -ренционной картины и т.д. В курсе общей физики эти вопросы сейчас являются, пожалуй, одними из наиболее сложных и наименее отрабо -танных в методическом отношении. В частности, формированию у студентов наглядных представлений о "цуговой" структуре хаотически модулированных волн, о принципиальной роли инерционных свойств регистрирующих устройств при наблюдении, например, интерференционной картины в достаточной степени мешало практически полное отсутствие соответствующих лекционных опытов. В связи с этим в третьей главе описывается ряд установок, позволяющих проводить такие опыты.

Хотя рассматриваемый в диссертации цикл лекционных опытов разрабатывался в основном применительно к курсу общей физики, тем не менее многие из них вполне могут быть полезными и при чтении других общеволновых курсов. По нашему убеждению, давно пора лекционные демонстрации внедрять не только в общий курс физики, но и в ряде других лекционных курсов.

Переходя к краткому изложению содержания диссертации, отметим, что,решая задачу экспериментального иллюстрирования ряда теоретических вопросов, мы, естественно, не смогли в тексте подробно остановиться на обсуждении физической сущности демонстри -руемых явлений. В работе дано довольно подробное описание рас -сматриваемых опытов и приведены соответствующие несложные вычисления в расчете на то, что эта обстоятельность будет полезна при постановке аналогичных опытов в демонстрационных кабинетах других вузов.

Диссертационная работа, включающая введение, три главы и заключение, содержит 135 страниц машинописного текста, 25 рисунков и 65 фотографий. Список использованной литературы на

Заключение диссертации по теме «Радиофизика», Егоров, Геннадий Степанович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключение приведем основные результаты диссертационной работы, выносимые на защиту.

I. Разработан, изготовлен и методически отработан ряд новых демонстрационных опытов по колебательным процессам в линейных, а в основном - нелинейных и параметрических системах. Большинство из этих опытов удовлетворяют "классическим" требованиям (хорошая обозреваемость и "понятность" устройства, наглядность и надежная воспроизводимость и т.д.) и в то же время обладают достаточной оперативностью показа. а) Для успешного восприятия студентами "спектральной" идеологии, в частности, понимания адекватности процедуры спектраль -ного Фурье-разложения динамике процессов в реальных осцилляторах разработан ряд соответствующих опытов. Эти опыты позволяют показать, что один и тот же линейный осциллятор в различных случаях ведет себя либо как спектральный прибор, либо как селективный приемник, экспериментально пояснить понятие разрешающей способ -ности. б) Другая серия поставленных и отработанных опытов демонстрирует специфические особенности отклика нелинейного осциллятора на гармоническую внешнюю силу: асимметрию резонансной кривой, наличие гистерезиса и скачков амплитуды вынужденных колебаний, затягивание частоты, частотную зависимость гистерезисных потерь. Кроме того, показываются другие нелинейные эффекты - ангармонизм формы свободных и вынужденных колебаний нелинейного осциллятора, умножение и деление частоты (соответственно резонансы на обертонах и субгармониках), генерация комбинационных частот, гетеродинирование и т.д. в) Рассчитана и реализована демонстрационная установка, демонстрирующая явление параметрического резонанса, наличие нескольких зон генерации, зависимость резонансной амплитуды от темпа энергетической накачки (номера зоны), а также явление пара -метрического усиления. г) Разработана установка, с помощью которой иллюстрируется метод фазовой плоскости и демонстрируются некоторые особенности автоколебательных систем, в первую очередь: явление регенерации, существование области стационарных режимов генерации, независимость стационарной амплитуды автоколебаний от начальных условий и т.д.

2. Предложены, а также поставлены и отработаны новые коли -чественно-информативные лекционные опыты по демонстрированию свойств регулярных волновых полей, в том числе предельного слу -чая - геометрического приближения: а) поставлены опыты с "псевдосферическими" линзами, которые, имея специально рассчитанный профиль с отрицательной гауссовой кривизной, моделируют работу "гравитационной линзы", т.е. эффект искривления траектории световых лучей и их гравитационной фокусировки в неоднородном поле тяготения звезд; б) разработан приемно-передающий СВЧ комплекс, который позволяет продемонстрировать волновую структуру электромагнитного излучения, измерить длину СВЧ волны, её поперечный характер и зависимость амплитуды от расстояния, характер поляризации и его изменение при отражении, моделировать электронный "механизм" явлений отражения и анизотропии, вращения плоскости поляризации и т.д.; в) для наглядного иллюстрирования устройства и принципа действия мало пригодного для демонстрационных целей оптического интерферометра Майкельсона разработан его демонстрационный аналог в десятисантиметровом диапазоне волн. С его помощью показывается принцип действия двухлучевых интерференционных устройств, зави -симость ширины полосы интерференционной картины от юстировки "глухих" зеркал, измеряется рабочая длина волны и т.д.; г) характерные распределения интенсивности в различных зонах дифракции наглядно демонстрирует рассчитанная и реализованная установка с фотоэлектрическим способом регистрации освещенности. Её относительно высокая чувствительность к малым градациям интенсивности позволяет убедительно продемонстрировать не только тонкую структуру в дифракционных картинах, но и не очевидную центральную симметрию фраунгоферовых дифракционных полей от несимметричных амплитудных структур; идентичность высоких прост -ранственных частот от взимнодополняющих экранов (принцип Бабине); пояснить на опыте волновой принцип неопределенности и т.д.

3. Разработан цикл оригинальных лекционных опытов (и сконструирована соответствующая аппаратура) по иллюстрации статистических свойств волновых полей. В частности: а) поставлен ряд опытов, моделирующих в радиодиалазоне особенности структуры излучения тепловых источников (как белого, так и квазимонохроматического света), интерференцию когерентных и некогерентных хаотически модулированных по амплитуде и фазе колебаний; б) разработана демонстрация, позволяющая реализовать как сильно инерционный, так и малоинерционный способы регистрации, наглядно продемонстрировать влияние инерционности регистрирующе

• го устройства на видность интерференционной картины; в) сконструированы демонстрационные установки по синтезированию в оптическом и радиодиапазоне колебаний с варьируемыми статистическими параметрами. Изменение степени временной когерентности в процессе опытов от I до 0 позволяет наблюдать результат сложения частично когерентных колебаний, влияние степени коге -рентности колебаний на видность интерференционной картины; г) предложены, рассчитаны и реализованы установки, демонстрирующие влияние степени пространственной когерентности на видность интерференционной картины. Моделируется звездный интерферометр Майкельсона в оптическом и радиодиапазоне.

•Большинство из описанных в диссертации опытов прошли "обкатку" в демонстрационном кабинете -ГПУ в течение ряда лет и показали высокую надежность и эффективность. Степень отработанности соответствующих установок, детальность их изложения в тексте диссертации и в опубликованных работах автора представляется достаточной для того, чтобы воспроизвести их в других вузах и использовать не только для сопровождения курса общей физики, но и других курсов радиофизического цикла. По нашему мнению (поддерживаемому также решениями различных методических конференций), в • настоящее время весьма желательно серийное изготовление многих из этих установок. Этому способствует то обстоятельство, что боль -шинство наших опытов поставлено с использованием доступной серийной аппаратуры и вспомогательных узлов, несложных для самостоя -тельного изготовления.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Егоров, Геннадий Степанович, 1985 год

1. Ломоносов М.В. Волфианская экспериментальная физика. -Полное собрание сочинений. - М.-Л.: Изд.АН СССР, 1950, т.1, с. 424.

2. Ленц Э.Х. Руководство к физике. СПб, 1846, с.7.

3. Максвелл Д.К. Статьи и речи. М.: Наука, 1968, с. 20.

4. Крылов А.Н. Мои воспоминания. М.: Изд. АН СССР, 1942, с. 146.

5. Капица П.Л. Эксперимент. Теория. Практика. М.: Наука, 1974, с. 94.

6. Эйнштейн А. Сб. научных трудов. М.: Наука, т. 4. 1967, с. 317.

7. Сладкевич Б. Технические средства обучения в педагогическом институте. Л.: 1973, с. 19.

8. Млодзеевский А.Б. Лекционные демонстрации по физике. М.: Гостехиздат, 1948. вып. I, с. 6; 1949, вып. 4, 99 с.

9. Млодзеевский А.Б. Лекционные демонстрации по физике. М.: Гостехиздат, 1950, вып. 5, 172 с.

10. Лекционные демонстрации по физике, под ред. В.И.Ивероновой. М.: Наука, 1972, 2-е изд., 640 с.

11. Методика и техника лекционных демонстраций по физике. -Изд. МГУ, 1964, 270 с.

12. Перкальскис Б.Ш. Использование современных научных средств в физических демонстрациях. М.: Наука, 1971, 206 с.

13. Стрелкова Л.П. Физический практикум по электромагнитным волнам. Изд. МГУ, 1974, 93 с. .

14. Шахмаев Н.М. Демонстрационные опыты по разделу "Колебания и волны". М.: Просвещение, 1974, 127 с.

15. Молотков Н.Я. Радиоволны в демонстрационном эксперименте по оптике. Киев, Вища школа, 1981, 101 с.16