Инфофиз. Репетитор по физике и информатике
Информация в чистом виде ‒ это не знание. Настоящий источник знания ‒ это опыт.
Альберт Эйнштейн
Урок 47. Электромагнитные волны. Понятие о радиосвязи.
- Печать
В окружающем нас мире существуют объекты, которые человек не воспринимает с помощью органов чувств. Для измерения характеристик этих объектов человек может воспользоваться только специальными техническими устройствами. Такими объектами являются электрическое и магнитное поля, электромагнитные волны.
Существование электромагнитных волн было теоретически предсказано великим английским физиком Джеймсом Максвеллом в 1864 году.
Изучив явление электромагнитной индукции, Фарадей пришел к выводу, что вихревое электрическое поле возникает при изменении во времени магнитного поля. Изменяющееся во времени магнитное поле можно создать в данной точке пространства, если придвигать к ней магнит или менять силу тока в проводе, который расположен рядом с этой точкой.
В 1864 году Максвелл проанализировал все известные к тому времени законы электродинамики и сделал попытку применить их к изменяющимся во времени электрическому и магнитному полям. Он обратил внимание на ассиметрию взаимосвязи между электрическими и магнитными явлениями. Максвелл ввел в физику понятие вихревого электрического поля и предложил новую трактовку закона электромагнитной индукции, открытой Фарадеем в 1831 г.:
Всякое изменение магнитного поля порождает в окружающем пространстве вихревое электрическое поле, силовые линии которого замкнуты.
Переменное магнитное поле порождает электрическое поле с замкнутыми силовыми линиями (линии напряженности охватывают линии магнитной индукции. Чем быстрее меняется магнитная индукция, тем больше напряженность электрического поля. При возрастании магнитной индукции направление напряженности образует левый винт с направлением вектора магнитной индукции .
Также Максвелл высказал гипотезу о существовании и обратного процесса. Он допустил, что переменное электрическое поле, в свою очередь, порождает магнитное. Во всех случаях, когда электрическое поле изменяется со временем, оно порождает магнитное поле.
Линии магнитной индукции этого поля охватывают линии напряженности электрического поля. Но только при возрастании напряженности электрического поля направление вектора индукции возникающего магнитного поля образует правый винт с направлением вектора напряженности.
Итак, изменяющееся во времени электрическое поле порождает в окружающем пространстве магнитное поле.
Гипотеза Максвелла была лишь теоретическим предположением, не имеющим экспериментального подтверждения, однако на ее основе Максвеллу удалось записать непротиворечивую систему уравнений, описывающих взаимные превращения электрического и магнитного полей, то есть систему уравнений электромагнитного поля (уравнений Максвелла).
После открытия взаимосвязи между электрическим и магнитным полями стало ясно, что эти поля не существуют обособленно, независимо одно от другого. Нельзя создать переменное магнитное поле без того, чтобы одновременно в пространстве не возникло и электрическое поле. И наоборот, переменное электрическое поле не может существовать без магнитного. Переменные электрическое и магнитное поля существуют одновременно и образуют единое электромагнитное поле.
Электромагнитное поле – это особая форма материи – совокупность электрического и магнитного полей — с помощью которой осуществляется электромагнитное взаимодействие.
Материальность электромагнитного поля :
- Его можно зарегистрировать.
- Существует независимо от нашей воли и желания.
- Имеет большую, но конечную скорость.
Разрабатывая теорию электромагнитного поля Д.Максвелл в 60-х годах IXX века теоретически обосновал возможность существования электромагнитных волн и даже вычислил скорость их распространения. Она совпала со скоростью света v =с=3·10 8 м/с. Это дало Максвеллу основание сделать заключение: свет – это один из видов электромагнитных волн.
Вокруг неподвижного заряда существует только электрическое поле. Вокруг заряда, движущегося с постоянной скоростью, возникает электромагнитное поле. При ускоренном движении заряда происходит излучение электромагнитной волны, которая распространяется в пространстве с конечной скоростью.
Электромагнитная волна — это изменяющееся во времени и распространяющееся в пространстве электромагнитное поле.
Электромагнитная волна поперечна – векторы напряженности Е и магнитной индукции В перпендикулярны друг другу и лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны.
В электромагнитной волне происходят взаимные превращения электрического и магнитного полей. Эти процессы идут одновременно, и электрическое и магнитное поля выступают как равноправные «партнеры». Поэтому объемные плотности электрической и магнитной энергии равны друг другу: wэ = wм.
Электромагнитные волны распространяются в веществе с конечной скоростью. Скорость электромагнитных волн в вакууме v =с=2,99792458·10 8 м/с=3·10 8 м/с
Главное условие возникновения электромагнитной волны — ускоренное движение электрических зарядов.
Выводы Максвелла были признаны далеко не всеми физиками – современниками Максвелла. Требовалось экспериментальное подтверждение существования электромагнитных волн. Максвелл был глубоко убежден в реальности электромагнитных волн, но он не дожил до их экспериментального обнаружения. Лишь через 10 лет после его смерти (примерно через 15 лет после создания его теории) электромагнитные волны были экспериментально получены в 1888 году немецким физиком Генрихом Герцем.
Электромагнитная волна образуется благодаря взаимной связи переменных электрических и магнитных полей. Для образования интенсивных электромагнитных волн необходимо создать электромагнитные колебания достаточно высокой частоты. Колебания высокой частоты можно получить с помощью колебательного контура.
Частота колебаний будет тем больше, чем меньше индуктивность L и емкость C контура 
В своих опытах для получения электромагнитных волн Герц использовал простое устройство, называемое сейчас вибратором Герца. Это устройство представляет собой открытый колебательный контур. Обычный колебательный контур, какой изображен на рисунке (его называют закрытым), не приспособлен для излучения электромагнитных волн. Дело в том, что его переменное электрическое поле сосредоточено преимущественно в очень малой области пространства между обкладками конденсатора, а магнитное — внутри катушки.
Область, в которой создается переменное электрическое поле, увеличивается, если раздвигать пластины конденсатора. Емкость при этом уменьшается. Одновременное уменьшение площади пластин еще больше уменьшит емкость. Уменьшение емкости увеличит собственную частоту этого колебательного контура.
Для еще большего увеличения частоты нужно заменить катушку прямым проводом без витков. Индуктивность прямого провода гораздо меньше индуктивности катушки. Продолжая раздвигать пластины и уменьшая одновременно их размеры, мы придем к открытому колебательному контуру. Это просто прямой провод.
Для возбуждения колебаний в таком контуре нужно провод разрезать посредине так, чтобы остался небольшой воздушный промежуток, называемый искровым. Благодаря этому промежутку можно зарядить оба проводника до высокой разности потенциалов.
При сообщении шарам достаточно больших разноименных зарядов между ними происходил электрический разряд и в электрическом контуре возникали свободные электрические колебания. Электромагнитные волны регистрировались Герцем с помощью приемного вибратора, представляющего собой такое же устройство, как и излучающий вибратор. Под действием переменного электрического поля электромагнитной волны в приемном вибраторе возбуждаются колебания тока. Если собственная частота приемного вибратора совпадает с частотой электромагнитной волны, наблюдается резонанс и колебания в приемном вибраторе происходят с большой амплитудой. Герц обнаруживал их, наблюдая искорки в очень маленьком промежутке между проводниками приемного вибратора.
Герц не только экспериментально доказал существование электромагнитных волн, но впервые начал изучать их свойства – поглощение и преломление в разных средах, отражение от металлических поверхностей и т. п. Ему удалось измерить на опыте длину волны и скорость распространения электромагнитных волн, которая оказалась равной скорости света.
Свойства волны
- Отражение.
- Преломление.
- Интерференция.
- Дифракция.
- Поляризация.
- Давление на вещество Из теории Максвелла следовало, что электромагнитные волны должны оказывать давление на поглощающее или отражающее тело. Давление электромагнитного излучения объясняется тем, что под действием электрического поля волны в веществе возникают слабые токи, то есть упорядоченное движение заряженных частиц. На эти токи действует сила Ампера со стороны магнитного поля волны, направленная в толщу вещества. Эта сила и создает результирующее давление. Обычно давление электромагнитного излучения ничтожно мало. Так, например, давление солнечного излучения, приходящего на Землю, на абсолютно поглощающую поверхность составляет примерно 5 мкПа. Первые эксперименты по определению давления излучения на отражающие и поглощающие тела, подтвердившие вывод теории Максвелла, были выполнены П. Н. Лебедевым (1900 г.). Опыты Лебедева имели огромное значение для утверждения электромагнитной теории Максвелла.
- Поглощение средой.
- Конечная скорость распространения в вакууме с.
- Вызывает явление фотоэффекта.
- Скорость в среде убывает .
Энергия электромагнитных волн
Электромагнитные волны переносят энергию. При распространении волн возникает поток электромагнитной энергии. Если выделить площадку S, ориентированную перпендикулярно направлению распространения волны, то за малое время Δt через площадку протечет энергия ΔWэм, равная
Опыты Герца сыграли решающую роль для доказательства и признания электромагнитной теории Максвелла. Но немецкий физик не видел перспективы их применения. После своего открытия Герц написал: «К сожалению, это явление никогда не будет использовано на практике». Опыты Герца заинтересовали физиков всего мира. Мысль об использовании электромагнитных волн возникла сразу же у многих ученых. Только через семь лет после опытов Герца электромагнитные волны нашли применение в беспроволочной связи.
В России одним из первых занялся изучением передачи электромагнитных волн преподаватель офицерских минных курсов в Кронштадте Александр Степанович Попов. Начав с воспроизведения опытов Герца, он затем нашел способ передачи электромагнитных сигналов на большие расстояния. 7 мая 1895 г. на заседании Русского физико-химического общества в Петербурге А. С. Попов продемонстрировал действие своего прибора, явившегося, по сути дела, первым в мире радиоприемником. Дальность — 250 м. Попов впервые использовал когерер и приемную антенну.
День 7 мая стал днем рождения радио.
В 1899 г. Дальность уже составляла 20 км; 1901 г. — 150 км.
Была осуществлена безпроволочная связь с помощью электромагнитных волн.
Земля XXI в., окутанная сетью телекоммуникационных устройств, выглядит так благодаря открытию электромагнитных волн.
Радиосвязь — это разновидность беспроводной связи, у которой в качестве сигнала используются, распространяемые в пространстве, радиоволны.
Принципы радиосвязи далеко не новы. За это время радиосредства прошли путь от первых передатчиков сигналов азбуки Морзе до систем спутниковой связи. Радиоэфир наполнился музыкой радиостанций, сигналами далеких галактик и нашими разговорами. Однако с тех пор не изменилось главное — радиоволны.
Принцип радиотелефонной связи.
Принцип радиосвязи основан на передачи сигнала от передающего устройства, содержащего передатчик и передающую антенну, путем перемещения радиоволн в открытом пространстве,приемному устройству, содержащему приемную антенну и радиоприемник.
Микрофон передатчика под воздействием звуковых колебаний вырабатывает слабый электрический ток низкой частоты. Этот сигнал поступает в усилитель низкой частоты (УНЧ). С УНЧ сигнал поступает в модулятор. Генератор высокой частоты (ГВЧ) вырабатывает незатухающие колебания высокой частоты (ВЧ), которые также поступают в модулятор, где они модулируются по амплитуде колебаниями низкой частоты и поступают в антенну. Антенна излучает в окружающее пространство электромагнитные волны, амплитуда которых также модулирована по низкой частоте. Частота ГВЧ является несущей, она и определяет частоту (и волну) передающей станции. Гармонические колебания с несущей частотой, принадлежащей какому-либо диапазону радиочастот, подвергаются модуляции в соответствии с передаваемым сообщением. Модулированные радиочастотные колебания представляют собой радиосигнал, а модулированные электромагнитные волны представляют собой радиоволну.
Свободно перемещаясь, радиоволны достигают приёмной антенны и возбуждают в ней электрические колебания, которые поступают далее в радиоприёмник. В антенне приёмника радиоволны (реально ведь передатчиков много) возбуждают переменные ЭДС индукции разных частот. Для выделения частоты нужной радиостанции применяется входной колебательный контур, который может иметь конденсатор переменной ёмкости или катушку с изменяемой индуктивностью. В любом случае изменение ёмкости или индуктивности приводит к изменению собственной частоты входного контура и, в тот момент, когда эта частота совпадает с несущей частотой радиостанции, наблюдается резонанс. Этот эффект позволяет выделить сигнал какой-то определённой радиостанции среди других. Тем не менее, сигнал остаётся осень слабым и его усиливает усилитель высокой частоты (УВЧ) приёмника. Принятый радиосигнал после усиления демодулируется. Детектор выделяет одну половинку амплитудно-модулированного сигнала, фильтр сглаживает пульсации, превращая его в низкочастотный сигнал. УНЧ усиливает НЧ-сигнал, а громкоговоритель преобразует усиленный электрический сигнал в звуковые колебания. Выделяется сигнал, аналогичный сигналу, которым были модулированы колебания в радиопередатчике. Сигнал преобразуется при помощи соответствующего воспроизводящего устройства в сообщение, аналогичное исходному.
Структурная схема радиопередатчика и радиоприемника.
1. Задающий генератор (генератор высокой частоты) вырабатывает гармонические колебания высокой частоты ВЧ (несущая частота более 100 тыс. Гц).
2. Микрофон преобразует механические звуковые колебания в электрические той же частоты.
3. Модулятор изменяет (модулирует) по частоте или амплитуде высокочастотные колебания с помощью электрических колебаний низкой частоты НЧ.
4. Усилители высокой и низкой частоты УВЧ и УНЧ усиливают по мощности высокочастотные и звуковые (низкочастотные) электрические колебания.
5. Передающая антенна излучает модулированные электромагнитные волны.
6. Приемная антенна принимает электромагнитные волны. Электромагнитная волна, достигшая приемной антенны, индуцирует в ней переменный ток той же частоты, на которой работает передатчик.
8. Детектор выделяет из модулированных высокочастотных колебаний низкочастотные колебания.
10. Динамик преобразует электромагнитные колебания в механические звуковые колебания.
Амплитудная модуляция
Изменение амплитуды колебаний высокой (несущей) частоты колебаниями низкой (звуковой) частоты называется амплитудной модуляцией.
Для получения амплитудно-модулированных электромагнитных колебаний в цепь транзисторного генератора последовательно с колебательным контуром включают катушку трансформатора. На первичную обмотку трансформатора подается напряжение звуковой частоты. На вторичной обмотке трансформатора индуцируется ЭДС той же частоты и складывается с постоянным напряжением источника тока. Изменение напряжения между эмиттером и коллектором транзистора приводит к изменению звуковой частотой, амплитуды колебаний тока высокой частоты в колебательном контуре генератора. В результате амплитуда колебаний в контуре генератора будет изменяться в такт с изменением напряжения низкочастотного сигнала на транзисторе. При изменении амплитуды сигнала НЧ меняется глубина модуляций.
Детектирование (демодуляция)
Выделение колебаний низкой звуковой частоты из промодулированных колебаний высокой частоты называют детектированием (демодуляцией).
Детектирование осуществляется устройством, содержащим элемент с односторонней проводимостью: вакуумный или полупроводниковый диод — детектор.
Вольтамперная характеристика диода показывает, что ток в цепи течет преимущественно в одном направлении, являясь пульсирующим током.
Этот ток сглаживается с помощью фильтра.
Когда диод пропускает ток, то часть его проходит через нагрузку, а другая часть ответвляется на конденсатор.
Если диод заперт, то конденсатор частично разряжается через нагрузку. Уменьшается пульсация тока.
Через нагрузку течет ток звуковой частоты, форма колебаний воспроизводит форму низкочастотного сигнала.
Вопросы к экзамену
Для студентов всех групп технического профиля Нвороссийского колледжа строительства и экономики (НКСЭ)
Какое устройство излучает модулированные электромагнитные волны
Радиосвязь – передача и прием информации с помощью радиоволн, распространяющихся в пространстве без проводов.
Источник – переменный ток частоты от 2 · 10 4 Гц до 10 9 Гц ( λ =0,3 м – 1,5 · 10 4 м)
Вида радиосвязи (отличаются типом кодирования передаваемого сигнала):
радиотелеграфная связь ( осуществляется путем передачи сочетания точек и тире, кодирующего букву алфавита в азбуке Морзе) ; радиотелефонная связь ( передача подобной информации только для приема конкретным абонентом. При радиотелефонной связи колебания давления воздуха в звуковой волне превращаются с помощью микрофона в электрические
колебания той же формы ); радиовещание ( передача в эфир речи, музыки, звуковых
радиолокация ( обнаружение и определение точного местоположения об ъектов с помощью радиоволн) .
Отличаются типом кодирования передаваемого сигнала.
Переменный электрический ток высокой частоты, созданный в передающей антенне, вызывает в окружающем пространстве быстро меняющееся электромагнитное поле, которое распространяется в виде электромагнитной волны. Достигая приемной антенны, электромагнитная волна вызывает в ней переменный ток той же частоты, на которой работает передатчик.
Важнейшим этапом в развитии радиосвязи было создание в 1913 г. генератора незатухающих электромагнитных колебаний. Кроме передачи телеграфных сигналов, состоящих из коротких и более продолжительных импульсов («точки» и «тире») электромагнитных волн, стала возможной надежная и высококачественная радиотелефонная связь — передача речи и музыки с помощью электромагнитных волн.
Частота звуковых колебаний мала, а электромагнитные волны низкой (звуковой) частоты имеют малую интенсивность.
Звук — Микрофон (УНЧ) — Модулятор- (У ВЧ) — Передающая антенна —- ЭФИР — Приемная антенна (УВЧ) — Детектор (У НЧ)- Динамик
З адающий генератор вырабатывает гармонические колебания высокой
частоты (несущая частота более 100 тыс.Гц).
Микрофон преобразует механические звуковые колебания в электрические
Модулятор изменяет по частоте или амплитуде высокочастотные колебания с
помощью электрических колебаний низкой частоты.
Усилители высокой и низкой частоты усиливают по мощность высокочастотные
и звуковые (низкочастотные) колебания.
Передающая антенна излуч ает м одулированные электромагнитные волны.
«Принцип излучения электромагнитных волн. Изобретение радио А.С. Поповым. Свойства электромагнитных волн. Распространение радиоволн»
В настоящее время в нашей стране возрождается система патриотического воспитания детей и подростков, в котором помимо традиционных задач подготовки подрастающего поколения к военной службе, появилась необходимость ориентировать ребят на выбор профессии.
Патриотическое воспитание представляет собой организованный и непрерывный процесс педагогического воздействия на сознание, чувства, волю, психику и физическое развитие учащихся, поэтому оно должно включать в себя: духовно-нравственное воспитание, военно-историческую подготовку, подготовку по основам безопасности жизнедеятельности, прикладную физическую подготовку по основам военной службы (начальную военную подготовку) военно-техническую специальную подготовку детей и подростков, и в этом может помочь данное изучение темы «Принцип излучения электромагнитных волн. Изобретение радио А.С. Поповым. Свойства электромагнитных волн. Распространение радиоволн. Применение электромагнитных волн» по предмету Физика.
Просмотр содержимого документа
««Принцип излучения электромагнитных волн. Изобретение радио А.С. Поповым. Свойства электромагнитных волн. Распространение радиоволн»»
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ ИРКУТСКОЙ ОБЛАСТИ
Городское бюджетное профессиональное образовательное учреждение Иркутской области
«Иркутский техникум транспорта и строительства»
Методическая разработка урока
по дисциплине «ФИЗИКА»
Тема: «Принцип излучения электромагнитных волн. Изобретение радио А.С. Поповым. Свойства электромагнитных волн. Распространение радиоволн»
Л.П.Карнаухова преподаватель физики, электротехники
тренер по спортивной радиопеленгации, судья всероссийской категории
по радиоспорту. ГБПОУ ИО «Иркутский техникум транспорта и строительства»
В.Н.Карнаухов педагог дополнительного образования, тренер по спортивной радиопеленгации, мастер спорта по радиоспорту, судья всероссийской категории по спортивному ориентированию и радиоспорту. Почетный работник общего образования РФ. МБОУДО «Дворец творчества детей и молодежи» г.Ангарска
Карнаухова Л.П., Карнаухов В.Н [«Принцип излучения электромагнитных волн. Изобретение радио А.С. Поповым. Свойства электромагнитных волн. Распространение радиоволн»] : методическая разработка/ -Иркутск: ГБПОУ ИО ИТТриС, МБОУДО ДТДиМ, 2016.-
Основные этапы урока
В настоящее время в нашей стране возрождается система патриотического воспитания детей и подростков, в котором помимо традиционных задач подготовки подрастающего поколения к военной службе, появилась необходимость ориентировать ребят на выбор профессии.
Патриотическое воспитание представляет собой организованный и непрерывный процесс педагогического воздействия на сознание, чувства, волю, психику и физическое развитие учащихся, поэтому оно должно включать в себя: духовно-нравственное воспитание, военно-историческую подготовку, подготовку по основам безопасности жизнедеятельности, прикладную физическую подготовку по основам военной службы (начальную военную подготовку) военно-техническую специальную подготовку детей и подростков, и в этом может помочь данное изучение темы «Принцип излучения электромагнитных волн. Изобретение радио А.С. Поповым. Свойства электромагнитных волн. Распространение радиоволн. Применение электромагнитных волн» по предмету Физика.
На данном уроке подростки приобретают нравственные, морально- психологические, а так же специальные профессиональные знания и умения, необходимые будущему защитнику Отечества, гражданину, патриоту.
Раскрыть физический принцип радиотелефонной связи; ознакомить учащихся с устройством простейшего радиоприѐмника; объяснить принцип радиолокации и рассмотреть его применение; ознакомить учащихся с практическим применением электромагнитных волн в сельском хозяйстве и в повседневной жизни, а также в армии и на флоте.
Отсюда можно сделать вывод, что работа по военно-патриотическому воспитанию с детьми должна проводиться комплексно, в единстве всех его составных частей. Полученные знания в рамках учебной программы и именно данной темы способствует применить их на практике. И развить интерес к такому виду спорта, как радиопеленгация, радиотелеграфия, радиоориентирование, ориентирования на местности, через дополнительное образования.
Такой кружок или секция дают хорошую возможность реализовать подросткам свои социально-значимые потребности. Именно в них создаются условия для позитивного самоутверждения, подростков, для того что бы каждый из них мог проверить себя и свои волевые качества, свой опыт, умения, почувствовать себя самостоятельным, обрасти уверенность в себе. Подросткам представляется возможность в достаточной мере уяснить главные особенности
армейской жизни, почувствовать ее, проверить на деле свои качества и по новому оценить их, войти в коллектив.
Мы как тренеры, обучая детей, в секции спортивной радиопеленгации и спортивным ориентированием, основам азбуки «Морзе». Опираясь на знания полученные на уроках Физики, Электротехнике. Тем самым мы готовим не только радиоспортсменов, н и будущих специалистов для армии – радиоспециалистов и в будущем эти знания пригодятся после службы в армии.
Новизна проблемы заключается в том, что приобретение радиотехнических навыков будет происходить в увлекательной игровой форме.
Одновременно решаются задачи:
Образовательные:
Обучить ориентироваться на местности, используя компас и карту, на уровне задач спортивного ориентирования;
Обеспечить овладения подростками навыками по туризму;
Обучить азбуке «МОРЗЕ», на уровне задач радиотелеграфии;
В результате изучения данной темы у детей повышается способность анализировать, сравнивать, сопоставлять объекты окружающего мира, у них развивается пространственное мышление и воображение, а также способствует развитию интереса занятием радиоспортом, что позволяет развить чувство коллективизма, участие в соревнованиях способствует развитию адекватной самооценки.
Тема урока: «Принцип излучения электромагнитных волн. Изобретение радио А.С. Поповым. Свойства электромагнитных волн. Распространение радиоволн»
Образовательная:
усвоение понятий: радиосвязь, модуляция, детектирование, радиолокация. Показать роль науки и техники, ознакомить обучающихся с первыми средствами связи и телевидения.
Обучить ориентироваться на местности (в пределах учебного кабинета), используя компас и карту, приемник пеленгатор на уровне задач спортивного ориентирования;
Обучить азбуке «МОРЗЕ», на уровне задач радиотелеграфии;
Развивающая:
развивать у учащихся познавательные интересы, интеллектуальные и творческие способности;
коммуникативные, качества учащихся, операции логического мышления (анализ, синтез, сравнение) при изучении данной темы.
Воспитательная:
способствовать воспитанию внимательности, дисциплинированности, усидчивости, способствовать формированию познавательного интереса.
Тип урока: комбинированный урок
Методы обучения: информационный (словесный) — беседа; наглядно- иллюстративный; практический, самостоятельная работа учащихся.
м/м проектор, презентация, видео;
образцы карты местности;
Основные этапы урока:
Проверка готовности к началу занятия, организация рабочего места.
Мотивация и актуализация опорных знаний
Что такое электромагнитное поле?
Кем была создана теория электромагнитного поля? В каком году?
Что называется электромагнитной волной?
Что является источником электромагнитных волн?
Перечислите свойства электромагнитных волн.
Какие виды электромагнитных излучений существуют?
В чем измеряется длина волны?
В каких единицах измеряется частота колебаний?
Сообщение темы урока, его целей и задач
Изучение нового материала.
Эпиграф урока
3.1. История радиосвязи
В истории человечества одним из первых средств связи были сигнальные костры, бой барабанов. Так люди предупреждали друг друга о приближении врагов или надвигающемся стихийном бедствии. Однако на большой дистанции звук и дым
рассеиваются – и сообщение не доходит до адресата. В Древней Греции уже применялся простейший код — костровый дым трех цветов. С помощью цветовых сочетаний можно было передавать информацию. Во времена Ньютона
появились подзорные трубы, что позволило создать систему связи, находящимися на расстоянии, большем 10 км.
Первым устройством оптической связи считается семафорный телеграф Шаппа, появившийся в 1791г. Станция представляла собой сооружение, похожее на замок. Расстояние между станциями достигало нескольких километров. Имеются сведения, что в течение 20 мин можно было телеграфировать сообщение на расстояние в несколько сотен километров.
Начало развитию электросвязи было положено в 1837 г., когда американским художником и изобретателем С.Морзе был создан телеграфный аппарат. Посылая электрический разряд по проводам, можно передать сигнал на огромное расстояние. Морзе разработал азбуку, каждая буква которой обозначается с помощью длинных и коротких сигналов – точек и тире. Телеграф получил образное название "говорящая молния". Телеграфные провода, подвешенные на столбах, простирались на многие километры.
К 1895 г. телеграфные провода уже опоясывали весь Земной шар, их протянули даже по дну океанов. Полтора миллиона телефонов было к концу века только в США. Но основные затраты при строительстве новых линий связи были определены стоимостью кабелей. Средством передачи информации являлся электрический ток. На сооружение связи уходили целые горы металлов. Идея осуществления связи без проводов уже носилась в воздухе.
Элементом радио было устройство, названное когерером. Первоначально в когерере использовали деревянные опилки, которые вызывали звуковой сигнал, но на новый сигнал не было никакой реакции.
А.С.Попов предложил собственную конструкцию когерера. Стеклянную трубку, вдоль внутренних стенок которой на расстоянии 2 мм друг от друга приклеивались полоски пластины, поверх насыпались металлические опилки. Труба затыкалась с двух сторон. Встряхивать когерер после каждого сигнала приходилось автоматическим молоточком звонка.
А.С.Попов ставил своей задачей построить прибор для передачи сигналов на большие расстояния. Вначале радиосвязь была установлена на расстоянии 250 м. Вскоре Попов добился дальности связи более чем на 600 м, затем на 20 км.
В 1880-е годы русский инженер Александр Попов и итальянский радиотехник Гульельмо Маркони. Независимо друг от друга они догадались: если подключить электроискровый разрядник к длинной антенне, то он начнѐт излучать в эфир электромагнитные волны. А их можно принимать на любом расстоянии с помощью
другой антенны. Первый радиоприѐмник звонил, когда
принимал радиоволны. Так родилось радио.
7 мая 1895 г. Александр Степанович Попов публично демонстрировал радиоприемник, а в сентябре того же года, присоединив к схеме телеграфный аппарат Морзе, вел запись принимаемых
сигналов на ленту.
В 1901 году дальность радиосвязи была
уже 150 км. При участии Попова радиосвязь
начали применять на флоте и в армии России.
Принципы радиосвязи заключается в
том, что переменный электрический
ток высокой частоты антенны вызывает в окружающем пространстве быстроменяющееся электромагнитное поле, которое распространяется в виде электромагнитной волны.
Основными этапами передачи сигнала являются модуляция и детектирование.
Амплитудная модуляция — изменение амплитуды колебаний высокой (несущей) частоты колебаниями низкой (звуковой) частоты. (медленный процесс)
Без модуляции нет ни телеграфной, ни телефонной, ни телевизорной передачи.
Детектирование (демодуляция) — выделяются низкочастотные колебания из колебаний высокой частоты.
Таким образом, для получения и передачи сигнала (с микрофоном) используется модуляция, которая осуществляется при помощи микрофона, а для вывода сигнала на громкоговоритель используется детектирование.
Схема простейшего радиоприѐмника. Простейший радиоприемник состоит из:
Микрофон преобразует механические звуковые колебания в электрические той же частоты.
Усилители высокой и низкой частоты усиливают по мощности высокочастотные и звуковые (низкочастотные) электрические колебания.
Модулятор изменяет по частоте или амплитуде высокочастотные колебания с помощью электрических колебаний низкой частоты.
Задающий генератор вырабатывает гармонические колебания высокой частоты (несущая частота более 100 тыс. Гц).
Передающая антенна излучает модулированные электромагнитные волны. Приемная антенна принимает электромагнитные волны.
Первые телевизоры и мобильные телефоны Большое внимание отводится радиолокации. Радиолокация — обнаружение и точное определение местонахождения объектов с помощью радиоволн.
В основе принципа лежит свойство отражения электромагнитных волн.
Наиболее широко применяют радиолокацию в авиации, на флоте и в космонавтике. Очень большое значение имеет она в военном деле. Радиолокационным методом измерили расстояние от Земли до Луны и планет Солнечной системы.
- Виды радиосвязи
- Закрепление знаний
- Подведение итогов.
радиорелейные линии связи
глобальная система связи
Идея передачи изображения на расстоянии существовала с глубокой древности, однако
техническая и теоретическая база для создания
подобного устройства появились лишь в конце XIX
века, после создания радио.
Греческое слово «теле» означает «вдаль», «далеко», а
латинское слово «визор» переводится как
«смотрящий». Вместе они образовали знакомое нам слово «телевизор». Телевизор – это радиоприѐмник, но только более сложный. Он принимает и передает не только звук, но и картинку.
В 1884 году немецкий изобретатель Пауль Нипков
изобрѐл диск Нипкова — устройство, лѐгшее в основу механического телевидения.
10 октября 1906 года изобретатели Макс Дикманн и Г. Глаге зарегистрировали патент на использование трубки Брауна для передачи изображений.
В 1907 году Дикманном был продемонстрирован телевизионный приѐмник, с
двадцатистрочным экраном размером 3х3 см и частотой развѐртки 10 кадр/с.
Регулярные телепередачи в 1936 году начались в Германии и Великобритании, а в 1939 году – в Москве. Первые телевизоры показывали черно – белую картинку.
Принцип передачи изображения на расстояния состоит в том, что на передающей станции производится преобразование изображения в последовательность электрических сигналов. Этими сигналами модулируют затем колебания, вырабатываемые генератором высокой частоты. Модулированная электромагнитная волна переносит информацию на большие
расстояния. В приемнике производится обратное преобразование. Высокочастотные модулированные колебания детектируются, а полученный сигнал преобразуется в видимое изображение. Для передачи движения используют принцип кино: немного отличающиеся друг от друга изображения движущегося объекта (кадры) передают десятки раз в секунду (в нашем телевидении 50 раз).
Изображение кадра преобразуется с помощью вакуумной электронной трубки – иконоскопа – в серию электрических сигналов. Видеосигнал преобразуется в видимое изображение на экране вакуумной электронной трубки – кинескопа.
Для получения цветного изображения осуществляется переда трех видеосигналов, несущих компоненты изображения, соответствующие основным цветам (красному, зеленому и синему). На слайде изображены уже современные телевизоры.
Радиотелефонная связь – передача речи или музыки с помощью электромагнитных волн. При радиотелефонной связи колебания давления воздуха в звуковой волне превращаются с помощью микрофона в электрические колебания той же формы.
Ещѐ недавно междугородная телефонная связь осуществлялась исключительно по воздушным линиям связи, при этом на надежность связи влияли грозы и возможные обледенения проводов. В настоящее время все шире применяются кабельные линии, повышается уровень автоматизации связи.
В 1876 г. американским инженером Александром Грейам Беллом был изобретен первый мобильный телефон.
Спортивная радиопеленгация («охота на лис») —
дисциплина радиоспорта, зародившаяся в Дании иАнглии сразу после Второй
мировой войны. Также известна под аббревиатурой ARDF (Amateur RadioDirect ion Finding). Представляет собой состязание между спортсменами (от 6 до 90 ле т, в своей возрастнойкатегории), которые с помощью карты местности (как пра вило масштаб 1:15 000), компаса ирадиоприемника с направленной антенной (3,5 МГц и 144 МГц, он же «пеленгатор») должны найти 5радиопередатчиков в лесу, на пересеченной местности. Цель состязания найти заданное количество« лис»(как правило, 5) за наименьшее время. Участие в соревнованиях требует не только значительнойфизической, но и умственной тренировки.
Близкий вид спорта к «Охоте на лис» — radio-
orienteering (радиоориентирование). В нѐм на картеобозначены радиозоны, в ко торых «лису»
(радиопередатчик) слышно. В «охоте на лис» радиозоны необозначены, а радио передатчики слышно почти по всему лесу (территории соревнований).
Радиопеленгация – это специальная область радиоэлектроники, изучающая теоретические и практические вопросы, связанные с определением направления на источник излучения радиоволн, принципами создания и применения пеленгационной аппаратуры. Радиопеленгация имеет большое
практическое значение и находит свое практическое применение во многих областях человеческой деятельности. На
флоте и авиации радиопеленгование позволяет
устанавливать местонахождение и направления
движения морских и воздушных судов, в комплексе
космических радионавигационных систем
слежения — контролировать траектории полетов космических кораблей, в метеорологии —
определять положения и направления движений грозовых фронтов, в астрономии — устанавливать направления на небесные тела, в военном деле радиопеленгация используется с целью
радиоразведки.
Фронтальный опрос
Что называется радиосвязью?
С какими видами радиосвязи вы сегодня познакомились?
Кем и в каком году было изобретено радио?
Чем отличается модуляция от детектирования?
Кто является создателем первого мобильного телефона?
Какой год считается годом первого мобильного телефона?
Что такое радиолокация и где она применяется?
изменение амплитуды колебаний высокой (несущей) частоты колебаниями низкой (звуковой) частоты (с помощью микрофона).
расстояние, на которое распространяется волна за период колебаний ее источника
обнаружение объектов и определение их координат с помощью отражения радиоволн.
В каком году было изобретено первое радио? А) 1900
Кто является изобретателем первого мобильного телефона? А) А.Г.Белл
Б) А.С. Попов В) С. Морзе
выделение из модулированных колебаний высокой частоты звукового сигнала, т. е. колебания низкой частоты (с помощью громкоговорителя).
передача и прием информации с помощью радиоволн, распространяющихся в пространстве без проводов.
Кто является изобретателем первого радио? А) Г.Р. Герц
Б) А.С. Попов В) С. Морзе
В каком году было изобретено первый мобильный телефон? А) 1920
Выставление оценок, их комментирование
- Домашнее задание.
Прочитать и сделать краткий коспект в рабочей тетради с учебника Г.Я.Мякишев «Физика» 11 класс § 51-58
Написать Эссе: «Роль телевидения, радио в жизни человека»
Учебник Физика 11 класс Мякишев ФГОС. Авторы: Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Чаругин В.М.Издательство: М.: Просвещение,
video.yandex.ru›радиопеленгация в россии
Излучение и приём электромагнитных волн
Устройств, которые излучают и принимают электромагнитные волны, вокруг нас множество. Это сотовые телефоны, «рации» у таксистов, пожарных и охранников. Каков же принцип действия передатчиков и приёмников электромагнитных волн?
В колебательном контуре заряд конденсатора периодически то увеличивается, то уменьшается. Значит, существующее между его пластинами электрическое поле периодически изменяется: то усиливается, то ослабевает. С такой же частотой меняется сила тока в катушке индуктивности, следовательно, и магнитное поле периодически изменяется: то усиливается, то ослабевает.
Но не следует думать, что конденсатор создаёт только электрическое поле, а катушка индуктивности – только магнитное поле. В 1864 г. английский учёный Дж.Максвелл создал теорию, утверждающую, что электрическое и магнитное поля наблюдаются «по одиночке», только если каждое из них не изменяется с течением времени. Поскольку электрическое и магнитное поля непостоянны, то вокруг колебательного контура существует меняющееся электромагнитное поле.
Чтобы электромагнитное поле распространялось на большое расстояние, колебательный контур нужно сделать открытым. Вообразим, что пластины конденсатора постепенно отодвигают друг от друга (см. рисунок). При этом переменное электромагнитное поле, существующее между пластинами, оказывается снаружи колебательного контура и распространяется в пространстве в виде электромагнитных волн. Опыты подтверждают теорию Максвелла и показывают, что пластины конденсатора можно убрать. Тогда прямые отрезки проводов превратятся в простейшую антенну – устройство для излучения или приёма электромагнитных волн.
Только что мы рассмотрели так называемый открытый колебательный контур. В нём свободные колебания будут затухать очень быстро, так как энергия будет быстро уноситься волнами в окружающее пространство. Поэтому для создания в антенне незатухающих электрических колебаний используют специальный прибор – генератор тока высокой частоты.
Взгляните на рисунки. У генератора есть антенна из двух отрезков проволоки, которая создаёт переменное электромагнитное поле. Оно распространяется в пространстве в виде электромагнитных волн. Ко второй такой же антенне подключена лампочка. Если антенны расположены параллельно вблизи друг друга, лампочка светится (см. левый рисунок).
Объяснение опыта. Электромагнитное поле, созданное передающей антенной, воздействует на электроны внутри принимающей антенны. Они приходят в движение под действием меняющегося поля, смещаясь то к одному, то к другому концу антенны, создавая переменный индукционный ток, который вызывает нагревание и свечение спирали лампочки.
Отодвинем приёмную антенну с лампочкой дальше от передающей антенны. Лампочка будет светить тусклее. Значит, энергия, излучаемая передающей антенной, рассеивается в пространстве. Повернув антенны перпендикулярно друг к другу, мы не увидим света лампочки (см. правый рисунок). Это объясняется тем, что силовые линии электрического и магнитного полей имеют определённое направление. Поэтому воздействие поля на электроны приёмной антенны зависит от её расположения.