1.Електромагнітне поле Мета уроку: сформувати уявлення учнів про електромагнітне поле, роз'яснити умови його існування. Тип уроку: урок вивчення нового матеріалу. План викладення нового матеріалу: 1. Електромагнітна взаємодія. 2. Електромагнітне поле. 3. Висновки. Викладення нового матеріалу Перед вивченням нової теми необхідно проаналізувати результати тематичного оцінювання з теми «Електромагнітні коливання». 1. Електромагнітна взаємодія. В основі усіх фізичних явищ лежить взаємодія між тілами або частинками, які беруть участь у цих явищах. Земля рухається навколо Сонця через те, що взаємодіє з ним. Цією взаємодією є притягання Землі та Сонця за законом всесвітнього тяжіння. Притягання або відштовхування двох електричних зарядів — це їхня електрична взаємодія. Відштовхування або притягання магнітних полюсів чи струмів — це магнітна взаємодія. Згідно з уявленнями сучасної фізики, будь-яка взаємодія передається через деяке поле. Земля взаємодіє із Сонцем через гравітаційне поле. Електричні заряди взаємодіють через електричне поле, яке вони створюють; магніти й електричні струми — через магнітне поле. Якщо будь-яка взаємодія передається через поле, то виникає запитання, через яке ж поле взаємодіють рука й камінь, пружина й мотузка, що її зв'язує, підошва взуття і земля. Тобто чим пояснюється існування звичайних сил, які виникають під час зіткнення предметів? Виявляється, це електромагнітна взаємодія. Атоми дотичних тіл зближаються на відстані порядку розмірів самих атомів. Негативно заряджені електрони, які швидко обертаються навколо ядер, і позитивно заряджені ядра створюють електромагнітне поле, котре здійснює взаємодію під час дотикання. 2. Електромагнітне поле. Електромагнітне поле — вид матерії, якому властиві безперервність поширення в просторі, дискретність структури, здатність поширюватися у вакуумі зі швидкістю, близькою до 3∙108 м/с, силова дія на зарядні частинки, яка залежить від швидкості їх руху. Вивчаючи властивості електромагнітного поля, Максвелл замислився над запитанням: якщо змінне магнітне поле породжує електричне поло то чи не існує в природі зворотного процесу? Чи не породжує змінне електричне поле у свою чергу магнітне? Розглянемо кілька дослідів. Дослід 1. Нехай експериментатор А рівномірно й прямолінійно рухається лабораторією, переміщаючи заряджену металеву кульку на ізолюючій підставці. Яке поле створює цей заряд? Оскільки він нерухомий відносно експериментатора, то А виявляє лише електричне поле, створюване зарядженою кулькою. Експериментатор Б вважає що, оскільки заряд рухається, то створює, крім електричного поля ще й магнітне. Природно, напрошується запитання: яке ж поле насправді створює заряджена кулька? Тільки електричне чи електричне й магнітне разом? Відповідь на це запитання дійсно залежить від того, рухаємося ми разом із зарядом чи заряд рухається відносно нас. Інакше кажучи, відповідь на це запитання залежить від того, в якій системі координат ми будемо здійснювати вимірювання. Дослід 2. Нерухомому експериментаторові Б дамо заряджену кульку, а експериментаторові А, який рухається, — постійний магніт. З'ясуємо, яка сила діє з боку магніту на заряд. З погляду зору А (відносно якого заряд рухається), на останній повинна діяти сила Лоренца. Експериментатор Б (який сидить за столом) вважатиме, що ніякої сили Лоренца немає, оскільки швидкість заряду дорівнює нулю. Але наявність чи відсутність сили вже не є відносною, оскільки сила створює прискорення. А воно має бути однаковим у системах відліку, які рухаються рівномірно та прямолінійно відносно одне одного. Дослід показує, що сила, яка діє на кульку, дійсно існує. З точки зору А — це сила Лоренца. Експериментатор Б скаже: через зміну магнітного поля, викликаного рухом магніту, виникло електричне поле, й воно діє на кульку. Таким чином, в різних системах відліку результат вимірювання таких фізичних величин, як електричне та магнітне поля, різний. 3. Висновки. 1. Електричне й магнітне поля перетворюються одне на одне під час переходу з однієї інерціальної системи в іншу. Можна сказати, що розділення поля на електричне й магнітне є відносним і залежить від системи відліку. 2. Вибір системи відліку — суб'єктивний акт, від якого не залежить саме існування поля. Електромагнітне поле є тією об'єктивною реальністю, яка існує незалежно від того, ставимо ми дослід чи ні, і якщо ставимо, то в якій системі відліку. Тому електромагнітне поле не можна розглядати як сукупність електричних і магнітних полів. Електричне й магнітне поля — прояв єдиного цілого (електромагнітного поля) за різних умов. Запитання до учнів у ході викладення нового матеріалу 1. Що таке електричне поле? 2. Що таке магнітне поле? 3. Що таке сила Лоренца? 4. У результаті яких процесів виникає магнітне поле? 5. Чому твердження про існування й данім точці простору тільки електричного або тільки магнітного поля не е цілком визначеним? Задачі для розв'язування на уроці І. Чи можна вибрати систему відліку, в якій електронний промінь у кінескопі телевізора не створює електричного поля? Магнітного поля? 2. Чи можна вибрати систему відліку, в якій прямолінійна ділянка проводу з постійним струмом не створює магнітного поля? Домашнє завдання: §
2. Електромагнітна хвиля Мета уроку: пояснити механізм виникнення електромагнітних хвиль. Тип уроку: комбінований урок. Демонстрації: відкритий коливальний контур. План викладення нового матеріалу: 1. Випромінювання енергії електричним зарядом 2. Відкритий коливальний контур. 3. Випромінювання електромагнітних хвиль відкритим коливальним контуром. Перевірка знань 1. Чим пояснюється виникнення електричного поля під час зміни магнітного поля? 2. Заряджена кулька на ізолюючій підставці розміщена на столі в стані спокою. Існують прилади, за допомогою яких можна виявити електромагнітне поле. У якому випадку виявляється тільки електричне поле? Тільки магнітне? Електричне та магнітне одночасно? Викладення нового матеріалу 1. Випромінювання енергії електричним зарядом. Електричний заряд, який рухається у вакуумі рівномірно, не випромінює енергії. Це випливає з принципу відносності, який полягає в рівноправності всіх інерціальних систем відліку. У системі, яка рухається із зарядом, він нерухомий, а нерухомі заряди не випромінюють. Інша картина виникає у випадку, коли заряд під дією зовнішніх сил рухається з прискоренням. Поле, що має енергію, а отже й масу, образно кажучи, відривається від заряду й випромінюється у простір зі швидкістю світла. Випромінювання відбувається, доки на заряд діє зовнішня сила, що надає йому прискорення. Тільки заряди, які рухаються із прискоренням, можуть передавати енергію за участі створюваного ними електромагнітного поля. 2. Відкритий коливальний контур. Будь-яке коло змінного струму випромінює енергію. Однак звичайний коливальний контур випромінює вкрай слабко. Це відбувається з двох причин: 1) недостатньо висока частота (інтенсивність випромінювання пропорційна частоті в четвертому ступені); 2) хвилі, випромінювані різними ділянками контуру, перебувають у протифазі й гасять одна одну. Контур, який не випромінює у простір електричної енергії, називається, закритим. Щоб зробити випромінювання більш інтенсивним, потрібно суттєво підвищити частоту. Якщо робити висновки на підставі формули, для цього треба зменшити L і С. Видалення котушки індуктивності й розміщення пластин конденсатора веде до різкого збільшення частоти. Щоб коливальний контур добре випромінював електромагнітні хвилі необхідно збільшити об'єм простору, в якому відбувається утворення електромагнітного поля. Для цього контур необхідно розгорнути (зробити відкритим), чого найпростіше досягти розсуванням пластин конденсато¬ра на максимально можливу відстань. Послідовні фази одержання такого відкритого коливального контуру показано на мал.1. На мал. 1, в зображено відкритий коливальний контур (вібратор Герца). Ємність та індуктивність вібратора Герца малі, тому частота коливань велика. В розгорнутому (відкритому) контурі електричне поле заповнює весь навколишній простір, і зміна цього поля з часом створює змінне у просторі магнітне поле, яке в свою чергу створює змінне електричне поле. Обидва ці процеси взаємозв'язані і утворюють електромагнітну хвилю, яка поширюється в просторі. Наявність на кінцях вібратора пластин необов'язкова. Вібратор є найпростішим випромінювачем електромагнітних хвиль. Коливальний процес у відкритому коливальному контурі (вібраторі) відбувається аналогічно процесу в закритому коливальному контурі. За допомогою коливального контуру можна дістати електромагнітне випромінювання необхідної потужності, не розсовуючи обкладок конденсатора. З цією метою один бік контуру слід заземлити, а до другого підключити натягнутий вертикально провід, залишивши його верхній кінець вільним (мал. 1.1). В результаті змінні електричне і магнітне поля охоплюють простір між вертикальним проводом і землею і потужність випромі¬нювання такого контуру сильно зростає. Такий пристрій називають антеною, а коливальний контур, забезпечений антеною, — відкритим. мал. 1.1 Для безперервного випромінювання у простір електро¬магнітних хвиль вібратором чи антеною необхідно створюва¬ти в них незатухаючі електромагнітні коливання. Це можна зробити, здійснивши індуктивний зв'язок між вібратором і котушкою індуктивності високочастотного генератора (мал. 1.2). мал. 1.2 мал. 1.3. У вібраторі індукуватиметься струм високої частоти, яка збігається з частотою коливань струму в генераторі. Амплітуда коливань у вібраторі буде найбільшою, якщо частота власних коливань збігатиметься з частотою генератора (резонанс). При цьому буде максимальною й інтенсивність випромінюваних вібратором електромагнітних хвиль. Тому завжди добиваються, щоб вібратор був настроєний у резонанс з генератором електричних коливань. Отже, щоб дістати інтенсивні електромагнітні хвилі, необхідно мати генератор незатухаючих коливань і випромінювач хвиль (вібратор або антену). Випромінювач має бути якимсь чином зв'язаний з генератором (наприклад, індуктивне), щоб електричні коливання від генератора передавались до нього. Приймання електромагнітних хвиль здійснюється за допомогою таких самих відкритих коливальних контурів — вібраторів або антен, подібних до випромінювального контуру (мал. 1.3). Під дією змінного електричного поля електромагнітної хвилі у приймальному контурі виникають електромагнітні коливання. Для доброго приймання необхідно, щоб приймальний коливальний контур був настроєний у резонанс з передавальним контуром, тобто що власна частота коливань контуру приймальної антени була близькою до частоти коливань контуру передавальної антени. Настройка приймального контуру в резонанс здійснюється конденсатором змінної ємності або котушкою змінної індуктивності. 3. Випромінювання електромагнітних хвиль відкритим коливальним контуром. Коливальний процес у вібраторі відбувається аналогічно процесу в закритому коливальному контурі. Під час збудження у відкритому коливальному контурі коливань із ве¬ликою амплітудою навколо контуру виникають поля і, пов'язані із зарядами і струмом у контурі. Змінні поля і індукують відповідно поля і (мал. 2), які «поводяться» зовсім інакше. Електричне поле, створене змінним магнітним полем, і магнітне поле, створене змінним електричним полем, зменшуються з відстанню як 1/r (поля і різко зменшуються і на порівняно невеликих відстанях малі). Ці поля вже не зв'язані із зарядами й струмами, що їх створили, й поширюються в просторі зі швидкістю світла, переносячи із собою енергію. Вони взаємно індукують одне одного, утворюючи вільне електромагнітне поле. Мал.2 Електромагнітна хвиля — це процес поширення в просторі з часом вільного електромагнітного поля. Оскільки в електромагнітній хвилі і змінюються у взаємно перпендикулярних площинах, перпендикулярних до напряму їх поширення (мал. 3), електромагнітна хвиля є поперечною хвилею. Мал.3 Швидкість поширення електромагнітних хвиль у вакуумі, визначається виразом: с ≈ 3∙108 м/с. ε0 – електрична стала (8,85∙10–12 Кл2/Н∙м2) μ0– магнітна стала (1,26∙10-6 Гн/м) Запитання до учнів у ході викладення нового матеріалу 1. Що називається електромагнітною хвилею? 2. Чому закритий коливальний контур погано випромінює електромагнітні хвилі? 3. Як має рухатися частинка, щоб випромінювати електромагнітні хвилі? 4. Як орієнтовані вектори Е і В відносно один одного в електромагнітній хвилі? Домашнє завдання Основне: § 3. Енергія електромагнітної хвилі Мета уроку: познайомити учнів із властивостями електромагнітних хвиль; з'ясувати, від чого залежить, енергія електромагнітної хвилі. Тип уроку: комбінований урок. Демонстрації: досліди з генератором електромагнітних хвиль. План викладення нового матеріалу: 1. Властивості електромагнітної хвилі 2. Енергія електромагнітної хвилі. 3. Густина енергії електромагнітної хвилі.
Перевірка знань 1. Чому дорівнює швидкість поширення електромагнітних взаємодій? 2. Поясніть процес утворення електромагнітних хвиль. 3. Що таке електромагнітна хвиля? Викладення нового матеріалу 1. Властивості електромагнітної хвилі. Електромагнітні хвилі поглинаються, відбиваються й заломлюються подібно до всіх інших видів хвиль. Використовуючи генератор надвисоких частот (НВЧ), можна продемонструвати учням такі властивості електромагнітних хвиль: 1) поглинання; 2) відбивання; 3) заломлення; 4) поперечність. 2. Енергія електромагнітної хвилі. Як відомо, електромагнітна хвиля переносить енергію. Енергія електромагнітної хвилі складається з енергій електричного і магнітного полів: . Енергія електричного поля зарядженого конденсатора дорівнює:
Підставляючи в цю формулу вирази для ємності плоского конденсатора ( ) і різниці потенціалів між обкладками ( ), дістаємо: , де V=dS — об'єм конденсатора. Енергія магнітного поля котушки: . Індуктивність котушки дорівнює , де μ — магнітна проникність речовини осердя, п — кількість витків, S — площа поперечного перерізу, d — його довжина. Якщо по котушці проходить струм силою І, то індукція магнітного поля всередині котушки , звідки . Таким чином, для енергії магнітного поля ми дістаємо вираз: , де V =lS — об'єм котушки індуктивності. Отже, енергія електромагнітної хвилі дорівнює:
3. Густина енергії електромагнітної хвилі. Густину енергії електромагнітної хвилі можна обчислити, розділивши вираз для і вираз для на об'єм, зайнятий електричним полем, та об'єм, зайнятий магнітним полем, відповідно:
Оскільки енергія й густина енергії електромагнітної хвилі є функцією напруженості електричного й індукції магнітного полів, то швидкість передавання енергії у просторі дорівнює швидкості поширення поля. Густиною потоку випромінювання називається добуток густини енергії електромагнітної хвилі та швидкості її поширення: Густина потоку випромінювання чисельно дорівнює енергії, що переноситься електромагнітною хвилею в одиницю часу через одиничну площадку, перпендикулярно до напряму поширення енергії. Запитання до учнів у ході викладення нового матеріалу 1. Яка хвиля називається поляризованою? 2. Які факти свідчать про перенесення енергії електромагнітними хвилями? 3. Який фізичний зміст густини потоку випромінювання? Домашнє завдання: §.
4. Винайдення радіо Мета уроку: познайомити учнів з історією винайдення радіо та найпростішим радіоприймачем О. С. Попова. Тип уроку: урок вивчення нового матеріалу. План викладення нового матеріалу: 1. З історії винайдення радіо. 2. Винайдення радіо О. С. Поповим. Викладення нового матеріалу 1. З історії винайдення радіо. Радіозв'язок — це колективне винайдення. Початок поклав англійський фізик М. Фарадей, який 1831 року відкрив явище електромагнітної індукції. Взявши за основу уявлення Фарадея і розвиваючи їх, англійський учений Дж. Максвелл 1865 року дійшов висновку: металевий провідник, по якому тече струм, повинен випромінювати в простір електромагнітні хвилі, які поширюються ч, швидкістю світла. Перший, кому в 1887 році вдалося «створити» й детектувати електромагнітні хвилі, був німецький учений Г. Герц. Однак детектор Герца мав дуже маленьку чутливість. Цей недолік компенсував французький фізик Е. Бранлі в 1890 році. Він установив, що електричний опір металевих порошків різко знижується під впливом, електромагнітних хвиль. Таким чином, був винайдений «когерер» — чутливий детектор хвиль. 7 травня 1895 року на засіданні Російського фізико-хімічного товариства в Петербурзі О. С. Попов продемонстрував дію першого у світі радіоприймача. 24 травня 1895 року було передано першу у світі телеграму (на відстань 250 м). На маневрах Чорноморського флоту в 1899 році вчений установив радіозв'язок на відстані понад 20 км. На початку 1900 року радіозв'язок був успішно використаний під час рятувальних операцій у Фінській затоці. За участю О. С. Попова почалося впровадження радіозв'язку на флоті та в армії. У 1901 році італійському інженерові Г. Марконі вдалося встановити радіозв'язок через Атлантичний океан. Його діяльність відіграла значну роль у розвитку радіо як засобу зв'язку й була відзначена 1909 року Нобелівською премією. Важливим етапом у розвитку радіозв'язку стало створення в 1913 році лампового генератора незатухаючих електромагнітних коливань. У наступні роки зусиллями багатьох видатних вчених та інженерів різних країн радіотехніка перетворилася на надзвичайно широку й різноманітну галузь техніки. 2. Винайдення радіо О. С. Поповим. У Росії одним із перших узявся за вивчення електромагнітних хвиль викладач офіцерських курсів у Кронштадті Олександр Степанович Попов. Почавши з відтворення дослідів Герца, вчений згодом використав більш надійний і чутливий спосіб реєстрації електромагнітних хвиль. Далі на уроці доцільно розібрати будову й принцип дії радіоприймача Попова. Про життя та діяльність винахідника, його наукові праці можна заслухати короткі повідомлення учнів, підготовлені за завданням учителя. Властивості електромагнітних хвиль вперше були експериментально вивчені Г.Герцом. Результати цих дослідів дуже зацікавили фізиків усього світу, які почали їх повторювати, шукати шляхи вдосконалення випромінювача і приймача електромагнітних хвиль. Виникають думки про можливість використання цих хвиль для зв'язку і навіть для передавання енергії без проводів. У 1894 р. російському вченому О.С.Попову вдалося створити такий приймач, основні принципові особливості будови якого збереглися і в сучасній радіоприймальній апаратурі. Схема створеного О. С. Поповим приймача показана на малюнку 1. У ньому електромагнітні хвилі сприймав (реєстрував) спеціальний прилад — когерер. Дія когерера ґрунтується на властивості металевого порошку злипатися мал.1 під дією високочастотних електромагнітних коливань. Когерер мав вигляд скляної трубки з металевими ошурками, в обидва кінці якої вставлені електроди так, що вони торка¬ються ошурок. У звичайних умовах електричний опір між окремими ошурками порівняно великий, тому і весь когерер має великий опір. Когерер вмикається в коло батареї Б через обмотку електромагніта Е1. Падаюча електромагнітна хвиля, створюючи в когерері змінний струм високої частоти, викли¬кає про літання між ошурками дрібненьких іскорок, які зва¬рюють ошурки між собою. При цьому опір когерера різко зменшується і він замикає коло батареї Б, яка живить струмом електромагніт Е1. Цей електромагніт притягує стальну пластинку П1 і замикає коло другого електромагніта Е2. Останній притягує до себе стальну пластинку П2, і з'єднаний з нею молоточок М ударяє по дзвінку Д. Притягнувшись до Е2, пластинка П2 розмикає контакт і відмикає Е2 від батареї. Тоді пружина повертає пластину П2 у вихідне положення, і молоточок М ударяє через гумовий амортизатор по когереру. Когерер струшується і контакти між ошурками руйнуються. Внаслідок цього опір когерера знову стає дуже великим, коло батареї розмикається, і приймач знову готовий до роботи. Згодом у сучасних радіоприймачах когерер замінили елек¬тронні лампи і напівпровідникові транзистори, але принцип реле залишився той самий. Італійський вчений Г. Марконі у 1896 р. подав заявку, а в 1897 р. дістав патент (в Англії) на застосування електромагнітних хвиль для бездротового зв'язку (О. С. Попов свого винаходу не патентував). Схема приймача Марконі була такою ж, як і схема приймача Попова. Г. Марконі проведена велика робота з удосконалення приладів для радіозв'язку. Зокрема, в 1902 р. він здійснив радіозв'язок через Атлантичний океан. Його діяльність відіграла значну роль в розвитку радіотехніки, зокрема в поширенні радіо як засобу зв'язку, і була відзначена в 1909 р. Нобелівською премією. Важливим етапом у розвитку радіозв'язку стало створення в 1913 р. лампового генератора незатухаючих електромагнітних коливань. У наступні роки зусиллями багатьох видатних вчених і інженерів радіотехніка перетворилася в надзвичайно широку і різноманітну галузь техніки. Урок можна закінчити переглядом відеофрагментів про винайдення радіо та сьогоднішні досягнення сучасної радіотехніки. Домашнє завдання §
5. Принцип радіозв’язку Мета уроку: ознайомити учнів із практичним застосуванням електромагнітних хвиль; розкрити фізичний принцип радіотелефонного зв’язку. Тип уроку: урок вивчення нового матеріалу. Демонстрації: 1. Модулювання коливань. 2. Детектування коливань. 3. Фрагменти відеофільму „Фізичні основи радіопередачі” План викладення матеріалу: 1. Принцип радіозв'язку. 2. Модуляція. Викладення нового матеріалу 1. Принцип радіозв'язку. Радіозв'язок — передача та прийом інформації за допомогою радіохвиль, які поширюються в просторі без проводів. Принцип радіозв'язку полягає ось у чому: змінний електричний струм високої частоти, створений у передавальній антені, викликає в навколишньому просторі швидко змінюване електромагнітне поле, що поширюється у вигляді електромагнітної хвилі. Досягаючи приймальної антени, електромагнітна хвиля викликає в ній змінний струм тієї самої частоти, у на якій працює передавач. Для здійснення радіотелефонного зв'язку необхідно використовувати високочастотні коливання, інтенсивно випромінювані антеною. Для передачі звуку ці високочастотні коливання змінюють за допомогою електричних коливань низької частоти (цей процес називається модуляцією). У приймачі з модульованих коливань високої частоти виділяються низькочастотні коливання (цей процес називається детектуванням). Добутий у результаті детектування сигнал відповідає тому звуковому сиг¬налові, який діяв на мікрофон передавача. Після підсилення коливання низької частоти можуть бути перетворені на звук.
Найпростіша система радіотелеграфного зв'язку, яка була запропонована Г. Марконі і О.С. Поповим і широко застосовувалась понад двадцять років, полягала у відправці серій затухаючих електромагнітних коливань, добутих у коливальному контурі з іскровим розрядником. Цю систему істотно поліпшено після винайдення генератора незатухаючих електромагнітних коливань. Увімкнувши в коло генератора телеграфний ключ, можна було передавати сигнали з коротких і більш тривалих імпульсів електромагнітних хвиль. Здійснити передачу мови і музики, тобто радіотелефонний зв'язок, виявилося значно важче. На перший погляд може здатися, що бажаючи передати мову чи музику, можна за допомогою належного підсилення послати їх в антену і передати на велику відстань. Насправді ж таким способом передати сигнали не можна. Річ у тім, що коливання звукової частоти — це порівняно повільні коливання (від 100 Гц до кількох тисяч герц). А ми знаємо, що інтенсивність випромінювання електромагнітних хвиль низької частоти дуже мала. Виникає суперечність. З одного боку, високочастотні хвилі добре випромінюються, але не містять потрібної інформації (мова або музика) і в приймальній антені збуджують чисто гармонічні коливання, тобто дають інформацію лише про те, працює передавач чи ні. З іншого боку, електромагнітні коливання низької (звукової) частоти кола мікрофона містять потрібну інформацію, але дуже слабо випромінюються. Ця суперечність була розв'язана дуже дотепним способом. Він полягає в тому, що для передачі енергії електромагнітної хвилі використовують високочастотні коливання, а коливання низької частоти застосовують лише для зміни високочастотних коливань, або, як прийнято говорити, для їх модуляції. На приймальній станції з цих складних коливань за допомогою спеціальних методів знову виділяють коливання низької частоти, які після підсилення подають на гучномовець. Цей процес виділення інформації з прийнятих модульованих коливань дістав назву демодуляції, або детектування коливань. Модуляцію коливань можна здійснювати, змінюючи їх амплітуду, частоту або фазу. Ми обмежимося розглядом найбільш поширеного виду модуляції — амплітудної. Амплітудна модуляція електромагнітних коливань полягає в тому, що амплітуду коливань електромагнітної хвилі змінюють відповідно до низькочастотного (звукового) коливального процесу, який передається разом з електромагнітною хвилею. Для здійснення амплітудної модуляції електромагнітних коливань у радіотехніці опрацьовані різні способи. Одним з них є зміна напруги джерела енергії автогенератора. Для цього достатньо увімкнути послідовно з джерелом постійної напруги U0 джерело, напруга якого Un змінюється за певним законом (мал. 1).
У місці приймання сигналів під впливом електромагнітної хвилі передавача в антені приймача збуджуються модульовані струми високої частоти, тотожні струмам в антені передавача, але слабші. Однак ці струми не придатні для безпосереднього одержання сигналу. Якщо, скажімо, під час радіотелефонної передачі ми направимо їх, навіть після попереднього підсилення, в гучномовець чи телефон, то не почуємо ніякого звуку. Це станеться, по-перше, тому, що телефонна мембрана має велику масу і не може здійснювати такі швидкі коливання з помітною амплітудою. По-друге, і це головне, коли б ми і скористалися малоінерційним телефоном (що можна зробити), то дістали б хвилі з частотою 105—108 Гц, тоді як наше вухо розрізняє звуки лише за частоти, яка не перевищує 16 000—20 000 Гц. Тому з модульованих високочастотних коливань у приймачі необхідно виділити низькочастотні звукові коливання. Це роблять так. Модульовані коливання спочатку пропускають через вакуумний чи напівпровідниковий діод — випрямляють їх. Графік коливань сили струму в колі діода матиме вигляд, показаний на малюнку 2, а. Цей струм є сумою випрямлених струмів: високочастотного (мал. 2, б) і струму звукової частоти (мал. 2, в). Оскільки ці струми сильно відрізняються за частотою, їх можна легко відокремити один від одного. Для цього досить увімкнути в коло діода таке розгалуження, щоб одна гілка становила великий опір для високочастотних струмів і малий для низькочастотних, а друга, навпаки, малий опір для високочастотних і великий для струмів звукової частоти. Таким розгалуженням є паралельне з'єднання конденсатора й навантаження (телефона) (мал. 3). Струми високої частоти пройдуть переважно через конденсатор, а низької — через телефон. Отже, найпростіший демодулятор складається з діода, телефона і конденсатора. Мембрана телефона коливатиметься так само, як мембрана мікрофона, і ми почуємо звук, виголошений перед мікрофоном. Невеликі пульсації струмів високої частоти помітно не впливають на коливання мембрани і не сприймаються на слух. мал.2 мал.3 2. Модуляція. Процес модуляції полягає в зміні одного або декількох параметрів високочастотного (ВЧ) коливання за законам, переданого повідомлення (низькочастотного коливання). На цьому засновано два різних види радіомовлення: передані з амплітудною модуляцією та передачі з частотною модуляцією. У разі амплітудної модуляції змінюється амплітуда високочастотних коливань (ВЧ) відповідно до зміни сигналу, який модулюється. У разі частотної модуляції — частота ВЧ коливань. Далі вчитель знайомить учнів із графіками модульованих коливань і блок-схемою передавального пристрою (у класах з високим рівнем знань можна показати принципову схему передавального пристрою). 3. Детектування. Детектування — процес виділення низькочастотних (звукових) коливань із прийнятих модульованих коливань високої частоти. У найпростішому приймачі детектування здійснюється в два етапи: спочатку ВЧ коливання випрямляються, а потім виділяється низькочастотна обвідна високочастотних імпульсів. Далі вчитель знайомить учнів із графіками демодульованих коливань і блок-схемою приймача (у класах з високим рівнем знань можна показа¬ти принципову схему приймального пристрою). Запитання до учнів у ході викладення нового матеріалу 1. Чи можна, перетворивши звукові коливання на електричні, подавати їх на антену й здійснювати в такий спосіб передавання по радіо мови або музики? 2. Чому не можна прийняті й підсилені електромагнітні коливання подавати в гучномовець? 3. У чому полягає відмінність радіомовлення від радіотелефонного зв'язку? Домашнє завдання Основне: § 46, 47.
6. Поширення радіохвиль Мета уроку: ознайомити учнів із властивостями радіохвиль різної довжини та їхнім застосуванням. Тип уроку: комбінований урок. Демонстрації: фрагменти відеофільму «Фізичні основи радіопередачі». План викладення нового матеріалу: 1. Поверхнева хвиля. 2. Просторова хвиля. 3. Діапазон радіохвиль. Перевірка знань 1. На чому базується принцип радіозв'язку? 2. У чому полягає процес модуляції? 3. У чому полягає процес детектування? Викладення нового матеріалу Під час використання електромагнітних хвиль для радіозв'язку як джерело, так і приймач радіохвиль найчастіше розташовуються поблизу земної поверхні. Форма й фізичні властивості земної поверхні, а також стан атмосфери відчутно впливають на поширення радіохвиль. 1. Поверхнева хвиля. Хвилі поширюються різними шляхами. Один із шляхів лежить уздовж поверхні Землі. По ньому поширюється так звана поверхнева (земна) хвиля. Вона порівняно швидко затухає через поглинання енергії всіма провідниками, які зустрічаються на її шляху. Форма Землі обмежує дальність прийому поверхневих хвиль. Якби вони поширювалися суто прямолінійно, то радіозв'язок був би можливий тільки на відстані прямої видимості. Але оскільки з висотою електричні й магнітні параметри атмосфери змінюються, поверхнева хвиля заломлюється, відхиляючись до Землі, її траєкторія викривляється і дальність прийому збільшується. Перешкоди на земній поверхні відбивають радіохвилі. За перешкодами може утворюватися радіотінь, куди хвиля не потрапляє. Але якщо довжина хвилі достатньо велика, то внаслідок дифракції хвиля обгинає перешкоду й радіотінь не утворюється. Потужні радіостанції, що працюють на довгих хвилях, забезпечують зв'язок на декілька тисяч кілометрів. На середніх хвилях зв'язок можливий у зоні до кількох сотень кілометрів. На коротких хвилях — лише в зоні прямої видимості. 2. Просторова хвиля. Існують також просторові хвилі, що поширюються від антени шляхом, який лежить під більшим або меншим кутом до поверхні Землі. На висоті до 100—300 км хвилі зустрічаються з шаром, який складається з повітря, іонізованого електромагнітним випромінюванням Сонця, й потоком заряджених частинок, випромінюваних ним. Цей шар називається іоносферою. Іоносфера, що проводить електричний струм, відбиває радіохвилі довжиною хвилі, більшою за 10 м, як звичайна металева пластина. Але здатність іоносфери відбивати й поглинати радіохвилі істотно змінюється в залежності від часу доби й пори року. Хвилі після відбивання в іоносфері знову потрапляють на Землю. Однак усе залежить від кута, під яким хвилі входять в іоносферу. Якщо він перевищує деяку граничну величину, хвилі проникають в іоносферу, проходять крізь неї і потім вільно поширюються в космічному просторі. І, навпаки, якщо кут менший .за деяку граничну величину, хвиля під тим самим кутом відбивається до Землі. Чим менша довжина хвилі, тим глибше хвиля проникає в іоносферу, а отже з більшої висоти відбивається. Короткі хвилі поширюються на великі відстані тільки завдяки багаторазовим відбиванням від іоносфери і земної поверхні. Саме за допомогою коротких хвиль на нашій планеті можна здійснити радіозв'язок на будь-яких відстанях. 3. Діапазон радіохвиль. Поширення радіохвиль істотно залежить від їхньої довжини. Радіохвилі поділяються на декілька діапазонів: довгі, середні, короткі та ультракороткі.
Найменування хвиль Діапазон довжин хвиль (м) Властивості хвиль Довгі (ДХ) 10000—1000 Поширюються уздовж поверхні земної кулі, мож¬ливий стійкий прийом за межами прямої види¬мості. Зустрічаючи на своєму шляху провідники, ДХ утрачають енергію. Це означає, що дальність дії ДХ-передавача обмежена. У довгохвильовому діапазоні, не заважаючи одна одній, може працю¬вати обмежена кількість радіостанцій
Середні (СХ) 1000—100 Зазнають меншої дифракції біля поверхні Землі й поширюються на менші відстані за межі пря¬мої видимості. У цьому діапазоні можна роз¬містити набагато більше радіостанцій. Однак значно відчутніше на умови прийому впливають атмосферні перешкоди, час доби
Короткі (КХ) 100—10 Поширюються на великі відстані тільки завдяки багаторазовим відбиванням від іоносфери й поверхні Землі. Оскільки іонізований шар нестійкий, завжди змінюється в залежності від часу доби й радіаційного випромінювання Сонця, то й чутність нестійка, супроводжується зникненням прийому або підсиленням гучності (федінгом). Однак передавання може здійснюватися на далекі відстані передавачами малої потужності
Ультракорот¬кі (УКХ): метрові дециметрові сантиметрові міліметрові 10—0,001 10—1 1—0,1 0,1—0,01 0,01—0,001 Поширюються прямолінійно у вигляді вузьконапрямленого променя. Широко використовуються в радіолокації (легко можуть відбиватися від порівняно малих провідних об'єктів), у космічному радіозв'язку (можуть проходити крізь шар іоносфери з малим поглинанням), у телебаченні (дають широку смугу частот — відеозображення, звуковий супровід, сигнали синхронізації.
Задачі для розв'язування на уроці 1. Максимальна сила струму у вхідному контурі радіоприймача Imax=4 мА, максимальна напруга на конденсаторі Umax=0,4 В. Чому дорівнює довжина прийнятих радіохвиль, якщо індуктивність вхідного контуру L = 17 мкГн? Розв'язання. Згідно із законом збереження енергії максимальна енер¬гія електричного поля конденсатора дорівнює максимальній енергії магнітного поля котушки: . Звідси . Довжина прийнятих радіохвиль. Підставивши добуте значення С, дістанемо: . (м). 2. У деякій точці простору індукція магнітного поля електромагнітної хвилі змінюється під нуля до максимального значення за 2 мкс. Чому дорівнює довжина хвилі? (Відповідь: 2400 м.) 3. Коливальний контур генератора радіопередавача має ємність 3,5 пФ та індуктивність 14 мкГн. Чому дорівнює довжина радіохвиль, випромінюваних антеною цього радіопередавача? (Відповідь: 13 м.)
Домашнє завдання 1. Конспект. 2. 1) У скільки разів потрібно змінити частоту електромагнітної хвилі, щоб її довжина зменшилася в 3 рази? (Відповідь: збільшити в З рази.) 2) Супутникові телефони передають сигнал через супутник, який «висить» на висоті 36 000 км над Землею. Якою буде мінімальна затримка сигналу під час використання таких телефонів? (Відповідь: 0,24с.) 3) Довжина радіохвилі у вакуумі дорівнює 60 м. За який час напруженість електричного поля хвилі зменшиться від максимуму до нуля? (Відповідь: 50 нс.) 4) Індуктивність приймального контуру радіоприймача дорівнює 0,5 мГн, а його ємність може змінюватися від 25 до 225 пФ. У якому діапазоні довжин хвиль може працювати цей радіоприймач? (Відповідь: від 210 до 630 м.) 7. Радіолокація Мета уроку: пояснити принцип радіолокації, розглянути застосування радіолокації в народному господарстві й військовій справі. Тип уроку: комбінований урок. Демонстрації: фрагменти відеофільму «Радіолокація». План викладення нового матеріалу: 1. Принцип роботи радіолокатора. 2. Застосування радіолокації. Перевірка знань 1. Як залежать властивості радіохвиль від довжини хвилі? 2. У чому полягають особливості поширення довгих і середніх хвиль? 3. У чому полягають особливості поширення коротких і ультракоротких Викладення нового матеріалу 1. Принцип роботи радіолокатора. У сучасній техніці відбивання радіохвиль різними перешкодами знаходить широке застосування. Виявлення різних об'єктів і визначення їхнього місця розташування за допомогою радіохвиль називають радіолокацією. Помітне відбивання радіохвиль стається у випадку, коли лінійні розміри цілі перевищують довжину хвилі, на якій працює радіолокатор. Тому радіолокаційні станції працюють у діапазоні дециметрових, сантиметрових і навіть міліметрових хвиль. Показавши учням блок-схему радіолокаційної станції, слід зупинитися на основних принципах радіолокації: 1) створення гостронапрямленого радіопроменя; 2) відбивання хвиль від об'єкта, який виявляється; 3) прийом відбитого сигналу, який указує на наявність виявлюваної об'єкта на шляху радіохвиль; 4) визначення часу між випромінюванням і прийомом радіосигнал) для обчислення відстані до виявленого об'єкта. Визначення відстані здійснюється шляхом вимірювання загального часу проходження радіохвиль до цілі й назад. Оскільки швидкість радіохвиль с=3∙108 м/с в атмосфері практично постійна, то . Унаслідок розсіювання радіохвиль до приймача доходить лише незначна частина випромінюваної передавачем енергії. Тому приймачі радіолокаторів підсилюють прийнятий сигнал у 1012 разів. 2. Застосування радіолокації. Найбільш широко застосовують радіолоцію на флоті, в авіації й космонавтиці. Завдяки радіолокаційним установкам рух кораблів с безпечним за будь-якої погоди й часу доби. Застосування радіолокаційних установок на аеродромах робить безпечними зліт і посадку літака за будь-яких умов. Дуже великого значення набула радіолокація у військовій справі. Так, війська ППО можуть вчасно виявити літак чи ракету. Сьогодні застосування радіолокації стає все більш різноманітним. За допомогою локаторів спостерігають за метеорами у верхніх шарах атмосфери. Локатори використовуються службою погоди для спостереження за хмарами. Нарешті, локатори використовуються в космічних дослідженнях. Кожен космічний корабель мас на борту декілька радіолокаторів. Велику роль у дослідженні планет Сонячної системи відіграли радіотелескопи. Запитання до учнів у ході викладення нового матеріалу 1. На яких принципах радіолокації заснована робота радіолокатора? 2. Чому для радіолокації використовують електромагнітні хвилі дуже малої довжини? 3. Чому антена радіолокаційної станції обертається? Задачі для розв'язування на уроці 1. Антена корабельного радіолокатори розташована на висоті h = 25 м над рівнем моря. На якій максимальні відстані Smax радіолокатор може виявити рятувальний пліт? З якою частотою п можуть при цьому випускатися імпульси? (Відповідь: 18 км; п =8,3∙103с-1.) 2. Радіолокатор працює на хвилі 5 см і випускає імпульси тривалістю 1,5 мкс. Скільки коливань міститься в кожному імпульсі? Яка мінімальна дальність Smin виявлення цілі? (Відповідь: 9000; 225 м.)
Домашнє завдання 1. §48. 2. 1) Космічний корабель з екіпажем наблизився до Марса. Через який мінімальний час командир корабля може одержати відповідь своє запитання, адресоване в Центр керування польотом? Відстані від Землі до Марса під час сеансу зв'язку становить 150 млн км. (Відповідь: 16 хв 40 с.) 2) Радіолокатор випромінює високочастотні імпульси тривалість 10 мкс. Чому дорівнює найменша дальність виявлення цілі цим радіолокатором? (Відповідь: 1,5 км.) 3) Радіолокатор виявляє ціль, починаючи з відстані 1,2 км. Чому дорівнює тривалість імпульсів, які випускаються радіолокатором? (Відповідь: 8 мкс.) 4) За якої частоти проходження високочастотних імпульсів радіолокатора максимальна дальність виявлення цілі становить 200 км? Дальність виявлення не обмежена потужністю радіолокатора. (Відповідь: 750 с-1.)
Синє світло допомагає боротися зі втомою
Синє світло
допомагає боротися зі втомою, з'ясували вчені, стаття яких опублікована в
науковому журналі Sleep. Такого висновку вони дійшли, вивчаючи вплив
світла короткої хвилі на когнітивні здібності людини. Зокрема, вони піддавали 16 учасників дослідження впливу синього і зеленого світла протягом 6,5 годин протягом кількох місяців. Дослідникам
вдалося встановити, що особи, які піддавалися впливу синього кольору,
менше хотіли спати, почували себе бадьорими, а їх реакція була досить
швидкою. Ці висновки були підкріплені вимірами відповідної активності в мозку. Вчені сподіваються, що виявлена закономірність зможе допомогти людям, які працюють в нічні зміни.
