Zwracając się do skali fal elektromagnetycznych (patrz rys. 20.1) zobaczymy, że największa jej część należy do fal radiowych. O ile częstotliwości tych fal bardzo różnią się, to różnią się także ich właściwości. Bardziej dokładnie o różnych rodzajach fal radiowych dowiesz się w starszych klasach, obecnie zatrzymamy się tylko na zastosowaniu ultrakrótkich fal radiowych (o długości od kilku centymetrów do kilku metrów).
Wyjaśniamy osobliwości rozchodzenia się ultrakrótkich fal radiowych
Według swoich właściwości ultrakrótkie fale radiowe są bardzo podobne do promieni świetlnych: rozchodzą się w granicach zasięgu i można je wysyłać wąskimi wiązkami. Właśnie te właściwości zapewniają szerokie zastosowanie ultrakrótkich fal radiowych w radiolokacji, łączności bezprzewodowej, telewizji satelitarnej. Wąski promień mniej rozprasza się (to pozwala wykorzystywać słabsze nadajniki) i łatwiej go odbierać.
Dowiadujemy się, dlaczego radiołączność komórkowa nazywa się komórkową
Łączność komórkowa - jeden z rodzajów komórkowej radiołączności, podstawą której jest sieć komórkowa.
Dla łączności komórkowej wykorzystywane są fale elektromagnetyczne o częstotliwości od 450 do 3000 MHz. Główną osobliwością takiej łączności jest to, że ogólna strefa zasięgu dzieli się na niewielkie części — komórki (nazywamy je tak, ponieważ mają kształt sześciokąta). Każda komórka ma pole około 25 km2 i jest obsługiwana przez osobną stację jednostkową. Komórki, częściowo nakładając się, tworzą sieć (rys. 21.1).
Rys. 21.1. Podstawowe części sieci komórkowej: telefony komórkowe, stacje jednostkowe, centrum komunikacji
Każdy z was umie korzystać z telefonu komórkowego. Wyjaśnijmy, jak zachodzi łączność w takim telefonie. Gdy włączasz telefon, zaczyna on „przesłuchiwać” eter i szukać sygnału stacji jednostkowej tej komórki, gdzie jesteś w danym momencie. Następnie telefon promieniuje sygnał radiowy - wysyła do stacji swój kod. Wtedy telefon i stacja podtrzymują stały radiokontakt, periodycznie wymieniając się sygnałami.
Jednak nie zawsze znajdujesz się w tym samym miejscu. Wtedy telefon wychodzi z zasięgu działania stacji jednostkowej i łączy się z inną stacją. Jeżeli telefon nie może „odnaleźć” najbliższej stacji i przekazać jej swój kod, łączność przerwie się i na monitorze wyświetli się informacja, że nie ma zasięgu.
Opisanymi procesami „kierują” centra komunikacji, połączone ze stacjami jednostkowymi za pomocą przewodowych kanałów łączności. Właśnie centrum komunikacji ciągle „szuka” miejsce znajdowania się twego telefonu komórkowego. „Przekazuje” cię jak pałeczkę sztafetową od jednej stacji jednostkowej do innej, gdy ty „podróżujesz” z komórki do komórki. Właśnie przez centra komunikacji odbywa się wyjście na inne sieci: możesz zatelefonować do kolegi, telefon którego jest obsługiwany przez innego operatora, zatelefonować na telefon stacjonarny, skorzystać z Internetu itp.
Badamy radiolokację
Właściwość odbijania się fal radiowych od metali ustalił H. Herz. Z czasem zostało wyjaśnione, że fale elektromagnetyczne odbijają się od dowolnych ciał, przy czym im lepiej ciało przeprowadza prąd elektryczny, tym większa będzie energia odbitej fali. Odbijanie się fal radiowych jest podstawą radiolokacji.
Radiolokacja - sposób wykrywania, rozpoznawania i określania miejsca znajdowania się obiektów za pomocą fal radiowych.
Urządzenie radiolokacyjne — radiolokator (radar) - zabezpiecza promieniowanie fal radiowych i odbieranie fal radiowych odbitych od obiektu (rys. 21.2).
Jeżeli będziemy promieniować fale radiowe we wszystkich kierunkach lub szeroką wiązką, to będą one odbijać się jednocześnie od wielu obiektów i niemożliwie będzie rozpoznać, gdzie znajduje się badany obiekt, na przykład samolot. Dlatego radar wysyła fale w określonym kierunku i wąską wiązką, a wykrywanie odbitego sygnału świadczy o tym, że badany obiekt znajduje się w kierunku rozchodzenia się fal radiowych (rys. 21.3).
Rozróżniamy dwa podstawowe tryby pracy radaru. W trybie poszukiwania (skanowania) antena radaru ciągle skanuje przestrzeń (na przykład obraca się poziomo i jednocześnie porusza się do góry - w dół). W trybie obserwacji antena ciągle jest skierowana na wybrany obiekt.
Dowiadujemy się, jak działa radar
Sygnał radiowy, wysyłany przez radar jest krótkotrwały (o trwałości miliony części sekundy), jednak o bardzo potężnym impulsie. Jak tylko impuls został wysłany, antena radaru automatycznie przełącza się na odbiór: radar „słucha” eteru — czeka na odbity sygnał. Odbiornik jest bardzo czuły (odbity sygnał radiowy jest dość słaby), dlatego podczas promieniowania impulsu jest odłączony, inaczej aparatura przestanie działać.
Przez pewien okres czasu (znacznie większy od trwałości impulsu) antena ponownie przełącza się na nadajnik radiowy i radar wysyła następny impuls.
Odległość s do obiektu wyznacza się według czasu t przepływu impulsu radiowego do celu i z powrotem. Prędkość rozchodzenia się fal elektromagnetycznych w powietrzu prawie równa jest prędkości rozchodzenia się światła w próżni (c = 3 ■ 108 m/s), dlatego:
Odcinek czasu t jest bardzo mały. Jeżeli odległość do obiektu jest równa 120 km, to odbity sygnał radiowy wróci po 0,8 ms
Stosujemy radiolokację
Radary początkowo były stworzone wyłącznie dla uzbrojenia armii - do wykrywania samolotów przeciwnika (rys. 21.4).
Z czasem radiolokacja znalazła szerokie zastosowanie w innych dziedzinach. Na współczesnych powietrznych, morskich i oceanicznych statkach obowiązkowo znajdują się radary. Za pomocą radarów nawigator statku wyszukuje możliwe wolne przejścia pomiędzy chmurami lub lodowcami, co pomaga uniknąć zderzenia z innymi statkami w złych warunkach atmosferycznych, wytyczyć kurs, określić swoją lokalizację) (rys. 21.5).
Stacje radiolokacyjne na lotniskach pomagają w bezpiecznym lądowaniu statków powietrznych, a stacje znajdujące się wzdłuż wybrzeży zabezpieczają bezpieczny przypływ statków do portu.
Radiolokacja jest wykorzystywana w badaniach naukowych, metrologii, rolnictwie oraz leśnictwie. Pomaga w układaniu map rzeźby powierzchni Ziemi, w badaniu gęstości roślinności, wykrywaniu pożarów leśnych, wyznaczaniu składu gleby itp.
Ważną rolę odgrywa radiolokacja w badaniach kosmicznych. Startowanie i lądowanie aparatów kosmicznych byłoby niemożliwe bez wykorzystywania radarów. Za pomocą radiolokacji sprecyzowano odległości do Księżyca, Wenus, Marsa. Radary, znajdujące się na sztucznych satelitach Wenus, pomogły przeniknąć przez grubą warstwę chmur planety i określić jej rzeźbę.
Podsumowanie
Ostatnio fale ultrakrótkiego zasięgu są wykorzystywane na szeroką skalę: za pomocą specjalnych anten można je skierować wąską wiązką, która mniej rozprasza się, co pozwoli wykorzystywać słabsze nadajniki. Ultrakrótkie fale radiowe są wykorzystywane w łączności komórkowej, telewizji satelitarnej, radiolokacji.
Łączność komórkowa - jeden z rodzajów łączności komórkowej, podstawą której jest sieć komórkowa.
Radiolokacja - wykrywanie, rozpoznawanie i określanie za pomocą fal radiowych miejsca znajdowania się obiektu. Radar wytwarza wąską skierowaną wiązkę fal radiowych i odbiera fale radiowe odbite od obiektu. Odległość do obiektu wyznacza się według czasu rozchodzenia się impulsu radiowego do obiektu i z powrotem:
Pytania kontrolne
1. Podaj zalety ultrakrótkich fal radiowych. 2. Jaką łączność nazywamy łącznością komórkową? Jak ona działa? 3. Co nazywamy radiolokacją? Co jest podstawą jej działania? 4. Opisz zasadę pracy radaru. 5. Jak za pomocą radiolokacji można określić lokalizację obiektu (odległość, kierunek)? 6. Podaj przykłady stosowania radiolokacji.
Ćwiczenie nr 21
1. Na jakiej odległości znaleziono obiekt, jeżeli odbity sygnał wrócił po 20 ps od momentu wysłania?
2. Radar pracuje na częstotliwości 6 · 108 Hz. Falę radiową o jakiej długości on promieniuje?
3. Osobliwości ultrakrótkich fal radiowych (prawie nie odbijają się od jonosfery, ich energia znacznie traci się tylko w pobliżu powierzchni Ziemi, można je skierować wąską wiązką) umożliwiają zastosowanie ich w telewizji satelitarnej. Za pomocą dodatkowych źródeł informacji dowiedz się jak pracuje łączność satelitarna.
4. Zastosowanie stacji radiolokacyjnych do wykrywania wojskowych samolotów i okrętów spowodowało aktywne poszukiwanie sposobów zmniejszenia wykrywalności techniki wojskowej. Tak pojawiła się stels-technologia. Za pomocą dodatkowych źródeł informacji dowiedz się, czy uda się chociażby częściowo „schować” technikę wojskową. Jeżeli tak, to w jaki sposób?
Sondowanie Ziemi na odległość
Sondowanie Ziemi na, odległość -jest to obserwacja i badanie powierzchni Ziemi za pomocą przyrządów, znajdujących się na dużej odległości od niej (na przykład, na satelitach łub samolotach). Gdzie jest wykorzystywane?
Z punktu widzenia techniki, najprostsza dziedzina zastosowania takiego badania - to prognoza pogody. Jednocześnie dane te są wykorzystywane prawie przez wszystkich.
Zazwyczaj telewizyjnym prognozom pogody towarzyszą zdjęcia z kosmosu (rys. 1). Jednak wyraźne obrazki na ekranie telewizora to nie wszystko, co jest potrzebne do prognozy pogody!
Satelita nie może sfotografować całej powierzchni Ziemi za jednym razem. Podobnie jak światła samochodu oświetlają tylko jezdnię, a pobocza zostają w ciemności, tak i satelita, krążąc wokół Ziemi „widzi” tylko określoną jej cześć. Szerokość tej części może wahać się od 7 do 1500 km i zależy od niezbędnej dokładności obserwacji: im bardziej szczegółowa informacja jest otrzymywana, tym węższa jest część „widoczna” przez Ziemię.
Podczas kolejnego obrotu satelita „ogląda” przyległą część itd. Gdy połączyć otrzymane dane kilku takich części, można otrzymać „obrazek” dużego terenu na przykład, całego naszego państwa (rys. 2).
Satelita przekazuje otrzymaną informację na anteny odbiorcze; informacja jest opracowywana i zamieniana na zwykłe zdjęcia. Następnie informacja jest przekazywana meteorologom, którzy łączą dane z kosmosu z wynikami obserwacji na ziemi i na podstawie złożonych matematycznych modeli, prognozują temperaturę i stan atmosfery na dzień, tydzień, miesiąc...
Do badania stanu powierzchni Ziemi jest wykorzystywana cała „armia” satelitów. Większość z nich otrzymuje dane w zakresie widocznych fal elektromagnetycznych, jednak są i takie, które badają powierzchnię wiązkami elektromagnetycznymi w zakresie fal centymetrowych długości, a także fal o większej długości (powyżej 1 m).
Odbieraniem i opracowaniem danych z satelitów zajmują się różne organizacje; w naszym państwie pracę takich organizacji koordynuje Państwowa kosmiczna agencja Ukrainy.
Oprócz prognozy pogody dane z kosmosu są wykorzystywane do analizy stanu powłoki śnieżnej, prognozowania powodzi, pożarów, posuchy, trzęsienia ziemi, oceniania przyszłego urodzaju itd. Na przykład, aby zapobiec zderzeniu się z lodowcem, kapitanowie okrętów powinni znać stan kry lodowej. Takie dane również są otrzymywane z kosmosu.
PODSUMOWANIE ROZDZIAŁU III „Mechaniczne i elektromagnetyczne fale"
1. Dowiedziałeś się o istnieniu fal mechanicznych i ich rodzajach.
FALE MECHANICZNE
2. Dowiedziałeś się o wielkościach fizycznych, charakteryzujących fale mechaniczne i ustaliłeś łączność między nimi.
WIELKOŚCI FIZYCZNE
3. Zapoznałeś się z falami dźwiękowymi i wyjaśniłeś, że fale dźwiękowe są to podłużne fale mechaniczne o określonej częstotliwości.
FALE DŹWIĘKOWE
4. Dowiedziałeś się, że teoretyczne badania J. Maxwella i liczne doświadczenia udowodniły łączność pomiędzy polami elektrycznymi i magnetycznymi. Te pola tworzą jedyne pole elektromagnetyczne.
POLE ELEKTROMAGNETYCZNE
rodzaj materii, za pomocą którego dokonywane jest wzajemne oddziaływanie pomiędzy ciałami naładowanymi i cząsteczkami oraz ciałami namagnesowanymi
Części składowe pola elektromagnetycznego
5. Dowiedziałeś się, że w przyrodzie istnieją fale elektromagnetyczne, zapoznałeś się z właściwościami fal elektromagnetycznych różnych zakresów i niektórymi przykładami ich zastosowania.
FALE ELEKTROMAGNETYCZNE
proces rozchodzenia się w przestrzeni zmiennego pola elektromagnetycznego
6. Wyjaśniłeś, że zdolność ultrakrótkich fal radiowych do rozchodzenia się wąską wiązką i odbicie od przeszkód są podstawą radiolokacji - wykrywanie, rozpoznawanie i określanie miejsca znajdowania się obiektu za pomocą fal radiowych. Odległość s do obiektu jest wyznaczana według czasu t przejścia impulsu radiowego do obiektu i z powrotem:
ZADANIA DO ROZDZIAŁU III
„Fale mechaniczne i elektromagnetyczne"
Zadania 1-8 zawierają tylko jedną prawidłową odpowiedź.
1. (1 punkt) Jaka właściwość fal mechanicznych jest podstawą echolokacji?
a) przeniesienie energii bez przeniesienia substancji;
b) odbicie fali;
c) zależność długości fali od ośrodka, w którym ona rozchodzi się;
d) zmiana amplitudy fali ze zwiększeniem odległości do źródła.
2. (1 punkt) W jakim ośrodku rozchodzą się poprzeczne fale mechaniczne?
a) w cieczy; c) w dowolnym ośrodku;
b) w próżni; d) w ciele stałym.
3. (1 punkt) Jakie twierdzenie jest nieprawidłowe?
a) podłużne fale mechaniczne nie rozchodzą się w ciałach stałych;
b) fale mechaniczne nie rozchodzą się w próżni;
c) światło jest to fala elektromagnetyczna;
d) dźwięk jest falą mechaniczną.
4. (1 punkt) Jaki obiekt może być źródłem fali mechanicznej?
a) cząstka naładowana, poruszająca się ruchem przyspieszonym;
b) ciało drgające;
c) ciało poruszające się ruchem jednostajnym;
d) nieruchome namagnesowane ciało.
5. (1 punkt) Trwały magnes leży na siedzeniu w tramwaju, poruszającym się jednostajnie. Względem których obserwatorów istnieje tylko magnetyczna część składowa pola elektromagnetycznego?
a) konduktor, który idzie wzdłuż przejścia;
b) pasażer samochodu, poruszającego się wstecz;
c) pkieszy, stojący obok drogi;
d) kierowca autobusu, poruszającego się za tramwajem z taka sama prędkością.
6. (2 punkty) Gdy fala przechodzi do innego ośrodka, to nie zmienia się:
a) amplituda fali; b) długość fali;
c) częstotliwość fali; d) prędkość rozchodzenia się fali.
7. (2 punkty) Któremu ze zjawisk nie towarzyszy pojawienie się fal mechanicznych?
a) tęcza; b) błyskawica; c) trzęsienie ziemi; d) wiatr.
8. (2 punkty) Na odległości 170 m od wieżowca stoi człowiek. Z jego rąk na chodnik wypada przedmiot metalowy. Za jaki czas od uderzenia człowiek usłyszy echo?
a) 0,5 s; b) 1 s; c) 2 s; d) 4 s.
9. (2 punkty) Na jakiej odległości znajduje się obiekt, jeżeli odbity od niego sygnał radiowy powraca po 2 ps od wysłania?
(3 punkty) Ustal zależność pomiędzy odbiornikiem i rodzajem fal elektromagnetycznych, które on odbiera.
1 Noktowizor
2 Antena satelitarna
3 Oko człowieka
A γ -promienie B Fale radiowe
C Promieniowanie podczerwone D Światło widzialne
(3 punkty) Wzdłuż naciągniętego sznura rozchodzi się fala (rys. 1). W jakim kierunku porusza się punkt A w podanym na rysunku momencie czasu?
(3 punkty) Prędkość ruchu kuli równa się 680 m/s. O ile wcześniej kula trafi do celu, znajdującego się na odległości 1360 m, niż do celu dotrze dźwięk wystrzału?
13. (3 punkty) Pszczoła lecąca po pyłek, wykonuje średnio 180 ruchów skrzydełkami w ciągu sekundy. Gdy ta sama pszczoła wraca do ula, ilość jej ruchów w ciągu sekundy wzrasta do 280. Jak to wpływa na dźwięk, który słyszymy?
14. (4 punkty) Jaka jest długość fali dźwiękowej w powietrzu, jeżeli źródło dźwięku wykonuje 5100 drgań w ciągu minuty? Jaka jest długość tej fali w wodzie?
15. (4 punkty) Według wykresu drgań źródła fali mechanicznej (rys. 2) wyznacz okres drgań i częstotliwość fali. Jaka jest długość fali, jeżeli rozchodzi się ona z prędkością 20 m/s?
16. (4 punkty) Fale radiowe o długości 6 m przechodzą z próżni do ośrodka, w którym prędkość ich rozchodzenia się jest 1,5 razy mniejsza niż w próżni. Oblicz częstotliwość i długość fali radiowej.
Sprawdź swoje odpowiedzi na pytania z podanymi na końcu podręcznika. Oznacz zadania, na które odpowiedziałeś prawidłowo i wyznacz sumę punktów, następnie podziel tę sumę przez trzy. Otrzymany wynik będzie odpowiadać poziomowi twojej wiedzy.
Dodatkowe zadania testowe, sprawdzane przez komputer znajdziesz na stronie internetowej „Nauczanie interaktywne".
Proponowane tematy projektów
1. Dźwięki w życiu człowieka.
2. Zastosowanie infradźwięków i ultradźwięków w technice.
3. Wibracje i hałasy oraz ich wpływ na organizmy.
4. Fale elektromagnetyczne w przyrodzie i technice.
5. Wpływ promieniowania elektromagnetycznego na organizm człowieka.
6. Rodzaje hałasu. Pomiar poziomu hałasu. Badanie wpływu hałasu na organizmy.
7. Instrumenty muzyczne jako źródła różnych fal dźwiękowych.
Tematy referatów
1. Mechanizm powstania fal na powierzchni wody.
2. Zadziwiające echo.
3. Czym są rezonatory akustyczne i gdzie są stosowane.
4. Zjawisko Dopplera i jego wykorzystanie do kontroli prędkości ruchu środków transportu.
5. Czym i jak różnią się głosy męskie, żeńskie i dziecięce.
6. Sposoby ochrony przed hałasem w dużych miastach.
7. Ultradźwiękowa kawitacja.
8. Zastosowanie ultradźwięku w technice.
9. Powstanie infradźwięku w oceanie.
10. Wizualizacja drgań dźwiękowych.
11. Fale radiowe w naszym życiu.
12. Historia wynalezienia radia.
13. Elektromagnetyczny smog.
14. Wykorzystanie radiolokacji w astronomii.
15. Efekt Dopplera w astronomii lub jak udowodniono, że galaktyki rozlatują się.
16. Działanie promieniowania nadfioletowego na organizm człowieka.
17. W. Rentgen czy I. Puluj: kto pierwszy odkrył X-promienie?
18. Historia badania zjawisk świetlnych.
Tematy badań eksperymentalnych
1. Sporządzenie różnorodnych źródeł dźwięku i badanie ich cech akustycznych.
2. Wyjaśnienie zależności wysokości dźwięku od częstotliwości drgań źródła fal dźwiękowych.
3. Badanie procesu odbicia, załamania i nakładania się fal mechaniczny na powierzchni wody.
Źródło: Fizyka podręcznik dla klasy 9 Barjachtar