Радіолокація. Фізичні основи сучасних бездротових засобів зв’язку.

Конспект уроку з фізики (9 клас) Тема: 

Фізичні основи сучасних бездротових засобів зв'язку. Радіолокація. Мета уроку:

• Навчальна: Сформувати в учнів розуміння фізичних принципів, що лежать в основі сучасних бездротових засобів зв’язку та радіолокації. Пояснити роль електромагнітних хвиль у цих процесах.

• Розвиваюча: Розвивати вміння аналізувати інформацію, встановлювати причинно-наслідкові зв’язки, робити висновки. Сприяти розвитку логічного мислення та наукового світогляду учнів.

• Виховна: Виховувати інтерес до фізики як науки, показати її практичне застосування в сучасному світі.

Тип уроку: Комбінований. Обладнання:

• Презентація до уроку.

• Схеми радіолокатора, стільникового телефону.

• Комп’ютер, проектор.

Хід уроку:

I. Організаційний момент (2 хв)

•      Привітання учнів, перевірка їх готовності до уроку.  Повідомлення теми та мети уроку. II. Актуалізація опорних знань (5 хв)  Фронтальне опитування:  o      Що таке електромагнітні хвилі? o Які властивості електромагнітних хвиль ви знаєте? o           Які види електромагнітних хвиль ви можете назвати?

•      Демонстрація:  o Коротке відео про поширення радіохвиль.  

III. Вивчення нового матеріалу (25 хв)

1. Бездротові засоби зв’язку: 

ü Поняття електромагнітних хвиль як носія інформації.

Електромагнітні хвилі широко використовуються для передачі інформації в різних формах:

a)Модуляція сигналу: Для передачі інформації на певній частоті, хвилі можуть бути

модульовані, що означає зміну їхніх параметрів (амплітуди, частоти або фази) відповідно до інформаційного сигналу. Наприклад:

a.     Амплітудна модуляція (AM) — зміна амплітуди хвилі.

b.    Частотна модуляція (FM) — зміна частоти хвилі.

c.     Фазова модуляція (PM) — зміна фази хвилі.

b)                       Радіохвилі та мікрохвилі: Для передачі радіосигналів, телевізійних програм, мобільних

телефонів, Wi-Fi, Bluetooth тощо використовуються радіо та мікрохвилі. Інформація передається у вигляді зміни характеристик електромагнітних хвиль.

c)                       Оптичні хвилі: В оптичному діапазоні (використовуючи інфрачервоне або видиме

світло) електромагнітні хвилі використовуються для оптоволоконних комунікацій, де інформація передається через лазери або світлодіоди, що модуляють світло для представлення цифрових даних.

d)                       Безпроводова передача даних: Сучасні бездротові технології (наприклад, Wi-Fi, 5G, Bluetooth) використовують електромагнітні хвилі для передачі інформації між пристроями без фізичних з’єднань.

e)                       Радіолокація та космічні комунікації: Електромагнітні хвилі використовуються для

навігаційних систем (наприклад, GPS) та космічних супутникових зв'язків, де вони передають сигнали на великі відстані.

ü Принцип роботи стільникового телефону: передавач, приймач, антена, базові станції.

Всередині 40-х років XX століття дослідницький центр Bell Labs американської компанії AT&T запропонував ідею розбиття території, що обслуговується на невеликі ділянки, які стали називатися чарунками ,а система зв'язку стельниковою (від слова sell- комірка, стільник). Кожна чарунка повинна була обслуговуватися передавачем з обмеженим радіусом дії та фіксованою частотою. Це дозволило б без взаємних завад використовувати ту ж саму частоту повторно в інші чарунці.

Стільниковий телефон дозволяє людям спілкуватися на відстані завдяки електромагнітним хвилям, які передають голос чи дані через повітря. 

Для цього використовується система, яка складається з передавача, приймача, антени і мережі базових станцій.

 Передавач:  це частина телефону, яка перетворює ваш голос або іншу інформацію в електричні сигнали і передає їх через радіохвилі. Коли ви розмовляєте в телефон, ваш голос спочатку перетворюється в цифровий сигнал. Потім цей сигнал посилається на передавач у вашому телефоні, який перетворює його в радіохвилю (електромагнітну хвилю), яку телефон може передати через повітря.

 Антена:  це частина телефону, яка дозволяє йому відправляти і отримувати радіохвилі. Антена в телефоні допомагає хвилям вийти з телефону і спрямувати їх в повітря. Вона також приймає сигнали з інших телефонів або базових станцій.

Базові станції: це спеціальний пристрій, який передає і отримує сигнали від телефонів. Вона забезпечує покриття для певної території, і всі телефони в межах цього покриття можуть підключатися до неї. Коли ви телефонуєте або отримуєте дзвінок, ваш телефон передає сигнал на найближчу базову станцію через радіохвилі. Базова станція зв'язується з іншими станціями або з центральною мережею, щоб знайти потрібну особу і з’єднати вас з її телефоном. Базові станції можуть працювати разом, створюючи велике покриття на всій території.

 Приймач: це частина телефону, яка отримує радіохвилі з повітря і перетворює їх назад у звук або дані. Коли ви отримуєте дзвінок, приймач вашого телефону отримує сигнал від базової станції і перетворює його в електричний сигнал, який потім знову перетворюється на звуковий сигнал у динаміку. Тобто, коли хтось говорить з іншого телефону, ваш приймач дозволяє вам почути їх голос.

 Мережа зв'язку: Для того, щоб ваш телефон міг зв’язуватися з іншими телефонами, використовуються мережі зв’язку, які складаються з базових станцій, серверів і спеціальних ліній, що передають сигнали від однієї базової станції до іншої. Коли ви телефонуєте, сигнал з вашого телефону передається на найближчу базову станцію. Якщо ваша співрозмовник знаходиться далеко, базова станція пересилає сигнал на іншу станцію, і так сигнал досягає вашої мети.

Отже, стільниковий телефон працює завдяки тому, що він може перетворювати ваш голос у електричний сигнал за допомогою мікрофону, посилати його через радіохвилі через антену до базової станції, а потім інша базова станція передає сигнал до іншого телефону, де він знову перетворюється на звук, який ви чуєте за допомогою гучномовця. Таким чином, за допомогою телефонної мережі люди можуть спілкуватися на великих відстанях. Отже , вивчивши принцип дії мікрофону та гучномовця та властивості електромагнітних хвиль ми тепер розуміємо принцип роботи стільникового зв’язку.

2. Радіолокація: 

ü  Принцип дії радіолокатора: випромінювання електромагнітних хвиль, відбиття від об’єкта, приймання відбитого сигналу. Електромагнітні хвилі розповсюджуються з постійною швидкістю, яка приблизно дорівнює швидкості світла 300 000 км/с. Визначається дальність до відбиваючого об'єкту (літак, корабель, автомобіль) шляхом вимірювання часу затримки відбитого сигналу відносно моменту випромінювання. Електромагнітна хвиля розповсюджується у вільному просторі по прямій траєкторії, і ця властивість, у більшості випадків, змінюється не суттєво під впливом атмосферних та погодних умов. За допомогою спеціальних радіолокаційних антен електромагнітна хвиля може бути випромінювана у потрібному напрямку на відбиваючий об'єкт.

ü  Застосування радіолокації в різних сферах життя (авіація, навігація, метеорологія).

§ Авіація (у літаків і аеропортах)

•      Як працює: Літаки та аеропорти використовують радіолокацію для виявлення та відстеження літаків, визначення їхнього місцезнаходження, а також для контролю за рухом повітряних суден. Радіолокаційні станції відправляють радіохвилі, які відбиваються від літака і повертаються до станції. За допомогою цих відбитих сигналів визначаються відстань і швидкість літака.

•      Приклад: Уявіть, що ви в небі на літаку, а радіолокаційна станція на землі відправляє хвилю, яка влучає у ваш літак і відбивається назад. Завдяки цьому станція може визначити, де знаходиться літак, навіть якщо його не видно.

•      Застосування: Це допомагає авіадиспетчерам контролювати рух літаків, попереджати зіткнення, а також забезпечувати безпечне приземлення і зліт у випадку поганої видимості (наприклад, під час туману).

§ Навігація (в кораблях, автомобілях, GPS)

•      Як працює: У навігації радіолокація допомагає визначати місцезнаходження суден, автомобілів або навіть літаків. Наприклад, кораблі використовують радіолокатори для того, щоб бачити інші кораблі та об'єкти на воді, навіть коли вони не видно через туман або темряву.

•      Приклад: Корабель на великій відстані може використовувати радіолокацію для визначення перешкод на шляху, таких як інші судна, береги або льодовики. Це дозволяє уникнути зіткнень.

•      Застосування: Такі системи допомагають водіям або пілотам знаходити найкращий маршрут, уникати небезпек, а також здійснювати точну навігацію в умовах поганої видимості. Система GPS, яку використовують у смартфонах та автомобілях, також працює на основі радіохвиль.

§ Метеорологія (виявлення погодних умов)

•      Як працює: Радіолокатори використовуються в метеорології для дослідження погодних явищ, таких як дощ, сніг, грози або торнадо. Радіолокаційні станції відправляють радіохвилі в атмосферу, і частина цих хвиль відбивається від крапель води, снігу або інших частинок у повітрі. За часом, який потрібен хвилям, щоб повернутися до станції, можна визначити, на якій відстані знаходиться дощ або інші атмосферні явища.

•      Приклад: Уявіть собі, що метеоролог на Землі використовує радар для відстеження дощу. Коли хвилі радару вдаряються в краплі води в хмарах, вони відбиваються назад, і радар показує, де знаходиться дощ. Це допомагає передбачити, коли і де почнеться дощ або інші погодні явища.

•      Застосування: Такі системи дозволяють точно прогнозувати погоду, що важливо для планування авіарейсів, судноплавства, сільського господарства та в цілому для попередження стихійних лих, таких як торнадо або повені.

§ Інші приклади застосування радіолокації:

•      Автомобільні системи допомоги водієві: Сучасні автомобілі використовують радіолокаційні сенсори для автоматичного гальмування, паркування та виявлення об'єктів на шляху, таких як інші машини або пішоходи.

•      Обстеження земної поверхні: Радіолокація також застосовується для вивчення земної поверхні та підводного світу, наприклад, для картографування підводних рельєфів або розвідувальних робіт.

§    Аналогія з ліхтариком:

§    Для кращого розуміння можна використати аналогію з ліхтариком:  Уявіть, що ви в темряві і використовуєте ліхтарик, щоб знайти предмети навколо. Ви направляєте світло на об'єкт, і він відбивається назад, дозволяючи вам побачити його. Радіолокація працює подібно: радіохвилі спрямовуються на об'єкти, відбиваються від них, і система визначає, де ці об'єкти знаходяться.

 Радіолокація — це надзвичайно корисна технологія, яка дозволяє виявляти та відстежувати об'єкти на відстані, забезпечуючи безпеку в авіації, допомагаючи в навігації та покращуючи точність прогнозів погоди. Вона використовується в багатьох сферах для того, щоб краще розуміти навколишній світ і робити наше життя безпечнішим.

ü Розрахунок відстані до об’єкта за часом поширення радіохвиль.

Основна формула:

Для розрахунку відстані до об'єкта за часом поширення радіохвиль можна використати просту формулу:

де:

•             d — відстань до об'єкта (в метрах),

•             c — швидкість світла або радіохвиль у вакуумі (приблизно 300 000 000

м/с),

•             t — час, який потрібен хвилі, щоб дістатися до об'єкта і повернутися назад (в секундах).

Чому ділимо на 2?

Радіохвилі поширюються від джерела до об'єкта, а потім відбиваються назад. Тому час, який вимірюється, — це загальний час на подорож в обидві сторони. Для того щоб отримати відстань до об'єкта, потрібно поділити цей час на два.

IV.   Закріплення матеріалу (10 хв)

Задача1: Радіолокаційна станція відправила сигнал, і він повернувся після 0,002 секунди. Яка відстань до об'єкта?

Рішення:

1.    Час, який потрібен сигналу для подорожі туди і назад, дорівнює 0,002 секунди.

2.    Швидкість радіохвиль (швидкість світла) c=300000000c = 300 000 000c=300000000 м/с.

3.    Відстань до об'єкта можна розрахувати за формулою:

Відповідь: відстань до об'єкта — 300 000 метрів або 300 км.

Задача2: Сигнал відбився від об'єкта через 0,001 секунди. Яка відстань до нього?

Рішення:

1.   Час, за який сигнал повернувся, дорівнює 0,001 секунди.

2.   Використовуємо ту ж формулу для розрахунку:

Відповідь: відстань до об'єкта — 150 000 метрів або 150 км.

Розв’язання задач:  o             Розрахунок відстані до літака, якщо сигнал радіолокатора повернувся через 0,002 с.

         o                Порівняння швидкості поширення звукових і електромагнітних хвиль.

 Обговорення: 

o   Які ще пристрої використовують електромагнітні хвилі? o     Які проблеми можуть виникати при використанні бездротових засобів

зв’язку?

V.       Підсумки уроку (3 хв)

•             Повторення основних понять: електромагнітні хвилі, бездротовий зв’язок, радіолокація.

•             Виставлення оцінок.

•             Домашнє завдання: Опрацювати  параграф 21 підручника, відповісти на запитання після параграфа. Розв’язати задачі 1 та 2 з вправи №21.

Теми для індивідуальної роботи :

•             Історія розвитку радіозв’язку.

•             Сучасні технології в галузі бездротового зв’язку (5G, Wi-Fi 6).  Вплив електромагнітного випромінювання на організм людини.