Урок "Фізичні основи сучасних бездротових засобів зв'язку. Радіолокація"

Сливенко Олена Петрівна

вчитель фізики

КЗО ”Спеціалізована школа №55

інформаційно-технологічного профілю”

Дніпровської  міської ради

9 клас

Тема. Фізичні основи сучасних бездротових засобів зв'язку.  

          Радіолокація.

Мета: формувати розуміння учнями явищ, покладених в основу організації роботи стільникового зв’язку та радіолокації;

розвивати уміння спілкуватися, стисло та грамотно формулювати, думки, аргументи, висновки тощо, уміння працювати з інформацією й комунікацій ними пристроями, користуватися  сучасною  науковою мовою, розв’язувати задачі з фізики;

формувати  ключові та предметні        компетентності,  реалізовувати наскріз-

ні змістові лінії;

  виховувати екологічну грамотність учнів, навички здорового життя, розумін-

ня   важливості фізичних знань для розвитку  потреб людства, шанування внеску українських науковців у розвиток суспільства, інтерес до вивчення фізики.

   Очікувані результати:  учні розуміють властивості ультракоротких радіохвиль, які застосовують у стільниковому зв’язку, супутниковому телебаченні, що таке стільниковий зв'язок,  принцип роботи радіолокатора та застосування радіолокації.

Формування компетентностей: спілкування державною мовою (уміння

доречно та  коректно використовувати  фізичні терміни, поняття), математич

на (розуміти та застосовувати математичні методи для обґрунтування та розкриття змісту фізичних теорій), основні компетентності у природничих науках і технологіях  (розуміти і пояснювати принцип дії та побудови сучасних технічних засобів, приладів та обладнання, технологій, створених на фізичній основі, розв’язувати кількісні та якісні задачі з фізики), уміння вчитися впродовж життя (спостерігати, аналізувати, робити висновки, набувати нові знання;), ініціативність і підприємливість  (працювати в колективі), соціальна та громадянська компетентності (поважати думки і погляди опонентів;цінувати та шанувати внесок видатних українських фізиків, техніків, інженерів, конструкторів у розвиток суспільства;), екологічна грамотність і здорове життя (визначати потенціальну  загрозу та на побутовому рівні запобігати шкоді, яку може спричинити безвідповідальне використання науково-технічних досягнень )

Тип  уроку: комбінований.

      Обладнання: ТЗН (комп’ютер, мультимедійний проектор, екран,   презента-

       ція Smart Notebook), відеоматеріали з Інтернет-ресурсів, дидактичний

     матеріал  для  9 кл.

“Технології дають можливість робити великі речі.”

(Сатья Надела,

головний виконавчий директор корпорації Microsoft)

План уроку

І. Організаційний момент         

ІІ. Мотивація навчальної діяльності

ІІІ. Актуалізація опорних знань та вмінь

ІV. Вивчення нового матеріалу.

V. Формування вмінь та навичок

VІ. Підсумок уроку. Рефлексія

VІІ. Домашнє завдання 

Структура  уроку.

 Організаційний етап

Привітання учителя. Облік відвідування. Налаштування на роботу.

Триває зима і наші організми виснажені. Тому зараз треба більше уваги приділяти своєму здоров’ю. Умови підвищення стійкості організму до хвороб: режим дня, здорове харчування, фізичні вправи й активна розумова праця. Учені з’ясували, що розумова діяльність підвищує стійкість організму до впливу усіляких вірусів і бактерій. Розумова праця сьогодні на уроці гарантовано тренуватиме мозок і пам’ять, а отже, підвищуватиме ваш імунітет. 

 

Мотивація навчальної діяльності

прийом «Відстрочена відгадка» -І.

• Знімки з місячного орбітального апарату Кагуя показали, що на Місяці є

печера протяжністю близько 50 км. Про це повідомляє The Japan Times з посиланням на представників японського аерокосмічного агентства.
Така глибока печера зможе захистити астронавтів від радіації Сонця
та космічних променів, коли вони почнуть будувати базу для розвідки.
Така довга печера утворилася в результаті вулканічної діяльності
приблизно 3,5 мільярда років тому. Порожнеча знаходиться під пагорбами
Маріуса на видимому боці Місяця. Кагуя спочатку зміг зняти вхід до
печери. Яким способом апарат Кагуа визначив глибину печери?

джерело: http://www.astroosvita.kiev.ua

  - Яким способом апарат Кагуа визначив глибину печери?

Вивчивши новий матеріал, ви зможете відповісти на це запитання.

Аналіз епіграфу...

Оголошення теми та очікуваних результатів

 

Актуалізація опорних знань та вмінь

прийом «Так чи ні?»

(формує в учнів навички:

- зв'язувати розрізнені факти в єдину картину;

- систематизувати вже наявну інформацію)

 (ключові компетентності: основні компетентності у природничих науках і

технологіях ( науково пояснювати фізичні явища та процеси на якісному рівні), уміння вчитися впродовж життя (аналізувати  накопичену інформацію, робити висновки), екологічна грамотність і здорове життя (усвідомлювати причинно-наслідкові зв’язки між процесами та явищами), реалізація  наскрізних змістових  ліній: «Екологічна безпека і сталий розвиток», «Здоров'я і безпека»)

Час перевірити наскільки гарно ви засвоїли домашній теоретичний матеріал. «Слова «так» і «ні» дуже короткі Але потребують певних роздумів» Ці слова належать Піфагорові.

(Учням пропонуються кілька тверджень, серед яких вони мають визначити правильні, поставивши відмітки в листках-завданнях)

Прізвище учня ________________
1	Радіохвилі породжуються змінним електричним   струмом.	так
2	У пультах дистанційного керування, системах автоматики,    охоронних  системах застосовують ультрафіолетові промені	ні
3	Інфрачервоне випромінювання має високу хімічну активність.	ні
4	У невеликих дозах ультрафіолет сприяє виробленню вітаміну D	так
5	Для виявлення дефектів використовують  радіохвилі	ні
6	Швидкість поширення у вакуумі електромагнітних хвиль різних  діапазонів  різна	ні
7	Зі збільшенням частоти хвилі  зменшується  її довжина	так
8	Електромагнітні хвилі інфрачервоного діапазона  випускаються     збудженими атомами	ні
9	Високо в горах легко дістати опіки сонячними променями. Це прояв    ультрафіолетового випромінювання	так
10	Шкала електромагнітних хвиль — безперервна послідовність     частот і довжин електромагнітних хвиль, що існують у природі.	так
11	Джерело γ-випромінювання  - збуджені атомні  ядра.	так
12	Рентгенівське випромінювання чинить руйнівну дію на клітини       організму	так

 

Після роботи на слайді демонструються правильні відповіді. Взаємоперевірка.

Вивчення нового матеріалу.

План вивчення нового матеріалу

1.Особливості поширення ультракоротких радіохвиль.

2.Стільниковий мобільний радіозв'язок.

3.Радіолокація.

4.Принцип роботи імпульсного радіолокатора.

5. Застосування радіолокації (випереджальне завдання ).

(слайди)

1.Особливості поширення ультракоротких радіохвиль.

Звернувшись до шкали електромагнітних хвиль можна побачити, що найбільша її ділянка належить радіохвилям. Оскільки частоти цих хвиль значно відрізняються (від 3 кГц до 3 ТГц ), достатньо широкий діапазон і довжин хвиль (від100 км до 0,1 мм),  то відповідно   різняться і властивості радіохвиль, наприклад, поширення в атмосфері Землі.

За своїми властивостями ультракороткі радіохвилі дуже близькі до світлових променів: поширюються в межах прямої видимості, їх можна посилати вузькими пучками,які  фокусують за допомогою спеціальних антен. Такий вузький промінь менше розсіюється, що дозволяє застосовувати менш потужні передавачі, його простіше приймати, до того ж напрямлене випромінювання створює менше перешкод іншим системам зв’язку. Слід зазначити, що на такий промінь не впливають атмосферні явища.  

Саме ці властивості забезпечили широке застосування ультракоротких радіохвиль у радіолокації, бездротовому зв’язку,супутниковому телебаченні.

2. Інтерактивна вправа «Ажурна пилка».

(Учні об’єднуються  у 3 групи. Спочатку вони працюють в «домашній» групі. Потім в іншій групі виступають в ролі “експертів” з питання, над яким працювали в «домашній» групі, та отримують інформацію від представників інших груп. Потім учні повертаються у свою «домашню» групу для того, щоб поділитися новою інформацією, яку їм надали  учасники інших груп. )

(ключові компетентності-спілкування державною мовою (в усній формі чітко, однозначно стисло та грамотно формулювати думки, аргументи), математична компетентність (уміти сприймати та відтворювати фізичну інформацію щодо опису явищ у формі математичних співвідношень), основні компетентності у природничих науках і технологіях (розуміти і пояснювати принцип дії та побудови сучасних технічних приладів та технічних процесів, створених на фізичній основі), уміння вчитися   впродовж життя (набувати

нові знання), соціальна та громадянська компетентності (поважати думки і погляди опонентів, цінувати та шанувати внесок видатних українських фізиків, техніків, інженерів, конструкторів у розвиток суспільства) змістова лінія «Громадянська відповідальність»).

1.Стільниковий мобільний радіозв'язок.

2.Радіолокація. Застосування радіолокації (випереджальне завдання ).

3.Принцип роботи імпульсного радіолокатора.

2.1. Стільниковий зв’язок один із видів мобільного радіозв’язку, в

  основі якого лежить стільникова мережа (частотою від 450 до 3000 МГц).

  Основні складові стільникової мережі: стільникові телефони, базові

  станції, центри комутації, які працюють у тому самому частотному

 діапазоні.

Особливість стільникового зв’язку полягає в тому, що зона покриття

ділиться на «стільники», що визначається зонами покриття окремих

    базових станцій. Кожен стільник має площу близько 25 км² і  обслуговуєть

    ся окремою базовою станцією. Стільники частково перекриваються й 

    разом утворюють мережу. На ідеальній (рівній і без забудови) поверхні

    зона покриття однієї базової станції являє собою коло, тому складена з них

    мережа має вигляд шестикутних зон (бджолиних стільників).

Коли вмикається телефон, він починає “прослуховувати” ефір і улавлюва-

    ти сигнал базової станції того стільника, де на даний момент перебуваєте

    клієнт. Після цього телефон випромінює радіосигнал – посилає станції свій

     ідентифікаційний код. Відтоді телефон і станція підтримуватимуть

     радіоконтакт, періодично обмінюючись сигналами.

Такими процесами “керують” центри комутації, які пов’язані з базовими

станціями дротовими каналами зв’язку. Центр комутації безперервно

“відстежує” місце перебування мобільного телефону.

Він “передає” сигнал телефона, як естафетну паличку, від однієї базової

 станції до іншої, коли телефон “подорожує” зі стільника в стільник,   здійснюється вихід на інші мережі (можете зателефонувати на номер

 іншого оператора або стаціонарний телефон, скористатись Інтернетом).

2.2.Радіолокація. Застосування радіолокації (випереджальне )

     Властивість радіохвиль відбиватися від металів установив Г. Герц. Згодом

    було з’ясовано, що електромагнітні хвилі відбиваються від будь-яких тіл,

     при цьому чим краще тіло проводить електричний струм, тим більшою

     буде енергія відбитої хвилі. На відбиванні радіохвиль ґрунтується

     радіолокація.

Радіолокація – спосіб виявлення, розпізнання та визначення місця

розташування об’єктів за допомогою радіохвиль.

Застосування радіолокації (випереджальне завдання ):

- сільське  господарство - визначення структури грунтів, температури,

  вигляду посівів, визначення прошарку сезонного промерзання

  посівів;

- лісове  господарство - виявлення пожеж, управління процесом вирубки

  лісу з метою найкращого збереження екологічної рівноваги і

        запобігання ерозії грунту, засмічення гребель мулом і забруднення   

       прибережних вод;

- океанографія – зондування поверхні океану з метою визначення рельєфу

      поверхонь дна морів і океанів, льодова розвідка, уточнення берегової лінії

- військова справа – спостереження за повітряним простором, виявлення

  цілей, наведення ППО і авіації;

“Стелс” - технологія, що  зменшує  ймовірність  пеленгування  літака про-

 тивником. Поверхня літака зібрана з декількох тисяч плоских трикутни-

 ків, виконаних  з матеріалу, що добре поглинає радіохвилі.   Промінь

 локатора, що падає на нього, розсіюється, тобто відбитий сигнал не

 повертається  в точку, звідки він прийшов (до радіолокаційної  станції 

 супротивника);

- економіка – збереження і використання рибних запасів, прокладання

  маршрутів судів з урахуванням океанських течій;

- космос - запуски та посадки космічних апаратів; уточнено відстані до

  Місяця, Венери, Марса; визначення рельєфу планет;

- географія – уточнення зображень земної поверхні, коректування

  існуючих карт (масштабом менше1:250000), пошуки   місцезнаходжень

    родовищ нафти, природного газу і мінералів;

- геофізика – вивчення структури землекористування, розподілу транспор-

   ту, аналіз розвитку міст;

- гідрологія – складання карт раніше невідомих мілин;

- безпека життя - одним з важливих методів зниження аварійності  є конт

    роль швидкісного режиму руху автотранспорту на дорогах.

Першими  цивільними  радарами  для вимірювання  швидкості  руху

транспорту  американські   поліцейські  користувалися  вже  в  кінці   

 Другої світової війни.  Зараз вони  застосовуються  в  усіх розвинених

 країнах.

       Використання українських супутників в радіолокації

      Запуск супутника "Січ-2"

      (https://www.youtube.com/watch?v=HEstv3-2Aa8&feature=youtu.be)

      (http://sich2.ikd.kiev.ua/ )

2.3.Принцип роботи імпульсного радіолокатора.

Радіолокатор (радар) – забезпечує випромінювання радіохвиль, а також

приймання радіохвиль, які відбиваються від об’єкта.

Режими роботи радіолокатора:

• пошук (сканування) антена радіолокатора весь час сканує простір (наприклад, повертається по горизонталі й одночасно рухається вниз-угору);
• спостереження антена весь час напрямлена на обраний об’єкт.

Принцип роботи  радіолокатора.

        Якщо радіохвилі випромінювати в усіх напрямках або широким пучком, то вони відбиватимуться одночасно від багатьох об’єктів і розпізнати, де розташований досліджуваний об’єкт, наприклад літак, буде неможливо. Тому радіолокатор посилає хвилі напрямлено та вузьким пучком, а виявлення відбитого сигналу свідчить, що досліджуваний об’єкт розташований у напрямку поширення радіохвиль. Розрізняють два основні режими роботи радіолокатора. У режимі пошуку (сканування) антена радіолокатора весь час сканує простір (наприклад, повертається по горизонталі й одночасно рухається вниз-угору). У режимі спостереження антена весь час напрямлена на обраний об’єкт.   Радіосигнал, який посилає радіолокатор, являє собою короткочасний (тривалістю мільйонні частки секунди), але дуже потужний імпульс. Щойно імпульс послано, антена радіолокатора автоматично перемикається на прийом: радіолокатор “слухає” ефір — чекає на відбитий сигнал. Приймач має високу чутливість (відбитий радіосигнал досить слабкий), тому на час випромінювання імпульсу його відключають, інакше апаратура зіпсується. Через певний інтервал часу (значно більший за тривалість імпульсу) антена знову перемикається на радіопередавач і радіолокатор посилає наступний імпульс.

Відстань s до об’єкта визначають за часом t проходження радіоімпульсу до цілі й назад.

 

Формування вмінь та навичок

(слайди)                                                 прийом «Незакінчені речення»

(ключові компетентності: спілкування державною мовою (в письмовій формі чітко та грамотно формулювати думки), основні компетентності у природничих науках і технологіях (розуміти та пояснювати письмово фізичний зміст фізичних явищ),

Вставте пропущені слова за змістом тексту.

«Найбільша ділянка шкали електромагнітних хвиль належить …. Властивості, що забезпечили широке застосування ультракоротких радіохвиль  у бездротовому зв’язку: поширюються в межах ... видимості, їх можна посилати  вузькими пучками , який менше …. Один із видів бездротового радіозв’язку - ... . в основі якого лежить стільникова ... . Основні складові стільникової мережі: ..., ..., ... Виявлення, розпізнання та визначення місця розташування об’єктів за допомогою радіохвиль               - це ... Радіолокатор ... вузький напрямлений пучок радіохвиль і ... радіохвилі, відбиті від об’єктів.»

     (радіохвилі; прямої; розсіюється; стільниковий; мережа; стільникові  

     телефони, базові станції, центри комутації; радіолокація; створює;

     приймає)

прийом «Відстрочена відгадка» -ІІ.

прийом «Мозковий штурм»

  Яким способом апарат Кагуа визначив глибину печери на видимому боці  

   Місяця?

Відповідь: За допомогою радіолокації вдалося вивчити підземну структуру печери. Виявилося, що вона простягається на 50 км.

 

Розв’язування розрахункових задач

1. Скільки імпульсів щосекунди випромінював радіолокатор апарату Кагуа, якщо глибина печери на видимому боці Місяця 50 км?

Дано:	Розв’язання   Відповідь:.

 

2. Мобільні телефони роблять життя людини комфортним та інформативно насиченим. 2019 рік став першим роком, який Україна зустріла з 4G-інтернетом (його запустили в квітні 2018р.). Впровадження 4G почалося зі допоміжних частот - 2600 МГц. На якій довжини хвилі він працює?

Дано:	Розв’язання =2,6*109Гц          Відповідь: .

 

3.Чому з масовим запуском 4G мобільний зв'язок подорожчав?

(змістові лінії: «Екологічна безпека і сталий розвиток», «Здоров'я і безпека», «Підприємливість і фінансова грамотність»)

Відповідь:

Всі великі оператори України оновили тарифні сітки, а також методику тарифікації: скорочення терміну дії ряду тарифів до 4 тижнів дозволяє списувати абонентську плату не 12, а 13 раз на рік. На ситуацію навіть звернули увагу в Антимонопольному комітеті України, де відкрили  справу за порушення нормативних обмежень. Оператори пояснили це збільшенням інвестиційних витрат на модернізацію базових станції,для підтримки всіх стандартів мобільного зв'язку, щоб не будувати мережу з нуля всякий раз, як з'явиться нова технологія.

У світі більш популярним є поширення 4G-інтернету частотами у діапазоні 1800 МГц. Головна їхня відмінність у тому, що чим вища частота, тим менша площа покриття сигналом, але більша кількість одночасних з’єднань. Тобто частота у діапазоні 2600 МГц вигідна для забезпечення 4G-зв’язком великої кількості людей, які проживають компактно. Наприклад, для великих мегапо- лісів. Частота у діапазоні 1800МГц дозволяє значно розширити покриття, включивши невеликі населені пункти.

     Мобільні телефони роблять життя людини комфортним та інформативно насиченим, але всесвітня організація охорони здоров’я (ВООЗ) уже давно класифікує електромагнітні випромінювання мобільних телефонів, як один із можливих канцерогенів людини.

 Тому, питання   сьогодні полягає не в тому, щоб позбутися мобільних телефонів, а щоб максимально захиститися  від їхнього негативного впливу.

 

Підсумок уроку. Рефлексія

прийом «Закінчи фразу»

Сьогодні я дізнався...   Було цікаво...   Було важко...

Я виконував завдання...   Моїм найбільшим досягненням на уроці є...

Оцінювання учнів.

 

Домашнє завдання 

§21,  вправа № 21:№3- 4 – за бажанням, с.139.

Випромінювання мобільних телефонів пригнічує електромагнітні імпульси клітин живих організмів (експериментально доведено, сигнали мобільних телефонів змінюють   електричні імпульси головного мозку), нагріває організм «зсередини». Скласти пам’ятку про безпечне використання мобільних телефонів «Не стань рабом мобільного телефону».