Конкурс "Я иду на урок"

Физические основы радиосвязи

Урок 8-й, последний, из серии уроков на тему «Электромагнитные волны». См. № 24/08; 2, 4, 6, 8, 18, 20/09

Цели обучения: изучение физических основ и принципов радиосвязи.

Цели развития: формирование умений построения математических моделей, анализа математических соотношений, умений анализа простейших радиосхем.

Цели воспитания: формирование убеждения, что любое физическое открытие может быть использовано на практике; воспитание уважения к творцам науки и техники, обеспечивающим ведущую роль физики в создании современного мира техники.

Дидактические средства

1. Мякишев Г.Я. Физика: Учеб. для 11 кл. общеобразоват. учреждений / Г.Я.Мякишев, Б.Б.Буховцев. – М.: Просвещение, 2004.
2. Касьянов В.А. Физика. 11 кл.: Учебн. для 11 кл. общеобразоват. учеб. заведений. – М.: Дрофа, 2002.
3. Гельфгат И.М., Генденштейн Л.Э., Кирик Л.А. 1001 задача по физике с ответами, указаниями, решениями. – М.: Илекса, 2007. 
4. Электронная версия опорного конспекта урока; видеофрагменты демонстрационных опытов.
5. Комплект для изучения электромагнитных волн (выпускается ЗАО НПК «Компьютерлинк»), регулятор напряжения школьный типа РНШ.

 

8.1. Введение

Учитель. Наша сегодняшняя задача – узнать, как труды Фарадея, Максвелла и Герца по классической электродинамике вызвали создание устройств, обеспечивающих радиосвязь, т.е. беспроводную передачу информации на расстояние. Первые устройства радиосвязи построены русским физиком А.С.Поповым и, чуть позже, итальянским инженером Г.Маркони в самом начале ХХ в. Эти устройства, непрерывно совершенствуясь в течение целого столетия, полностью преобразили человеческую цивилизацию. Конечно, нас интересуют только физические основы передачи информации с помощью электромагнитного излучения.

 

8.2. Амплитудная модуляция сигнала

Учитель. Чтобы осуществить проводную или беспроводную связь на большие расстояния, вначале нужно исходный сигнал преобразовать в электрический. Например, речь человека относится к звуковым сигналам. Микрофон преобразует звуковые колебания в переменное напряжение – электрический сигнал. Если по одному каналу связи передавать электрические сигналы в одном и том же диапазоне частот, то возникнет неразбериха. Что вы услышите, если одновременно по телефонной линии с вами будут говорить несколько человек? Как выйти из этого положения?

Учащиеся. Можно каждой паре абонентов предоставить свой канал связи, тогда никто никому не будет мешать.

Учитель. Это нерационально. Поступают так. Берут один канал связи и одновременно посылают по нему несущие информацию сигналы высокой частоты, полосы частот которых не накладываются друг на друга.

Учащиеся. Непонятно, как на практике получаются такие сигналы, например, из обычной речи?

Учитель. Пусть сигнал высокой частоты ω описывается формулой

u = u_mcosωt. (8.1)

Тем или иным способом воздействуем на амплитуду u_m этого сигнала сигналом низкой частоты Ω так, чтобы изменение амплитуды составило Δu_mcosΩt. Тогда вместо формулы (8.1) получим

u = (u_m + Δu_mcosΩt)cosωt.

Такой сигнал высокой частоты, амплитуда которого меняется с низкой частотой, называется амплитудно-модулированным. Последнюю формулу можно переписать в виде

u = u_m(1 + mcosΩt)cosωt. (8.2)

Коэффициент m = Δu_m/u_m принято называть глубиной модуляции. Нарисуйте графики амплитудно-модулированного сигнала для глубины модуляции m₁ = 0,5 и m₂ = 1,0.

Учащиеся. Для этого нужно сначала нарисовать высокочастотный сигнал (рис. 8.1, а), а затем изобразить модулирующий низкочастотный сигнал (рис. 8.1, б). После этого нетрудно нарисовать графики амплитудно-модулированных сигналов с глубиной модуляции m₁ = 0,5 (рис. 8.1, в) и m₂ =1,0 (рис. 8.1, г).

 

8.3. Спектр амплитудно-модулированного сигнала

Учитель. Зависимость амплитуды сигнала от его частоты называется спектром. В формуле (8.2) выражение

u_m(1 + mcosΩt)

можно считать медленно меняющейся амплитудой высокочастотного сигнала cosωt. Чтобы получить спектр амплитудно-модулированного сигнала, формулу (8.2) нужно переписать так, чтобы она состояла только из компонентов с постоянными амплитудами. Сделайте это, воспользовавшись тригонометрической формулой

Таким образом, амплитудно-модулированное колебание можно считать не только высокочастотным колебанием с медленно меняющейся амплитудой, но и суммой трёх высокочастотных колебаний разных частот с постоянными амплитудами.

Учитель. Спектр рассматриваемого нами амплитудно-модулированного сигнала представлен на рис. 8.2. Это линейчатый спектр, который состоит из трёх линий с частотами ω – Ω, Ω и ω + Ω. Вы видите, что ширина спектра равна удвоенному значению частоты w модулирующего сигнала. Обратите внимание также на спектр низкочастотного модулирующего сигнала, который состоит из одной линии частотой Ω.

 

8.4. Канал радиосвязи

Учитель. Теперь нетрудно сообразить, что для передачи информации посредством электромагнитных волн канал радиосвязи должен включать в себя передатчик и приёмник, настроенный на частоту передатчика. Причём в передатчике должны быть генератор высокой частоты, модулятор и колебательный контур, а в приёмнике – перестраиваемый колебательный контур и демодулятор. Во многих случаях для увеличения дальности радиосвязи с колебательными контурами передатчика и приёмника соединяют антенны и заземления.

Учащиеся. Для чего нужен модулятор, понятно, а зачем используют демодулятор? Ведь амплитудно-модулированный сигнал содержит низкочастотную информацию?

Учитель. Конечно, но самого сигнала низкой частоты в нём нет, – посмотрите ещё раз на его спектр (рис. 8.2). Поэтому из принятого амплитудно-модулированного сигнала высокой частоты нужно извлечь или, лучше сказать, «изготовить» низкочастотный модулирующий сигнал. Проще всего выпрямить переменное напряжение высокой частоты и сгладить его пульсации так, чтобы в итоге остался сигнал низкой частоты, содержащий передаваемую информацию. На рис. 8.3 изображён простейший канал радиосвязи. Попробуйте разобраться, как он функционирует.

Учащиеся. Слева изображён генератор высокой частоты на транзисторе, который мы уже изучили. Последовательно с источником питания включена вторичная обмотка трансформатора, с первичной обмоткой которого соединён микрофон. Когда в микрофон говорят, меняется напряжение на вторичной обмотке трансформатора. Оно складывается с постоянным напряжением питания. В результате генератор питается пульсирующим напряжением, и амплитуда вырабатываемого им напряжения высокой частоты меняется в соответствии с низкочастотным сигналом. Амплитудно-модулированное напряжение приложено между антенной и заземлением. Поэтому антенна излучает амплитудно-модулированную электромагнитную волну.

Учитель. Радиоприёмник (рис. 8.3, справа) состоит из подключённого к антенне и заземлению колебательного контура, детектора (диода), фильтра низкой частоты, усилителя и динамика. Колебательный контур можно перестраивать по частоте, например, конденсатором переменной ёмкости. В приёмной антенне возбуждается переменный ток одновременно от огромного количества работающих в данный момент радиостанций. Для получения нужной информации следует выделить одну радиостанцию. Эту функцию осуществляет колебательный контур. Объясните, как работает приёмник.

Учащиеся. При настройке контура на частоту радиостанции возникает резонанс, и напряжение на контуре значительно возрастает. Принятый амплитудно-модулированный сигнал детектируется полупроводниковым диодом, из него посредством низкочастотного фильтра выделяется содержащий информацию модулирующий сигнал, который усиливается и преобразуется в звуковой.

Учитель. Уточните, каким требованиям должен удовлетворять колебательный контур.

Учащиеся. Понятно, что колебательный контур приёмника, с одной стороны, должен иметь узкую полосу пропускания, чтобы ненужные станции не мешали. С другой стороны, эта полоса пропускания должна быть достаточно широкой, чтобы контур пропускал весь спектр принятого сигнала.

 

8.5. Физические принципы радиосвязи

Учитель. В основе радиосвязи лежит несколько простых принципов: 1) использование электромагнитной волны высокой частоты в качестве несущей низкочастотную информацию; 2) применение в передатчике и приёмнике колебательных контуров, настроенных на одну и ту же резонансную частоту, равную частоте несущей; 3) модуляция в передатчике высокочастотного колебания содержащим информацию низкочастотным и демодуляция выделенного в приёмнике высокочастотного модулированного колебания. Попробуйте объяснить, почему используются перечисленные принципы. Начнём с первого.

Учащиеся. Низкочастотные электромагнитные волны плохо излучаются, и следовательно, для передачи на большие расстояния необходима значительная мощность. Интенсивность электромагнитного излучения растёт пропорционально четвёртой степени частоты, поэтому для радиосвязи предпочтительнее высокочастотные колебания.

Учитель. Правильно. Но это только одна причина. Чтобы вам проще было сформулировать другую, представьте, что вы находитесь в толпе одинаково громко говорящих людей и что вам нужно услышать и понять вполне определённого человека.

Учащиеся. Подобную ситуацию мы уже рассматривали: мы не можем услышать нужного нам человека потому, что все говорят в одном и том же диапазоне частот. В результате разные звуковые сигналы низкой частоты смешиваются и не удаётся выделить нужную информацию. Поэтому для радиосвязи используют электромагнитные волны высокой частоты, чтобы каждая радиостанция занимала свою полосу частот и не мешала другим.

Учитель. Хорошо. А почему в передатчике и приёмнике используют колебательные контуры, настроенные на одну и ту же частоту?

Учащиеся. Меняя параметры контура приёмника, можно добиться того, чтобы его резонансная частота совпала с частотой интересующей нас радиостанции. Тогда будет приниматься сигнал только этой радиостанции.

Учитель. В качестве передатчика я использую генератор УВЧ, а информацию буду передавать, включая и выключая передатчик: кратковременное включение – «точка», длительное – «тире». Буквы алфавита можно закодировать различными комбинациями точек и тире. Такой код действительно в своё время был создан и получил название азбуки Морзе. Пользуясь этой азбукой, в принципе можно передать любую информацию.

Учащиеся. Сейчас вообще стараются всю информацию передавать цифровым кодом.

Учащиеся. Лампа приёмного диполя зажигается и гаснет в такт с включениями и выключениями генератора.

Учитель. Теперь я включаю генератор УВЧ в сеть через регулятор напряжения и параллельно излучающей антенне располагаю приёмную антенну, длина которой может изменяться (рис. 8.4). Посмотрите, я поворачиваю рукоятку регулятора, и напряжение питания генератора плавно изменяется от максимума до минимума, а в соответствии с этими изменениями меняется свечение лампы приёмного диполя. Проанализируйте опыт и сделайте выводы.

Учащиеся. В опыте мы наблюдаем получение амплитудно-модулированного сигнала, передачу его посредством электромагнитного излучения и приём этого сигнала диполем с лампой. Можно сказать, что продемонстрирован канал радиосвязи.

Учитель. Что находится в корпусе генератора, мы не знаем, но уверены, что он создаёт колебания ультравысокой частоты, которые поступают на дипольную антенну и излучаются в пространство. Приёмный диполь, с одной стороны, является антенной, принимающей сигнал передатчика, а с другой, представляет собой колебательный контур, который можно настроить на частоту передатчика изменением его длины. Лампа, включённая в разрыв приёмной антенны, является своеобразным демодулятором. Действительно, через неё проходит амплитудно-модулированный переменный ток высокой частоты. Но нить лампы светится независимо от направления тока, так что специального детектирования не нужно. Кроме того, нить инерционна и не успевает за колебаниями тока, поэтому сглаживает пульсации подобно тому, как это делает низкочастотный фильтр. В результате мы наблюдаем колебания свечения лампы, содержащие передаваемую информацию.

8.6. Заключение

Учитель. Что нового вы узнали на этом уроке? Чему вы научились? Что произвело на вас наибольшее впечатление?

Учащиеся. Мы узнали, что такое амплитудная модуляция сигнала, что собой представляет спектр амплитудно-модулированного сигнала, познакомились с физическими принципами радиосвязи и научились анализировать канал радиосвязи. На уроке был только один опыт, из которого мы поняли, как осуществляется амплитудная модуляция электромагнитной волны.

Учитель. Как обычно, домашнее задание даётся тем, кому интересно его выполнять, или тем, кто хочет узнать новое, повторить пройденное, углубить свои знания и умения.

1. В чём суть изобретения А.С.Попова? Как работает приёмник А.С.Попова? [Г.Я.Мякишев, § 51, 53; В.А.Касьянов, § 52.]
2. Изложите принципы радиосвязи. Для чего нужна модуляция? Какие виды модуляции существуют? Как осуществляются модуляция и детектирование? [Г.Я.Мякишев, § 52, 53; В.А.Касьянов, § 52, 53.]
3. Что представляет собой канал радиосвязи? Как распространяются радиоволны в атмосфере? [Г.Я.Мякишев, § 55–58; В.А.Касьянов, § 52.]
4. Какова физическая сущность радиолокации? Как осуществляется телевидение? [Г.Я.Мякишев, § 55–58; В.А.Касьянов, § 52.]
5. Колебательный контур радиопередатчика настроен на частоту 1 МГц. Как и во сколько раз нужно изменить индуктивность катушки контура, чтобы передатчик давал радиоволну длиной 150 м?
6. Передатчик излучает электромагнитную волну длиной 30 м, которая модулирована частотой 1 кГц. Сколько электромагнитных колебаний высокой частоты происходит в течение пяти периодов колебаний низкой частоты?
7. Антенна радиолокатора находится на высоте 50 м над уровнем моря. На каком максимальном расстоянии может быть обнаружен катер противника? С какой максимальной частотой при этом должны испускаться импульсы?