Принципы радиосвязи и примеры их практического использования

Английский ученый Джеймс Максвелл на основании изучения экспериментальных работ Фарадея по электричеству высказал гипотезу о существовании в природе особых волн, способных распространяться в вакууме. Эти волны Максвелл назвал электромагнитными волнами. По представлениям Максвелла: при любом изменении электрического поля возникает вихревое магнитное поле и, наоборот, при любом изменении магнитного поля возникает вихревое электрическое поле. Однажды начавшийся процесс взаимного порождения магнитного и электрического полей должен непрерывно продолжаться и захватывать все новые и новые области в окружающем пространстве (рис. 42). Процесс взаимопорождения электрических и магнитных полей происходит во взаимно перпендикулярных плоскостях. Переменное электрическое поле порождает вихревое магнитное поле, переменное магнитное поле порождает вихревое электрическое поле.

Электрические и магнитные поля могут существовать не только в веществе, но и в вакууме. Поэтому должно быть возможным распространение электромагнитных волн в вакууме.

Условием возникновения электромагнитных волн является ускоренное движение электрических зарядов. Так, изменение магнитного поля происходит

при изменении тока в проводнике, а изменение тока происходит при изменении скорости зарядов, т. е. при движении их с ускорением. Скорость распространения электромагнитных волн в вакууме, по расчетам Максвелла, должна быть приблизительно равна 300 000 км/с.

Впервые опытным путем получил электромагнитные волны физик Генрих Герц, использовав при этом высокочастотный искровой разрядник (вибратор Герца). Герц опытным путем определил также скорость электромагнитных волн. Она совпала с теоретическим определением скорости волн Максвеллом. Простейшие электромагнитные волны — это волны, в которых электрическое и магнитное поля совершают синхронные гармонические колебания.

Конечно, электромагнитные волны обладают всеми основными свойствами волн.

Они подчиняются закону отражения волн: угол падения равен углу отражения. При переходе из одной среды в другую преломляются и подчиняются закону преломления волн: отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для двух данных сред и равная отношению скорости электромагнитных волн в первой среде к скорости электромагнитных волн во второй среде и называется показателем преломления второй среды относительно первой.

Явление дифракции электромагнитных волн, т. е. отклонение направления их распространения от прямолинейного, наблюдается у края преграды или при прохождении через отверстие. Электромагнитные волны способны к интерференции. Интерференция — это способность когерентных волн к наложению, в результате чего волны в одних местах друг друга усиливают, а в других местах — гасят. (Когерентные волны — это волны, одинаковые по частоте и фазе колебания.) Электромагнитные волны обладают дисперсией, т. е. когда показатель преломления среды для электромагнитных волн зависит от их частоты. Опыты с пропусканием электромагнитных волн через систему из двух решеток показывают, что эти волны являются поперечными.

При распространении электромагнитной волны векторы напряженности Е и магнитной индукции В перпендикулярны направлению распространения волны и взаимно перпендикулярны между собой (рис. 43).

Возможность практического применения электромагнитных волн для установления связи без проводов продемонстрировал 7 мая 1895 г. русский физик А. Попов. Этот день считается днем рождения радио. Для осуществления радиосвязи необходимо обеспечить возможность излучения электромагнитных волн. Если электромагнитные волны возникают в контуре из катушки и конденсатора, то переменное магнитное поле оказывается связанным с катушкой, а переменное электрическое поле — сосредоточенным между пластинами конденсатора. Такой контур называется закрытым (рис. 44, а).

Закрытый колебательный контур практически не излучает электромагнитные волны в окружающее пространство. Если контур состоит из катушки и двух пластин плоского конденсатора, то под чем большим углом развернуты эти пластины, тем более свободно выходит электромагнитное поле в окружающее пространство (рис. 44, б). Предельным случаем раскрытого колебательного контура является удаление пластин на противоположные концы катушки. Такая система называется открытым колебательным контуром (рис. 44, в). В действительности контур состоит из катушки и длинного провода — антенны.

Энергия излучаемых (при помощи генератора незатухающих колебаний) электромагнитных колебаний при одинаковой амплитуде колебаний силы тока в антенне пропорциональна четвертой степени частоты колебаний. На частотах в десятки, сотни и даже тысячи герц интенсивность электромагнитных колебаний ничтожно мала. Поэтому для осуществления радио- и телевизионной связи используются электромагнитные волны с частотой от нескольких сотен тысяч герц до сотен мегагерц.

При передаче по радио речи, музыки и других звуковых сигналов применяют различные виды модуляции высокочастотных (несущих) колебаний. Суть модуляции заключается в том, что высокочастотные колебания, вырабатываемые генератором, изменяют по закону низкой частоты. В этом и заключается один из принципов радиопередачи. Другим принципом является обратный процесс — детектирование. При радиоприеме из принятого антенной приемника модулированного сигнала нужно отфильтровать звуковые низкочастотные колебания.

С помощью радиоволн осуществляется передача на расстояние не только звуковых сигналов, но и изображения предметов. Большую роль в современном морском флоте, авиации и космонавтике играет радиолокация. В основе радиолокации лежит свойство отражения волн от проводящих тел. (От поверхности диэлектрика электромагнитные волны отражаются слабо, а от поверхности металлов почти полностью.)

Электромагнитная волна – это меняющееся с течением времени и распространяющееся в пространстве электромагнитное поле.

Свойства электромагнитных волн:

1.Возникают при ускоренном движении зарядов.

2.Являются поперечными.

3.Имеют скорость в вакууме 3 ٠ 10⁸ м/с.

4.Переносят энергию

5.Проникающая способность и энергия зависит от частоты.

6.Отражаются.

7.Обладают интерференцией и дифракцией.

Свойство отражения электромагнитных волн используется в радиолокации.

Радиолокация – это обнаружение и определение местонахождения объектов с помощью радиоволн.

Радиолокационная установка (радиолокатор) состоит из передающей и приёмной частей.

От передающей антенны идёт электромагнитная волна, доходит до объекта и отражается.

Радиолокаторы используют в военных целях, а также службой погоды для наблюдения за облаками. С помощью радиолокации исследуются поверхности Луны, Венеры и других планет.

Билет №13

Механическая работа. Мощность. Энергия; кинетическая энергия; потенциальная энергия тела в однородном поле тяготения и энергия упруго деформированного тела; закон сохранения энергии; закон сохранения энергии в механических процессах; границы применимости закона сохранения механической энергии, работа как мера изменения механической энергии тела.
Принципы радиосвязи: излучение электромагнитных волн зарядом, движущимся с ускорением; амплитудная модуляция; детектирование; развитие средств связи; радиолокация.
Задача на применение уравнения состояния идеального газа.

Вопрос 1. Механическая работа. Мощность. Кинетическая и потенциальная энергия. Закон сохранения энергии механических процессов.

Работа – это величина, равная произведению силы, приложенной к телу на величину перемещения.

А= F*s, где А – работа, Дж

F – сила, Н

s - перемещение, м

Механическая энергия – эта сумма потенциальной и кинетической энергии тела: W=W_кин*W_п

W_кин - кинетическая энергия – это энергия движения. Этой энергией обладает любое тело, которое находится в движении: , где m - масса тела (кг), V - скорость (м/с²)

W_п- потенциальная энергия (Дж) – это энергия взаимодействия, зависит от массы тела (m) и его высотой над землей (h):

Если тело или система тел могут совершить работу, то они обладают энергией.

Энергия – это физическая величина, показывающая, какую работу может совершить тело.

Энергия обозначается буквой Е, измеряется в Джоулях (Дж).

Механическая энергия бывает двух видов: кинетическая и потенциальная.

Кинетической энергией называется величина, равная половине произведения массы тела на квадрат его скорости.

Кинетическая энергия – это энергия движения. Например, кинетической энергией обладает двигающаяся машина, летящий воздушный шарик и т.д.

Потенциальная энергия определяется положением тела по отношению к другим телам или взаимным расположением частей одного и того же тела.

Величину, равную произведению массы тела на ускорение свободного падения и на высоту тела над поверхностью Земли, называют потенциальной энергией взаимодействия тела и Земли.

Величину, равную половине произведения коэффициента упругости на квадрат деформации, называют потенциальной энергией упруго деформированного тела.

Например, потенциальной энергией обладает подброшенный на высоту мяч или сжатая пружина.

Для замкнутой системы тел выполняется закон сохранения энергии: полная механическая энергия тела или замкнутой системы тел остаётся постоянной (если не действуют силы трения).

Вопрос 2. Принципы радиотелефонной связи. Амплитудная модуляция и детектирование. Простейший радиоприёмник.

Для осуществления радиосвязи используются электромагнитные волны частотой от нескольких сотен тысяч герц до сотен тысяч мегагерц. Такие волны хорошо излучаются антеннами передатчиков, распространяются в пространстве и доходят до антенны приёмника.

Микрофон передатчика преобразует звуковые волны в электрические колебания низкой частоты, которые не излучаются антенной. Эти колебания складываются с колебаниями, которые вырабатывает генератор высокой частоты, и получаются амплитудно-модулированные колебания. Они являются высокочастотными, но изменёнными по амплитуде в соответствии со звуковыми колебаниями.

Амплитудно-модулированные колебания излучаются передающей антенной и доходят до приёмной антенны. В приёмнике происходит детектирование – выделение из высокочастотных модулированных колебаний сигнала звуковой частоты.

Простейший приёмник состоит из приёмной антенны, колебательного контура, детектора, конденсатора, усилителя и динамика.

В антенне приёмника возникают колебания той же частоты, на которой работает передатчик. Чтобы настроить радиоприёмник на частоту какой-нибудь радиостанции обычно используют конденсатор переменной ёмкости. С изменением его ёмкости меняется собственная частота контура приёмника. При совпадении этой частоты с частотой какой-нибудь радиостанции наступает резонанс – резкое увеличение силы тока.

Затем с колебательного контура модулированные колебания поступают на детектор, который пропускает ток только в одном направлении. После детектора ток становится пульсирующий. Импульсы тока делятся: часть заряжает конденсатор, другая часть идёт на динамик. В промежутке между импульсами, когда через детектор ток не идет, конденсатор разряжается через динамик. В результате этого через нагрузку течёт ток звуковой частоты, и из динамика слышны музыка или речь.

Шкала электромагнитных излучений. Применение электромагнитных излучений на практике.

Шкала электромагнитных волн простираются от длинных радиоволн (λ>1 км) до γ-лучей (λ<10^{-10 м). Электромагнитные волны различной длины условно делят на диапазоны по различным признакам (способу получения, способу регистрации, характеру взаимодействия с веществом).}

Принято выделять следующие семь излучений: низкочастотное излучение, радиоизлучение, инфракрасные лучи, видимый свет, ультрафиолетовые лучи, рентгеновские лучи и гамма- излучение.

Низкочастотное излучение имеет самую маленькую частоту и самую большую длину волны. Его источники: переменные токи и электрические машины. Это излучение слабо поглощается воздухом, намагничивает железо. Применяется для изготовления постоянных магнитов, в электротехнической промышленности.

Радиоволны находятся в интервале частот от 10³ до 10¹¹ Гц. Они излучаются антеннами передатчиков и также лазерами. Радиоволны хорошо распространяются в воздухе, отражаются от металлических предметов, облаков. Радиоволны используются для радиосвязи и радиолокации.

Инфракрасное излучение имеет ещё большую частоту, чем радиоволны (до 10¹⁴ Гц) и излучается всеми нагретыми телами. Оно хорошо проходит через туман и другие непрозрачные тела, действует на термоэлементы. Применяется для плавки, сушки, в приборах ночного видения, в медицине.

Видимый свет имеет частоту порядка 10¹⁴ Гц, длину волны 10⁷ м. Это единственное видимое излучение. Источники: Солнце, лампы. Свет делает видимыми окружающие предметы, разлагается на лучи разного цвета, вызывает фотоэффект и фотосинтез.

Используется для освещения.

Ультрафиолетовое излучение имеет частоту от 10¹⁴ до 10¹⁷ Гц. Его источники: Солнце, кварцевые лампы. Это излучение вызывает фотохимические реакции, на коже образуется загар, убивает бактерии, поглощается озоном. Применяется в медицине, в газоразрядных лампах.

Рентгеновские лучи образуются в рентгеновской трубке при резком торможении электронов. Они обладают большой проникающей способностью, активно воздействуют на клетки, фотоэмульсию. Применяются в медицине, в рентгенографии.

Гамма-лучи (γ-лучи) имеют самую большую частоту (10¹⁹-10²⁹ Гц). Они образуются при радиоактивном распаде, при ядерных реакциях. Имеют наибольшую проникающую способность, не отклоняются полями, разрушают живые клетки. Применяются в медицине, военном деле.

Билет №14

Основные положения молекулярно-кинетической теории и их опытное обоснование. Масса и размеры молекул.
Свет как электромагнитная волна. Скорость света. Интерференция света, опыт Юнга; цвета тонких пленок.
Экспериментальное задание: «Измерение плотности вещества твердого тела».

Вопрос 1. Основные положения молекулярно-кинетической теории и их опытное обоснование. Масса и размеры молекул.

Молекулярно-кинетическая теория (МКТ) – это учение о строении и свойствах вещества, использующее представления о существовании атомов и молекул как мельчайших частиц вещества.

В основе МКТ лежат три основных положения:

1.Все вещества состоят из мельчайших частиц: атомов и молекул.

2.Эти частицы беспорядочно двигаются.

3.Частицы взаимодействуют друг с другом.

Основные положения МКТ подтверждаются опытными фактами.

Существование атомов и молекул доказано экспериментально, получены фотографии с помощью электронных микроскопов.

Способность газов неограниченно расширяться и занимать весь объём объясняется непрерывном хаотичным движением молекул. Также его объясняет диффузия и броуновское движение.

Упругость газов, твёрдых и жидких тел, способность жидкостей смачивать некоторые твёрдые тела, процессы окрашивания, склеивания, сохранения формы твёрдыми телами говорят о существовании сил притяжения и отталкивания между молекулами.

Массы и размеры молекул очень малы, и удобно использовать не абсолютные значения масс, а относительные. Относительные атомные массы всех химических элементов указаны в таблице Менделеева (в сравнении с массой атома углерода).

Количество вещества, содержащее столько же частиц, сколько атомов содержится в 0,012 кг углерода, называется одним молем.

В одном моле любого вещества содержится одно и то же число атомов или молекул. Это число называется постоянной Авогадро: .