Физические основы современных беспроводных средств связи. Радиолокация

 
 

Обратившись к шкале электромагнитных волн (см. рис. 20.1), увидим, что наибольший ее участок принадлежит радиоволнам. Так как частоты этих волн существенно отличаются, то отличаются и свойства волн. Подробнее о радиоволнах вы узнаете в старшей школе, а сейчас остановимся на применении ультракоротких радиоволн (длиной от нескольких сантиметров до нескольких метров).

Изучаем особенности распространения ультракоротких радиоволн

По своим свойствам ультракороткие радиоволны очень близки к световым лучам: они распространяются в пределах прямой видимости, их можно посылать узкими пучками. Именно эти свойства обеспечили широкое применение ультракоротких радиоволн в радиолокации, беспроволочной связи, спутниковом телевидении. Узкий луч меньше рассеивается (что позволяет применять менее мощные передатчики), его проще принимать.

Узнаём, почему мобильную радиосвязь называют сотовой

Сотовая связь — один из видов мобильной радиосвязи, в основе которого лежит сотовая сеть.

Для сотовой связи используют электромагнитные волны частотой от 450 до 3000 МГц. Главная особенность такой связи заключается в том, что общая зона покрытия делится на небольшие участки — соты (их так называют, поскольку они имеют форму шестиугольника). Каждая ячейка сот имеет площадь около 25 км2 и обслуживается отдельной базовой станцией. Соты, частично перекрываясь, образуют сеть (рис. 21.1).

Рис. 21.1. Основные составляющие сотовой сети: сотовые телефоны, базовые станции, центры коммутации



 

Каждый из вас умеет пользоваться мобильным телефоном. А как он осуществляет связь?

Когда вы включаете телефон, он начинает «прослушивать» эфир и улавливает сигнал базовой станции той ячейки, где вы на данный момент находитесь. После этого телефон излучает радиосигнал — посылает станции свой идентификационный код. С этого момента телефон и станция будут поддерживать радиоконтакт, периодически обмениваясь сигналами.

Но вы не всегда находитесь в одном месте, и, если в какой-то момент окажетесь в другой ячейке, ваш телефон наладит связь с базовой станцией этой ячейки. Ячейки частично перекрываются, поэтому вы даже не заметите, что вас начала обслуживать другая станция. А вот если телефон не сможет найти ближайшую станцию и передать ей свой код, связь прервется и на дисплее появится информация об отсутствии сети.

Описанными процессами «руководят» центры коммутации, которые связаны с базовыми станциями проводными каналами связи. По сути центр коммутации непрерывно «отслеживает» месторасположение вашего мобильного телефона. Он «передает» вас, как эстафетную палочку, от одной базовой станции к другой, когда вы «путешествуете» из ячейки в ячейку. Именно через центры коммутации осуществляется выход на другие сети: вы можете позвонить товарищу, телефон которого обслуживается другим оператором, сделать звонок на стационарный телефон, воспользоваться Интернетом и т. д.

Изучаем радиолокацию

Свойство радиоволн отражаться от металлов установил Г. Герц. Со временем выяснили, что электромагнитные волны отражаются от любых тел, и чем лучше тело проводит электрический ток, тем больше энергия отраженной волны. На отражении радиоволн основана радиолокация.

Радиолокация — способ обнаружения, распознавания и определения местонахождения объектов с помощью радиоволн.

Радиолокационная установка — радиолокатор (радар) — обеспечивает излучение радиоволн, а также прием радиоволн, отраженных от объекта (рис. 21.2).


Если радиоволны излучать во всех направлениях или широким пучком, они будут отражаться одновременно от многих тел и выяснить, где находится интересующий объект, например самолет, будет невозможно. Поэтому радиолокатор посылает волны направленно и узким пучком, а обнаружение отраженного сигнала свидетельствует, что объект находится в направлении распространения радиоволн (рис. 21.3).

Различают два основных режима работы радиолокатора. В режиме поиска (сканирования)

антенна радиолокатора все время сканирует пространство (например, поворачивается по горизонтали и одновременно движется вниз-вверх). В режиме наблюдения антенна все время направлена на выбранный объект.

Рис. 21.3. Излучение узкого направленного пучка ультракоротких радиоволн и прием отраженного сигнала обеспечивает параболическая антенна радиолокатора

Рис. 21.4. Современный «летающий радар» может обнаружить самолет противника на расстоянии 540 км

Рис. 21.5. Радар современного морского судна

Выясняем, как работает радиолокатор

Радиосигнал, посылаемый радиолокатором, представляет собой короткий (продолжительностью миллионные доли секунды), но очень мощный импульс. Как только импульс послан, антенна радиолокатора автоматически переключается на прием: радиолокатор «слушает» эфир — ждет отраженного сигнала. У приемника высокая чувствительность (отраженный радиосигнал довольно слаб), поэтому на время излучения импульса приемник отключают, иначе аппаратура испортится.

Через определенный интервал времени (значительно больший, чем продолжительность импульса) антенна снова переключается на радиопередатчик, а радиолокатор посылает следующий импульс.

Расстояние s до объекта определяют по времени t прохождения радиоимпульса до цели и обратно. Скорость распространения электромагнитных волн в воздухе практически равна скорости распространения света в вакууме (c = 3 · 108 м/с), поэтому:

Интервал времени t очень мал. Так, если расстояние до объекта равно 120 км, то отраженный радиосигнал вернется через 0,8 мс (t = 2s / c .

применяем радиолокацию

Радиолокаторы создавались исключительно в военных целях — для обнаружения самолетов противника (рис. 21.4). Со временем радиолокацию стали применять в других областях. Сейчас все воздушные, морские и океанские суда оснащены радиолокаторами — они помогают найти свободные проходы между облаками или айсбергами, в плохую погоду избежать столкновения с другими судами, уточнить курс и т. д. (рис. 21.5).

Радиолокационные станции в аэропортах помогают совершить посадку воздушным судам, а станции, установленные вдоль побережья, обеспечивают безопасный вход кораблей в порт.

Радиолокацию применяют в научных исследованиях, метрологии, сельском и лесном хозяйстве. Она помогает составить карты рельефа земной поверхности, исследовать плотность растительного покрова, обнаружить лесной пожар, определить состав почвы и т. д.

Важное значение имеет радиолокация в космических исследованиях. Запуски и посадки космических аппаратов невозможны без использования радиолокаторов. С помощью радиолокации были уточнены расстояния до Луны, Венеры, Марса. Радиолокаторы, установленные на искусственных спутниках Венеры, помогли проникнуть сквозь толщу облаков этой планеты и определить ее рельеф.

Подводим итоги

Сейчас особенно широко используют волны ультракороткого диапазона: с помощью специальных антенн их можно направить узким пучком, который меньше рассеивается, что позволяет использовать менее мощные передатчики; ультракороткие радиоволны применяют в сотовой связи, спутниковом телевидении, радиолокации. Сотовая связь — один из видов мобильной радиосвязи, в основе которого лежит сотовая сеть.

Радиолокация — обнаружение, распознавание и определение местонахождения объектов с помощью радиоволн. Радиолокатор создает узкий направлений пучок радиоволн и принимает радиоволны, отраженные от объектов. Расстояние до объекта определяют по времени прохождения радиоимпульса до объекта и обратно: s = ct /2.

Контрольные вопросы

1. В чем состоит основное преимущество ультракоротких радиоволн? 2. Что такое сотовая связь? Как она организована? 3. Что такое радиолокация? На чем она основана? 4. Опишите принцип работы радиолокатора. 5. Как с помощью радиолокации определяют местонахождение объекта (расстояние до объекта, направление, в котором он расположен)? 6. Где применяют радиолокацию?


Упражнение № 21

1. На каком расстоянии обнаружен объект, если отраженный сигнал вернулся через 20 мкс после отправления?

2. Радиолокатор работает на частоте 6 · 108 Гц. Радиоволну какой длины он излучает?

3. Особенности ультракоротких радиоволн (практически не отражаются от ионосферы, их можно направить узким пучком) обеспечили их широкое применение. Воспользуйтесь дополнительными источниками информации и узнайте, как организованы спутниковое телевидение и спутниковая связь.

4. Применение радиолокационных станций для обнаружения военных машин (самолетов, кораблей) послужило причиной активного поиска способов «спрятать» военную технику. Так появилась стелс-технология. Воспользуйтесь дополнительными источниками информации и узнайте, удалось ли хотя бы частично «спрятать» военные машины. Если удалось, то как?

Дистанционное зондирование Земли

Дистанционное зондирование Земли (ДЗЗ)— это наблюдение и изучение поверхности нашей планеты с помощью приборов, расположенных на большой высоте (например, на спутниках или самолетах). Где используют ДЗЗ?

С технической точки зрения, самая простая область применения ДЗЗ — прогноз погоды. На этом примере и выясним, как работает система.

Обычно телевизионные прогнозы погоды сопровождаются снимками из космоса (рис. 1). Однако яркие картинки на телеэкране — это, конечно, не все, что нужно для прогноза погоды!

Спутник не может сфотографировать всю поверхность Земли сразу. Как фары автомобиля освещают только дорогу, оставляя обочины в темноте, так и спутник, облетая вокруг Земли, «видит» только определенную полосу. Ширина этой полосы может колебаться от 7 до 1500 км и зависит от необходимой точности исследования: чем детальнее получаемая информация, тем уже полоса. Во время следующего оборота спутник «осматривает» сопредельную полосу и т. д. Если объединить полученные данные от нескольких таких полос, можно получить «картинку» для большой территории, например для всей Украины (рис. 2).

Спутник передает полученную информацию на приемные антенны;

информацию обрабатывают и преобразуют в обычные фотографии. Затем информация передается метеорологам, которые объединяют данные из космоса с результатами наземных наблюдений и на основе сложных математических моделей прогнозируют температуру и состояние атмосферы на день, неделю, месяц...

Для анализа состояния поверхности Земли используют целую «армию» спутников. Большинство из них получают данные в диапазоне видимых глазу электромагнитных волн, но есть и такие, которые зондируют поверхность электромагнитными пучками в диапазоне сантиметровых радиоволн (СВЧ-излучение), а также радиоволн большей длины (свыше 1 м).

Получением и обработкой данных со спутников занимаются разные организации; в нашей стране их работу координирует Государственное космическое агентство Украины.

Данные из космоса используют также для анализа состояния снежного покрова, прогноза наводнений, пожаров, засухи, землетрясений, оценки будущих урожаев и для многого другого. Например, чтобы избежать аварии при столкновении со льдами, капитанам кораблей очень важно знать ледовую обстановку. Такие данные тоже получают из космоса.

1. Вы узнали о существовании механических волни их видах.

механические волны

2. Вы узнали о физических величинах, характеризующих механические волны,и установили соотношения между ними.

3. Вы ознакомились со звуковыми волнами и выяснили, что звуковые волны — это механические волны определенной частоты.

звуковые волны

4. Вы узнали, что теоретические исследования Дж. Максвеллаи многочисленные эксперименты доказали неразрывную связь между электрическими и магнитными полями.Эти поля образуют единое электромагнитное поле.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ

вид материи, с помощью которого осуществляется взаимодействие заряженных тел и частиц с намагниченными телами

Формы проявления электромагнитного поля

Магнитное поле

Электрическое поле

Изменяющееся электрическое поле создает магнитное поле; изменяющееся магнитное поле создает электрическое поле

5. Вы узнали, что в природе существуют электромагнитные волны, ознакомились со свойствами электромагнитных волн разных диапазонов и некоторыми примерами их применения.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ

процесс распространения в пространстве переменного электромагнитного поля

Некоторые общие свойства электромагнитных волн

Увеличивается частота, уменьшается длина электромагнитной волны

Увеличивается проникающая способность, усиливается химическая активность

6. Вы узнали, что на свойствах ультракоротких радиоволн распространяться узким пучком и отражаться от препятствий основана радиолокация — обнаружение, распознавание и определение местонахождения объектов с помощью радиоволн. Расстояние s до объекта определяют по времени t прохождения радиоимпульса до объекта и обратно:

Задания 1-8 содержат только один правильный ответ.

1. (1 балл) На каком свойстве механических волн основана эхолокация?

а) перенос энергии без переноса вещества;

б) отражение волны;

в) зависимость длины волны от среды, в которой распространяется волна;

г) уменьшение амплитуды волны с увеличением расстояния от источника волны.

2. (1 балл) В какой среде распространяются поперечные механические волны?

а) в жидкости; в) в любой среде;

б) в вакууме; г) в твердом теле.

3. (1 балл) Какое утверждение ошибочно?

а) Продольные волны не распространяются в твердых телах.

б) Механические волны не распространяются в вакууме.

в) Свет — это электромагнитная волна.

г) Звук — это механическая волна.

4. (1 балл) Какой объект может быть источником механической волны?

а) заряженная частица, движущаяся с ускорением;

б) колеблющееся тело;

в) тело, движущееся равномерно;

г) неподвижное намагниченное тело.

5. (1 балл) Постоянный магнит лежит на сиденье трамвая, который движется равномерно прямолинейно. Относительно кого из наблюдателей существует только магнитная составляющая электромагнитного поля?

а) кондуктор, идущий по проходу;

б) пассажир встречного автомобиля;

в) пешеход, стоящий на обочине дороги;

г) водитель автобуса, движущегося за трамваем с такой же скоростью.

6. (2 балла) При переходе волны из одной среды в другую не изменяется:

а) амплитуда волны; в) частота волны;

б) длина волны; г) скорость распространения волны.

7. (2 балла) Какое природное явление не сопровождается появлением механических волн?

а) радуга; б) молния; в) землетрясение; г) ветер.

8. (2 балла) На расстоянии 170 м от небоскреба стоит человек. Из его рук на тротуар падает металлический предмет. Через какое время после удара человек может услышать эхо?

а) 0,5 с; б) 1 с; в) 2 с; г) 4 с.

9. (2 балла) На каком расстоянии расположен объект, если отраженный от него радиосигнал вернулся через 2 мкс после излучения?

10. (3 балла) Установите соответствие между приемником и видом электромагнитных волн, которые он преимущественно принимает.

1 Прибор ночного видения А γ -излучение

2 Спутниковая антенна Б Радиоволны

3 Глаз человека В Инфракрасное излучение

Г Видимый свет

11. (3 балла) По натянутому шнуру распространяется волна (рис. 1). В каком направлении движется точка А в зафиксированный на рисунке момент времени?

12. (3 балла) Скорость движения пули равна 680 м/с. На сколько раньше пуля попадет в мишень, расположенную на расстоянии 1360 м, чем до мишени долетит звук выстрела?

13. (3 балла) Рабочая пчела, которая летит за взятком, делает в среднем 180 взмахов крыльями в секунду. А когда эта же пчела возвращается в улей, количество взмахов крыльями в секунду возрастает до 280. Как это отражается на звуке, который мы слышим?

14. (4 балла) Какова длина звуковой волны в воздухе, если источник звука осуществляет 5100 колебаний в минуту? Какова длина этой волны в воде?

15. (4 балла) По графику колебаний источника механической волны (рис. 2) определите частоту и длину волны, если она распространяется со скоростью 20 м/с.

16. (4 балла) Радиоволны длиной 6 м переходят из вакуума в среду, где скорость их распространения в 1,5 раза меньше, чем в вакууме. Определите частоту и длину радиоволн.

Сверьте ваши ответы с приведенными в конце учебника. Отметьте задания, которые вы выполнили правильно, и подсчитайте сумму баллов. Затем эту сумму разделите на три. Полученный результат будет соответствовать уровню ваших учебных достижений.

Тренировочные тестовые задания с компьютерной проверкой вы найдете на электронном образовательном ресурсе «Интерактивное обучение».

Ориентировочные темы проектов

1. Звуки в жизни человека.

2. Применение инфра- и ультразвуков в технике.

3. Вибрации и шумы и их влияние на организмы.

4. Электромагнитные волны в природе и технике.

5. Воздействие электромагнитного излучения на организм человека.

6. Виды шумового загрязнения. Измерение уровня шумового загрязнения. Изучение влияния шумового загрязнения на организмы.

7. Музыкальные инструменты как источники звуковых волн.

Темы рефератов и сообщений

1. Механизм образования волн на поверхности воды.

2. Удивительное эхо.

3. Что такое акустические резонаторы и где их применяют.

4. Эффект Допплера и его использование для контроля скорости движения транспортных средств.

5. Мужские, женские, детские голоса: как и почему они отличаются.

6. Средства защиты от шумов в мегаполисах.

7. Ультразвуковая кавитация.

8. Применение ультразвука в технике.

9. Образование инфразвука в океане.

10. Визуализация звуковых колебаний.

11. Радиоволны в нашей жизни.

12. История изобретения радио.

13. Электромагнитный смог.

14. Использование радиолокации в астрономии.

15. Эффект Допплера в астрономии, или Как доказано, что галактики разлетаются.

16. Действие ультрафиолетового излучения на организм человека.

17. В. Рентген или И. Пулюй: кто первым открыл Х-лучи?

18. История изучения световых явлений.

темы экспериментальных исследований

1. Изготовление разных источников звука и изучение их акустических характеристик.

2. Определение зависимости высоты звука от частоты колебаний источника звуковых волн.

3. Изучение процессов отражения, преломления и наложения механических волн на поверхности воды.

скачать dle 11.0фильмы бесплатно

Популярне з Фізики за 9 клас

Добавити коментар

Автору дуже потрібно знати, чи Вам допоміг даний матеріал?!

    • bowtiesmilelaughingblushsmileyrelaxedsmirk
      heart_eyeskissing_heartkissing_closed_eyesflushedrelievedsatisfiedgrin
      winkstuck_out_tongue_winking_eyestuck_out_tongue_closed_eyesgrinningkissingstuck_out_tonguesleeping
      worriedfrowninganguishedopen_mouthgrimacingconfusedhushed
      expressionlessunamusedsweat_smilesweatdisappointed_relievedwearypensive
      disappointedconfoundedfearfulcold_sweatperseverecrysob
      joyastonishedscreamtired_faceangryragetriumph
      sleepyyummasksunglassesdizzy_faceimpsmiling_imp
      neutral_faceno_mouthinnocent
оновити, якщо не видно коду

Коментарів 0


Ми створили сайт TEXTBOOKS з метою розміщення матеріалів (шкільних підручників) Міністерства Освіти України, для покращення освітнього процесу учнів у школах та вузах України.
Онлайн перегляд шкільного матеріалу допоможе Вам знайти якісну відповідь на поставлені питання вчителя.
Використовуйте Наш ресур для підготовки до ЗНО 2021, адже у нас присутні підготовчі курси з математики, української мови та літератури, англіської мови та історії України.