Фізичні основи сучасних бездротових засобів зв'язку. радіолокація

 
 

Звернувшись до шкали електромагнітних хвиль (див. рис. 20.1), побачимо, що найбільша її ділянка належить радіохвилям. Оскільки частоти цих хвиль значно відрізняються, то різняться і їхні властивості. Докладніше про різні види радіохвиль ви дізнаєтесь у старшій школі, а зараз зупинимося лише на застосуванні ультракоротких радіохвиль (завдовжки від кількох сантиметрів до кількох метрів).

З'ясовуємо особливості поширення ультракоротких радіохвиль

За своїми властивостями ультракороткі радіохвилі дуже близькі до світлових променів: вони поширюються в межах прямої видимості, їх можна посилати вузькими пучками. Саме ці властивості забезпечили широке застосування ультракоротких радіохвиль у радіолокації, бездротовому зв’язку, супутниковому телебаченні. Вузький промінь менше розсіюється (що дозволяє застосовувати менш потужні передавачі), його простіше приймати.

Дізнаємося, чому мобільний радіозв'язок називають стільниковим

стільниковий зв'язок — один із видів мобільного радіозв'язку, в основі якого лежить стільникова мережа.

Для стільникового зв’язку використовують електромагнітні хвилі частотою від 450 до 3000 МГц. Головна особливість такого зв’язку полягає в тому, що загальна зона покриття ділиться на невеликі ділянки — стільники (їх так називають, оскільки вони мають форму шестикутника). Кожен стільник має площу близько 25 км2 і обслуговується окремою базовою станцією. Стільники, частково перекриваючись, утворюють мережу (рис. 21.1).

рис. 21.1. Основні складові стільникової мережі: стільникові телефони, базові станції, центри комутації



 

Кожен із вас уміє користуватися мобільним телефоном. З’ясуємо, як він здійснює зв’язок. Коли ви вмикаєте телефон, він починає «прослухову-вати» ефір і вловлює сигнал базової станції того стільника, де ви на даний момент перебуваєте. Після цього телефон випромінює радіосигнал — посилає станції свій ідентифікаційний код. Відтоді телефон і станція підтримуватимуть радіоконтакт, періодично обмінюючись сигналами.

Але ж ви не завжди перебуваєте в одному місці, і якщо з часом ви опинитеся в іншому стільнику, ваш телефон налагодить зв’язок із базовою станцією цього іншого стільника. Стільники частково перекриваються, тому ви навіть не помітите, що вас почала обслуговувати інша станція. А от якщо телефон не зможе «знайти» найближчу станцію і передати їй свій код, зв’язок обірветься і на дисплеї висвітиться, що мережа відсутня.

Описаними процесами «керують» центри комутації, які пов’язані з базовими станціями дротовими каналами зв’язку. Власне центр комутації безперервно «відстежує» місце перебування вашого мобільного телефону. Він «передає» вас, як естафетну паличку, від однієї базової станції до іншої, коли ви «подорожуєте» зі стільника в стільник. Саме через центри комутації здійснюється вихід на інші мережі: ви можете зателефонувати товаришеві, телефон якого обслуговується іншим оператором, зробити дзвінок на стаціонарний телефон, скористатись Інтернетом тощо.

Вивчаємо радіолокацію

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.

Радіолокаційна установка — радіолокатор (радар) — забезпечує випромінювання радіохвиль, а також приймання радіохвиль, які відбиваються від об’єкта (рис. 21.2).


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 (рис. 21.3).

Розрізняють два основні режими роботи радіолакатора. У режимі пошуку (сканування) антена радіолакатора весь час сканує простір (наприклад, повертається по горизонталі

й одночасно рухається вниз-угору). У режимі спостереження антена весь час напрямлена на обраний об’єкт.

Дізнаємося, як працює радіолокатор

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 в до об’єкта визначають за часом t проходження радіоімпульсу до цілі й назад. Швидкість поширення електромагнітних хвиль у повітрі практично дорівнює швидкості поширення світла у вакуумі (с = 3 · 108 м/с), тому:

Інтервал часу £ є дуже малим. Так, якщо відстань до об’єкта дорівнює 120 км, то відбитий

радіосигнал повернеться через 0,8 мс

Застосовуємо радіолокацію

Радіолокатори було створено виключно для озброєння армій — для виявлення літаків супротивника (рис. 21.4).

Із часом радіолокація набула широкого застосування в інших галузях. Сучасні повітряні, морські й океанські судна обов’язково оснащені радіолокаторами. За допомогою радіолокатора штурман судна може знайти вільні проходи між хмарами або айсбергами, уникнути зіткнення з іншими суднами в негоду, уточнити курс, визначити місце свого розташування (рис. 21.5).

Радіолокаційні станції в аеропортах допомагають здійснити посадку повітряних

суден, а станції, встановлені вздовж узбережжя, забезпечують безпечний вхід кораблів у порт.

Радіолокацію застосовують у наукових дослідженнях, метрології, сільському та лісовому господарствах. Вона допомагає скласти карти рельєфу земної поверхні, дослідити щільність рослинного покриву, виявити лісову пожежу, визначити склад ґрунту тощо.

Важливе значення має радіолокація в космічних дослідженнях. Запуски та посадки космічних апаратів неможливі без використання радіолокаторів. За допомогою радіолокації було уточнено відстані до Місяця, Венери, Марса. Радіолокатори, встановлені на штучних супутниках Венери, допомогли проникнути крізь товщу хмар цієї планети та визначити її рельєф.

Підбиваємо підсумки

Останнім часом особливо широкого застосування набули хвилі ультракороткого діапазону: за допомогою спеціальних антен їх можна спрямувати вузьким пучком, який менше розсіюється, а це дозволяє використовувати менш потужні передавачі. Ультракороткі радіохвилі застосовують у стільниковому зв’язку, супутниковому телебаченні, радіолокації.

Стільниковий зв’язок — один із видів мобільного радіозв’язку, в основі якого лежить стільникова мережа.

Радіолокація — виявлення, розпізнання та визначення місця розташування об’єктів за допомогою радіохвиль. Радіолокатор створює вузький напрямлений пучок радіохвиль і приймає радіохвилі, відбиті від об’єктів. Відстань до об’єкта визначають за часом проходження радіоімпульсу до

об’єкта й назад:

Контрольні запитання

"і. У чому полягає основна перевага ультракоротких радіохвиль? 2. Що таке стільниковий зв’язок? Як він організований? 3. Що таке радіолокація? На чому вона ґрунтується? 4. Опишіть принцип роботи радіолокатора. 5. Як за допомогою радіолокації визначають місце розташування об’єкта (відстань до об’єкта, напрямок, в якому він розташований)? 6. Де застосовують радіолокацію?

Вправа № 21

1. На якій відстані виявлено об’єкт, якщо відбитий сигнал повернувся через 20 мкс після посилання?

2. Радіолакатор працює на частоті 6 · 108 Гц. Радіохвилю якої довжини він випромінює?

3. Особливості ультракоротких радіохвиль (практично не відбиваються від йоносфери, їхня енергія помітно втрачається тільки поблизу поверхні Землі, їх можна спрямувати вузьким пучком) забезпечили їх широке застосування. Скористайтеся додатковими джерелами інформації та дізнайтесь, як організовані супутникове телебачення та супутниковий зв’язок.

4. Застосування радіолокаційних станцій для виявлення воєнних машин (літаків, кораблів) спричинило активний пошук способів зниження помітності воєнної техніки. Так з’явилася стелс-технологія. Скористайтесь додатковими джерелами інформації та дізнайтеся, чи вдалося хоча б частково «сховати» воєнні машини. Якщо вдалося, то як?

Енциклопедична сторінка

Дистанційне зондування Землі

Дистанційне зондування Землі (ДЗЗ) — це спостереження й вивчення поверхні Землі за допомогою приладів, розміщених від неї на далекій відстані (наприклад, на супутниках або літаках). Де використовують ДЗЗ?

Із технічної точки зору, найпростіша галузь застосування ДЗЗ — прогноз погоди. На цьому прикладі й розповімо, як працює система.

Зазвичай телевізійні прогнози погоди супроводжуються знімками з космосу (рис. 1). Проте яскраві картинки на телеекрані — це, звісно, не все, що потрібно для прогнозу погоди!

Супутник не може сфотографувати всю поверхню Землі відразу. Як фари автомобіля освітлюють тільки дорогу, залишаючи узбіччя в темряві, так і супутник, облітаючи навколо Землі, «бачить» тільки певну смугу. Ширина цієї смуги може коливатися від 7 до 1500 км і залежить від необхідної точності обстеження: чим більш детальна інформація одержується, тим вужча смуга.

Під час наступного оберту супутник «оглядає» суміжну смугу і так далі. Якщо об’єднати отримані дані від кількох таких смуг, можна одержати «картинку» для великої території, наприклад для всієї нашої країни (рис. 2).

Супутник передає отриману інформацію на приймальні антени; інформацію обробляють і перетворюють на звичні фотографії. Потім інформація передається метеорологам, які об’єднують дані з космосу з результатами наземних спостережень і на основі складних математичних моделей прогнозують температуру та стан атмосфери на день, тиждень, місяць...

Для аналізу стану поверхні Землі використовують цілу «армію» супутників. Більшість із них одержують дані в діапазоні видимих оком електромагнітних хвиль, але є й такі, які зондують поверхню електромагнітними пучками в діапазоні хвиль сантиметрових довжин (НВЧ-випромінювання), а також хвиль із більшою довжиною (понад 1 м).

Одержанням і обробкою даних від супутників займаються різні організації; в нашій країні роботу таких організацій координує Державне космічне агентство України.

Окрім прогнозу погоди дані з космосу використовують для аналізу стану снігового покриву, прогнозу паводків, пожеж, посухи, землетрусів, оцінки майбутніх урожаїв і для багато чого іншого. Наприклад, щоб запобігти аварії через зіткнення з льодами, капітанам кораблів важливо знати льодову обстановку. Такі дані теж одержують із космосу.

підбиваємо підсумки розділу III

«Механічні та електромагнітні хвилі»

1. Ви довідалися про існування механічних хвиль та їх види.


Механічні хвилі

Механічна хвиля — поширення коливань у пружному середовищі.

2. Ви дізналися про фізичні величини, які характеризують механічні хвилі, та встановили співвідношення між ними.

3. Ви ознайомилися зі звуковими хвилями та з’ясували, що звукові хвилі — це поздовжні механічні хвилі певної частоти.

4. Ви довідалися, що теоретичні дослідження Дж. Максвелла та численні експерименти довели нерозривний зв’язок між електричними і магнітними полями. Ці поля утворюють єдине електромагнітне поле.

5. Ви дізналися, що в природі існують електромагнітні хвилі, ознайомились із властивостями електромагнітних хвиль різних діапазонів і деякими прикладами їхнього застосування.

6. Ви з’ясували, що на властивостях ультракоротких радіохвиль поширюватися вузьким пучком і відбиватися від перешкод ґрунтується радіолокація — виявлення, розпізнання та визначення місця розташування об’єктів за допомогою радіохвиль. Відстань в до об’єкта визначають за часом t проходження радіоімпульсу до об’єкта та назад:

завдання Для самоперевірки до розділу III

«Механічні та електромагнітні хвилі»

Завдання 1-8 містять тільки одну правильну відповідь.

1. (1 бал) На якій властивості механічних хвиль ґрунтується ехолокація?

а) перенесення енергії без перенесення речовини;

б) відбивання хвилі;

в) залежність довжини хвилі від середовища, в якому поширюється хвиля;

г) зміна амплітуди хвилі зі збільшенням відстані до джерела хвилі.

2. (1 бал) У якому середовищі поширюються поперечні механічні хвилі?

а) у рідині; в) у будь-якому середовищі;

б) у вакуумі; г) у твердому тілі.

3. (1 бал) Яке твердження є хибним?

а) Поздовжні механічні хвилі не поширюються у твердих тілах.

б) Механічні хвилі не поширюються у вакуумі.

в) Світло — це електромагнітна хвиля.

г) Звук — це механічна хвиля.

4. (1 бал) Який об’єкт може бути джерелом механічної хвилі?

а) заряджена частинка, що рухається прискорено;

б) тіло, яке коливається;

в) тіло, що рухається рівномірно;

г) нерухоме намагнічене тіло.

5. (1 бал) Постійний магніт лежить на сидінні трамвая, який рухається рівномірно. Відносно якого із зазначених спостерігачів існує лише магнітна складова електромагнітного поля?

а) кондуктор, який іде проходом;

б) пасажир зустрічного автомобіля;

в) пішохід, що стоїть біля дороги;

г) водій автобуса, що рухається за трамваєм із такою самою швидкістю.

6. (2 бали) Коли хвиля переходить в інше середовище, то не змінюється:

а) амплітуда хвилі; в) частота хвилі;

б) довжина хвилі; г) швидкість поширення хвилі.

7. (2 бали) Яке природне явище не супроводжується появою механічних хвиль?

а) веселка; б) блискавка; в) землетрус; г) вітер.

8. (2 бали) На відстані 170 м від хмарочоса стоїть людина. Із її рук на тротуар падає металевий предмет. Через який час після удару людина може почути відлуння?

а) 0,5 с; б) 1 с; в) 2 с; г) 4 с.

9. (2 бали) На якій відстані розташований об’єкт, якщо відбитий від нього радіосигнал повернувся через 2 мкс після випромінювання?

10. (3 бали) Установіть відповідність між приймачем і видом електромагнітних хвиль, які він переважно приймає.

1 Прилад нічного бачення А у -промені

2 Супутникова антенна Б Радіохвилі

3 Око людини В Інфрачервоне випромінювання

Г Видиме світло

11. (3 бали) Натягнутим шнуром поширюється хвиля (рис. 1). У якому напрямку рухається точка А в зафіксований на рисунку момент часу?

12. (3 бали) Швидкість руху кулі дорівнює 680 м/с. На скільки раніше куля влучить у мішень, розташовану на відстані 1360 м, ніж до мішені долине звук пострілу?

13. (3 бали) Робоча бджола, що летить за взятком, робить у середньому 180 помахів крилами за секунду. Коли ж ця бджола повертається до вулика, кількість помахів крилами за секунду зростає до 280. Як це відбивається на звуці, який ми чуємо?

14. (4 бали) Якою є довжина звукової хвилі в повітрі, якщо джерело звуку здійснює 5100 коливань за хвилину? Якою є довжина цієї хвилі у воді?

15. (4 бали) За графіком коливань джерела механічної хвилі (рис. 2) визначте період коливань і частоту хвилі. Якою є довжина хвилі, якщо хвиля поширюється зі швидкістю 20 м/с?

16. (4 бали) Радіохвилі, довжина яких 6 м, переходять із вакууму в середовище, де швидкість їхнього поширення в 1,5 разу менша, ніж у вакуумі. Визначте частоту і довжину радіохвилі.

Звірте ваші відповіді з наведеними в кінці підручника. Позначте завдання, які ви виконали правильно, і визначте суму балів. Потім цю суму поділіть на три. Одержаний результат відповідатиме рівню ваших навчальних досягнень.

Тренувальні тестові завдання з комп’ютерною перевіркою ви знайдете на електронному освітньому ресурсі «Інтерактивне навчання».

Орієнтовні теми проектів

1. Звуки в житті людини.

2. Застосування інфра- й ультразвуків у техніці.

3. Вібрації й шуми та їхній вплив на організми.

4. Електромагнітні хвилі в природі й техніці.

5. Вплив електромагнітного випромінювання на організм людини.

6. Види шумового забруднення. Вимірювання рівня шумового забруднення. Вивчення впливу шумового забруднення на організми.

7. Музичні інструменти як джерела різних звукових хвиль.

Теми рефератів і повідомлень

1. Механізм утворення хвиль на поверхні води.

2. Дивовижне відлуння.

3. Що таке акустичні резонатори та де їх застосовують.

4. Ефект Допплера та його використання для контролю швидкості руху транспортних засобів.

5. Чоловічі, жіночі, дитячі голоси: як і чому вони відрізняються.

6. Засоби захисту від шумів у мегаполісах.

7. Ультразвукова кавітація.

8. Застосування ультразвуку в техніці.

9. Утворення інфразвуку в океані.

10. Візуалізація звукових коливань.

11. Радіохвилі в нашому житті.

12. Історія винайдення радіо.

13. Електромагнітний смог.

14. Використання радіолокації в астрономії.

15. Ефект Допплера в астрономії, або Як доведено, що галактики розлітаються.

16. Дія ультрафіолетового випромінювання на організм людини.

17. В. Рентґен чи І. Пулюй: хто першим відкрив Х-промені?

18. Історія вивчення світлових явищ.

Теми експериментальних досліджень

1. Виготовлення різноманітних джерел звуку та вивчення їхніх акустичних характеристик.

2. З’ясування залежності висоти звуку від частоти коливань джерела звукових хвиль.

3. Вивчення процесів відбиття, заломлення та накладання механічних хвиль на поверхні води.

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.