Урок физики в 11-м классе на тему "Передача информации с помощью электромагнитных волн"

Разделы: Физика

Цели урока:

  • Образовательные:
    • ознакомить учащихся с практическим применением электромагнитных волн;
    • раскрыть физический принцип радиотелефонной связи;
    • познакомить с основными частями простейшего радиоприемника, раскрыть физическую сущность модуляции, детектирования и усиления.
  • Развивающие:
    • на примере изучения явления радиопередачи и радиоприема электромагнитных волн показать материальность электромагнитных полей;
    • раскрывая роль А.С. Попова в изобретении радио, показать мировое значение его работ в области практического использования электромагнитных волн для передачи осмысленных сигналов без проводов;
    • учить работать с дополнительной литературой, с использованием материалов интернета.
  • Воспитательные:
    • воспитать чувство гордости за отечественную науку и технику, опередивших в свое время зарубежную науку и технику.

Тип урока: урок изучения нового материала.

Учебник: Л.Э.Генденштейн, Ю.И.Дик «Физика  11»

Демонстрации:

  • Модуляция электромагнитной волны.
  • Демодуляция электромагнитной волны.

Видеофрагменты:

  • «Изобретение радио»
  • «Физические основы радиопередачи»

План изложения нового материала:

1. Из истории изобретения радио.
2. Принцип радиосвязи.
3. Как создают электромагнитные волны высокой частоты?
4. Распространение радиоволн.
5. Перспективы электронных средств связи.

ХОД УРОКА

1. Оргмомент (1 мин.)

2. Повторение темы «Электромагнитные волны» (10 мин.)

Проведение самостоятельной работы:

1. Что такое электромагнитные волны:

А. Распространяющееся в пространстве переменное магнитное поле.
Б. Распространяющееся в пространстве переменное электрическое поле.
В. Распространяющееся в пространстве переменное электромагнитное поле.

2. Каковы основные положения теории электромагнитного поля Максвелла?

А.При всяком изменении электрического поля возникает вихревое магнитное поле, распространяющее со скоростью света.
Б. При всяком изменении магнитного поля возникает вихревое электрическое поле, распространяющее в окружающем пространстве со скоростью света.
В. При всяком изменении электромагнитного поля возникает вихревое электрическое поле у которого вектор напряженности:  . При изменении электрического поля возникает магнитное поле, у которого вектор индукции:  распространяется в окружающем пространстве со скоростью света.

3. Как в воздухе изменится длина электромагнитных волн, излучаемых колебательным контуром, если ёмкость колебательного контура увеличить в 4 раза:

А. Уменьшится в 4 раза.
Б. Увеличится в 2 раза.
В. Увеличится в 4 раза.

4. Определить частоту колебаний электромагнитных волн в вакууме, если длина их равна 2 см.

А. 700000 Гц.
Б. 6000000 Гц.
В.1500000 Гц.

5. Как должна двигаться заряженная частица, чтобы возникло электромагнитное излучение?

А. С постоянной скоростью.
Б. Находится в покое.
В. Двигаться с ускорением.

Вопросы:

– Что является источником электромагнитных волн?
– Что является излучателем электромагнитных волн?
– Как утроен вибратор Герца, каков принцип его работы?
– Какова скорость распространения электромагнитных волн в воздухе?
– Перечислите основные свойства электромагнитных волн.

3.  Изложение нового материала

Из истории изобретения радио

Радиосвязь — это коллективное изобретение. Начало положил английский физик Майкл Фарадей, открывший в 1831 г. явление электромагнитной индукции. Основываясь на представлениях Фарадея и развивая их, английский ученый Дж. Максвелл  в 1865 г. пришел к выводу, что металлический проводник, по которому течет ток, должен излучать в пространство электромагнитные волны, распространяющиеся со скоростью света. Первый, кому удалось «создать» и детектировать электромагнитные волны, был немецкий ученый Генрих Герц в 1887 г. Однако детектор Герца обладал очень маленькой чувствительностью. Этот недостаток восполнил французский физик Эдуард Бранли в 1890 г. Он установил, что электрическое сопротивление металлических порошков резко снижается под воздействием электромагнитных волн. Таким образом, был изобретен «когерер» — чувствительный детектор волн. В России одним из первых занялся изучением электромагнитных волн преподаватель офицерских курсов в Кронштадте Александр Степанович Попов. Начав с воспроизведения опытов Герца, он затем использовал более надежный и чувствительный способ регистрации электромагнитных волн.
5 мая 1895 г. на заседании Русского физико-химического общества в Петербурге А. С. Попов продемонстрировал действие первого в мире радиоприемника. 24 мая 1895 г. была передана первая в мире телеграмма (на расстояние 250 м). На маневрах Черноморского флота в 1899 г. ученый установил радиосвязь на расстоянии свыше 20 км. В начале 1900 г. радиосвязь была успешно использована во время спасательных
операций в Финском заливе. При участии А. С. Попова началось внедрение радиосвязи на флоте и в армии.
1901 г. итальянскому инженеру Г. Маркони удалось установить радиосвязь через Атлантический океан. Его деятельность сыграла большую роль в развитии радио как средства связи, и была отмечена в 1909 г.Нобелевской премией.
Важным этапом в развитии радиосвязи стало создание в 1913 г. лампового генератора незатухающих электромагнитных колебаний. В последующие годы усилиями многих выдающихся ученых и инженеров разных стран радиотехника превратилась в чрезвычайно широкую и разнообразную отрасль техники.

Принцип радиосвязи

Радиосвязь — передача и прием информации с помощью радиоволн, распространяющихся в пространстве без проводов.

 Принцип радиосвязи заключается в следующем: переменный электрический ток высокой частоты, созданный в передающей антенне, вызывает в окружающем пространстве быстро меняющееся электромагнитное поле, которое распространяется в виде электромагнитной волны. Достигая приемной антенны, электромагнитная волна вызывает в ней переменный ток той же частоты, на которой работает передатчик.
Для осуществления радиотелефонной связи необходимо использовать высокочастотные колебания, интенсивно излучаемые антенной. Для передачи звука эти высокочастотные колебания изменяют с помощью электрических колебаний низкой частоты (этот процесс называют модуляцией).

Процесс модуляции заключается в изменении одного или нескольких параметров высокочастотного колебания по закону передаваемого сообщения (низкочастотного  колебания). (Приложение 1) (Демонстрация)

Демодуляция — процесс выделения низкочастотных (звуковых) колебаний из принятых модулированных колебаний высокой частоты. (Приложение 2). (Демонстрация)

Остается превратить электрические колебания в звуковые. Это делают с помощью динамика. (Приложение 3).

Как создают электромагнитные волны высокой частоты?

Устройством, в котором создаются и поддерживаются электромагнитные колебания высокой частоты, является генератор электромагнитных колебаний.
Основной элемент такого генератора — колебательный контур, который состоит из катушки и конденсатора. (Приложение 4).
Расчеты показывают, что период колебаний Т связан с индуктивностью катушки L и электроемкостью конденсатора С соотношением  . Эту формулу впервые вывел английский физик Томсон, поэтому она называется формулой Томсона.
Таким образом, изменяя L и С, можно генерировать электрические колебания нужной частоты. (Приложение 5).

Распространение радиоволн

 Согласно современной теории волны распространяются различными путями. Один путь лежит вдоль поверхности Земли. По нему распространяется так называемая поверхностная (земная) волна. Она сравнительно быстро затухает из-за поглощения энергии всеми проводниками, встречающимися на ее пути.
Форма Земли ограничивает дальность приема поверхностных волн. Если бы они распространялись строго прямолинейно, то радиосвязь была бы возможна только на расстоянии прямой видимости. Но поскольку с высотой электрические и магнитные параметры атмосферы меняются, поверхностная волна преломляется, отклоняясь к Земле, ее траектория искривляется, и дальность приема увеличивается.
Препятствия на поверхности Земли отражают радиоволны. За препятствиями может образовываться радиотень, куда волна не попадает. Но если длина волны достаточно велика, то вследствие дифракции волна огибает препятствие и радиотень не образуется. Мощные радиостанции, работающие на длинных волнах, обеспечивают связь на несколько тысяч километров. На средних волнах связь возможна в зоне до несколько сотен километров. На коротких волнах — лишь в зоне прямой видимости. Имеются также волны пространственные, которые распространяются от антенны по пути, лежащему под большим или меньшим углом к поверхности Земли. На высоте порядка100-300 км волны встречаются со слоем, состоящем из воздуха, ионизированного электромагнитным излучением Солнца и потоком заряженных частиц, излучаемым им. Этот слой называют ионосферой.
Проводящая электрический ток ионосфера отражает радиоволны с длиной волны, большей 10 м, как обычная металлическая пластина. Но способность ионосферы отражать и поглощать радиоволны существенно меняется в зависимости от времени суток и времен года.
Волны после отражения в ионосфера вновь попадают на Землю. Однако все зависит от угла, под которым волны входят в ионосферу. Если он превышает некоторую величину, волны проникают в ионосферу, проходят сквозь нее и затем свободно распространяются в космическом пространстве. И, наоборот, если угол меньше некоторой предельной величины, волна под тем же углом отражается к Земле. Чем меньше длина волны, тем глубже волна проникает в ионосферу, а значит, с большей высоты отражается. Короткие волны распространяются на большие расстояния только за счет многократных отражений от ионосферы и поверхности Земли. Именно с помощью коротких волн можно осуществить радиосвязь на любых расстояниях на Земле.

Доклад учащегося «Развитие средств связи» (Приложение 6).

Перспективы электронных средств связи

Сегодня ведутся активные работы по передаче «цифрового» звука, то есть звука, записанного дискретной последовательностью импульсов. Информация, записанная в цифровом виде, благодаря своему импульсному характеру, может передаваться практически без помех, поэтому ее воспроизведение отличается исключительно высоким качеством. Таким же высоким качеством обладает и цифровое видеоизображение.
На повестке дня также телевидение высокой четкости, при котором изображение на экране формируется намного большим числом точек, чем в обычном телевидении.
Современный мир уже немыслим без «Всемирной Сети», как называют Интернет — компьютерную сеть, соединившую воедино десятки тысяч локальных компьютерных сетей во всем мире. Все большее число людей пользуются услугами Интернета, и в ближайшем будущем Интернет станет, видимо основным способом получения и передачи информации. Для передачи информации в Интернете используются телефонные линии связи и радиоволны (в том числе ретранслируемые спутниками связи).

Вопросы к учащимся:

– Можно ли, превратив звуковые колебания в электрические, подавать их в антенну и таким образом осуществить передачу по радио речи или музыки?
– Почему нельзя принятые и усиленные электромагнитные колебания подавать в громкоговоритель?
– Почему радиоволны огибают землю?
– Зачем передающие антенны телецентров располагают на многометровых вышках?
– Имеются ли существенные различия между условиями распространения радиоволн на Луне и на Земле?

4. Закрепление

Решите задачу:

В схеме радиоприёмника индуктивность катушки 0,2 мГн, ёмкость переменного конденсатора может меняться от 12 до 450 пФ. На какие длины волн рассчитан этот радиоприёмник?

Для конспекта ученика:

Радиосвязь — передача и прием Информации с помощью радиоволн, распространяющихся в пространстве без проводов.

  • Процесс модуляции заключается в изменении одного или нескольких параметров высокочастотного колебания по закону передаваемого сообщения (низкочастотного колебания).
  • Демодуляция — процесс выделения низкочастотных (звуковых) колебаний из принятых модулированных колебаний высокой частоты.

5. Рефлексия

Ребята по кругу высказываются одним предложением, выбирая начало фразы из рефлексивного экрана на доске:

  • сегодня я узнал…
  • было интересно…
  • было трудно…
  • я выполнял задания…
  • я понял, что…
  • теперь я могу…
  • я почувствовал, что…
  • я приобрел…
  • я научился…
  • у меня получилось …
  • я смог…
  • я попробую…
  • меня удивило…
  • урок дал мне для жизни…
  • мне захотелось…

6. Домашнее задание: §18, задачи №№11.1-11.6,11.9,11.11,11.12,11.15-11.18

Список источников:

Презентация