МБОУ СОШ №12 ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ПРОЕКТ Тема:"Радиоволны" предмет «физика» Выполнил: Колесников Денис, ученик 10а класса Руководитель: Дваденко Александр Олегович Батайск 2022 Оглавление Введение ................................................................................................................... 2 Радиоволны .............................................................................................................. 3 Природа и распространение радиоволн............................................................. 3 История изучения радиоволн .............................................................................. 4 Использование радиоволн на практике ................................................................ 5 Основы радиосвязи .............................................................................................. 5 Способы использования радиосвязи .................................................................. 8 Радиолокация ...................................................................................................... 10 Практическая часть ............................................................................................ 12 Заключение ............................................................................................................ 13 Список литературы ............................................................................................... 14 Таблицы .................................................................................................................. 15 Рисунки................................................................................................................... 16 1 Введение Каждый день мы используем технологии, понятия не имея, как они работают. Конечно понятно, что если воткнуть вилку компьютера в розетку, а затем нажать круглую кнопку, в него начнёт идти электричество, а когда отходишь далеко от населённых пунктов, телефон может перестать ловить сеть, что бы это не значило. Но я уверен, что этого недостаточно для полноценного использования приборов. Со знанием принципов работы того, что мы используем постоянно приходит понимание того, как по новому использовать привычные вещи или как не попасть в ситуацию, когда они не работают и что делать, если это случилось. Как раз Просветительское назначение и имеет этот проект Темой моего исследования будут радиоволны. Что это, как они распространяются и где используются. Я выбрал именно их потому что мы живём в информационную эру, а радиоволны как раз и нужны людям для получения информации. Будь то мнение учёных со всего мира об экологии Земли или скорость едущего по шоссе автомобиля. Они могут распространятся даже в космосе и в далёком (или не очень) будущем передавать различные сведения людям, живущим на других планетах. И так как информация с течением времени всё больше и больше увеличивает свой вес, актуальность моей работы со временем будет становится больше. Ну а теперь более подробно о самом проекте. Моей главной целью является изучение способов использования радиоволн на практике. Её можно поделить на несколько задач: 1. Понять, что такое радиоволны и какими они бывают. 2. Узнать, какую роль играли радиоволны в истории 3. Понять, как радиоволны распространяются. 4. Узнать основные способы использования радиоволн. 5. Понять, в каких технологиях и как задействованы радиоволны. 2 6. Провести эксперименты, чтобы убедится в достоверности моей работы Все эти задачи одинаково важны, однако лишь пятый пункт напрямую относится к цели создания этого проекта, так что на него и буду делать упор. Радиоволны Природа и распространение радиоволн Радиоволны относятся к электромагнитным волнам с длинной волны от 5·10−5 до 1010 метров. Они появляются при возникновении переменного электрического поля, порождающего переменное магнитное поле в соседних точках, которое порождает переменное электрическое поле и так далее. Образовывается единое электромагнитное поле, которое распространяется со скоростью 300 000 км/с, причём даже в вакууме. Этот процесс и представляет собой излучение электромагнитных волн. Встречая на своём пути проводники электрического тока, они, тратя часть своей энергии, создают в них слабое электрическое поле. Электромагнитные волны могут отражаться, преломляться, им свойственны интерференция и дифракция. Но вернёмся к радиоволнам. Они делятся на несколько диапозонов:(таблица 1) Сверхдлинные, длинные, и средние волны способны огибать препятствия. Такое явление называется дифракция. Волны этих диапазонов способны огибать высокие строения, горы и даже заходить за горизонт. Короткие и ультракороткие волны распространяются по прямой. Короткие волны отражаются от ионосферы и способны передавать сигнал на большие расстояния. 3 Ультракороткие волны проходят сквозь ионосферу. Такие волны сейчас используют для телевещания, а также для дальней радиосвязи. Для отправки радиоволн в основном используют две среды: воздухземную поверхность и ионосферу В первом случае волны распространяются вдоль поверхности Земли. Но она поглощает энергию радиоволн, из-за чего они не могут распрастранятся слишком далеко. Тут используют средний, длинный и сверхдлинный диапазоны т. к. чем больше длинна волны, тем эта менее заметна описанная проблемма Во втором случае волны отправляют в ионосферу. Благодаря её неоднородности волны могут многократно отражаться от слоя атмосферы и земли, преодолевая огромные расстояния. Но при этом могут образовываться зоны, в которые волны не попадают. Их называют зонами молчания. Протяженность зоны молчания зависит от длины волны и интенсивности солнечного излучения. Тут обычно используют короткий диапазон, так как более длинные преломляются незначительно, а более короткий проходит сквозь ионосферу. Но стоит отметить, что ночью ионизация в неосвещенной части ионосферы падает, позволяя эффективно распространятся в ней средним волнам. Так же отправить радиоволны можно через воду и ионосферу, если использовать сверхдлинный и ультракороткий диапазон соответственно. Эта особенность используется в спутниках и подводных лодках. Во время работы будет использоваться следующие методы исследования: анализ, синтез, обобщение, сравнение История изучения радиоволн Ещё в 1832 году Майкл Фарадей предположил, что электромагнитное излучение распространяется в пространстве в виде волн с ограниченной скоростью. Однако его концепция шла в разрез с господствующей в то время 4 классической теорией тяготения Ньютона, так что учёному нужны были серьёзные доказательства, получить которые не удалось, так как Фарадей был плох в высшей математике. В отличие от Джеймса Максвела, который составил систему уравнений, из которой следовало, что могут существовать независимые от источников быстропеременные электромагнитные поля, переносящие энергию и двигающиеся со скоростью света. Целью физика было подтвердить теорию Фарадея, за что тот был благодарен коллеге. Теперь оставалось лишь доказать правдивость указанных представлений на практике или опровергнуть их и забыть навсегда. Этим и занялся Генрих Герц, но результаты опытов показали гораздо больше. В отличие от взглядов предшественников, что волны локализуются и перемещаются внутри проводника, Герц видел, что они распространяются еще и в окружающем пространстве, причём по воздуху волны распространяются с такой же скоростью, как и вдоль проволоки. В 1895 году исследование использовали на практике. Было изобретено радио, но кем именно – вопрос спорный. В большей части мира считается, что это был Гульельмо Маркони, но странах бывшего советского союза данную роль причисляют Александру Степановичу Попову. Судя по всему, два техника вели разработки параллельно. Разница в том, что Попов видел своё творение, как инструмент военных, а Маркони разглядел весь коммерческий потенциал изобретения и основал акционерное общество «The Wireless Telegraph & Signal Company» Использование радиоволн на практике Основы радиосвязи Радиопередача, в широком смысле – это формирование и излучение радиочастотного сигнала. В упрощённом варианте она выглядит так:(рисунок 1) 5 Здесь пять основных приборов и устройств: микрофон, усилитель звуковой частоты (3Ч), генератор колебаний радиочастоты (РЧ), усилитель мощности колебаний радиочастоты и антенна, излучающая электромагнитную энергию радиоволн.1 В начале звуковые волны нужно превратить в электромагнитные с помощью микрофона. Простейший угольный микрофон изменяет свое сопротивление под действием давления звука на мембрану. Он создает довольно мощные электрические звуковые колебания, в этом его достоинство, но качество получается невысоким. Более совершенные микрофоны используют закон электромагнитной индукции (динамические) или пьезоэффект (кристаллические, электретные). Амплитуда колебаний соответствует громкости звука, а частота – высоте тона. Если присоединить микрофон к осциллографу, можно заметить, что большинство звуков имеют волну сложной формы (рисунок 2), которую тем не менее можно представить в виде суммы более простых, синусоидальных колебаний разных частот. В таких случаях говорят о спектре колебания. Спектр человеческого голоса содержит частоты от примерно 300 Гц до 3–4 кГц. Пик-фактор, или отношение максимальной амплитуды к средней, у звуковых волн может достигать сотен единиц. Поскольку тракт радиопередачи надо рассчитывать на максимальный сигнал, ограничение его ампитуды - обязательная часть работы микрофона Процесс изменения амплитуд высокочастотных колебаний под действием тока звуковой частоты называют амплитудной модуляцией (AM). Изменяемые же по амплитуде токи высокой частоты в антенне и излучаемые ею радиоволны носят название модулированных колебаний радиочастоты. Кроме амплитудной модуляции существует еще так называемая частотная модуляция (ЧМ). При таком виде модуляции изменяется частота, а 6 амплитуда колебаний радиочастоты в антенне радиостанции остается неизменной. Частотную модуляцию применяют, например, для передачи звукового сопровождения в телевидении, в радиовещании на УКВ. В радиовещании на ДВ, СВ и КВ используют только амплитудную модуляцию. Электрические колебания можно усиливать, ведь усилители не изменяют ни форму, ни спектральный состав колебаний, увеличивая лишь их амплитуду или мощность. Они так и называются – усилители звуковых частот (ЗЧ). Звуковые колебания передаются по проводам, записываются на магнитную ленту, грампластинку или компактдиск, но их нельзя передать в эфир в виде радиоволн: волны получились бы чрезвычайно длинными и создание антенн для них практически нереально. Зачастую усиление ЗЧ и модуляция проходит в одном устройстве Далее антенна излучает получившуюся радиоволну. При встрече с проводником, она отдаёт часть своей энергии ему, а так же способствует появлению в нём модулированных колебаний радиочастоты. Это свойство в своей работе использует приёмник, а если быть точнее его антенна. При получении сигнала, с ним проводят те же самые манипуляции, что использовали при подготовки к передаче. У колебаний уменьшают частоту, во столько раз, во сколько ранее увеличивали, проводят процесс, обратный модуляции, превращают электромагнитную волну в звуковую и отправляют в динамик, из которого она высвобождаются в окружающую среду. Для вызова соответствующего абонента всеми базовыми станциями сотовой системы связи по управляющим каналам передается сигнал вызова. Сотовый телефон вызываемого абонента при получении этого сигнала отвечает по одному из свободных каналов управления. 7 Способы использования радиосвязи Несмотря на своё название, механизм радиопередачи используется далеко не только в радио. На ней основывается практически все современные методы связи. Из основных можно вспомнить сотовую и спутниковую связи Сотовая связь — один из видов мобильной радиосвязи, в основе которого лежит сотовая сеть Спутниковая связь — один из видов космической радиосвязи, основанный на использовании искусственных спутников земли в качестве ретрансляторов Сначала разберёмся с сотовой связью. Тут нужно понимать, что существует множество поколений сотовой связи и в каждом свои особенности и различия. Я постараюсь описать процесс в общем виде, но даже так могут быть наблюдатся отличия с действительностью текущих лет. Так же для простоты буду говорить о телефоне, как о единственном устройстве абонента сотовой связи. На эту роль подходят и некоторые другие изобретения человека, но принцип работы для них одинаков. Основными компонентами сотовой связи являются абонент, комплексы радиопередающих устройств, называемых базовыми станциями и состоящих из нескольких трансиверов и контроллера. Главная особенность такого вида радиопередачи заключается в том, что зона покрытия делится на ячейки или по другому соты, выполненные в виде шестигранников (рисунок 3). Каждая базовая станция покрывает одну или больше ячеек, причем в каждой из них находится как минимум один подключенный к комплексу приемопередатчик, каждый из которых излучает сигнал на своей частоте. Соты можно разделить в зависимости от радиуса покрываемой территории на следующие виды: макросота (до 70 км), обычная сота (до 5 км), микросота (до 1 км), пикосота (до 300 метров) и фемтосота (несколько десятков метров). Все базовые станции должны быть подключены к контроллерам. Они выполняют 8 огромное количество функций, от балансировки нагрузки между базовыми станциями до обновления программного обеспечения их подсистем. А теперь о том, как происходит сотовая связь. При включении, телефон отправляет в сеть сигнал, в котором указывается его местоположение. Затем базовая станция идентифицирует абонента по телефону и SIM-карте. Происходит авторизация. Далее телефон в течении всей своей работы постоянно ищет доступную базовую станцию с самым мощным сигналом и автоматически подключается к ней. Она в ответ проводит аутентификацию абонента и устанавливает его местоположение. При звонке или SMS базовая станция запускает Paging - процесс обнаружения телефона и сопутствующей передачей служебной информации или направления голосового сервиса абоненту. В ответ на это телефон устанавливает соединение и отправляет базовой станции сообщение, в котором либо отклоняет вызов или принимает его, если абоненту прислали не SMS Далее идёт спутниковая связь. О ней обычно говорят в контексте ССС (систем спутниковой связи). Они состоят из земного и космического компонентов. Под первым зачастую имеются в виду радиостанции на земле, а под вторым искусственный спутник земли или сокращенно ИСЗ. Принцип работы заключается в следующем: На земле расположены две радиостанции: A и B. В пределах их линий горизонта в космосе расположен ИСЗ. Станция A испускает радиосигнал в сторону спутника, тот его принимает, усиливает, меняет частоту и перенаправляет в сторону станции B, которая его принимает. Есть и другой метод передачи информации, в котором космический компонент только перенаправляет сигнал, но он почти не используется. Довольно простой принцип, если сравнивать с сотовой связью. ССС не редко используют в глобальной оперативной навигации. Она подразумевает под собой, что подвижной объект, оснащенный 9 навигационным приемником может в любом месте приземного пространства в любой момент времени определить свои скорость и координаты (местоположение). Существуют специальные системы, заточенные под эту функцию, которые носят общее название СРНС (Спутниковые радионавигационные системы). Самые известные - русская ГЛОНАС и американская GPS. СРНС включают в себя три сегмента: группу навигационных космических аппаратов или НКА (космический сегмент); наземный комплекс управления (НКУ) группировкой НКА (сегмент управления) и аппаратуру пользователей (сегмент потребителей). Благодаря использованию крайне высоких стандартов чистоты на НКА в системе обеспечивается взаимная синхронизация навигационных радиосигналов, излучаемых группой НКА. В навигационной аппаратуре на подвижном объекте в сеансе навигации принимаются радиосигналы не менее чем от четырех НКА и используются для измерения трех разностей дальностей и трех разностей радиальных скоростей объекта относительно четырех НКА. Если говорить простым языком, то объект определяет, на сколько далеко он от каждого из космических аппаратов и сверяется с их местоположением, чтобы определить своё, а так же высчитывает свою скорость с напрвлением движения, исходя из того, какая у неё скорость относительно каждого из НКА. В СРНС число потребителей не ограничивается, поскольку НАП не передает радиосигналы на НКА, а только принимает их от НКА (рисунок 4) Радиолокация Применение радиоволн не сводится к одной только радиопередаче. Ещё одной веткой радиотехники является радиолокация. Приборы, использующие эти технологию называются, радарами, радиолокаторами. Так же она используется в радиолокационных станциях (РЛС). 10 Радиолокация – это использование отражений или излучений радиоволн для обнаружения различных объектов, а так же для измерения их координат и параметров движения. Этот процесс называют радиолокационным наблюдением. Существуют три вида использования указанного принципа, основанных на разных вариантах использования радиоволн а) РЛС испускает сигнал в объект, который отражает его обратно. (рисунок 5 а). б) РЛС испускает сигнал в объект, снабжённый ответчиком, который переизлучается и испускает ответный сигнал (рисунок 5 б). в) объект сам излучает сигнал в РЛС (рисунок 5 в). Теперь рассмотрим эти случаи более детально. В пункте а объект должен иметь хотя бы одну плоскую сторону и волны должны идти под прямым углом к ней, иначе отраженный сигнал не дойдёт до РЛС. Так же нужно, чтобы объект и окружающая его среда отражали радиоволны по разному , иначе отделить их будет невыполнимой задачей. Кроме этого следует отметить, что сигнал РЛС и отражённый сигнал имеют разные параметры Условия тут не очень сложные, так что такая радиолокация получила широкое распространение в самых различных сферах. Например именно так определяют глубину водоёмов. РЛС, основанные на варианте б иногда называют РЛС с активным ответом. Они отличаются надёжностью и большей дистанцией действия, в отличие от случая а. Ответный сигнал объекта может нести не только радиолокационную ценность, но и другие данные, например о самом объекте. Применяется при наблюдении за воздушным транспортом, ИСЗ, а так же в морской и воздушной навигации, например во время бедствия. Вариант в используется в астрономии, разведке и навигации. 11 Практическая часть Проведём два эксперимента, чтобы доказать использование радиоволн в сотовой связи и спутниковой навигации. Эксперимент №1 Цель: доказать использование радиоволн в сотовой связи. Оборудование: пластиковый контейнер с пластиковой крышкой; картонная коробка; металлическая кастрюля с металлической крышкой; 2 телефона Samsung galaxy A52, подключенных к сотовой связи; скотч; деревянный стол Методы: сравнение. Ход исследования. Я положил один из телефонов поочерёдно на деревянный стол, в пластиковый контейнер с плотно закрытой крышкой, закрытую и заклеенную скотчем картонную коробку и закрытую металлическую кастрюлю и каждый звонил на него, перед тем, как переложить. В результате во всех случаях, кроме последнего зазвучал рингтон, то есть сигнал дошёл. Но в кастрюле телефон не реагировал. Итог: раз сигнал до телефона не дошёл только в кастрюле, единственном предмете, являющимся проводником, который не пропускает радиоволны, значит они используются в сотовой связи Эксперимент №2 Цель: доказать использование радиоволн в спутниковой навигации Оборудование: телефон Samsung galaxy A52, подключенный к сотовой связи; металлическая кастрюля с металлической крышкой, пластиковый контейнер с пластиковой крышкой; картонная коробка; скотч. Методы: сравнение Ход исследования. Сначала я переместился из некоторой точки в другую с включенной геолокацией на телефоне и открытым приложением «Яндекс Карты», держа 12 телефон в руках. Движение укаазателя, обозначающего телефон было плавным. Затем несколько раз преодолел тот же путь, но в начале положив телефон в пластиковый контейнер с плотно закрытой крышкой либо в закрытую и заклеенную скотчем картонную коробку, либо в металлическую кастрюлю, плотно закрытую металлической крышкой и вытаскивая телефон после каждого прибытия. После вытаскивания телефона из всего, кроме кастрюли было замечено, что указатель был на том же месте, где и телефон, как если бы его держали в руках. При доставании устройства из кастрюли, указатель на картах некоторое время оставался на том же месте, в котором был в начальной точке, а потом резко изменил положение на текущие координаты, как если бы геолокация и другие средства связи были выключены на всё время пути. Итог: радиоволны используются в спутниковой навигации, т. к. пока телефон находился в непроницаемом для них пространстве (проводнике в виде металлической кастрюли), приложение не работало Заключение Радиоволны вошли в нашу жизнь так сильно, что без них крайне сложно представить современное общество. Они везде: в транспорте, на военных базах, исследовательских корпусах, в телефонах, которые мы всегда носим с собой. Именно поэтому я считаю очень важным рассказать о них и их применении в современных технологиях. Никто не знает, когда эти знания могут пригодится. Может, перед походом в лес человек сначала проверит, есть ли там поблизости базовые станции сотовой связи. Или несколько раз подумает, перед тем, как спускаться в пещеру и остаться там без GPS. А может построит радиолокационную сеть для своих нужд? Одно я знаю точно – то, что я тут написал обязательно пригодится человеку, если он это запомнит. Хочу так же сказать пару слов о радиотехнологиях. Уверен они ещё будут развиваться и в недалёком будущем мы увидим новые технологии, 13 которые могут быть улучшенными версиями старых или использовать радиоволны совершенно по другому Список литературы 1. Пурышева Н.С., Важеевская Н.Е., Чаругин В.М. «Физика. 9 класс.Учебник». Москва. Дрофа. 2019. 298 с. 2. Ерохин Г. А. "Антенно-фидерные устройства и распространение радиоволн". Москва. Горячая линия телеком. 2004. 3. Гаврилович Б. В. «Юный радиолюбитель (7-е изд.)». Москва. Радио и связь. 1985. 439 4. Мякишев Г.Я., Синяков А.З «Физика. 11 класс. Углубленный уровень. Колебания и волны. Учебник». Москва. Дрофа. 2019. 285 5. Поляков В.Т. «Техника радиоприема. Простые приемники АМ сигналов». Москва. ДМК. 2001. 246 YouTube https://www.youtube.com/watch?v=3_YzTrpgAWQ&t=199s 6. ВИРТУАЛЬНЫЙ КОМПЬЮТЕРНЫЙ МУЗЕЙ https://www.computer-museum.ru/connect/gerc_120.htm 7. КАРТАСЛОВ.РУ https://kartaslov.ru/карта-знаний/Сотовая+связь 8. АКАДЕМИК https://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/30726 9. ХАБР https://habr.com/ru/post/268127/ 10. Анисимов Алексей Валерьевич http://anisimoff.org/lte/cs_fallback.html 11. Про GPRS http://pro-gprs.info/tag/paging 14 12. БАНК ЛЕКЦИЙ https://siblec.ru/telekommunikatsii/osnovy- postroeniya-telekommunikatsionnykh-sistem-i-setej/9-sputnikovye-sistemy-svyazi 13. Насыров И.А. «Введение в современные спутниковые радионавигационные системы. Часть 1. Общие принципы, современное состояние, перспективы развития». Казань. Казанский государственный университет. 2005.43 14. Дувлевич В. Е. «Теоритические основы радиолокации». Москва. Советское радио. 1964. 732. Таблицы Таблица 1 15 Рисунки Рисунок 1 Рисунок 2 16 Рисунок 3 Рисунок 4 17 Рисунок 5 18