Электромагнитные волны. Понятие о радиосвязи.

Тема занятия:  Электромагнитные волны. Понятие о радиосвязи.

Вид занятия -  смешанный.

Тип занятия комбинированный.

Учебные цели занятия:  раскрыть физический принцип радиотелефонной связи и телевидение; ознакомить студентов с устройством простейшего радиоприёмника, дать понятие радиолокации; рассмотреть  области применения радиоволн различной длины.

Задачи занятия:

Образовательная: усвоение понятий: радиосвязь, модуляция, детектирование, радиолокация; формирование умений применять основы радиотехники на практике. Показать роль науки и техники в развитии научно-технического прогресса, роль приборов в научном познании.

Развивающая: развивать у студентов познавательные интересы, интеллектуальные и творческие способности в процессе решения физических задач и самостоятельного приобретения новых знаний по физике по средством переработки и предъявления учебной и научно-популярной информации; коммуникативные, толерантные качества студентов, операции логического мышления (анализ, синтез, сравнение) при изучении данной темы.

Воспитательная: воспитывать интерес к предмету, гордость за учёных нашей страны; экологическую грамотность студентов

Планируемые образовательные результаты: способствовать усилению практической направленности в обучении физики, формировании умений применять полученные знания в различных ситуациях.

Личностные:  способствовать эмоциональному восприятию физических объектов, умению  слушать, ясно и точно излагать свои мысли, развивать  инициативу  и активность  при решении физических задач, формировать умение  работать в группах.

Метапредметные:  развивать умение понимать и использовать средства наглядности (чертежи, модели, схемы). Развитие понимания сущности алгоритмических предписаний и умений действовать в соответствии с предлагаемым алгоритмом.

Предметные:  овладеть физическим языком, умением распознавать соединения параллельные и последовательные, умение ориентироваться в электрической схеме, собирать схемы. Умение обобщать и делать выводы.

Ход занятия:

1.     Организация начала урока (отметка отсутствующих, проверка готовности студентов к уроку, ответы на вопросы студентов по домашнему заданию) – 2-5 мин.

Какую тему урока вы изучили на прошлом занятии? (Электромагнитное поле и волны). Прежде чем мы приступим к изучению нового материала нам необходимо повторить прошлую тему урока в ходе развлекательной игры блиц-турнир: актуализация знаний по теме «Электромагнитные волны» с целью применить полученные знания для изучения нового материала.

Напомню правила игры, я зачитываю вопрос игрок, готовый к ответу, поднимает руку, первому поднявшему руку предоставляется слово. Правильный ответ оценивается в 1 балл. Участник, набравший наибольшее количество баллов является победителем турнира. И так, прошу всех быть внимательными, временем на обдумывания вопроса вы не располагаете, поэтому ни теряя, ни минуты, нужно быть готовым к ответу. Эксперт вашей группы (Ф.И. студента) будет фиксировать ваши ответы.

Вопросы блиц – турнира.

1. Что называют электромагнитной волной?

(распространение в пространстве электромагнитных полей называют электромагнитной волной)

2. Условия возникновения электромагнитной волны?

(Наличие ускорения у движущихся зарядов)

3. Какой может быть электромагнитная волна продольная или поперечная?

(Поперечная)

4. В каком году и кто получил электромагнитные волны на практике?

(в 1887 году Генрих Герц обнаружил электромагнитные волны)

5. Как называется система, в которой получают электромагнитные волны?

(Вибратор Герца представляющий собой открытый колебательный контур)

6. Какими свойствами обладают электромагнитные волны?

(электромагнитные волны распространяются прямолинейно способны поглощаться, отражаться, преломляться. Им присущи явления дифракции, интерференции и поляризации)

7. Чему равна скорость распространения электромагнитных волн?

(с = 3000000 км/с)

8. Чему равна длина распространения электромагнитной волны?  ( ).

9. От чего в основном зависит излучательная способность простого колебательного контура?  (от частот электромагнитных колебаний)

10. Какова роль английского физика Джеймса Максвелла в развитии радиотехники?

(Теоретически показал возможность существования электромагнитных волн) Эксперт группы фиксировал актуальность ваших знаний по теме «Электромагнитные волны» и объявит победителя турнира. Слово эксперту …

Преподаватель создает условия для мотивации учебной деятельности.

2.     Объяснение нового материала.

1.     Вступительное слово преподавателя.

Человечество 21 века живет в океане электромагнитных волн. Ежедневно, ежечасно нас окружают различные излучения. Одним из самых известных являются радиоволны. Радиоволны находят широкое применение в жизни и деятельности человека. Они применяются в радиовещании, телевидении, радиолокации, радиоастрономии, радиосвязи. Сегодняшний  урок мы проведем  в форме научно - познавательной конференции на тему: «Принцип радиосвязи и телевидение».

Радио настолько прочно вошло в нашу жизнь, что мы не мыслим себя без ежедневных новостей. Сводки погоды. Любимых передач. А.Эйнштейн считал, что «стыдно должно быть тому, кто пользуется чудесами науки, воплощенными в обыкновенном радиоприемнике, и при этом ценит их так же мало, как корова те чудеса ботаники, которые она жует».   Сегодня на уроке мы поговорим об этом чудо – изобретении и его изобретателе. Раскроем  физический принцип радиотелефонной связи  и телевидение. Узнаете о существенном влиянии на распространение радиоволн ионосферой.

Ваша задача внимательно слушать объяснения нового материала и вести конспектирование в своих рабочих тетрадях.

Изложение нового материала.

Электромагнитная волна во многом схожа с механической волной, но есть и различия. Основное отличие состоит в том, что для распространения этой волны не нужна среда. Электромагнитная волна - результат распространения переменного электрического поля и переменного магнитного полей в пространстве, т.е. электромагнитного поля.

Электромагнитное поле создается ускоренно движущимися заряженными частицами. Его наличие относительно. Это особый вид материи, является совокупностью переменных электрического и магнитного полей.

Электромагнитная волна - распространение электромагнитного поля в пространстве.

Этапы создания теории электромагнитной волны и ее практического подтверждения.

Ханс Кристиан Эрстед (1820 г.)  датский физик, непременный секретарь Датского королевского общества (с 1815 года).

С 1806 года - профессор этого университета, с 1829 года одновременно директор Копенгагенской политехнической школы. Работы Эрстеда посвящены электричеству, акустике, молекулярной физике.

В 1820 году он обнаружил действие электрического тока на магнитную стрелку, что привело к возникновению новой области физики - электромагнетизма. Идея взаимосвязи между различными явлениями природы - характерна для научного творчества Эрстеда; в частности он один из первых высказал мысль, что свет представляет собой электромагнитные явления. В 1822-1823 годах независимо от Ж. Фурье переоткрыл термоэлектрический эффект и построил первый термоэлемент. Экспериментально изучал сжимаемость и упругость жидкостей и газов, изобрел пьезометр (1822). Проводил исследования по акустике, в частности пытался обнаружить возникновение электрических явлений за счет звука. Исследовал отклонения от закона Бойля-Мариотта.

Эрстед был блестящим лектором и популяризатором, организовал в 1824 году Общество по распространению естествознания, создал первую в Дании физическую лабораторию, способствовал улучшению преподавания физики в учебных заведениях страны.

Эрстед почетный член многих академий наук, в частности Петербургской АН (1830).

Майкл Фарадей (1831 г.)

Гениальный ученый Майкл Фарадей был самоучкой. В школе получил только начальное образование, а затем в силу жизненных проблем работал и попутно изучал научно-популярную литературу по физике и химии. Позже Фарадей стал лаборантом у известного в то время химики, затем превзошел своего учителя и сделал много важного для развития таких наук, как физика и химия. В 1821 году Майкл Фарадей узнал об открытии Эрстеда, которое заключалось в том, что электрическое поле создает магнитное поле. После обдумывания этого явления, Фарадей задался целью получить из магнитного поля электрическое поле и в качестве постоянного напоминания он носил в кармане магнит. Через десять лет он претворил свой девиз в жизнь. Превратил магнетизм в электричество:  магнитное поле создает - электрический ток

Ученый-теоретик вывел уравнения, которые носят его имя. Эти уравнения говорили о том, что переменные магнитное и электрическое поля создают друг друга. Из этих уравнений следует, что переменное магнитное поле создает вихревое электрическое поле, а оно создает переменное магнитное поле. Кроме того, в его уравнениях была постоянная величина  - это скорость света в вакууме. Т.е. из этой теории следовало, что электромагнитная волна распространяется в пространстве со скоростью света в вакууме. Поистине гениальная работа была оценена многими учеными того времени, а А. Эйнштейн говорил, что самым увлекательным во время его учения была теория Максвелла.

Генрих Герц (1887 г.)

Генрих Герц родился болезненным ребенком, но стал очень сообразительным учеником. Ему нравились все предметы, которые изучал. Будущий ученый любил писать стихи, работать на токарном станке. После окончания гимназии Герц поступил в высшее техническое училище, но не пожелал быть узким специалистом и поступил в Берлинский университет, чтобы стать ученым. После поступления в университет Генрих Герц стремиться заниматься в физической лаборатории, но для этого необходимо было заниматься решением конкурсных задач. И он взялся за решение следующей задачи: обладает ли электрический ток кинетической энергией? Эта работа была рассчитана на 9 месяцев, но будущий ученый решил ее через три месяца. Правда, отрицательный результат, с современной точки зрения неверен. Точность измерения необходимо было увеличить в тысячи раз, что тогда не представлялось возможным.

Еще будучи студентом, Герц защитил докторскую диссертацию на "отлично" и получил звание доктора. Ему было 22 года. Ученый успешно занялся теоретическими исследованиями. Изучая теорию Максвелла, он показал высокие экспериментальные навыки, создал прибор, который называется сегодня антенной и с помощью передающей и приемной антенн осуществил создание и прием электромагнитной волны и изучил все свойства этих волн. Он понял, что скорость распространения этих волн конечна и равна скорости распространения света в вакууме. После изучения свойств электромагнитных волн он доказал, что они аналогичны свойствам света. К сожалению, эта робота окончательно подорвала здоровье ученого. Сначала отказали глаза, затем заболели уши, зубы и нос. Вскоре он скончался.

Генрих Герц завершил огромный труд, начатый Фарадеем. Максвелл преобразовал представления Фарадея в математические формулы, а Герц превратил математические образы в видимые и слышимые электромагнитные волны. Слушая радио, просматривая телевизионные передачи, мы должны помнить об этом человеке. Не случайно единица частоты колебаний названа в честь Герца, и совсем не случайно первыми словами, переданными русским   физиком А.С. Поповым с помощью беспроводной связи, были "Генрих Герц", зашифрованные азбукой Морзе.

Попов Александр Сергеевич (1895 г.)

Попов совершенствовал приемную и передающую антенну и вначале была осуществлена связь на расстоянии 250 м, затем на 600 м. И в 1899 году ученый установил радиосвязь на расстоянии 20 км, а в 1901 - на 150 км. В 1900 году радиосвязь помогла провести спасательные работы в Финском заливе. В 1901 году итальянский инженер Г. Маркони осуществил радиосвязь через Атлантический океан.

1.История изобретение радио.

Преподаватель. Изобретенное учеными всего мира беспроводное средство связи было логическим продолжением и развитием учения об электричестве, история которого уходит в глубину веков. Об истории  изобретение  радио нам расскажет (Ф.И. студента 1), (Приложение 1)

2. Жизнь и деятельность А.С.Попова.

Преподаватель. Таким образом,  рождением радио человечество обязано выдающемуся русскому ученому, изобретателю,  физику Александру Степановичу Попову. О жизнедеятельности и достижениях ученого вы узнаете из сообщения

(Ф.И. студента 2),  (Приложение 2 )

3.  История появления радиосвязи.

Преподаватель. Радиосвязь - способ беспроводной передачи информации на расстояние посредством электромагнитных волн ( радиоволн). Появление радиосвязи легло в основу развития направлений таких как:

Радиотелеграфная связь-телеграф

Радиотелефонная связь -мобильная связь

Радиовещание;

Телевидение;

Радиолокация - космическая техника

О ходе развития радиотелеграфной связи нам расскажет (Ф.И. студента 3.), (Приложение 3)

Преподаватель. Вот модель телеграфного аппарата.

Кроме передачи телеграфных сигналов, стала возможной надежная и высококачественная радиотелефонная связь – передача речи или музыки с помощью электромагнитных волн.

Для осуществления радиотелефонной связи необходимо использование высокочастотных колебаний, интенсивно излучаемые антенной. 

Об этапах развития радиотелефонной связи и радиовещании вас ознакомит

(Ф.И. студента 4.), (Приложение 3)

4. Принцип радиотелефонной связи

Преподаватель. А теперь пришло время разобрать  принцип   действия радиотелефонной связи, как звук долетает от передающей радиостанции, до самых отдельных уголков нашей страны.

Для осуществление радиотелефонной связи необходимо использовать высокочастотные колебания, интенсивно излучаемые антенной. Незатухающие колебания высокой частоты вырабатывает генератор. Вашему вниманию представлены три графика:

1.График колебаний высокой частоты, называют несущей частотой.

2.График колебаний звуковой частоты, т.е. модулирующих колебаний низкой частоты.

3.График модулированных по амплитуде колебаний.

Мне бы хотелось заострить ваше внимание на понятиях   «Модуляция», «детектирование».

Модуляция колебаний  - медленное по сравнению с периодом колебаний изменение амплитуды, частоты или фазы колебаний по определённому закону. Соответственно различаются амплитудная модуляция, частотная модуляция и фазовая модуляция.

Детектирование - выделение из модулированных колебаний высокой частоты  низкочастотных колебаний.

Преподаватель. Вашему вниманию предоставляется блок схема

: «Основные   принципы радиосвязи».

Для того чтобы осуществить радиосвязь в микрофон поступают звуковые колебания, генератор вырабатывает гармонические колебания высокой частоты и передает в модулирующее устройство, модулированные по амплитуде колебания поступают на передающую  антенну,  приемная антенна принимает модулированные электромагнитные волны, которые поступают в детектор, из которого выделяются низкочастотные колебания,  поступающие в динамик.

5.Устройство радиоприемника

Преподаватель. Обратите внимание на модель радиоприемника.

 Об устройстве простейшего детекторного радиоприемника вас более подробно познакомит студент ( Ф.И.студента 5) , (Приложение 4)

 (Применить модель устройства радиоприемника).

6.Телевидение.

Преподаватель. Радиоволны используются не только для передачи звука, но и для передачи изображения.  Об исторических  фактах  развития телевидение вас проинформирует (Ф.И.студента 6.) , (Приложение 5)

Преподаватель. Суть принципа  передачи изображения на дальние расстояния вам раскроет (Ф.И.студента 7.)

7.Радиолокация

Преподаватель. Высокочувствительные радиолокационные приемники: радиолокатор или радар улавливают и усиливают отраженный сигнал с целью получить информацию о том, где находится тот предмет, от которого отразилась волна

Радиолокация- обнаружение объектов и определение их координат с помощью отражения радиоволн. Расстояние от объекта до радиолокатора

 R = сt/2; с – скорость э/м волн; t- промежуток времени между   импульсами

Радиолокаторы используются для  определения расстояния и  обнаружения самолетов, кораблей, скопления облаков, локации планет, в космических исследованиях. С помощью радиолокации  определяют  скорости орбитального движения планет, а также скорости  их вращения вокруг своей оси.

8.Радиоволны.

Преподаватель. Кардинальную роль в осуществлении передачи различных видов радиосвязи играют радиоволны. О видах радиоволн и их  применении в жизни и деятельности человека нас осведомит (Ф.И.студента 8.),  (Приложение 6)

9.Влияние электромагнитных волн на здоровье человека и

меры безопасности.  (Приложение 7)

1.Здоровье человека и сотовый телефон.

Преподаватель. Итак, применение радиоволн достаточно широко, а современная наука и техника не стоит на месте, а стремительно движется вперед. Спутники связи используются для ретрансляции телевизионных программ на всю территорию страны, для мобильной телефонной связи.  В  настоящее время мы не представляем свою жизнь без сотовой связи.  Но никто из вас наверно  не задумывался о последствиях мобильных телефонов. Какую угрозу они несут для здоровья человека? Здоровье человека и сотовый телефон. В этом нас просветит (Ф.И.студента 9….)

2. Персональный компьютер

Преподаватель. А какую опасность для жизни человека представляет персональный компьютер? Нам расскажет (Ф.И.студента 10….)  

3. Действия электромагнитных излучений  бытовой техники  на организм

Преподаватель. Разнообразные электрические приборы прочно вошли в наш быт.

О действии электромагнитных излучений бытовой техники на организм человека нас оповестит (Ф.И.студента 11….) 

Преподаватель. Возможности радиодиапазона далеко не исчерпаны и таят в себе огромный потенциал для дальнейших исследований, дальнейшего расширения диапазона. Для этого необходимы новые конструкторские решения. Это значит, что радиоэлектронику ждет великое будущее, и она сыграет значимую роль в развитии цивилизации.

Преподаватель. Закрепим изученный материал в ходе решения задач.

V. Закрепление изученного материала.  Решение задач.

 ( Приложение 8. Раздаточный материал)

1. Задачи с проблемными ситуациями

Преподаватель.  Сейчас мы решим задачи с проблемными ситуациями, которые не редко встречаются в вашей жизни, связанные с радиотелефонной связью.

Ситуация 1

Один из студентов первого курса нашего техникума настроил детекторный радиоприемник на определенную волну, затем выключил детектор и включил его в противоположном направлении. Будет ли слышна передача в этом случае? (Будет).

Ситуация 2

На протяжении своей жизни вы, наверно замечали, что при приближении человека к работающему радиоприемнику или телевизору с комнатной антенной заметно нарушается качество воспринимаемого сигнала: А если же имеется наружная антенна, то нарушения не заметны. Почему? (Создается дополнительная емкость)

Ситуация 3

Вот произошла такая ситуация, двое студентов на занятиях кружка «Квант» изучали устройство радиоприемника. Один студент подсоединил концы антенны к изоляторам, а изоляторы прикрепил к стене, другой концы антенны прикрепил непосредственно к стене. Кто из них поступил правильно? (Первый)

Ситуация 4

По истечению обстоятельств вам подарили телевизор, но для соединения наружной антенны телевизора с выходом вам нужен кабель (специальный провод). Так как кабеля не было, его заменили многожильным медным проводом с хлорвиниловой изоляцией. Как вы думаете, нарушиться ли при этом качество приема? (Качество приема ухудшится)

2. Решение задач на логическое мышление профессиональной направленности.

Преподаватель. После окончания нашего техникума, большая часть из вас будет работать по своей специальности в совхозах, акционерных обществах и других организациях. Я предлагаю решить задачи профессиональной  направленности.

Задача №1

Может ли директор совхоза вести разговор с начальниками отделений с помощью одного радиопередающего  и радиоприемного устройства или у него для каждого отделения должна быть своя установка? (Может)

Задача №2

В походных мастерских  на полевых станах пользуются радиоприемными  устройствами с ферритовой антенной и с металлическим стержнем. В каких случаях применяется та или иная антенна? Почему? (Ферритовая антенна используется для средних волн, с металлическим стержнем – для коротких).

Задача №3/ Можно ли обмануть радиолокатор? (Можно, используя радиопоглощающие материалы, например, угольную пыль, каучук, и гофрированные покрытия, на которых радиоизлучение рассеивается диффузно, во все стороны.

Можно создать радиопомехи, сбрасывая с самолета полоски алюминиевой фольги или металлизированного волокна)

Задача № 4

Из нижеперечисленных устройств выберите те, в которых происходит детектирование:

1. Передающая радиостанция.

2. Ламповый радиоприемник.

3. Генератор незатухающих колебаний.

4. Генератор постоянного тока.

5. Полупроводниковый выпрямитель переменного тока.

6. Детекторный радиоприемник (2,5,6).

Заключительная часть урока

1.Итог урока.

1..Что называется радиосвязью?

( Радиосвязь - способ беспроводной передачи информации на расстояние посредством  радиоволн)

2.Какие виды радиосвязи вы знаете?

(Радиотелеграфная связь, радиотелефонная связь, радиовещание; телевидение; радиолокация)

3.Что нового для себя и необычного узнали на сегодняшнем уроке?

(4 и 5 вопросы задать по возможности с учетом расположения  временем)

4.Какой процесс называется модуляцией?

(Модуляция - медленное по сравнению с периодом колебаний изменение амплитуды, частоты или фазы колебаний по определённому закону)

5.Что называется детектирование?

(Детектирование - выделение из модулированных колебаний высокой частоты  низкочастотных колебаний)

 (Выставление оценок студентам за работу на уроке)

Заключительное слово.

Преподаватель. И так, друзья, наш урок  подошёл к концу. Я благодарю вас за активное участие в научно – познавательной конференции, за предоставленную полезную и познавательную информацию о ученых изобретателях, которые внесли большой вклад в создание и развитие технических средств связи.

«Я горд тем, что родился русским. И если не современники, то, может быть, потомки наши поймут, сколько велика моя преданность нашей родине и как счастлив я, что не за рубежом, а в России открыто новое средство связи.» (А.С.Попов)

Домашняя работа: А.С. Попов биография