Номер 3, страница 68 - гдз по физике 11 класс учебник Башарулы, Шункеев

3. В чем заключается физический смысл модуляции по амплитуде?

2. Радиосвязь — это передача информации (звука, изображений, данных) на расстояние с помощью радиоволн, то есть электромагнитных волн в радиочастотном диапазоне. Этот процесс осуществляется на основании нескольких ключевых физических принципов:

1. Генерация высокочастотных электромагнитных колебаний. В передатчике с помощью специального устройства — генератора — создаются незатухающие гармонические электромагнитные колебания высокой частоты. Эту частоту называют несущей. Сами по себе эти колебания не несут информации.

2. Модуляция. Для того чтобы высокочастотные колебания могли переносить полезную информацию (например, звук), один из их параметров (амплитуду, частоту или фазу) изменяют в соответствии с передаваемым низкочастотным сигналом. Этот процесс называется модуляцией. Например, при амплитудной модуляции (АМ) амплитуда несущей волны изменяется в такт со звуковыми колебаниями.

3. Излучение и распространение радиоволн. Модулированные высокочастотные колебания подаются на передающую антенну. Антенна преобразует эти электрические колебания в электромагнитные волны, которые излучаются в пространство и распространяются от передатчика во все стороны (или в заданном направлении).

4. Прием радиоволн. Распространяющиеся в пространстве электромагнитные волны, достигая приемной антенны, возбуждают в ней очень слабые электромагнитные колебания той же частоты и с той же модуляцией, что и в передатчике.

5. Детектирование (демодуляция). Чтобы извлечь полезную информацию из принятых высокочастотных колебаний, в радиоприемнике осуществляется процесс, обратный модуляции — детектирование или демодуляция. В ходе этого процесса из модулированного сигнала выделяется исходный низкочастотный информационный сигнал.

6. Усиление и воспроизведение. Выделенный низкочастотный сигнал очень слаб, поэтому его усиливают, после чего подают на воспроизводящее устройство (например, динамик), которое преобразует электрический сигнал обратно в звук. Важным принципом также является избирательность (селективность) приемника — его способность настраиваться на частоту определенной радиостанции и отфильтровывать сигналы других станций.

Ответ: Радиосвязь осуществляется на основе принципов генерации высокочастотных колебаний, их модуляции информационным сигналом, излучения и приема радиоволн, а также их последующего детектирования (демодуляции) для извлечения исходной информации.

3. Физический смысл модуляции по амплитуде (амплитудной модуляции, АМ) заключается в кодировании низкочастотного информационного сигнала (например, звука) путем изменения амплитуды высокочастотной несущей волны.

Рассмотрим этот процесс подробнее. Низкочастотные сигналы, такие как звук (с частотами от 20 Гц до 20 кГц), крайне неэффективно излучаются в виде электромагнитных волн. Длина волны $\lambda$ обратно пропорциональна частоте $f$ ($ \lambda = c/f $, где $c$ — скорость света). Для звуковых частот длина волны составляет десятки и сотни километров, что потребовало бы антенн сопоставимых размеров.

Чтобы решить эту проблему, используется высокочастотная "несущая" волна, которая хорошо излучается антеннами разумных размеров. Однако сама по себе несущая волна не содержит информации. Процесс амплитудной модуляции позволяет "вложить" в нее полезный сигнал.

Физически это означает, что амплитуда несущей волны $U_c$ перестает быть постоянной, а изменяется во времени в точном соответствии с формой информационного (модулирующего) сигнала $u_m(t)$. Если в какой-то момент времени напряжение информационного сигнала растет, амплитуда несущей волны также увеличивается. Если напряжение падает, амплитуда несущей уменьшается. При этом частота несущей волны остается неизменной.

Математически, если несущее колебание описывается как $u_c(t) = U_c \cos(\omega_c t)$, а информационный сигнал (для простоты гармонический) как $u_m(t) = U_m \cos(\omega_m t)$, то амплитуда модулированного сигнала будет изменяться по закону $A(t) = U_c + k \cdot u_m(t)$, где $k$ - коэффициент пропорциональности. Результирующее модулированное колебание имеет вид:

$u_{AM}(t) = (U_c + U_m \cos(\omega_m t)) \cos(\omega_c t) = U_c(1 + m \cos(\omega_m t)) \cos(\omega_c t)$

где $m = U_m/U_c$ — глубина модуляции.

Таким образом, информационный сигнал как бы "отпечатывается" на огибающей высокочастотного сигнала. Этот составной сигнал эффективно передается на расстояние, а в приемнике с помощью процесса детектирования из него извлекается исходная низкочастотная информация.

Ответ: Физический смысл амплитудной модуляции состоит в изменении амплитуды высокочастотной несущей волны по закону передаваемого низкочастотного информационного сигнала. Это позволяет "переносить" информацию с помощью радиоволн, которые эффективно излучаются и распространяются на большие расстояния.