Страница 124 - гдз по физике 11 класс учебник Касьянов

В О П Р О С Ы

1. Какой вид передачи информации называют радиосвязью? Охарактеризуйте основные элементы радиосвязи.

Радиосвязью называют способ передачи информации на расстояние без использования искусственных линий (проводов или кабелей), при котором носителем информации служат радиоволны, свободно распространяющиеся в пространстве. Этот вид связи позволяет передавать различные типы данных: речь, музыку, текстовые сообщения, изображения и цифровые данные.

Основные элементы, составляющие любую систему радиосвязи:

• Передающее устройство (передатчик). Его основная функция — преобразование передаваемого сообщения (например, звука) в радиосигнал. Этот процесс включает в себя модуляцию — наложение информационного сигнала на высокочастотное электромагнитное колебание (несущую волну). Затем полученный радиосигнал усиливается по мощности и через передающую антенну излучается в окружающее пространство в виде радиоволн.
• Среда распространения (линия радиосвязи). Это пространство, в котором радиоволны распространяются от передатчика к приёмнику. Свойства среды (например, атмосфера, ионосфера, космическое пространство) влияют на распространение сигнала, вызывая его затухание, отражение, преломление и появление помех.
• Приёмное устройство (приёмник). Его задача — выполнить обратное преобразование. Приёмная антенна улавливает радиоволны и преобразует их в слабый электрический ток. Далее приёмник из всего многообразия сигналов выделяет (настраивается на) нужный, усиливает его, а затем выполняет процесс демодуляции (детектирования) — извлечение из радиосигнала исходной полезной информации. В конце информация преобразуется в исходную форму (например, звук из динамика, изображение на экране).

Ответ: Радиосвязь — это технология передачи информации на расстояние с помощью радиоволн. Её основными элементами являются: передатчик, который формирует и излучает модулированный радиосигнал; среда распространения, по которой этот сигнал распространяется; и приёмник, который улавливает сигнал, демодулирует его и преобразует в исходное сообщение.

2. Какие существуют виды радиосвязи? Что их отличает друг от друга?

Решение

Радиосвязь — это способ передачи информации на расстояние с помощью радиоволн. Существует несколько способов классификации видов радиосвязи. Основная классификация проводится по диапазону частот (или длин волн) используемых радиоволн, так как от этого зависят ключевые характеристики связи: способ распространения, дальность, пропускная способность и области применения.

Виды радиосвязи по диапазонам волн:

• Длинные волны (ДВ): Частота 30–300 кГц, длина волны 10–1 км.
• Средние волны (СВ): Частота 300–3000 кГц, длина волны 1000–100 м.
• Короткие волны (КВ): Частота 3–30 МГц, длина волны 100–10 м.
• Ультракороткие волны (УКВ): Частота выше 30 МГц, длина волны менее 10 м. Этот диапазон, в свою очередь, подразделяется на:
  • Метровые волны (МВ): 30–300 МГц (10–1 м)
  • Дециметровые волны (ДМВ): 300–3000 МГц (1 м – 10 см)
  • Сантиметровые волны (СМВ): 3–30 ГГц (10–1 см)
  • Миллиметровые волны (ММВ): 30–300 ГГц (10–1 мм)

Основные отличия видов радиосвязи:

Виды радиосвязи отличаются друг от друга по ряду фундаментальных параметров, которые определяются в первую очередь частотой используемых радиоволн.

1. Способ распространения и дальность связи:

• ДВ и СВ: Распространяются в основном как земные волны, способные огибать кривизну Земли. Это обеспечивает стабильную связь на большие расстояния (сотни и тысячи километров). Ночью средние волны также могут отражаться от ионосферы, увеличивая дальность.
• КВ: Распространяются на сверхдальние расстояния (до нескольких тысяч километров, возможна связь по всему земному шару) за счет многократных отражений от ионосферы (верхних слоев атмосферы) и поверхности Земли. Это так называемая пространственная волна. Качество такой связи сильно зависит от времени суток, сезона и солнечной активности.
• УКВ: Распространяются практически прямолинейно, в пределах прямой видимости. Они не огибают Землю и не отражаются от ионосферы. Дальность связи ограничена расстоянием до горизонта (обычно десятки километров). Для увеличения дальности применяют высоко поднятые антенны и системы ретрансляторов (включая спутники связи).

2. Пропускная способность (количество передаваемой информации):

• Чем выше частота несущей волны, тем более широкую полосу частот можно использовать для передачи сигнала, а значит, тем больше информации можно передать в единицу времени.
• ДВ, СВ, КВ: Имеют низкую пропускную способность. Используются в основном для передачи звука с невысоким качеством (например, радиовещание в АМ-диапазоне) или телеграфных сообщений.
• УКВ: Обладают высокой пропускной способностью. Это позволяет передавать высококачественный стереозвук (FM-радио), телевизионные сигналы, а также огромные потоки цифровых данных, что используется в мобильной связи (4G, 5G), беспроводных сетях (Wi-Fi) и спутниковом телевидении.

3. Размеры антенн:

• Эффективный размер антенны напрямую связан с длиной волны ($ \lambda $).
• Для длинных и средних волн ($ \lambda $ достигает километров и сотен метров) требуются очень большие, громоздкие и дорогие антенные сооружения.
• Для ультракоротких волн ($ \lambda $ измеряется в метрах, сантиметрах и даже миллиметрах) антенны получаются очень компактными. Это позволило создать портативные и мобильные устройства связи (рации, мобильные телефоны).

4. Помехоустойчивость:

• Диапазоны ДВ и СВ сильно подвержены влиянию атмосферных (грозы) и промышленных помех.
• Диапазон УКВ значительно более устойчив к таким видам помех, что обеспечивает более чистое и качественное звучание и передачу данных.

Ответ:

Существуют различные виды радиосвязи, которые классифицируются в основном по диапазону используемых частот (длин волн): длинные (ДВ), средние (СВ), короткие (КВ) и ультракороткие (УКВ) волны. Они отличаются друг от друга способом распространения радиоволн (огибание Земли, отражение от ионосферы, прямая видимость), что определяет дальность связи. Также они различаются пропускной способностью (количеством передаваемой информации), необходимостью в размерах антенн, помехоустойчивостью и, как следствие, областями применения (от дальнего радиовещания на ДВ до мобильной связи и Wi-Fi на УКВ).

3. Охарактеризуйте форму передаваемого сигнала при различных видах радио-связи, а также частотный диапазон каждого вида радиосвязи.

передача информации по радиоканалам осуществляется с помощью модуляции — процесса изменения одного или нескольких параметров высокочастотного несущего колебания (несущей) в соответствии с передаваемым информационным сигналом. основными параметрами являются амплитуда, частота и фаза. ниже охарактеризованы основные виды радиосвязи, форма их сигнала и частотные диапазоны.

Амплитудная модуляция (АМ)

амплитудная модуляция — это вид модуляции, при котором амплитуда несущего колебания высокой частоты изменяется пропорционально мгновенному значению информационного (модулирующего) сигнала. частота и начальная фаза несущей остаются неизменными.

форма сигнала:

если несущее колебание описывается как $s_c(t) = A_c \cos(2\pi f_c t)$, а информационный сигнал — $m(t)$, то модулированный ам-сигнал имеет вид:

$s_{AM}(t) = A_c[1 + k_a m(t)] \cos(2\pi f_c t)$

где $A_c$ — амплитуда несущей, $f_c$ — частота несущей, а $k_a$ — коэффициент модуляции, определяющий глубину модуляции. огибающая ам-сигнала повторяет форму информационного сигнала. этот вид модуляции прост в реализации, но подвержен помехам, так как помехи в основном влияют на амплитуду сигнала.

частотный диапазон:

ам-радиовещание традиционно ведется в следующих диапазонах:

• длинные волны (дв / lw): 153 – 279 кгц.
• средние волны (св / mw): 526,5 – 1606,5 кгц.
• короткие волны (кв / sw): 3 – 30 мгц (разбит на несколько вещательных поддиапазонов).

ответ: при ам-радиосвязи амплитуда высокочастотной несущей изменяется в соответствии с информационным сигналом. используемые частотные диапазоны — дв (153–279 кгц), св (526,5–1606,5 кгц) и кв (3–30 мгц).

Частотная модуляция (ЧМ)

частотная модуляция — это вид модуляции, при котором частота несущего колебания изменяется пропорционально мгновенному значению информационного сигнала. амплитуда несущей при этом остается постоянной.

форма сигнала:

мгновенная частота чм-сигнала $f(t)$ связана с информационным сигналом $m(t)$ как $f(t) = f_c + k_f m(t)$, где $k_f$ — коэффициент чувствительности по частоте. сам сигнал описывается формулой:

$s_{FM}(t) = A_c \cos(2\pi \int_0^t f(\tau) d\tau) = A_c \cos(2\pi f_c t + 2\pi k_f \int_0^t m(\tau) d\tau)$

чм-сигналы обладают высокой помехоустойчивостью по сравнению с ам, так как большинство атмосферных и индустриальных помех имеют амплитудный характер. это позволяет передавать звук с высоким качеством (hi-fi).

частотный диапазон:

чм-радиовещание ведется в диапазоне ультракоротких волн (укв / vhf), который обеспечивает высокое качество звука и зону уверенного приема в пределах прямой видимости.

• диапазон укв oirt (старый советский стандарт): 65,9 – 74 мгц.
• диапазон укв ccir (мировой стандарт, часто называемый fm-диапазоном): 87,5 – 108 мгц.

ответ: при чм-радиосвязи частота высокочастотной несущей изменяется в соответствии с информационным сигналом, а амплитуда остается постоянной. используемый частотный диапазон — укв (65,9–74 мгц и 87,5–108 мгц).

Цифровая радиосвязь (цифровая модуляция)

в цифровой радиосвязи передаваемая информация представляет собой последовательность дискретных значений (битов — 0 и 1). при цифровой модуляции один из параметров несущей (амплитуда, частота или фаза) изменяется скачкообразно, принимая одно из нескольких предопределенных значений, каждое из которых соответствует определенной комбинации битов.

форма сигнала:

существует множество видов цифровой модуляции. основные из них:

• амплитудная манипуляция (амн / ask - amplitude-shift keying): амплитуда несущей принимает дискретные значения. в простейшем случае — одно значение для '1' и другое (например, ноль) для '0'.
• частотная манипуляция (чмн / fsk - frequency-shift keying): частота несущей переключается между несколькими дискретными значениями. например, частота $f_1$ для '1' и $f_2$ для '0'.
• фазовая манипуляция (фмн / psk - phase-shift keying): фаза несущей принимает дискретные значения. например, фаза 0° для '1' и 180° для '0' (двоичная фмн, bpsk).
• квадратурная амплитудная модуляция (кам / qam - quadrature amplitude modulation): комбинированный метод, при котором одновременно изменяются и амплитуда, и фаза несущей. это позволяет передавать несколько битов информации одним состоянием сигнала (символом), что значительно повышает эффективность использования спектра.

частотный диапазон:

цифровые виды модуляции используются практически во всех современных системах радиосвязи и в широчайшем спектре частот:

• цифровое радиовещание (drm, dab): использует диапазоны, схожие с аналоговым вещанием (дв, св, кв, укв).
• цифровое телевидение (dvb-t/t2): диапазоны метровых (мв / vhf, 174–230 мгц) и дециметровых волн (дмв / uhf, 470–862 мгц).
• сотовая связь (gsm, 3g, 4g/lte, 5g): множество диапазонов от 700 мгц до десятков ггц.
• беспроводные сети (wi-fi, bluetooth): нелицензируемые ism-диапазоны, в основном 2,4 ггц и 5 ггц.
• спутниковая связь: l, c, ku, ka-диапазоны (от 1 ггц до 40 ггц и выше).

ответ: в цифровой радиосвязи параметры несущей (амплитуда, частота, фаза или их комбинация) изменяются дискретно для кодирования цифровых данных. этот вид связи применяется во всех современных технологиях (цифровое тв, сотовая связь, wi-fi, спутниковая связь) в очень широком диапазоне частот от сотен кгц до десятков ггц.

4. Охарактеризуйте особенности радиотелеграфной связи.

Решение

Радиотелеграфная связь (или CW, от англ. Continuous Wave — незатухающая волна) — это один из первых и наиболее простых способов радиосвязи, предназначенный для передачи текстовых сообщений. Информация передается путем кодирования символов (букв, цифр, знаков) в последовательности сигналов разной длительности, самым известным кодом для которого является азбука Морзе (точки и тире).

Принцип действия основан на простейшем виде модуляции — амплитудной манипуляции (On-Off Keying). Передатчик излучает радиоволну постоянной амплитуды и частоты во время передачи точки или тире и выключается в паузах между ними. На приемной стороне эти прерывания преобразуются в звуковые сигналы, которые оператор декодирует на слух.

Основные особенности радиотелеграфной связи:

• Высокая помехоустойчивость. Сигнал имеет очень узкую полосу частот (обычно не более 100-150 Гц). Это позволяет приемнику с помощью узкополосных фильтров эффективно отсекать шумы и помехи. Человеческий мозг также является отличным "фильтром", способным выделить ритмичный сигнал Морзе даже на уровне сильных шумов, что делает связь возможной в условиях, когда голосовая связь невозможна.
• Эффективное использование мощности и большая дальность. Вся энергия передатчика концентрируется в очень узкой спектральной полосе, что эквивалентно значительному увеличению мощности по сравнению с широкополосными сигналами (например, голосом). Это, в сочетании с высокой помехоустойчивостью, обеспечивает максимальную дальность связи при минимальной мощности передатчика.
• Простота и надежность аппаратуры. Схемотехника телеграфного передатчика и приемника значительно проще, чем у аппаратуры для передачи голоса или цифровых данных. Это повышает надежность оборудования, снижает его стоимость и энергопотребление, что критически важно для портативных, аварийных и автономных систем связи.
• Низкая скорость передачи. Это является главным недостатком. Скорость передачи информации напрямую зависит от квалификации оператора и редко превышает 20-30 слов в минуту (100–150 знаков/мин). Это значительно уступает современным цифровым стандартам.
• Необходимость в квалифицированных операторах. Эффективное использование радиотелеграфа требует от операторов знания азбуки Морзе и длительной практики для развития навыков приема на слух и передачи с помощью телеграфного ключа.

В настоящее время радиотелеграфная связь в коммерческих и большинстве военных сфер вытеснена спутниковыми и цифровыми системами. Однако она по-прежнему широко используется радиолюбителями, а также сохраняется в качестве резервного канала связи на флоте, в авиации и для экстренных служб благодаря своей простоте, надежности и способности работать в самых экстремальных условиях распространения радиоволн.

Ответ: Радиотелеграфная связь — это способ передачи текста с помощью кодированных радиосигналов (азбука Морзе). Её главные особенности: 1) Высокая помехоустойчивость и большая дальность связи благодаря очень узкой полосе сигнала и концентрации мощности. 2) Простота, дешевизна и надежность приемопередающей аппаратуры. 3) Основные недостатки — низкая скорость передачи информации и требование к высокой квалификации операторов (знание азбуки Морзе).

5. Какой вид радиосвязи называют радиолокацией? На каком физическом явлении основана радиолокация и для каких целей она применяется?

Какой вид радиосвязи называют радиолокацией?

Радиолокация (от слов радио и лат. locatio — «расположение») — это метод обнаружения, распознавания и определения параметров движения (координат, скорости) различных объектов с помощью радиоволн. В отличие от классической радиосвязи, основной целью которой является передача информации (сообщений) между двумя точками, радиолокация использует радиоволны для исследования окружающего пространства. Радар посылает зондирующий сигнал и анализирует его отражение от объектов, получая таким образом информацию об этих объектах.

Ответ: Радиолокацией называют способ обнаружения и определения местоположения и скорости объектов с помощью отраженных от них радиоволн.

На каком физическом явлении основана радиолокация?

Принцип действия радиолокации основан на двух ключевых физических явлениях:

1. Отражение радиоволн. Радиоволны, излучаемые передатчиком радара, способны отражаться от объектов, обладающих электропроводностью или отличающихся по своим диэлектрическим свойствам от среды распространения. Приемная антенна радара улавливает эти отраженные волны (эхо-сигнал). Зная время задержки $\Delta t$ между излучением импульса и приемом отраженного сигнала, а также скорость распространения радиоволн (равную скорости света $c$), можно вычислить расстояние $R$ до объекта: $R = \frac{c \cdot \Delta t}{2}$ Деление на 2 необходимо, так как сигнал проходит двойное расстояние: до объекта и обратно.
2. Эффект Доплера. Если объект движется относительно радара, то частота отраженного сигнала изменяется. Это изменение частоты пропорционально радиальной скорости объекта (составляющей скорости, направленной вдоль линии, соединяющей радар и объект). Эффект Доплера позволяет не только обнаруживать движущиеся цели, но и измерять их скорость.

Ответ: Радиолокация основана на явлении отражения радиоволн от объектов и на эффекте Доплера, который позволяет определять скорость их движения.

Для каких целей она применяется?

Радиолокация имеет чрезвычайно широкое применение в гражданских и военных областях. Основные цели и сферы применения:

- Военное дело: системы противовоздушной и противоракетной обороны, обнаружение и сопровождение самолетов, кораблей, ракет; наведение вооружения; разведка и картографирование местности.

- Авиация: управление воздушным движением, обеспечение безопасных взлетов и посадок, навигация, предотвращение столкновений, измерение высоты полета (радиовысотомеры), обнаружение опасных погодных явлений (бортовые метеорадары).

- Морской и речной флот: навигация, обнаружение других судов, береговой линии, айсбергов и других препятствий для предотвращения столкновений.

- Метеорология: наблюдение за формированием и движением облаков, осадков, гроз, ураганов; измерение скорости ветра с помощью доплеровских радаров.

- Космонавтика: отслеживание орбит спутников и космического мусора, управление космическими аппаратами, радиолокационное картографирование поверхностей планет и астероидов.

- Автомобильная промышленность: системы помощи водителю (адаптивный круиз-контроль, системы автоматического торможения, мониторинг "слепых" зон).

- Геология и картография: создание детальных топографических карт, исследование ледников, поиск полезных ископаемых.

- Правоохранительные органы: измерение скорости движения транспортных средств для контроля соблюдения скоростного режима.

Ответ: Радиолокация применяется в военных целях, в авиации, на флоте, в метеорологии, космонавтике, автомобильной промышленности и других областях для обнаружения объектов, определения их координат и скорости, а также для навигации и картографирования.