Номер 10, страница 19, часть 1 - гдз по физике 7 класс учебник Генденштейн, Булатова

Часть 1. Глава I. Физика и физические методы изучения природы. Параграф 2. Физика и окружающий мир - номер 10, страница 19.

Условие.

10. Какие известные вам физические открытия используются в современных средствах связи? Подготовьте на эту тему устное или письменное сообщение.

Решение.

Современные средства связи, от смартфонов и интернета до спутниковой навигации, являются результатом множества фундаментальных физических открытий, сделанных на протяжении последних двух столетий. Эти открытия неразрывно связаны друг с другом и легли в основу технологий, которые изменили мир. Рассмотрим ключевые из них.

1. Теория электромагнетизма и электромагнитные волны

В середине XIX века Джеймс Клерк Максвелл обобщил законы электричества и магнетизма в единую систему из четырех уравнений. Из этих уравнений теоретически следовало существование электромагнитных волн — возмущений электромагнитного поля, распространяющихся в пространстве со скоростью света. Максвелл предположил, что свет сам по себе является электромагнитной волной. В 1887 году Генрих Герц экспериментально подтвердил существование этих волн, сгенерировав и обнаружив их в своей лаборатории. Это открытие стало фундаментом для всей беспроводной связи. Радио, телевидение, мобильная связь, Wi-Fi, Bluetooth, спутниковая связь — все эти технологии используют электромагнитные волны разной частоты для передачи информации на расстояние без проводов.

2. Открытие полупроводников и изобретение транзистора

Долгое время основным элементом электроники были громоздкие и энергозатратные вакуумные лампы. Революция произошла с изучением свойств полупроводников — материалов, чья электропроводность находится между проводниками (как медь) и диэлектриками (как стекло). В 1947 году в лабораториях Bell Labs Джон Бардин, Уолтер Браттейн и Уильям Шокли создали первый транзистор. Это миниатюрное полупроводниковое устройство способно усиливать и переключать электронные сигналы. Транзистор стал основой всей современной микроэлектроники. Микросхемы, процессоры в компьютерах и смартфонах, модули памяти — все они состоят из миллионов или миллиардов транзисторов. Без этого открытия была бы невозможна цифровая обработка сигналов, лежащая в основе современного интернета и мобильной связи.

3. Явление полного внутреннего отражения и создание оптоволокна

Принцип полного внутреннего отражения света на границе двух сред с разными показателями преломления был известен давно. Он заключается в том, что если свет падает на границу раздела из оптически более плотной среды под углом, превышающим некоторый критический угол, он полностью отражается. В XX веке это явление нашло применение в создании оптического волокна — тонких стеклянных или пластиковых нитей, способных передавать световые сигналы на большие расстояния с минимальными потерями. Ключевой вклад внес Чарльз Као, который в 1960-х годах доказал возможность создания оптоволокна с достаточно низкими потерями для использования в телекоммуникациях. Сегодня оптоволоконные кабели являются основой магистральных сетей интернета, обеспечивая сверхбыструю передачу огромных объемов данных по всему миру.

4. Квантовая механика и изобретение лазера

В начале XX века развитие квантовой механики полностью изменило понимание мира на микроуровне. Одним из предсказаний этой теории, сделанным Альбертом Эйнштейном в 1917 году, было существование вынужденного (стимулированного) излучения. На этом принципе основана работа лазера — источника когерентного, монохроматического и узконаправленного светового излучения. Первый лазер был создан в 1960 году. В системах оптоволоконной связи именно полупроводниковые лазеры генерируют световые импульсы, которые кодируют и переносят информацию по волокну. Без лазеров высокоскоростная оптоволоконная связь была бы невозможна.

5. Специальная и общая теория относительности

Хотя теории относительности Альберта Эйнштейна могут показаться далекими от повседневных технологий, они имеют критическое значение для одной из важнейших систем связи и навигации — GPS (Глобальной системы позиционирования). Работа GPS основана на приеме сигналов от спутников, на борту которых установлены сверхточные атомные часы. Согласно специальной теории относительности, из-за высокой скорости движения спутников ($v \approx 14000$ км/ч) их часы идут медленнее, чем на Земле. В то же время, согласно общей теории относительности, из-за того, что спутники находятся в области с меньшей гравитацией, их часы идут быстрее. Второй эффект преобладает. Без внесения поправок, учитывающих оба этих релятивистских эффекта, вычисляемые GPS координаты накапливали бы ошибку до 10 километров в сутки, что сделало бы систему абсолютно бесполезной. Таким образом, фундаментальные законы пространства-времени напрямую используются в современной спутниковой связи и навигации.

Ответ:

В современных средствах связи используются следующие ключевые физические открытия:

• Теория электромагнетизма и электромагнитные волны (Дж. К. Максвелл, Г. Герц) — основа всей беспроводной связи (радио, мобильная связь, Wi-Fi).

• Свойства полупроводников и изобретение транзистора (Дж. Бардин, У. Браттейн, У. Шокли) — фундамент всей современной микроэлектроники, от процессоров до модулей связи.

• Полное внутреннее отражение света и оптоволокно (Ч. Као) — обеспечивает высокоскоростную передачу данных в интернете по оптоволоконным сетям.

• Квантовая механика и создание лазера (А. Эйнштейн и др.) — лазеры используются в качестве источников света в оптоволоконных линиях связи.

• Теория относительности (А. Эйнштейн) — необходима для точной работы систем спутниковой навигации и связи, таких как GPS, путем коррекции хода времени на спутниках.