Номер 6, страница 218 - гдз по физике 9 класс учебник Пёрышкин, Гутник

6. Почему в радиосвязи не используются электромагнитные волны звуковых частот?

5. В чем заключается процесс амплитудной модуляции электрических колебаний?

Амплитудная модуляция (АМ) — это процесс изменения амплитуды высокочастотных колебаний (несущей волны) в соответствии с законом низкочастотного информационного сигнала (например, звукового). Частота и фаза несущей волны при этом остаются неизменными.

Представим несущую волну в виде гармонического колебания: $u_c(t) = U_c \cos(\omega_c t)$, где $U_c$ — постоянная амплитуда, а $\omega_c$ — циклическая частота несущей волны.

Информационный (модулирующий) сигнал также можно представить в виде колебания, например, $u_s(t) = U_s \cos(\omega_s t)$, где $U_s$ — его амплитуда, а $\omega_s$ — его частота, причем $\omega_s \ll \omega_c$.

В процессе амплитудной модуляции амплитуда несущей волны $U_c$ заменяется на переменную величину $A(t)$, которая изменяется пропорционально информационному сигналу $u_s(t)$. Таким образом, амплитуда модулированного сигнала становится $A(t) = U_c (1 + m \cos(\omega_s t))$, где $m$ — коэффициент модуляции, показывающий глубину модуляции.

Результирующее модулированное колебание описывается уравнением: $u_{AM}(t) = A(t) \cos(\omega_c t) = U_c(1 + m \cos(\omega_s t)) \cos(\omega_c t)$.

Таким образом, "огибающая" (линия, соединяющая пики) высокочастотных колебаний повторяет форму низкочастотного информационного сигнала. Это позволяет "вложить" низкочастотную информацию в высокочастотный сигнал, который эффективно излучается и распространяется в пространстве.

Ответ: Процесс амплитудной модуляции заключается в изменении амплитуды высокочастотной несущей волны в соответствии с мгновенными значениями низкочастотного информационного сигнала. Это делается для передачи информации на большие расстояния с помощью радиоволн.

6. Почему в радиосвязи не используются электромагнитные волны звуковых частот?

Электромагнитные волны звуковых частот (диапазон от 20 Гц до 20 кГц) не используются для радиосвязи по нескольким ключевым причинам:

1. Неэффективность излучения и приема (размер антенн). Для эффективного излучения и приема электромагнитных волн размер антенны должен быть сопоставим с длиной волны (как правило, около половины или четверти длины волны, $L \approx \lambda/2$). Длина волны $\lambda$ обратно пропорциональна частоте $f$: $\lambda = c/f$, где $c$ — скорость света ($\approx 3 \cdot 10^8$ м/с). Например, для частоты $f = 1$ кГц (1000 Гц), длина волны составляет $\lambda = (3 \cdot 10^8 \text{ м/с}) / (10^3 \text{ Гц}) = 300$ км, что потребовало бы антенну длиной 150 км. Даже для верхней границы слышимого диапазона, $f = 20$ кГц, длина волны $\lambda = 15$ км, что требует антенны размером 7,5 км. Такие антенны практически нереализуемы.

2. Плохое распространение. Электромагнитные волны таких низких частот очень сильно поглощаются земной поверхностью и плохо распространяются в атмосфере на большие расстояния. Они не способны эффективно отражаться от ионосферы, что является основным способом дальней радиосвязи на более высоких (коротковолновых) частотах.

3. Перегрузка эфира и невозможность разделения каналов. Весь звуковой диапазон очень узок (всего около 20 кГц). Если бы все радиостанции вели вещание непосредственно на звуковых частотах, их сигналы накладывались бы друг на друга, создавая сплошную какофонию. Разделить их было бы невозможно. Использование высокочастотных несущих волн позволяет разным станциям работать на разных, далеко отстоящих друг от друга частотах (например, 101,2 МГц и 102,5 МГц), что исключает взаимные помехи.

Ответ: Электромагнитные волны звуковых частот не используются в радиосвязи из-за необходимости создания антенн гигантских размеров, плохого распространения таких волн на большие расстояния и невозможности разделить сигналы разных радиостанций в узком звуковом диапазоне частот.

7. В чем заключается процесс детектирования колебаний?

Детектирование (или демодуляция) — это процесс, обратный модуляции, заключающийся в выделении из модулированного высокочастотного сигнала исходного низкочастотного информационного сигнала. Этот процесс происходит в радиоприемнике.

Рассмотрим процесс детектирования для амплитудно-модулированного (АМ) сигнала. Он состоит из двух основных этапов:

1. Выпрямление. Принятый из эфира высокочастотный модулированный сигнал поступает на нелинейный элемент, чаще всего полупроводниковый диод. Диод пропускает ток только в одном направлении, "срезая" одну из половин колебаний (например, отрицательную). В результате на выходе диода получается пульсирующий ток одного направления, частота пульсаций которого равна частоте несущей волны, а амплитуда изменяется в соответствии с низкочастотным информационным сигналом.

2. Фильтрация. После выпрямителя сигнал проходит через сглаживающий фильтр низких частот. Обычно это RC-цепочка (резистор и конденсатор). Конденсатор быстро заряжается во время пиков высокочастотных импульсов, а в промежутках между ними медленно разряжается через резистор, сглаживая пульсации. Параметры фильтра подбираются так, чтобы его постоянная времени $\tau = RC$ была много больше периода несущих колебаний ($\tau \gg T_c$), но много меньше периода информационного сигнала ($\tau \ll T_s$). Это позволяет отфильтровать высокочастотную составляющую, но сохранить форму огибающей, которая и является исходным полезным сигналом. На выходе фильтра получается напряжение, повторяющее форму исходного звукового или другого информационного сигнала.

Этот восстановленный низкочастотный сигнал затем усиливается и подается на динамик, экран или другое воспроизводящее устройство.

Ответ: Процесс детектирования заключается в выделении низкочастотного информационного сигнала из принятого высокочастотного модулированного сигнала. Для АМ-сигнала это обычно достигается путем выпрямления сигнала диодом и последующей фильтрации для сглаживания высокочастотных пульсаций.