Страница 265 - гдз по физике 9 класс учебник Пёрышкин, Гутник

1. По каким критериям электромагнитные волны делят на диапазоны?

Электромагнитные волны представляют собой непрерывный спектр колебаний, поэтому деление на диапазоны является условным, и границы между ними не всегда четко определены. Тем не менее, для классификации используют два основных критерия:

1. Физические характеристики волны. Главными характеристиками являются частота колебаний $ \nu $ (измеряется в герцах, Гц) и длина волны $ \lambda $ (измеряется в метрах, м). Эти величины обратно пропорциональны друг другу и связаны через скорость света в вакууме $ c $ ($ \approx 3 \cdot 10^8 $ м/с) формулой: $ c = \lambda \nu $. Таким образом, шкалу электромагнитных волн можно построить как по возрастанию частоты, так и по убыванию длины волны. Чем выше частота волны, тем большую энергию она переносит.

2. Способы генерации (излучения) и регистрации (детектирования) волн. Исторически сложилось так, что волны разных участков спектра открывались и изучались с помощью различной аппаратуры. Например, радиоволны генерируются и принимаются с помощью антенн, инфракрасное излучение регистрируется тепловыми датчиками (болометрами), видимый свет — сетчаткой глаза или фотоэлементами, а рентгеновское и гамма-излучение — с помощью ионизационных камер и сцинтилляционных счетчиков. Различия в методах получения и регистрации волн и легли в основу их деления на диапазоны.

Ответ: Электромагнитные волны делят на диапазоны по двум основным критериям: 1) по их физическим характеристикам — частоте ($ \nu $) и длине волны ($ \lambda $); 2) по способам их генерации и регистрации.

2. Всю шкалу электромагнитных волн принято делить на несколько основных диапазонов. Ниже они перечислены в порядке увеличения частоты и уменьшения длины волны:

Радиоволны. Это диапазон с самыми длинными волнами (от $ 10 $ км до долей миллиметра) и самыми низкими частотами. Они генерируются колебательными контурами и используются в радиосвязи, телевидении, радиолокации и мобильной связи.

Инфракрасное излучение (тепловое). Занимает диапазон между радиоволнами и видимым светом. Его излучают все нагретые тела. Применяется в тепловизорах, пультах дистанционного управления, физиотерапии.

Видимый свет. Очень узкий участок спектра, который воспринимается человеческим глазом. Длины волн от 760 нм (красный цвет) до 380 нм (фиолетовый цвет). Является основой жизни на Земле (фотосинтез) и нашего восприятия мира.

Ультрафиолетовое излучение. Расположено за фиолетовой границей видимого света. Обладает высокой химической активностью. В малых дозах вызывает загар, в больших — может быть вредно для живых организмов. Используется для дезинфекции.

Рентгеновское излучение. Обладает высокой проникающей способностью. Возникает при резком торможении быстрых заряженных частиц (например, электронов). Применяется в медицине для диагностики (рентгенография) и в дефектоскопии для контроля качества изделий.

Гамма-излучение. Самый коротковолновый и высокочастотный диапазон электромагнитных волн. Обладает наибольшей энергией и проникающей способностью. Источниками служат ядерные реакции, радиоактивный распад, космические процессы. Применяется в лучевой терапии для лечения онкологических заболеваний, в стерилизации и дефектоскопии.

Ответ: Основные диапазоны электромагнитных волн (в порядке возрастания частоты): радиоволны, инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолетовое излучение, рентгеновское излучение, гамма-излучение.

2. Перечислите основные диапазоны электромагнитных волн и укажите границы этих диапазонов.

Перечислите основные диапазоны электромагнитных волн и укажите границы этих диапазонов.

Вся совокупность электромагнитных волн образует непрерывный спектр, который принято делить на несколько диапазонов. Деление это условно, и границы между диапазонами не являются резкими. Диапазоны перечисляются в порядке увеличения частоты (и уменьшения длины волны). Основные диапазоны электромагнитных волн и их примерные границы:

• Радиоволны: длина волны $ \lambda > 1 \text{ м} $, частота $ \nu < 300 \text{ МГц} $.

• Микроволновое излучение (СВЧ): $ \lambda $ от 1 мм до 1 м, $ \nu $ от 300 МГц до 300 ГГц.

• Инфракрасное излучение: $ \lambda $ от 740 нм до 1 мм, $ \nu $ от 300 ГГц до 405 ТГц.

• Видимый свет: $ \lambda $ от 380 нм до 740 нм, $ \nu $ от 405 ТГц до 790 ТГц.

• Ультрафиолетовое излучение: $ \lambda $ от 10 нм до 380 нм, $ \nu $ от 790 ТГц до 30 ПГц.

• Рентгеновское излучение: $ \lambda $ от 0,01 нм до 10 нм, $ \nu $ от 30 ПГц до 30 ЭГц.

• Гамма-излучение: $ \lambda < 0,01 \text{ нм} $, $ \nu > 30 \text{ ЭГц} $.

Ответ: Основные диапазоны электромагнитных волн (в порядке возрастания частоты): радиоволны ($ \nu < 300 \text{ МГц} $), микроволновое излучение ($ 300 \text{ МГц} - 300 \text{ ГГц} $), инфракрасное излучение ($ 300 \text{ ГГц} - 405 \text{ ТГц} $), видимый свет ($ 405 - 790 \text{ ТГц} $), ультрафиолетовое излучение ($ 790 \text{ ТГц} - 30 \text{ ПГц} $), рентгеновское излучение ($ 30 \text{ ПГц} - 30 \text{ ЭГц} $) и гамма-излучение ($ \nu > 30 \text{ ЭГц} $).

3. Расскажите о каждом диапазоне.

Радиоволны

Это самый длинноволновый и низкочастотный участок спектра. Источниками радиоволн служат переменные электрические токи в проводниках (антеннах). Естественные источники — грозовые разряды и астрономические объекты. Радиоволны способны огибать препятствия, соизмеримые с их длиной, и распространяться на большие расстояния. Применяются для передачи информации: в радиовещании (AM, FM), телевидении, мобильной связи, системах навигации (GPS), радиолокации.

Микроволновое излучение (СВЧ)

Этот диапазон часто рассматривают как часть радиоволн. Источниками являются специальные электронные приборы — магнетроны, клистроны. Микроволны используются в бытовых СВЧ-печах, где они вызывают колебания молекул воды, что приводит к нагреву пищи. Также они находят широкое применение в радиолокации для обнаружения объектов, в спутниковой связи, беспроводных сетях передачи данных (Wi-Fi, Bluetooth).

Инфракрасное (ИК) излучение

Также известно как тепловое излучение, поскольку испускается всеми нагретыми телами. Источниками являются Солнце, лампы накаливания, любые нагретые предметы, а также специальные светодиоды и лазеры. Человеком воспринимается как тепло. Применяется в пультах дистанционного управления, приборах ночного видения, тепловизорах, для обогрева помещений, в физиотерапии и в волоконно-оптических линиях связи.

Видимый свет

Это единственный диапазон электромагнитного излучения, воспринимаемый человеческим глазом. Источники света многообразны: Солнце, лампы, пламя, лазеры. Этот диапазон включает в себя спектр цветов от красного (наименьшая частота) до фиолетового (наибольшая частота). Видимый свет — основа нашего зрения и всей жизни на Земле (фотосинтез). Он используется в освещении, фотографии, оптических приборах (микроскопы, телескопы), технологиях хранения и считывания данных (CD, DVD).

Ультрафиолетовое (УФ) излучение

Это излучение с более высокой энергией, чем у видимого света. Основной естественный источник — Солнце. Искусственные источники — кварцевые и ртутные лампы, электрическая дуга. УФ-излучение обладает высокой химической и биологической активностью: вызывает загар, способствует выработке витамина D, но в больших дозах может повредить клетки кожи и глаз. Обладает бактерицидными свойствами, что используется для стерилизации воды, воздуха и поверхностей. Также применяется для обнаружения поддельных банкнот (по люминесценции меток).

Рентгеновское излучение

Это высокоэнергетическое ионизирующее излучение. Его получают в рентгеновских трубках при торможении быстрых электронов о металлическую мишень. Рентгеновские лучи обладают высокой проникающей способностью. Они проходят сквозь мягкие ткани организма, но задерживаются более плотными, например, костями. Это свойство лежит в основе медицинской диагностики (рентгенография, компьютерная томография). Также используется в системах безопасности (сканеры в аэропортах), в материаловедении для изучения структуры кристаллов (рентгеноструктурный анализ).

Гамма-излучение (γ-лучи)

Это электромагнитные волны с самой высокой частотой и энергией в спектре. Источниками гамма-квантов являются процессы, происходящие внутри атомных ядер: радиоактивный распад, ядерные реакции. Также они приходят из космоса от таких объектов, как пульсары и квазары. Гамма-излучение обладает наивысшей проникающей способностью и является сильно ионизирующим, что делает его опасным для живых организмов. Применяется в медицине для лучевой терапии злокачественных опухолей (гамма-нож), для стерилизации медицинских инструментов и пищевых продуктов, в промышленной дефектоскопии для контроля качества сварных швов.

Ответ: Каждый диапазон электромагнитного спектра имеет уникальные источники, свойства и области применения, от радиосвязи (радиоволны) и разогрева пищи (микроволны) до зрения (видимый свет), медицинской диагностики (рентген) и лечения рака (гамма-излучение).

3. Расскажите о каждом диапазоне электромагнитных волн. Приведите примеры применения и воздействия на живые организмы.

Расскажите о каждом диапазоне электромагнитных волн. Приведите примеры применения и воздействия на живые организмы.

Решение

Электромагнитный спектр — это совокупность всех диапазонов электромагнитных волн. Волны различаются по частоте ($\nu$) и длине волны ($\lambda$), которые связаны соотношением $\lambda = c/\nu$, где $c$ — скорость света. Спектр условно делят на несколько диапазонов, расположенных в порядке увеличения частоты и уменьшения длины волны.

• Радиоволны

  Границы: Длины волн от 1 мм и более (частоты ниже 300 ГГц).

  Применение: Радиовещание, телевидение, радиолокация, мобильная связь, Wi-Fi, Bluetooth, навигационные системы (GPS), микроволновые печи.

  Воздействие на живые организмы: Основное воздействие — тепловое. Мощное радиоизлучение (например, в микроволновой печи) вызывает нагрев тканей за счет поглощения энергии молекулами воды. Влияние слабого неионизирующего излучения (от вышек сотовой связи, телефонов) на здоровье является предметом дискуссий, но при соблюдении установленных норм безопасности считается безвредным.

• Инфракрасное (ИК) излучение

  Границы: Длины волн от 780 нм до 1-2 мм.

  Применение: Пульты дистанционного управления, тепловизоры, приборы ночного видения, физиотерапия (прогревание тканей), инфракрасные обогреватели, сушка красок и продуктов, передача данных (например, IrDA).

  Воздействие на живые организмы: Воспринимается кожей как тепло. Способствует расширению сосудов и улучшению кровотока, что используется в медицине. Интенсивное ИК-излучение может привести к перегреву, ожогам кожи и повреждению хрусталика глаза.

• Видимый свет

  Границы: Длины волн от 380 нм (фиолетовый) до 780 нм (красный). Это единственный диапазон, воспринимаемый человеческим глазом.

  Применение: Освещение, зрение, фотография, оптоволокно, лазерные технологии (в проигрывателях, принтерах, медицине).

  Воздействие на живые организмы: Жизненно необходимо для фотосинтеза у растений. У животных и человека видимый свет является основой зрения и регулирует суточные (циркадные) ритмы. Слишком яркий свет может вызвать повреждение сетчатки глаза.

• Ультрафиолетовое (УФ) излучение

  Границы: Длины волн от 10 нм до 380 нм.

  Применение: Стерилизация и дезинфекция помещений, воды и инструментов (бактерицидные лампы), солярии, люминесцентные лампы, криминалистика (обнаружение биологических следов), отверждение полимеров.

  Воздействие на живые организмы: Обладает высокой химической активностью. В малых дозах способствует синтезу витамина D в коже человека. В больших дозах вызывает ожоги (загар — это защитная реакция кожи), может повредить ДНК клеток, что приводит к преждевременному старению кожи и развитию раковых заболеваний (меланомы). Также может вызвать катаракту.

• Рентгеновское излучение

  Границы: Длины волн от $10^{-3}$ нм (1 пм) до 10 нм.

  Применение: Медицинская диагностика (рентгенография, флюорография, компьютерная томография), досмотровые системы в аэропортах, дефектоскопия материалов, рентгеноструктурный анализ (определение структуры кристаллов), рентгеновская астрономия.

  Воздействие на живые организмы: Является ионизирующим излучением. Обладает высокой проникающей способностью. Может повреждать молекулы, в том числе ДНК, вызывая мутации и гибель клеток. В больших дозах приводит к лучевой болезни. Применение в медицине строго контролируется и дозируется, чтобы польза от диагностики превышала потенциальный вред.

• Гамма-излучение

  Границы: Длины волн менее $10^{-3}$ нм (1 пм).

  Применение: Лучевая терапия для уничтожения раковых опухолей (гамма-нож), стерилизация медицинского оборудования и пищевых продуктов, дефектоскопия промышленных изделий, астрофизические исследования.

  Воздействие на живые организмы: Наиболее опасный вид ионизирующего излучения с высочайшей проникающей способностью. Вызывает серьезные повреждения на клеточном уровне, лучевую болезнь, генетические мутации. Требует специальных мер защиты (например, толстые свинцовые или бетонные экраны).

Ответ: Электромагнитные волны делятся на радиоволны, инфракрасное, видимое, ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучение. Каждый диапазон характеризуется своей длиной волны, областями применения (от радиосвязи до медицины) и специфическим воздействием на живые организмы, которое варьируется от полезного (синтез витамина D, зрение) до крайне опасного (ионизирующее излучение, вызывающее рак и лучевую болезнь).

4. Объясните, как работает сотовая связь.

Решение

Сотовая связь — это вид мобильной радиосвязи, в основе которой лежит так называемая сотовая сеть. Принцип её работы заключается в следующем:

1. Сотовая структура. Вся обслуживаемая территория делится на участки, называемые "сотами" (cells), которые на карте напоминают пчелиные соты. В центре каждой соты располагается базовая станция.

2. Базовые станции (БС). Каждая базовая станция представляет собой приёмо-передающее оборудование с антенной. Она обеспечивает связь с мобильными телефонами в пределах своей соты. Все базовые станции соединены (обычно по оптоволоконным или радиорелейным линиям) с центром мобильной коммутации.

3. Мобильный телефон. Телефон является маломощным радиопередатчиком и приёмником. Он постоянно сканирует эфир и подключается к базовой станции с самым сильным сигналом. Телефон и БС обмениваются служебной информацией, даже когда разговор не ведётся.

4. Принцип частотного переиспользования. Общий доступный диапазон радиочастот делится на части. Каждой базовой станции выделяется свой набор частот, который отличается от наборов соседних станций, чтобы избежать помех. Однако те же самые частоты могут использоваться повторно в других сотах, достаточно удалённых друг от друга. Это позволяет обслуживать огромное количество абонентов, используя ограниченный частотный ресурс.

5. Процесс совершения звонка. Когда вы набираете номер, ваш телефон посылает запрос на ближайшую базовую станцию. БС передаёт этот запрос в центр коммутации. Коммутатор находит вызываемого абонента (определяет, в какой соте он находится) и устанавливает соединение, выделяя для вашего разговора свободный голосовой канал (пару частот для приёма и передачи).

6. Процесс "хэндовера" (handover). Если во время разговора вы перемещаетесь из одной соты в другую, система это отслеживает. Когда сигнал от "старой" БС ослабевает, а от "новой" усиливается, центр коммутации автоматически и незаметно для вас переключает ваш телефон на новую базовую станцию, обеспечивая непрерывность разговора. Этот процесс называется хэндовером.

Таким образом, сотовая сеть представляет собой сложную систему из множества сот, базовых станций и центров коммутации, которая позволяет мобильным телефонам оставаться на связи при перемещении.

Ответ: Сотовая связь работает за счет разделения территории на "соты", в каждой из которых установлена базовая станция. Мобильный телефон связывается с ближайшей станцией. Ограниченный набор частот используется многократно в несоседних сотах, что позволяет обслуживать много абонентов. При перемещении абонента из одной соты в другую происходит автоматическое "переключение" на новую базовую станцию (хэндовер), обеспечивая непрерывность связи.

4. Объясните, как работает сотовая связь.

Сотовая связь — это вид мобильной радиосвязи, работающий по принципу сети. Вся территория покрытия делится на небольшие участки, называемые «сотами» (отсюда и название). Такая структура позволяет эффективно использовать радиочастоты и обслуживать большое количество абонентов одновременно.

Основные компоненты системы сотовой связи:

• Мобильный телефон (абонентское устройство): является маломощным радиопередатчиком и приемником. Он постоянно взаимодействует с ближайшей базовой станцией.
• Базовая станция (БС): представляет собой комплекс антенн и оборудования, установленный в центре каждой соты. Она принимает и передает сигналы от мобильных телефонов в своей зоне обслуживания и связана с центром коммутации.
• Центр коммутации (MSC, Mobile Switching Center): это «мозг» сети. Он выполняет функции обычной телефонной станции: управляет вызовами, отслеживает местоположение абонентов, соединяет их друг с другом, а также с абонентами стационарной телефонной сети и интернетом.

Принцип работы можно описать следующими шагами:

1. Регистрация в сети. При включении телефон сканирует радиоэфир, находит сигнал от ближайшей базовой станции с самым высоким уровнем и регистрируется в сети. Центр коммутации получает информацию о том, в какой соте находится телефон.

2. Совершение вызова. Когда абонент набирает номер, телефон посылает запрос на базовую станцию. БС передает его в центр коммутации. Коммутатор находит вызываемого абонента, проверяет его доступность и выделяет свободную пару радиоканалов (один для передачи речи от телефона, другой — к телефону) для установления соединения.

3. Передача обслуживания (хэндовер). Если абонент во время разговора перемещается из одной соты в другую, связь не прерывается. Телефон постоянно измеряет уровень сигнала от своей и соседних базовых станций. Как только сигнал от соседней БС становится мощнее, телефон и сеть инициируют процесс хэндовера — центр коммутации плавно и незаметно для пользователя переключает вызов на новую базовую станцию.

4. Повторное использование частот. Это ключевое преимущество сотовой архитектуры. Ограниченный набор доступных частот используется многократно. Частоты, задействованные в одной соте, могут быть снова использованы в другой соте, которая находится на достаточном удалении, чтобы их сигналы не создавали взаимных помех. Это позволяет многократно увеличить «емкость» сети, то есть количество одновременных разговоров.

Ответ: Сотовая связь работает по принципу разделения зоны покрытия на ячейки (соты). В центре каждой соты находится базовая станция, которая обслуживает все мобильные телефоны в своей зоне. Все базовые станции соединены с центром коммутации, который управляет соединениями, отслеживает местоположение абонентов и обеспечивает их бесшовное переключение между сотами при движении (хэндовер). Ключевой особенностью является повторное использование радиочастот в несоседних сотах, что позволяет обслуживать большое количество пользователей с помощью ограниченного частотного ресурса.