Жизнь современного человека сегодня кажется невозможной без существования мобильных телефонов, стационарных радиотелефонов, Интернета и т. п. Все это - беспроводные средства персональной связи.
Мобильные телефоны являются сложной миниатюрной приемно-передающей радиостанцией, излучающей электромагнитные волны. Максимальная мощность излучается сотовым телефоном во время установления связи.
Мобильный телефон имеет большую, а иногда и неограниченную дальность действия, которую обеспечивает сотовая структура зон связи. Кроме того, эта станция подключена к обычной проводной телефонной сети и оснащена аппаратурой преобразования высокочастотного сигнала сотового телефона в низкочастотный сигнал проводного телефона и наоборот, что обеспечивается соединением обеих систем. Периодически (с интервалом 30-60 мин) базовая станция излучает служебный сигнал. Приняв его, мобильный телефон автоматически добавляет и передает полученную кодовую комбинацию на базовую станцию. В результате этого осуществляется идентификация конкретного сотового телефона, номера счета его владельца и привязка аппарата к определенной зоне, в которой он находится. Если пользователь звонит по телефону, базовая станция выделяет ему одну из свободных частот той зоны, в которой он находится, вносит соответствующие изменения на его счет и передает его вызов по назначению. Если мобильный пользователь во время разговора перемещается из одной зоны связи в другую, базовая станция автоматически переводит сигнал на свободную частоту новой зоны.
Стационарный беспроводной радиотелефон объединяет в себе обычный проводной телефон — аппарат, подключенный к телефонной сети, и приемно-передающее радиоустройство в виде телефонной трубки, обеспечивающей двусторонний обмен сигналами с базовым аппаратом. В зависимости от типа радиотелефона, дальность связи между трубкой и аппаратом, с учетом наличия препятствий, составляет в среднем до 50 м.
Спутниковая связь и радары. Системы спутниковой связи состоят из приемно-передающей станции на Земле и спутника, находящегося на орбите (рис. 238). Радиолокационные станции (рис. 239) оснащены, как правило, антеннами зеркального типа и имеют узконаправленную диаграмму излучения в виде луча, направленного вдоль оптической оси.
Радиолокационные системы работают на частотах от 500 МГц до 15 ГГц, однако отдельные системы могут работать на частотах до 100 ГГц.
Рост мощности радиолокаторов разного назначения и использования узконаправленных антенн кругового обзора приводит к значительному увеличению интенсивности электромагнитных волн чрезвычайно высокочастотного диапазона и дает возможность получать на местности огромные «зоны покрытия» с высокой плотностью потока энергии.
Начиная с середины 90-х годов XX в. распространилась технология мобильных компьютерных сетей. С 1997 г. появилась возможность создавать мобильные сети Интернет, которые обеспечивают взаимодействие пользователей независимо от того, в какой стране они находятся.
Развитие технологии мобильных телефонных сетей привело к тому, что эти сети стали широко использоваться для доступа в Интернет. Третье поколение мобильных телефонных сетей, известное как сети 3G, обеспечивает передачу данных со скоростью 1,5-2 Мбит/с. В настоящее время идет активное внедрение мобильных сетей четвертого (4G, например, LTE - Long Term. Evolution - «долгосрочное развитие») и пятого (5G) поколений. Они обещают пропускную способность в десятки раз больше, чем в сетях. Для высокоскоростной передачи данных предлагается использовать миллиметровый диапазон радиоволн с частотой от 30 до 300 ГГц. Теоретически мобильные сети пятого поколения (5G) предоставят возможность передавать информацию со скоростью до 10 Гбит/с и временем ответа меньше 1 миллисекунды.
Беспроводные сети часто связывают с радиосигналами, однако это не всегда правильно. В беспроводной связи используется намного более широкий диапазон электромагнитного спектра, от радиоволн низкой частоты в несколько килогерц к видимому свету, частота которого составляет приблизительно 8 • 1014 Гц.
Навигационную систему GPS (точнее - NAVSTAR GPS, рис. 240) разработали и вывели на орбиту американские ученые в середине 1990-х годов.
Она состоит из 24 космических спутников, движущихся по определенным орбитам вокруг Земли. Спутники с высоты 20 тыс. км охватывают каждую точку нашей планеты, посылая на Землю определенные радиосигналы. Эти сигналы и улавливают наземные GPS-навигаторы. Навигатор, например, в автомобиле идентифицирует его местонахождение и направление движения.
Навигатор в авто принимает сигнал от трех разных спутников, координаты которых узнает, и определяет свои точные координаты на координатной сетке, условно разделяющей всю планету. Часто он использует также сигнал четвертого спутника для окончательной корректировки местонахождения.
Интернет. Сегодня в мире существует свыше 130 миллионов компьютеров и более 80 % из них объединены в разнообразные информационно-вычислительные сети - от малых локальных сетей в офисах до глобальных сетей типа Интернет. Всемирная тенденция к объединению компьютеров в сети предопределена важными причинами, такими как ускорение передачи информационных сообщений, возможность быстрого обмена информацией между пользователями, получение и передача сообщений (e-mail писем и т. д.), не отходя от рабочего места, возможность мгновенного получения информации из любой точки земного шара, обменяться информацией между компьютерами разных производителей.
Интернет — глобальная компьютерная сеть, охватывающая весь мир (рис. 241, а). В наше время Всемирная паутина имеет около 3 миллиардов абонентов в более чем 150 странах мира. Ежемесячно размер сети увеличивается на 7-10 %. Интернет как бы образует ядро, обеспечивающее связь различных информационных сетей, которые принадлежат разным учреждениям во всем мире.
Электронная почта. Электронная почта (electronic mail) - самая распространенная служба Интернета, предназначенная для пересылки по компьютерным сетям сообщений (электронных писем, рис. 241, б) за несколько секунд. Сегодня в мире свыше 50 миллионов человек пользуется электронной почтой.
С ее помощью вы можете отправлять сообщения, получать их на свой электронный почтовый ящик, отвечать на письма автоматически, рассылать копии вашего письма сразу на несколько адресов, переправлять полученное письмо по другому адресу, использовать вместо адресов (числовых или доменных имен) логические имена, создавать несколько подразделений почтового ящика для разного рода корреспонденции, вкладывать в письма текстовые файлы, программы, изображения и т. п.
Доски объявлений. Электронные доски являются цифровым аналогом обычных досок объявлений, которые размещаются в общедоступных,
публичных местах. Это так называемые сетевые новости или дискуссионные клубы. Доски объявлений используются для организации деловой деятельности и предоставления разнообразных услуг пользователям сети: резервирования мест в гостиницах, самолетах и поездах, рекламы и продажи товаров, предложения рабочих мест, осуществления электронных платежей. Они служат для организации справочных служб, сообщения деловых, биржевых и политических новостей, новостей спорта, обзора кино-и видеофильмов, передачи прогнозов погоды, участия в коллективных или одиночных видеоиграх и т. д. В мире существует огромное количество коммерческих, а также неприбыльных BBS (Bulletin Board System — «система досок объявлений»). Многие электронные доски связаны между собой. Самой большой глобальной сетью электронных досок объявлений является всемирная сеть Usenet, доступ к которой есть и с Интернета (рис. 242).
Интернет-телефония. IP-телефония - это технология, дающая возможность использовать любую IP-сеть как средство организации и ведения телефонных разговоров, передачи видеоизображений и факсов в режиме реального времени. Создание «пакетов» - преобразование аналоговых (в частности, звуковых) сигналов в цифровые, их сжатие, передача по сети Интернет и обратное преобразвание (декодирование) в аналоговое происходит благодаря существованию протокола передачи данных через Интернет (IP - Internet Protocol), отсюда и название «1Р-телефония».
Под интернет-телефонией подразумевают, в первую очередь, такую технологию, в которой голосовой трафик частично передается через телефонную сеть общего пользования, а частично — через Интернет (рис. 243). Именно так осуществляются звонки с телефона на телефон, с компьютера на телефон, с телефона на компьютер, а также приобрел популярность Surf’n’Call - звонок с веб-браузера на телефон (просматривая какой-либо корпоративный веб-сайт, пользователь нажимает мышкой на кнопку Call и соединяется с офисом этой компании).
IP-телефон (отдельный аппарат или программа на компьютере) преобразовывает ваш голос в поток звуковых файлов, которые передаются через Интернет. Если вы «звоните» на компьютер или аппаратный IP-телефон, этот поток преобразовывается в ваш голос непосредственно в вызванном вами компьютере или аппаратном IP-телефоне. Если вы «звоните» на обычный проводной или сотовый телефон, тогда на специальном узле связи поток файлов с Интернета преобразовывается в электрический сигнал, передающийся по проводам или через сотовую сеть к вызванному вами абоненту, и в его телефоне этот сигнал преобразовывается в ваш голос.
Создано мобильное приложение к смартфонам под названием Viber (Вайбер). Благодаря этому приложению можно звонить, писать, обмениваться картинками, фотографиями с телефона, планшета или компьютера с собеседником из любой точки мира. Передача голосового трафика происходит с помощью GPRS-интернета на телефоне.
Wi-Fi (англ. Wireless Fidelity - «беспроводная точность»). Ядром беспроводной сети Wi-Fi является так называемая точка доступа (Access Point), которая подключается к наземной сетевой инфраструктуре (каналов Интернет-провайдера) и обеспечивает передачу радиосигнала. Обычно точка доступа состоит из приемника, передатчика, интерфейса для подключения к проводной сети и программному обеспечению для настройки. Вокруг точки доступа формируется пространственная область радиусом 50-100 м (ее называют хот-спотом, или зоной Wi-Fi), в пределах которой можно пользоваться беспроводной сетью.
Дальность передачи информации зависит от мощности передатчика, наличия и характеристики препятствий, типа антенны. Это беспроводной стандарт, который использует частоту 5 ГГц.
Для того чтобы подсоединиться к точке доступа, необходимо чтобы ноутбук или мобильное устройство с адаптером Wi-Fi просто попало в радиус действия данной зоны. Все действия по определению устройства и настройке сети большинство операционных систем компьютеров и мобильных устройств производят автоматически. Если устройство одновременно попадает в зону действия нескольких зон Wi-Fi, то подключение состоится к точке доступа, обеспечивающей более мощный сигнал.
ВОПРОСЫ К ИЗУЧЕННОМУ
1. Какие средства связи вы знаете?
2. Какое средство связи, по вашему мнению, является наиболее удобным?
3. Какова роль навигатора?
4. Что такое Интернет?
5. Что вы знаете об электронной почте?
6. Что такое доски объявлений?
7. Что такое IP-телефония?
ЭТО ИНТЕРЕСНО ЗНАТЬ
Волна - это одно из интересных явлений в физике, которое наблюдается в самых разнообразных проявлениях практически во всех ее областях. Волны распространяются по поверхности океанов и в их толще, в межзвездной пустоте и в
кристаллических решетках, «бегут» по проводам линий электропередач, доносят до нас разнообразие цветов и большое количество звуков. Существуют волны песчаные и волны на снегу. Землетрясения и цунами в океане-тоже волновые движения, только гигантских масштабов. Есть волны, которые еще не стали привычными и для самих физиков, например, волны в транспортных потоках, в химических реакциях, в сердце и нервной системе, в сообществах биологических организмов, в звездных системах - галактиках. По образному высказыванию ученых, волны «разбежались» из физики и охватили почти все огромное количество процессов в живой и неживой природе. И наиболее интересно, что все эти волны математически подобны, то есть могут быть описаны одними и теми же уравнениями. Вот почему так важно «подружиться» с этим понятием, ведь и вам, по-ви-димому, придется не раз столкнуться с ним самым неожиданным образом.
Лабораторная работа № 6
Исследование звуковых колебаний различных источников звука при помощи современных цифровых средств
Цель работы: научиться определять частоту звучания источника звука, измерять скорость распространения звука, исследовать зависимость громкости звука от амплитуды и высоты тона от частоты колебаний, зависимость громкости звука и высоты тона от длины воздушного столба.
Приборы и материалы: смартфон или планшет со скачанной программой Spectrum Analyzer (Keuwlsoft, Android, free), дощечка с тремя вбитыми гвоздями, резиновый шнур (авиационная резина), металлическая линейка с миллиметровыми делениями, шариковая ручка без стержня.
Ход работы
Задание 1. Изготовьте «струнный музыкальный инструмент».
1. Свяжите резиновый шнур в петлю и растяните его между тремя вбитыми в дощечку гвоздями.
2. Измеряйте частоту звучания «струны» при помощи программы
Spectrum Analyzer (ее можно скачать в Play Market или Арр Store). Для этого приложите дощечку к корпусу смартфона возле микрофона и возбудите колебания «струны», v =_Гц.
3. Измеряйте длину «струны». I -_м.
4. Учитывая, что на длине струны «помещается» половина длины волны и то, что скорость распространения волны определяется произведением длины волны и частоты, запишите
и вычислите ее значение.
5. Сделайте выводы.
Задание 2. Изучите характеристики звука.
1. Положите металлическую линейку на стол так, чтобы она выступала на 10-12 см и крепко прижмите рукой к краю стола.
2. Второй рукой отклоните выступающий конец линейки на небольшой угол и отпустите, заставьте ее колебаться. На слух приблизительно оцените высоту тона (частоту колебаний) и громкость звука.
3. Повторите действия, отклонив линейку на больший угол. Как изменилась громкость звука и высота тона?
4. Повторите действия, изменив длину выступающей части линейки. Как изменилась громкость звука и высота тона?
5. Держа открытый конец корпуса ручки возле рта, закройте нижний конец пальцем и подуйте так, чтобы образовался звук. Как зависит громкость звука от силы, с которой дуют?
6. Проведите аналогичный опыт, держа возле рта колпачок от ручки. Как зависит высота тона полученного звука от длины воздушного столба?
7. Сделайте выводы.
Для любознательных
1. Два одинаково звучащих камертона поднесли к подвешенному на нитке металлическому шарику.
Объясните отличия в отклонении шарика. Сравните громкости звука камертонов. Сравните частоты звуковых колебаний камертонов.
2. Удерживая резиновый шнур длиной приблизительно 6 см в двух руках, растяните его так, чтобы длина была приблизительно
10 см. Пальцем одной руки заставьте шнур колебаться и, изменяя его длину, исследуйте изменения громкости звука и высоты тона.
ЗАДАЧИ И УПРАЖНЕНИЯ
Решаем вместе
1. Что изменяется: длина волны или частота при переходе электромагнитной волны с одной среды в другую?
Ответ: изменяется длина волны и скорость, частота остается постоянной.
2. Какова длина электромагнитной волны, если колебания в ней происходят с частотой 3 • 105 Гц?
Уровень А
173. Что используют в качестве источника электромагнитных волн?
174. Какая среда необходима для распространения электромагнитной волны?
175. Как называют расстояние, которое проходит электромагнитная волна за один период?
176. Где используют электромагнитные волны?
177. Какова длина электромагнитной волны, если колебания в ней происходят с частотой 3,7 • 1014 Гц?
Уровень Б
178. Какие характеристики электромагнитного поля периодически изменяются в подвижной электромагнитной волне?
179. Можно ли проводить космические наблюдения в рентгеновских лучах с поверхности Земли?
180. Какое свойство рентгеновского излучения дает возможность получить на снимке четкое изображение металлических предметов?
181. Из космоса на Землю все время приходят разные виды излучения, источниками которых являются отдельные звезды и другие космические объекты. Какие космические излучения преломляются, входя в земную атмосферу?
ПРОВЕРЬТЕ СВОИ ЗНАНИЯ
Контрольные вопросы
1. Приближаясь к берегу, морские волны «растут», достигая иногда высоты десятков метров. Отчего это происходит?
2. Для защиты портовых сооружений от морских волн акваторию порта защищают сплошной каменной стеной-молом. Почему нельзя ограничиться установлением только отдельных свай, разделенных промежутками, которые поглощали бы энергию морских волн?
3. Бывает, что у пологого берега направление распространения набегающих волн изменяется. Как можно объяснить это явление?
4. Что такое громкость звука и высота тона?
5. Разговор людей, стоящих за приоткрытой дверью, может быть слышен, но мы их не видим. Почему же звуковые волны достигают нас, а световые - нет?
6. Установите, почему телеграфные провода «гудят» даже при незначительном ветре. При каком направлении ветра «гудение» проводов максимальное? Почему? Будет ли наблюдаться это явление в безветренную погоду?
7. Почему басовые струны музыкальных инструментов оплетают спиралью из проволоки?
8. Что именно колеблется в электромагнитной волне?
9. Назовите основные свойства электромагнитных волн.
10. Почему металлы отражают и поглощают электромагнитные волны?
11. Как ограничить влияние вредного электромагнитного излучения на человека?
12. Что вы знаете о шкале электромагнитных волн?
Что я знаю и умею делать
Я знаю, как объяснить физические явления.
1. В круглый сосуд с водой (ведро, таз, тарелка) бросают маленький предмет, пытаясь попасть в центр. Как проверить точность броска?
2. В каком случае камертон звучит дольше: если его держать в руке или закрепить на ящике резонатора?
3. Когда дисковой пилой начинают перепиливать доску, слышен высокий звук. По мере того как пила входит в доску, звук снижается. Почему?
4. Рассказывают, что когда Бетховен потерял слух, он, однако, «слушал» игру на рояле, но для этого прижимал один конец трости к роялю, а второй - сжимал зубами. Есть ли основания верить подобным рассказам?
5. Рассмотрите детскую игрушку «поющий волчок». Объясните, как во время вращения волчка возникает звук. Какие из величин, характеризующих звук (высота тона, громкость, тембр), зависят от скорости вращения волчка?
Я умею выполнять опыты.
6. Когда камертон звучит громче: если его держать в руке или прижать его ножку к крышке стола?
7. Постучите карандашом по пустым бутылкам разного размера. Какие бутылки выдают звук выше? Что это значит? Возьмите несколько одинаковых бутылок и наполните их разным количеством воды. Постучите по каждой из них карандашом. Когда звук выше? Какой вывод можно сделать из проведенных опытов?
8. В домашних условиях выучите, как влияют на громкость звука мягкая мебель, наличие ковров. Способ исследования предложите сами. Сделайте обобщенный вывод.
Я умею решать задачи.
9. Определите скорость распространения звука в воде, если колебания с периодом 0,005 с создают волну длиной 7,175 м.
10. Почему летучих мышей ловят с помощью белой ткани? Для чего их отлавливают?
Почему летучие мыши могут запутаться в темных волосах человека?
Летучая мышь создает ультразвук, а потом улавливает эхо, отраженное от препятствия. Таким образом, летучая мышь с помощью звуковых волн будто ощупывает предметы, находящиеся перед ней. Частота звуков, создаваемая летучей мышью, достигает 50 кГц. Какова длина звуковых волн, которые она излучает? Скорость распространения звука в воздухе принять равной 340 м/с.
11. Почему неподвижные электрические заряды не взаимодействуют с магнитными полями, а подвижные - взаимодействуют?
12. Генератор УВЧ (ультравысоких частот) работает на частоте 150 МГц. Какова длина электромагнитной волны?
ТЕСТОВЫЕ ЗАДАНИЯ
Вариант 1
1. На большом расстоянии от берега озера плавает мяч. Чтобы он достиг берега, ребенок создает палкой волны. Приплывет ли мяч к берегу?
А нет Б да В мяч отплывет еще дальше Г правильного ответа нет
2. Какова скорость распространения волны (длина ее 270 м, период 13,5 с) в океане?
А 200 м/с Б 20 м/с В 2 м/с Г 0,2 м/с
3. Древесина проводит звук лучше, чем воздух. Почему же разговор, происходящий в соседней комнате, становится тише, если дверь закрыта?
А потому, что звуковые волны поглощаются дверью Б потому, что мы не видим тех, кто разговаривает В потому, что происходит частичное отражение звука Г правильного ответа нет
4. Определите скорость звука в воде, если колебания с периодом 0,005 с создают волну длиной 7,175 м.
А 2145 м/с Б 1435 м/с В 1200 м/с Г правильного ответа нет
5. В какой среде возможно распространение электромагнитных волн?
А в жидкостях Б в металлах В в вакууме Г в любой среде
6. Первый грохот грома дошел до наблюдателя через 8 с после вспышки молнии. На каком расстоянии от наблюдателя возникла молния?
А 3000 м Б 2700 м В 2500 м Г правильного ответа нет
7. Какой путь пройдет ультразвуковая волна длиной 3 см за 0,001 с, если генератор, излучающий такие волны, работает на частоте 1 МГц?
А 25 м Б 30 м В 28 м Г правильного ответа нет
8. Что такое инфразвук?
А волны, колеблющиеся с частотой, меньшей 16 Гц Б волны, колеблющиеся с частотой, большей 16 Гц В волны, колеблющиеся с частотой 9 Гц Г правильного ответа нет
9. Что является источником электромагнитной волны?
А заряженный конденсатор Б движущийся заряд
В колебательный контур Г правильного ответа нет
10. Определите длину электромагнитной волны, излучаемой из линии электропередачи стандартной частоты (50 Гц).
А125 м Б7,5-108м В3,6-106м Г правильного ответа нет
11. В какой среде не могут распространяться электромагнитные волны?
А в диэлектрике Б в вакууме В в металле Г правильного ответа нет
12. Какая характерная для электромагнитных волн величина остается неизменной во время прохождения их сквозь среду?
А частота волны Б длина волны
В скорость распространения волны Г все величины существенно изменятся
Вариант 2
1. Рыбак в лодке насчитал 15 колебаний за 30 с и на глаз определил длину волны -6 м. Сколько времени двигались эти волны от источника, расстояние к которому 840 м?
А 200 с Б 140 с В 420 с Г 280 с
2. Камертон создает волну длиной 45 см. Определите частоту колебаний камертона.
А 640 Гц Б 80 Гц В 425 Гц Г правильного ответа нет
3. Правильно ли, что горные обвалы на Луне не сопровождаются звуковыми эффектами?
А неправильно, потому что на Луне есть атмосфера Б правильно, потому что на Луне нет атмосферы В на Луне все звуки приглушены Г на Луне все звуки усиливаются
4. Наблюдая праздничный фейерверк, мальчик услышал звук через 3 с после начала салюта. Определите скорость распространения звука в воздухе, если известно, что мальчик был на расстоянии 1 км от места проведения праздника.
А 3000 м/с Б 0,003 м/с В 333 м/с Г правильного ответа нет
5. Частота колебаний ножек камертона «ля» 440 Гц. Определите период колебаний ножек камертона.
А 0,02 с Б 0,005 с В 0,002 с Г правильного ответа нет
6. Когда ветер попутный, звук распространяется со скоростью 380 м/с, а когда встречный - 320 м/с. Какова скорость распространения звука в тихую погоду?
А 30 м/с Б 340 м/с В 350 м/с Г 330 м/с
7. Для связи между собой дельфины используют частоту 10-400 Гц, а для звуколока-ции - 750-30 000 Гц. Почему?
А больше точность локации, большая энергия Б больше точность локации, медленно затухающие звуки В больше энергия, отсутствие отражения Г правильного ответа нет
8. Почему летучие мыши во время полета даже в полной темноте не сталкиваются с препятствиями?
А у них очень острое зрение Б они имеют ультразвуковые локаторы
В они быстро летают Г у них очень хороший слух
9. Для обработки твердых материалов (германий, кремний, алмаз и т. п.) применяют ультразвуковой станок. Определите частоту ударов ультразвуковой волны по абразиву, который разрушает материал, если период между ударами 5 ■ 1СГ5 с.
А2-104Гц БЗ-104Гц В0,2Ю4Гц Г правильного ответа нет
10. Сравните энергию звуковой и ультразвуковой волн, если амплитуды колебаний у них одинаковы, а частоты соответственно равны 103 Гц и 106 Гц.
11. В какой среде возможно распространение электромагнитных волн?
А в диэлектрике Б в вакууме В в металле Г в любой среде
12. Для какого из видов электромагнитного излучения возможно преломление на границе разделения двух сред вакуум-металл?
А радиоволны Б инфракрасное В ультрафиолетовое Г рентгеновское
Это материал учебника Физика 9 класс Сиротюк