Изучение распространения радиоволн на уроках физики

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

Учреждение образования

«Гомельский государственный университет имени Ф. Скорины»

Физический факультет

Кафедра общей физики

Изучение распространения радиоволн на уроках физики в СОШ

Курсовая работа

Исполнитель:

студент группы Ф-42 Минков Д.В.

Научный руководитель:

Ассистент кафедры общей физики Тихова Е.Л.

ГОМЕЛЬ 2014

РЕФЕРАТ

радиоволна радиолокация урок

Ключевые слова: распространение радиоволн, радиолокация, радиосвязь, диапазон частот, длина волны, методика урока, рефлексия.

Объект исследования: методика преподавания темы «Электромагнитные колебания и волны».

Предмет исследования: радиолокация.

Методы исследования: аналитический метод.

Цель курсовой работы: разработка урока по теме «Радиолокация» для преподавания физики в СОШ, разработка компьютерной презентации.

Задачи: рассмотреть вопросы особенности распространения радиоволн, методы радиолокации, рассмотреть планирование уроков физики при изучении темы «Электромагнитные колебания и волны», разработать урок и презентацию по теме «Радиолокация».

Выводы: разработана методика изучения нового материала по теме «Радиолокация», тестовые задания, презентация.

Практическая значимость: разработан урок по теме «Радиолокация» для преподавания в СОШ.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Общие сведения о радиоволнах

1.1 Развитие представлений о радиоволнах

1.2 Понятие о радиоволнах

2. Особенности распространения радиоволн

2.1 Классификация радиоволн

2.2 Явления, возникающие при распространении радиоволн

3. Факторы, влияющие на дальность и качество радиволн

4. Радиолокация

4.1 Основные принципы и методы радиолокации

4.2 Задачи решаемые радиолокацией

5. Урок на тему “радиолокация»

Заключение

Список используемой литературы

ВВЕДЕНИЕ

На данный момент научно-технический прогресс достиг таких высот, о которых ранее никто не задумывался. Можно добавить, что за последнее время произошло развитие радиолокационных установок, которые широко применяются в различных сферах человеческой деятельности. Наряду с развитием радиолокационных установок, предназначенных для локации Земли, происходит развитие устройств, позволяющих проводить локацию космических тел.

В системах передачи информации с помощью радиотехнических и радиоэлектронных приборов различают три звена: передающее устройство, среда, в которой распространяются радиоволны, и приемное устройство.

Понятно, что если радиоэлектронная система включает в свой состав тракт распространения, то безупречная и надежная работа системы в целом в значительной мере определяется также условиями распространения радиоволн на участке, разделяющем передающую и приемную антенны.

В процессе распространения волны подвергаются ослаблению и искажению. Кроме того, на приемную антенну воздействуют разного рода помехи как естественного, так и искусственного происхождения. Для обеспечения надежной передачи информации необходимо, чтобы поле сигнала, во-первых, в определенное число раз превышало уровень помех (в зависимости от условий работы канала связи и требований к надежности). Во-вторых, сигналы не должны подвергаться чрезмерным искажениям, неизбежно возникающим в процессе распространения. Искажения должны находиться в пределах допустимых норм.

Передача информации может нарушиться либо при значительном снижении уровня сигнала (который при этом уже не будет выделяться на фоне помех), либо при сильном искажении формы сигнала (его растягивании, дроблении и т. д.).

Все эти новейшие разработки не находят четкого отражения описанных явлений в курсе физики современной школы. Дети практически не имеют представления о принципах работы устройств, которые применяются ими в обыденной жизни. Учащиеся не могут перенести полученные знания на существующую действительность. Дополнительно, у учащихся, существует проблема четкого понимания изучаемого материала.

Свободно распространяющиеся радиоволны находят в современной технике обширные и многообразные применения, а именно: в системах связи, в радиолокационных устройствах, телеметрии, системах управления, в радионавигации и во многих других случаях. Их основное преимущество заключается в том, что когда связь устанавливается между фиксированными (наземными) пунктами, то нет необходимости сооружать между ними, соединительную или направляющую систему. Радиоволны являются единственным и естественным средством осуществления связи с передвигающимися объектами (автомобилями, кораблями, самолетами, космическими кораблями).

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О РАДИОВОЛНАХ

1.1 Развитие представлений о радиоволнах

В 1867 году английский физик Максвелл вывел из своих чисто теоретических трудов заключение о существовании в природе электромагнитных волн, распространяющихся со скоростью света. Он утверждал, что видимые волны света являются только частным случаем электромагнитных волн, известным потому, что эти волны люди могут обнаруживать и искусственно создавать.

Теория Максвелла была встречена с большим недоверием, но своей глубиной и теоретической завершенностью привлекла к себе внимание многих физиков. Начались поиски способов экспериментального доказательств теории Максвелла.

Берлинская Академия паук в 1879 голу даже объявила это доказательство конкурсной задачей. Ее решил молодой немецкий физик Генрих Герц, который в 1888 году установил, что при разряде конденсатора через искровой промежуток действительно возбуждаются предсказанные Максвеллом электромагнитные волны, невидимые, но обладающие многими свойствами световых лучей.

Герц стремился получить с помощью искрового разрядника электромагнитные волны, возможно более близкие к видимым световым волнам, и ему удалось получить волны длиной 60 см. Последователи Герца, пользуясь электрическими способами возбуждения колебаний, шли по пути увеличения длины волны, тогда как многие русские и зарубежные физики (П. Н. Лебедев, А. Риги, Г. Рубенс, А. А. Глаголева-Аркадьева, М. А. Левитская и др.) в своих работах шли от световых волн на смыкание с радиоволнами.

1.2 Понятие о радиоволнах

Радиоволны Ї это электромагнитные колебания, распространяющиеся в пространстве со скоростью света (300 000 км/сек).

Радиоволны (радиочастоты), используемые в радиотехнике, занимают область, или более научно - спектр от 10 000 м (30 кГц) до 0.1 мм (3 000 ГГц). Это только часть обширного спектра электромагнитных волн. За радиоволнами (по убывающей длине) следуют тепловые или инфракрасные лучи. После них идет узкий участок волн видимого света, далее - спектр ультрафиолетовых, рентгеновских и гамма лучей - все это электромагнитные колебания одной природы, отличающиеся только длиной волны и частотой. Скорость распространения радиоволн в пространстве составляет 3 * 10⁸ м/с.

Электромагнитной волной называют колебания, распространяющиеся в пространстве с течением времени. Расстояние между ближайшими друг к другу точками, колеблющимися в одинаковых фазах, называется длиной волной. Скорость волны равна произведению длины волны на частоту колебаний.

2.ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН

2.1 Классификация радиоволн

Таблица 1. Классификация радиоволн.

Диапазон частот	Наименование диапазона (сокращенное наименование)	Наименование диапазона волн	Длина волны
3-30 кГц	Очень низкие частоты (ОНЧ)	Мириаметровые	100-10 км
30-300 кГц	Низкие частоты (НЧ)	Километровые	10-1 км
300-3000 кГц	Средние частоты (СЧ)	Гектометровые	1-0.1 км
3-30 МГц	Высокие частоты (ВЧ)	Декаметровые	100-10 м
30-300 МГц	Очень высокие частоты (ОВЧ)	Метровые	10-1 м
300-3000 МГц	Ультравысокие частоты (УВЧ)	Дециметровые	1-0.1 м
3-30 ГГц	Сверхвысокие частоты (СВЧ)	Сантиметровые	10-1 см
30-300 ГГц	Крайне высокие частоты (КВЧ)	Миллиметровые	10-1 мм
300-3000 ГГц	Гипервысокие частоты (ГВЧ)	Децимиллиметровые	1-0.1мм

Но эти диапазоны весьма обширны и, в свою очередь, разбиты на участки, куда входят так называемые радиовещательные и телевизионные диапазоны, диапазоны для наземной и авиационной, космической и морской связи, для передачи данных и медицины, для радиолокации и радионавигации и т.д. Каждой радиослужбе выделен свой участок диапазона или фиксированные частоты.

Рис.1 Области применения радиоволн.

Весь спектр радиоволн, применяемых в радиосвязи, разбит на диапазоны:

Мириаметровые и километровые волны. Диапазоны частот от 3 до 30 кГц - очень низкие частоты (ОНЧ) и от 30 до 300 кГц - низкие частоты (НЧ).

Поверхностная волна обладает ярко выраженной способностью к дифракции и обеспечивает устойчивую надежную радиосвязь на больших расстояниях при использовании сложных и дорогих антенно-мачтовых сооружений. На расстоянии до 400 км распространение происходит только с помощью поверхностной волны, до 3000 км - с помощью поверхностной и пространственной волн, свыше 3000 км - только с помощью пространственной волны. Используются для радиовещания и радионавигации. Основной источник помех - атмосферные разряды. Диапазон мириаметровых волн используется, как правило, для радиосвязи под водой.

Гектометровые волны. Диапазон частот от 300 кГц до 3 МГц - средние частоты (СЧ). Способность поверхностной волны к дифракции выражена слабее, чем на километровых волнах. В дневное время гектометровые волны распространяются только в виде поверхностной волны на расстояние до 300 ... 500 км над сушей и до 800 ... 1000 км над морем, а ночью-с виде поверхностных и пространственных волн на расстояние до 4000 км. Используются для служебной и любительской связи, а также для радиовещания.

Декаметровые (короткие) волны.Диапазон частот от 3 до 30 МГц -высокие частоты (ВЧ). Основной диапазон, используемый для любительской и профессиональной радиосвязи на расстояния в несколько тысяч и десятков тысяч километров. Радиосвязь на декаметровых волнах проводится только с помощью пространственных волн, так как поверхностные волны в этом диапазоне имеют слабую способность к дифракции и кривизну земного шара практически не огибают. Обычно в дневное время для связи применяют «дневные» волны (от 10 до 20 м), а ночью, когда ионизация становится более слабой, - «ночные» волны (от 35 до 70 м). Связь на декаметровых волнах часто нарушается из-за глубоких замираний сигнала. Причины замираний - изменения разности фаз лучей, пришедших в точку приема по разным путям (интерференционные замирания с периодом несколько секунд); поворот плоскости поляризации вследствие двойного лучепреломления в ионосфере (поляризационные замирания); повышенное затухание в слое Д в периоды максимума солнечной активности вплоть до полного поглощения пространственной волны (длительность замирания до 60 мин); исчезновение слоя Р₂ в высоких широтах и снижение МПЧ в средних широтах из-за корпускулярного излучения Солнца (внешние признаки появление полярных слияний, длительность нарушений связи несколько дней). Меры борьбы с интерференционными и поляризационными замираниями -прием на разнесенные антенны и на разнесенных частотах, применение глубокой АРУ в приемниках, а при замираниях из-за корпускулярного излучения Солнца переход на более низкие частоты.

При связи на декаметровых волнах возможно появление «зоны молчания» в виде кольцевой области, которая заключена между радиусом действия поверхностной волны и расстоянием, на котором появляется отраженная от ионосферы пространственная волна. Качество дальней связи на верхнем уровне диапазона частот может ухудшаться также из-за того, что в точку приема кроме основного сигнала приходит с большим временным сдвигом (до 0,1 с) второй сигнал, прошедший более длинный путь по дуге большого круга (кругосветное эхо).

Микроволновые диапазоны. Включают в себя метровые волны (очень высокие частоты, ОВЧ, 30 ... 300 МГц), дециметровые волны (ультравысокие частоты, УВЧ, 300 ... 3000 МГц), сантиметровые волны (сверхвысокие частоты, СВЧ, 3 ... 30 ГГц), миллиметровые волны (крайне высокие частоты, КВЧ, 30 ... 300 ГГц), децимиллиметровые волны (300 ... 3000 ГГц). Радиоволны микроволновых диапазонов распространяются только с помощью поверхностной волны, так как в этих диапазонах пространственные волны от ионосферы не отражаются. Поскольку дифракция поверхностной волны в этих диапазонах почти не проявляется, распространение радиоволн происходит только в пределах прямой видимости.

На метровых волнах благодаря незначительной дифракции дальность приема может быть несколько больше, чем дальность прямой видимости, однако в зоне дифракции (зона полутени и тени) напряженность поля убывает очень быстро, прием телевизионных передач становится нестабильным и неустойчивым. На метровых волнах наблюдаются отдельные случаи дальнего и сверхдальнего приема телевизионных передач вследствие рассеяния радиоволн на неоднородностях атмосферы и отражения радиоволн от областей ионосферы с повышенной ионизацией.

На дециметровых волнах дифракция практически отсутствует, и дальность приема не превышает дальности прямой видимости. Случаи дальнего и сверхдальнего приема телевизионных передач на дециметровых волнах связывают с образованием атмосферных волноводов над тропическими морями при аномальном состоянии атмосферы (суперрефракция).

Дальность распространения метровых и дециметровых волн практически не зависит от метеоусловий.

Сантиметровые и миллиметровые волны также распространяются в пределах прямой видимости, однако дальность их распространения существенно зависит от метеоусловий. Поглощение сантиметровых волн во влажном воздухе составляет 0,01 дБ/км, на частоте 24 ГГц наблюдается резонансное поглощение в водяном паре (0,2 дБ/км), на частоте 60 ГГц в кислороде (13 дБ/км). Поглощение и рассеяние происходит во время дождя от 0,1 до 10 дБ/км в зависимости от интенсивности дождя.

Микроволновые диапазоны используются для профессиональной и любительской связи, радиолокации, передачи телевизионных программ и УКВ-ЧМ вещания. В этих диапазонах работают спутниковые системы связи и радиорелейные линии.[1,c.57]

Рис.2 Распространение коротких и ультракоротких волн.

2.2 Явления, возникающие при распространении радиоволн

Дифракция радиоволн - явление, состоящее в том, что радиоволны способны огибать препятствия. Дифракция проявляется тем сильнее, чем больше длина волны по сравнению с размерами препятствий. Например, километровые и гектометровые волны огибают горы, холмы, большие городские здания и т. д. В то же время волны микроволновых диапазонов не огибают эти препятствия, образуя непосредственно за ними зоны радиотени. Благодаря явлению дифракции волны огибают неровности земной поверхности, распространяясь в виде поверхностной (земной) волны на расстояния, превышающие дальность прямой видимости.

Рефракция радиоволн - явление преломления радиоволн в атмосфере вследствие уменьшения плотности воздуха с высотой, приводящее к увеличению дальности распространения поверхностной радиоволны. При среднем (нормальном) состоянии атмосферы (температура воздуха на уровне моря 15°С, снижение температуры с высотой-0,65°С на 100 м, уменьшение давления - дальность распространения поверхностной радиоволны увеличивается на 15 ... 20% по сравнению с дальностью геометрической видимости (случай нормальной атмосферной рефракции). При некоторых особых состояниях атмосферы, когда плотность воздуха уменьшается с высотой быстрее, чем в нормальной атмосфере, может образоваться атмосферный волновод (суперрефракция), по которому поверхностная волна распространяется в несколько раз дальше, чем при нормальной рефракции.

Интерференция радиоволн - явление взаимного наложения радиоволн, приходящих в точку приема по разным путям. Если амплитуды радиоволн, приходящих по двум путям различной длины, одинаковы, то при совпадающих фазах результирующее поле удваивается, при противоположных фазах равно нулю.[2,c.14]

С явлением интерференции радиоволн связаны замирания сигнала, а также появление повторных контуров на телевизионном изображении.

Радиоволны принято также классифицировать по способу распространения в свободном пространстве и вокруг земного шара.

Волны, распространяющиеся в свободном пространстве (космосе) от одного космического объекта к другому, носят название прямых или свободно распространяющихся. К этой же категории можно в некоторых случаях отнести волны, распространяющиеся между наземной станцией и космическим объектом, а именно в те случаях, когда влиянием относительно тонкого слоя атмосферы можно пренебречь.[3,c.9]

Радиосвязь может осуществляться с помощью поверхностных и пространственных радиоволн.



Рис.3 Распространения поверхностных и пространственных волн в ионосфере.

Волны, распространяющиеся вдоль сферической поверхности Земли и частично огибающие ее вследствие явления дифракции, получили название земных или поверхностных. Способность волн огибать встречаемые препятствия и дифрагировать вокруг них, определяется соотношением между длиной волны и размерами препятствий. Чем ниже частота сигнала, тем больше дальность распространения поверхностной волны. Чем короче волны, тем слабее проявляется дифракция. По этой причине УКВ очень слабо дифрагирует вокруг поверхности земного шара и дальность их распространения в первом приближении определяется расстоянием прямой видимости.[4,c41]

Ультракороткие волны, распространяющиеся за счет рассеяния на неоднородностях тропосферы на расстояние до 1000 км, получили название тропосферных.

Наконец, волны длиннее 10 м, распространяющиеся вокруг земного шара на сколь угодно большие расстояния за счет однократного и многократного отражения от ионосферы (т. е. ионизированной оболочки атмосферы), называются ионосферными или пространственными.

3. ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ДАЛЬНОСТЬ И КАЧЕСТВО РАДИВОЛН

В отличие от СДВ и ДВ, которые отражаются от нижней границы ионосферы, не проникая в ее толщу, и от СВ, которые отражаются от области Е только в ночные часы, в распространении КВ принимают участие все три слоя ионосферы: D, Е и F_2.

Слои ионосферы: слой D с наиболее слабой электронной концентрацией, высота 60 ... 80 км (существует только днем), слой Е со средней электронной концентрацией, высота 90 ... 150 км, слой F с наиболее высокой электронной концентрацией, высота 190 ... 500 км; летом расщепляется на два слоя с различной электронной концентрацией: F₁ (высота 190 ... 230 км) и F₂ (высота 230 ... 500 км).

При этом области D и Е обычно выполняют функции поглощающих слоев, а F₂ -- отражающего слоя. Так же, как и в диапазоне СДВ, на КВ можно установить связь с любой точкой земного шара, однако если на длинных волнах это достигается ценой применения сверхмощных передатчиков (в сотни киловатт) и очень сложных и высоких антенн (с мачтами высотой в сотни метров), то в диапазоне КВ связь с антиподом может быть осуществлена при помощи передатчика мощностью в десятки ватт и весьма простых антенн. Кроме того, благодаря большей частотной емкости диапазона КВ по сравнению с емкостью диапазонов ДВ и СДВ, в нем может одновременно работать без взаимных помех большое число телеграфных и фототелеграфных каналов связи и систем связи для передачи данных.⁵

Уверенный приём дальних вещательных станций зависит как от времени года, так и от солнечной активности. Дело в том, что солнечная активность существенно влияет на состояние ионосферы - оболочки Земли, состоящей из разряженного и ионизированного газа. Эта оболочка простирается на 1000 и более километров от поверхности Земли, но для коротких волн существенной является та её часть, которая расположена на высоте от 50 до 400 км.

Радиоволны КВ так же, как и свет, распространяются прямолинейно. Но они могут преодолевать многие тысячи километров, огибая земной шар громадными скачками от нескольких сотен до 3000 км и более, отражаясь попеременно от слоя ионизированного газа и от поверхности Земли или от воды.[6,c.34]

Ещё в 20-х годах нашего столетия считалось, что радиоволны короче 200 м вообще не пригодны для дальней связи из-за сильного поглощения. И, вот когда были проведены первые эксперименты по дальнему приёму коротких волн через Атлантику между Европой и Америкой, английский физик Оливер Хэвисайд и американский инженер-электрик Артур Кеннели независимо друг от друга предположили, что где-то вокруг Земли существует ионизированный слой атмосферы, способный отражать радиоволны. Этот слой получил название Хэвисайда-Кеннели, или ионосферы.

По современным представлениям ионосфера состоит из отрицательно заряженный свободных электронов и положительно заряженный ионов, в основном молекулярного кислорода O+ и окиси азота NO+ . Ионы и электроны образуются в результате ионизации, которая заключается в отрыве электрона от нейтральной молекулы газа. А для того, чтобы оторвать электрон, необходимо затратить некоторую энергию - энергию ионизации, основным источником которой для ионосферы является Солнце, точнее его ультрафиолетовое, рентгеновское и корпускулярное излучения.

Пока газовая оболочка Земли освещена Солнцем, в ней непрерывно образуются всё новые и новые электроны, но одновременно часть электронов, сталкиваясь с ионами, вновь образует нейтральные частицы - атомы и молекулы. После захода Солнца образование новых электронов почти прекращается, и число свободных электронов начинает убывать. Вообще, чем больше свободных электронов в ионосфере, тем лучше от неё отражаются волны высокой частоты. А если электронов мало, то дальнее прохождение наблюдается только на низкочастотных КВ диапазонах. Вот почему ночью, как правило, возможен приём дальних станций лишь в диапазонах 75, 49, 41 и 31 м.

Электроны распределены в ионосфере неравномерно. На высоте от 50 до 400 км имеется несколько слоёв или областей повышенной концентрации электронов. Эти области плавно переходят одна в другую и по-разному влияют на распространение радиоволн КВ диапазона.[7,c.54]

Самая верхняя область, кстати, самая плотная, получила название области F. Она расположена на высоте более 150 км над поверхностью Земли и играет основную отражательную роль при дальнем распространении радиоволн высокочастотных КВ диапазонов. Иногда в летние месяцы область F распадается на два слоя - F1 и F2. Слой F1 может занимать высоты от 200 до 250 км, а слой F2 как бы “плавает” в интервале высот 300 ... 400 км. Обычно слой F2 ионизирован значительно сильнее слоя F1. Ночью слой F1 исчезает, а слой F2 остаётся, медленно теряя до 60 % своей ионизации.

Ниже области F на высотах от 90 до 150 км расположена область E, ионизация которой происходит под воздействием мягкого рентгеновского излучения Солнца. Обычно степень ионизации области E ниже, чем области F. Однако днём приём станций низкочастотных КВ диапазонов 31 и 25 м происходит при отражении сигналов от области E. Обычно это станции, расположенные на расстоянии 1000 ... 1500 км. Ночью в области E ионизация резко уменьшается, но и в это время она продолжает играть заметную роль в приёме сигналов станций диапазонов 41, 49 и 75 м.

Большой интерес для приёма сигналов высокочастотных КВ диапазонов 16, 13 и 11 м представляют образующиеся в области E прослойки (точнее облака) сильно повышенной ионизации. Площадь этих облаков может изменяться от единиц до сотен квадратных километров. Этот слой повышенной ионизации получил название - спорадический слой E и обозначается Es. Облака Es могут перемещаться в ионосфере под воздействием ветра и достигать скорости до 250 км/час. Летом в средних широтах в дневное время происхождение радиоволн за счёт облаков Es за месяц бывает 15 ... 20 дней. В районе экватора он присутствует почти всегда, а в высоких широтах обычно появляется ночью. В годы низкой солнечной активности, когда нет прохождения на высокочастотный КВ диапазонах, иногда, как подарок, на диапазонах 16, 13 и 11 м с хорошей громкостью вдруг появляются дальние станции, сигналы которых многократно отразились от Es.

Самая нижняя область ионосферы - область D расположена на высотах между 50 и 90 км. Здесь сравнительно мало свободных электронов. От области D хорошо отражаются длинные и средние волны, а вот сигналы станций низкочастотный КВ диапазонов сильно поглощаются. Это днём, а после захода Солнца ионизация очень быстро исчезает и появляется возможность принимать дальние станции в диапазонах 41, 49 и 75 м, сигналы которых отражаются от слоёв F2 и E.

Необходимо добавить, что если сигнал отразился от слоя E ( или Es ), то скачок не превышает 2000 км, а от слоя F ( точнее F2 ) - 4000 км. Скачков может быть несколько, и тогда к вашему радиоприёмнику приходят сигналы от вещательных станций, отстоящих на тысячи километров. На дневной стороне Земли такой сигнал довольно сильно ослабляется при многократном прохождении через область D. За один скачок это случается дважды. Чем ниже частота, тем это ослабление заметнее. Но это единственный путь волны в ионосфере по пути от передатчика к вашему приёмнику. Иногда создаются такие условия, при которых волна, отразившись от слоя F2, не возвращается обратно к Земле, а распространяется, отражаясь попеременно от слоёв E(Es) и F2. Волна как бы попала в ионосферный волновод и проходит многие тысячи километров при относительно малом ослабление.

А вот подходящие условия для выхода волны из этого волновода обычно образуются в месте приёма при восходе или заходе Солнца. Обычно это даёт возможность принимать станции, расположенные на противоположный точке земного шара. Это явление наиболее явно выражено на низкочастотных КВ диапазонах. Продолжительность такого приёма в диапазоне 75 м может быть около часа. При переходе на более коротковолновые диапазоны это время сокращается.

На условия распространения КВ сильное влияние оказывает одиннадцатилетний период солнечной активности, фаза которого определяет общую интенсивность солнечного ультрафиолетового и рентгеновского излучений, а следовательно и суммарную ионизацию атмосферы Земли: в годы максимума эта ионизация возрастает, в годы минимума -- убывает. Понятно поэтому, что для практики распространения КВ очень важно располагать сведениями о состоянии солнечной активности.[8,c.27]

В течение долгого времени после начала применения в технике связи и в радиолокации ультракоротких волн ученые и инженеры считали, что волны этого диапазона не способны распространяться на большие расстояния. И только к 1950 г. на основании многочисленных экспериментальных фактов был сделан вывод о существовании нового механизма, способствующего распространению УКВ на расстояния, значительно превосходящие дальность дифракционного горизонта.

Специально поставленные исследования показали, что причиной дальнего распространения УКВ является рассеяние волн на глобулярных неоднородностях тропосферы и отражения от слоистых неоднородностей.

В качестве приемных антенн в тропосферных линиях связи применяются также направленные антенны. Поэтому в приемную антенну попадают только те лучи, которые рассеиваются неоднородностями, расположенными в пределах общего объема, образованного пересечением пространственных диаграмм направленности передающей и приемной антенн.

Большим преимуществом тропосферных линий связи по сравнению с линиями ионосферного рассеяния и метеорными трассами является возможность передачи относительно больших потоков информации. В то время как по линиям ионосферного рассеяния и по метеорным трассам можно передавать одно-два телеграфных сообщения, тропосферные каналы способны пропускать одну телевизионную передачу или 120 телефонных разговоров. Однако качество передачи по тропосферным каналам заметно уступает передаче по радиорелейным линиям связи обычного типа.

Для получения такой относительной широкополосности приходится принимать энергичные меры для борьбы с замираниями, сопровождающими тропосферное распространение волн. Достигается это применением на каждом конечном пункте линий связи двух передатчиков по 10--15 квт, работающих на различных частотах, и двух больших антенн (обычно параболических, размером 20X20 м), четырех отдельных приемных устройств для осуществления разнесения по частоте и в пространстве.

Рис.4 Отражательные слои ионосферы и распространение радиоволн в зависимости от частоты и времени суток.

4. РАДИОЛОКАЦИЯ

4.1 Основные принципы и методы радиолокации

Радиолокация - обнаружение, точное определение местонахождения и скорости объектов с помощью радиоволн.

Под радиолокацией понимают также сам процесс радиолокационного наблюдения (локации) объектов. При наличии нескольких объектов радиолокация должна обеспечивать требуемое их разрешение (раздельное наблюдение). Задачи радиолокаци решаются при помощи отдельных радиолокационных станций (РЛС) и сложных радиолокационных систем. С радиолокаци тесно связана радионавигация; часто их методы и аппаратура практически не различаются. Радиолокация -- одно из важнейших направлений современной радиоэлектроники.

Для радиолокационного наблюдения используют: эхо-сигналы, образующиеся в результате отражения радиоволн от объекта, облученного РЛС (т. н. радиолокация с зондирующим излучением); сигналы РЛС, переизлучаемые ретранслирующим устройством, находящимся на объекте, местоположение которого определяется (радиолокация с активным ответом); собственное радиоизлучение объекта -- излучение радиоустройств, находящихся на объекте, или тепловое излучение самого объекта, определяющееся его температурой (пассивная радиолокация).

В радиолокации измеряют расстояние до объекта (дальнометрия, или дистанциометрия), направление прихода сигналов (пеленгация), радиальную и угловую скорости движения объекта и т.д. Радиолокационное наблюдение объектов позволяет также выявлять их многие характерные особенности, например определять параметры ледового покрова водной поверхности, влагосодержание атмосферы, размеры и конфигурацию объекта и т.п. Данные измерений могут быть дискретными (вырабатываемыми через определённые интервалы времени) или непрерывными. Объекты могут быть одиночными или множественными либо представлять собой сплошные образования. Возможно сложное (комбинированное) наблюдение, например радиолокационный обзор пространства в некотором секторе, позволяющий производить поиск и обнаружение новых объектов в этом секторе и одновременно непрерывно получать текущие координаты уже обнаруженных объектов.

В основе наиболее распространённого вида радиолокации-- радиолокация с зондирующим излучением -- лежит явление отражения радиоволн. Простейшей характеристикой отражающих свойств объекта (в направлении на приёмную антенну РЛС при заданном направлении поля зондирующего излучения) является т. н. эффективная площадь рассеяния (ЭПР) объекта s, позволяющая определить плотность потока мощности поля у приёмной антенны РЛС П2 через плотность потока мощности излучения у объекта H1 по формуле:

П1s = П2Ч4pR2,

где R -- расстояние от объекта до РЛС. По характеру отражения или излучения радиоволн радиолокационные объекты принято разделять прежде всего на сосредоточенные (под которыми понимают одиночные объекты с размерами, малыми по сравнению с размерами объёма, разрешаемого РЛС) и распределённые. Распределённые объекты, в свою очередь, могут быть поверхностными (например, земная поверхность с пашней, кустарником, снегом и т.д., поверхность моря или Луны и т.д.) и объёмными (например, всевозможные неоднородности в атмосфере -- облака, дождь, снег, искусственные дипольные помехи и т.д.). Гладкие поверхности, у которых размеры неровностей составляют незначительную долю от длины облучающей волны (например, спокойная водная поверхность, бетонное полотно и т.д.), отражают зеркально, т. е. при отражении наблюдаются определённые фазовые соотношения между облучающей волной и отражённой. При неровностях, соизмеримых с длиной облучающей волны или больших её, имеет место диффузное отражение волн, т. е. сложение волн со случайными фазами, отражённых от разных элементов поверхности. В общем случае реальные поверхности создают отражённые волны, содержащие как зеркальную, так и диффузную компоненту.

Сопоставляя размеры одиночного объекта не только с объёмом, разрешаемым РЛС, но и с длиной волны, излучаемой ею, различают 3 случая: размеры объекта во много раз больше длины волны (т. н. оптическое рассеяние -- поверхностное и краевое), размеры объекта и длина волны близки друг к другу (резонансное рассеяние), длина волны намного превосходит размеры объекта. Эти случаи различаются не только по интенсивности отражения, но и по характеру зависимости отражённого сигнала от длины волны и поляризации зондирующего сигнала. Особый практический интерес представляет случай большой величины отношения размеров объекта к длине волны, поскольку в радиолокации наибольшее применение имеют волны сантиметрового (СМ) диапазона, в котором у большинства объектов (самолёты, корабли, ракеты, космические аппараты) размеры поверхностей и краев во много раз превосходят длину волны.

4.2 Задачи решаемые радиолокацией

Некоторое представление об областях применения РЛС может дать приводимый ниже перечень.

1. Сельское и лесное хозяйство. Исследование плотности растительного покрова, распределение лесных массивов, лугов и полей, определение вида почв, их температуры и влажности, контроль за состоянием ирригационных систем, обнаружение пожаров.

2. Геофизика и география. Определение структуры землепользования, распределение и состояние транспорта и систем связи, развитие систем переработки природных ресурсов, топография и геоморфология, определение состава пород и их структуры, стратиграфия осадочных пород, поиск минеральных месторождений, отработка техники разведки полезных ископаемых.

3. Гидрология. Исследование процессов испарения влаги, распределение и инфильтрация осадков, изучение стока грунтовых вод и загрязнения водных поверхностей, определение характера снегового и ледового покрова, наблюдение за водным режимом главных рек.

4. Океанография. Определение рельефа волнующейся поверхности морей и океанов, картографирование береговой линии, наблюдение за биологическими явлениями, проведение ледовой разведки.

5. Военное дело, гражданская авиация и космические исследования.

Метеорологическое обеспечение полетов, управление воздушным движением, обеспечение ближней и дальней радионавигации, радиолокационное обеспечение посадки воздушных судов и космических аппаратов, обеспечение дальнего и ближнего обнаружения воздушных целей и наведения на них перехватчиков, обеспечение перехвата воздушных целей и прицеливания, панорамный обзор поверхности, распознавание государственной принадлежности летательных аппаратов, обеспечение радиолокационного сопровождения воздушных и наземных объектов и т.д.

5. УРОК НА ТЕМУ “РАДИОЛОКАЦИЯ”

Тема: Радиолокация

Задача: Ознакомление учащихся с понятием «радиолокация», ее системами, задачами и радиолокационными установками.

Цели:

· учебная - расширить и углубить знания учащихся о радиоволнах;

· развивающая - показать возможность применения радиоволн в различных сферах человеческой деятельности;

· воспитательная - развитие познавательного интереса.

Тип урока: урок изучения нового материала.

Методы и приемы: слово учителя, работа с учебником , беседа.

Материал и оборудование: учебник физики, рабочие тетради, наглядное пособие

Ход урока:

I.Организационный момент

II.Проверка домашнего задания

1)устный опрос:

· Что называется волной?

· Что называют длиной волны?

· Чему равна скорость распространения электромагнитных взаимодействий?

· Какова история электромагнитных волн?

· Перечислите свойства электромагнитных волн.

· Приведите примеры применения электромагнитных волн различных частот?

III.Изучение нового материала

1) вступительное слово учителя о радиолокации по плану:

· Понятие о радиолокации.

· Сигнал и скорость радиоволн.

· Понятие о радиолокаторе и принцип его работы.

· Применение радиолокации в наше время

Обнаружение и точное определение местонахождения объектов с помощью радиоволн называют радиолокацией.

Сигнал радиоволны - электрические колебания сверхвысокой частоты, распространяемой в виде электромагнитных волн.

Скорость радиоволн с=3* , то R= , где R-расстояние до цели.

Радиолокационная установка - радиолокатор (или радар) - состоит из передающей и приемной частей. В радиолокации используют электрические колебания сверхвысокой частоты - Гц). Мощный генератор СВЧ связан с антенной, которая излучает остронаправленную волну. В радиолокаторах, работающих на длинах волн порядка 10 см и меньше, такая волна создается антеннами в виде параболических зеркал. Для волн метрового диапазона антенны имеют вид сложных систем вибраторов. При этом острая направленность излучения получается вследствие сложения волн. Антенна устроена так, что волны, при сложении взаимно усиливают друг друга лишь в заданном направлении. В остальных направлениях при сложении волн происходит полное или частичное их гашение.

Рис.5 Принцип работы радиолокатора.

Сельское и лесное хозяйство: определение вида почв, температуры, обнаружение пожаров.

Геофизика и география: структура землепользования, распределение транспорта, поиски минеральных местонахождений.

Гидрология: исследование загрязнений поверхностей воды.

Океанография: определение рельефа поверхностей дна морей и океанов.

Военное дело и космические исследования: обеспечение полётов, обнаружение военных целей.

IV. Тренировочные задания:

1. Выполнение упражнений

2. а) На каком расстоянии от радиолокатора находится самолет, если отраженный от него сигнал принят через 2·10-4 после посылки этого сигнала?

б) Чем объясняется лучшая слышимость радиостанций зимой?

в) Определите дальность действия радиолокатора, излучающего 500 импульсов в секунду.

г) Имеются ли существенные различия между условиями распространения радиоволн на Луне и на Земле?

V. Закрепление:

1.Решение задач:

а) В схеме радиоприёмника ,L=2*10^-4 Гн, ёмкость С переменного конденсатора может меняться от 12 до 450 пФ. НА какие длины волн рассчитан этот приёмник.

б) Входной контур радиоприёмника содержит катушку индуктивностью L=0,32 мГн. В каких пределах должна изменятся ёмкость С конденсатора контура, чтобы радиоприёмник мог принимать сигналы радио станций, работатающей в диапазоне частот от v₁=8,0 МГц до v₂=24 МГц?

VI. Подведение итогов

1.Выполнение тестовых заданий:

I.Радиолокацией называется:

a) обнаружение, точное определение местонахождения и скорости объектов с помощью радиоволн.;

b) явление взаимного наложения радиоволн, приходящих в точку приема по разным путям;

c) это электромагнитные колебания, распространяющиеся в пространстве со скоростью света;

d) Расстояние между ближайшими друг к другу точками, колеблющимися в одинаковых фазах.

II.Расстояние между соседними гребнями волны на поверхности воды - L. Волна распространяется со скоростью х. При этом частицы воды колеблются с частотой

a) н =х*L;

b) н = х/L;

c) н =L/х;

d) Т = х/L.

III.Где применяют ультракороткие радиоволны?

a) Для связи с космосом;

b) В радиолокации;

c) В телевещании;

d) В теле и радиовещании, в радиолокации, для связи с космосом.

IV.На каком расстоянии от корабля находится айсберг, если посланный локатором сигнал, имеющий частоту н и длину волны л, принят через интервал времени ф?

a) лнф/2;

b) Лнф;

c) лн/ф;

d) лн/2ф.

V.Для измерения расстояний по отраженным сигналам используют радиолокацию и звуколокацию. Какой из этих двух видов локации применим и в воздухе и в морской воде?

a) Оба;

b) Ни один;

c) Звуколокация;

d) Радиолокация.

VI.Радиолокатор работает в импульсном режиме. Частота повторения импульсов 1500 Гц, длительность импульса 0,5 мкс. Рассчитайте максимальную и минимальную дальность обнаружения цели данным радаром.

a) от 150 м до 200 км;

b) от 0,75 м до 1 км;

c) от 75 м до 100 км;

d) от 7,5 м до 10 км.

VII.Каким может быть максимальное число импульсов, испускаемых радиолокатором за 1 с, при разведывании цели, находящейся в 30 км от него?

a) 10000;

b) 50000;

c) 500;

d) 5000.

2. Обобщение:

Сегодня на уроке мы узнали, что называется радиолокацией, каким образом она применяется в современной технике. Мы выяснили, что называется радиолокатором и из каких частей он состоит, где используются радиолокационные установки и для чего они служат.

VII. Рефлексия.

· Что знал?

· Чего не знал?

· Что узнал нового на уроке?

VIII. Информация о ДЗ. Выучить определения, §36,37 упражнения 1-3

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе курсовой работы была разработана методика преподавания урока физики на тему «Радиолокация» и проанализирован теоретический материал по электромагнитным волнам и колебаниям.

Рассмотрены общие сведения распространения радиоволн в курсе преподавания физики в школе. Была также использована таблица с классификацией радиоволн, в которой приведено деление радиоволн на диапазоны и указаны области их применения. Следует сделать вывод, что для радиосвязи используются следующие 12 диапазонов радиоволн, границы которых по частоте определяются соотношением 0,3·10^N-3·10^N (здесь N -- номер диапазона).

Рассмотрены явления, возникающие при распространении радиоволн: дифракция, рефракция, интерференция.

Радиоволны принято также классифицировать по способу распространения в свободном пространстве и вокруг земного шара.

Волны, распространяющиеся в свободном пространстве от одного космического объекта к другому, носят название прямых или свободно распространяющихся. К этой же категории можно в некоторых случаях отнести волны, распространяющиеся между наземной станцией и космическим объектом, а именно в те случаях, когда влиянием относительно тонкого слоя атмосферы можно пренебречь.

Приведено описание факторов, влияющие на дальность и качество радиоволн.

Изучены основные принципы и методы радиолокации. Проведено радиолокационное наблюдение объектов, которое позволяет также выявлять многие характерные особенности, например определять параметры ледового покрова водной поверхности, влагосодержание атмосферы, размеры и конфигурацию объекта. Данные измерений могут быть дискретными или непрерывными.

Было показано применение радиоволн в различных сферах человеческой деятельности.

Разработан урок изучения нового материала на тему “Радиолокация”. Поставленной задачей было ознакомление учащихся с понятием «радиолокация», ее системами, задачами и радиолокационными установками. К уроку были поставлены следующие цели: учебная - расширить и углубить знания учащихся о радиоволнах; развивающая - показать возможность применения радиоволн в различных сферах человеческой деятельности; воспитательная - развитие познавательного интереса. В ходе урока были использованы методы и приемы такие, как слово учителя, работа с учебником, беседа. В урок были включены восемь этапов: организационный момент, проверка домашнего задания, изучение нового материала, тренировочные задания, закрепление, подведение итогов, рефлексия, информация о домашнем задании.

Для лучшего понимания материала ученикам были предложены следующие формы работы: выполнение упражнений, тестовых заданий, решение задач.

Обобщение урока было проведено учителем, в ходе которого ученики узнали, что называется радиолокатором и из каких частей он состоит, где используются радиолокационные установки и для чего они служат.

Курсовая работа может быть использована для преподавания темы «Радиоволны» в рамках изучения физики в средней образовательной школе.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Справочная книга радиолюбителя. /Под ред. Н. И. Чистякова. - М. : Радио и связь, 1990.

2. Фок В. А. Дифракция радиоволн вокруг земной поверхности. - М.: Изд-во АН СССР, 1979.

3. Долуханов М. П. Распространение радиоволн. - М.: Советское «Радио», 1972.

4. Фок В. А. Проблемы дифракции и распространение электромагнитных волн. - М.: Советское «Радио», 1970.

5. Черный Ф. Б. Распространение радиоволн. - М.: Советское «Радио», 1975.

6. Альперт Я. Л., Гусева Э. Г., Флигель Д. С. Распространение низкочастотных электромагнитных волн в волноводе Земля -- ионосфера. - М.: Изд-во «Наука», 1977.

7. Фейнберг Е. Л. Распространение радиоволн вдоль земной поверхностн. - М.: Изд-во АН СССР, 1979.

8. Справочник по радиоэлектронным системам. / Под ред. Б. Х. Кривицкого. - М. : Энергия, 1979.

Размещено на Allbest.ru