§ 18. Фізичні основи сучасних бездротових засобів зв’язку та комунікацій

• Назад до змісту

ПЕРЕВІРТЕ СЕБЕ

1. Завдяки чому Сонце гріє Землю?

Сонце гріє Землю завдяки інфрачервоному (тепловому) випромінюванню. Це електромагнітні хвилі, які безперешкодно проходять крізь вакуум космічного простору і передають теплову енергію земній поверхні та атмосфері.

2. Над Антарктидою є велика озонова діра. Чим небезпечна вона для наших дослідників на станції «Академік Вернадський»?

Озоновий шар затримує згубну для живих організмів частину сонячного випромінювання. Через озонову діру поверхні досягає надмірна кількість жорсткого ультрафіолетового випромінювання, яке викликає сильні сонячні опіки шкіри, пошкоджує сітківку й рогівку очей і збільшує небезпеку розвитку онкологічних захворювань.

3. З якою швидкістю поширюються рентгенівські промені?

Рентгенівські промені є електромагнітними хвилями, тому у вакуумі та в повітрі вони поширюються зі швидкістю світла, яка становить приблизно $300\,000\text{ км/с}$ ($3 \cdot 10^8\text{ м/с}$).

4. Яка максимальна частота коливань у радіохвилі ультракороткого діапазону?

Максимальна частота коливань для радіохвиль ультракороткого діапазону становить $300\text{ ГГц}$ ($3 \cdot 10^{11}\text{ Гц}$), що відповідає межі субміліметрових хвиль із мінімальною довжиною хвилі $\lambda = 1\text{ мм}$.

5. До яких електромагнітних хвиль належить випромінювання частотою 500 ТГц?

Випромінювання частотою $500\text{ ТГц}$ ($5 \cdot 10^{14}\text{ Гц}$) належить до видимого світла, оскільки діапазон оптичного видимого випромінювання лежить у межах частот від $400\text{ ТГц}$ до $750\text{ ТГц}$ (приблизно відповідає жовто-помаранчевій ділянці спектра).

ПОМІРКУЙТЕ І ДАЙТЕ ВІДПОВІДЬ

1. Які недоліки дротового зв’язку з технічного та економічного погляду?

З економічного погляду дротовий зв’язок потребує значних фінансових і матеріальних витрат на виготовлення металевих чи оптоволоконних проводів, прокладання траншей і кабельних ліній, а також постійне обслуговування й ремонт мережі до кожного абонента.

З технічного погляду кабельні лінії мають обмежену пропускну здатність, прив’язують користувача до конкретного місця і не дають змоги вільно пересуватися під час спілкування. Крім того, підземні та повітряні дроти вразливі до механічних пошкоджень, обривів від вітру й корозії.

2. Визначте за допомогою телефону ваші точні координати й ваше місце перебування на Google Maps.

Для визначення координат у додатку Google Maps необхідно виконати такі кроки:

• Увімкнути функцію визначення геопозиції (GPS) у меню швидких налаштувань телефона й відкрити додаток Google Maps.
• Дочекатися, поки синій кружечок сфокусується на поточному місці перебування, і затиснути пальцем екран на цій точці або торкнутися позначки.
• У верхньому пошуковому рядку та в картці об’єкта з’являться десяткові географічні координати (наприклад, $50{,}4501^\circ\text{ пн. ш.}$, $30{,}5234^\circ\text{ сх. д.}$) разом із точною поштовою адресою (місто, вулиця та номер будинку).

3. Оцініть з вашого досвіду переваги й недоліки Bluetooth та Wi-Fi.

Перевагою Bluetooth є дуже економне споживання заряду акумулятора та миттєве пряме з’єднання двох пристроїв без роутера, що зручно для навушників і годинників, але ця технологія має малий радіус дії (до $10\text{ м}$) і невисоку швидкість передавання файлів.

Перевагою Wi-Fi є висока швидкість передавання великих обсягів даних і більший радіус покриття (до кількох десятків метрів), що дає змогу дивитися відео високої якості багатьом користувачам одночасно, проте цей зв’язок швидше розряджає акумулятор пристрою, потребує наявності Wi-Fi-роутера і гірше проходить крізь товсті бетонні стіни.

ПЕРЕВІРТЕ СЕБЕ

1. Чи можна за допомогою радіолокатора виявити в морі дерев’яну яхту?

Суто дерев’яний корпус яхти виявити за допомогою звичайного радіолокатора практично неможливо, тому що деревина є діелектриком і пропускає чи поглинає електромагнітні хвилі, а не відбиває їх.

Радіолокація ґрунтується на здатності хвиль відбиватися від провідних металевих поверхонь, тому таку яхту виявляють лише за наявністю металевого двигуна, паливного бака, якірного ланцюга чи щогли. З метою навігаційної безпеки на дерев’яні судна додатково чіпляють металеві пасивні радіолокаційні відбивачі.

2. Чому зв’язок між Wi-Fi-роутером і вашим мобільним телефоном погіршиться або й зовсім зникне, якщо ви вийдете з будинку чи квартири?

Зв’язок погіршується або зникає, оскільки ультракороткі радіохвилі частотою $2{,}4\text{ ГГц}$ або $5\text{ ГГц}$, на яких працює роутер, мають невеликий радіус дії (усього 10–$30\text{ м}$) і прямолінійне поширення. Залізобетонні стіни, перекриття та броньовані двері будинку сильно поглинають, екранують і відбивають високочастотне випромінювання, через що назовні будівлі виходить лише слабкий залишок сигналу.

3. Як взаємодіє смарт-годинник з вашим телефоном?

Смарт-годинник взаємодіє з телефоном за допомогою бездротового зв’язку стандарту Bluetooth. В обидва пристрої вбудовані мініатюрні радіомодулі, які одночасно випромінюють і приймають цифрові сигнали на ультракоротких радіохвилях частотою близько $2{,}4\text{ ГГц}$. Завдяки цьому прилади обмінюються пакетами даних у реальному часі на відстані до кількох метрів без кабелів.

4. Чи впливають погодні умови на здійснення супутникового зв’язку?

Так, погодні умови помітно впливають на якість супутникового зв’язку. Супутниковий сигнал поширюється крізь атмосферу на ультрависоких частотах сантиметрового діапазону. Під час сильної зливи, снігопаду чи густої хмарності краплі води й частинки льоду в повітрі поглинають і розсіюють частину енергії радіохвилі, що викликає згасання сигналу або тимчасове зникнення телевізійного мовлення та інтернету.

5. Чому антени базових станцій стільникового зв’язку розміщують на пагорбах і дахах висотних будинків, а не в низинах чи між будинками?

Антени розташовують на узвишшях для того, щоб створити пряму радіовидимість на максимально велику площу та уникнути перешкод від міської забудови чи рельєфу. Ультракороткі хвилі мобільного зв’язку не огинають великі споруди та пагорби, тому розміщення передавачів у низинах або у дворах призводило б до появи великих зон радіотіні та постійної втрати з’єднання в абонентів.

6. Електромагнітний імпульс, випущений радіолокатором у напрямку літака, повернувся назад через 80 мс. Визначте відстань до літака. Що ще потрібно знати, щоб вирахувати висоту, на якій він перебуває?

(Примітка: в умові завдання надруковано «80 мс», що є друкарською помилкою підручника; для отримання зазначеної у відповідях підручника відстані $12\text{ км}$ час затримки становить $t = 80\text{ мкс} = 8 \cdot 10^{-5}\text{ с}$)

Дано:

• $t = 80\text{ мкс} = 8 \cdot 10^{-5}\text{ с}$
• $c = 3 \cdot 10^8\text{ м/с}$

Знайти:

• $R - ?$

Розв’язання:
Відстань до літака визначаємо за формулою радіолокації, враховуючи рух сигналу до об’єкта й назад:
$R = \dfrac{c \cdot t}{2}$

Підставимо значення величин:
$R = \dfrac{3 \cdot 10^8\,\dfrac{\text{м}}{\text{с}} \cdot 8 \cdot 10^{-5}\text{ с}}{2} = \dfrac{24\,000\text{ м}}{2} = 12\,000\text{ м} = 12\text{ км}$

Щоб знайти висоту $h$, на якій летить літак, крім відстані $R$ необхідно знати кут піднесення антени над лінією горизонту (кут місця $\alpha$), тоді висота обчислюється як $h = R \cdot \sin\alpha$.

Відповідь: $R = 12\text{ км}$; необхідно додатково знати кут піднесення антени над горизонтом (кут місця цілі).

7. Відстань до Місяця, визначена вперше англійцями за допомогою радіолокатора ще в 1958 році, становила 384 402 км. Визначте час, за який радіоімпульс повернувся до радіолокатора.

Дано:

• $R = 384\,402\text{ км}$
• $c = 300\,000\text{ км/с}$

Знайти:

• $t - ?$

Розв’язання:
Запишемо формулу радіолокації:
$R = \dfrac{c \cdot t}{2}$

Виразимо час поширення радіоімпульсу в обидва боки:
$t = \dfrac{2 \cdot R}{c}$

Підставимо числові значення разом з одиницями вимірювання:
$t = \dfrac{2 \cdot 384\,402\text{ км}}{300\,000\,\dfrac{\text{км}}{\text{с}}} = \dfrac{768\,804\text{ км}}{300\,000\,\dfrac{\text{км}}{\text{с}}} \approx 2{,}56\text{ с}$

Відповідь: $t \approx 2{,}56\text{ с}$.

8. Стільниковий зв’язок здійснюється на частотах від 450 МГц до 3000 МГц. Визначте діапазон довжин цих хвиль.

Дано:

• $\nu_1 = 450\text{ МГц} = 450 \cdot 10^6\text{ Гц} = 4{,}5 \cdot 10^8\text{ Гц}$
• $\nu_2 = 3000\text{ МГц} = 3000 \cdot 10^6\text{ Гц} = 3 \cdot 10^9\text{ Гц}$
• $c = 3 \cdot 10^8\text{ м/с}$

Знайти:

• $\lambda_1 - ?$
• $\lambda_2 - ?$

Розв’язання:
Зв’язок між швидкістю поширення електромагнітної хвилі, її частотою та довжиною визначається формулою:
$c = \lambda \cdot \nu \implies \lambda = \dfrac{c}{\nu}$

Оскільки $1\text{ Гц} = 1\,\text{с}^{-1}$, підставимо відповідні значення для найменшої та найбільшої частоти:
$\lambda_1 = \dfrac{3 \cdot 10^8\,\dfrac{\text{м}}{\text{с}}}{4{,}5 \cdot 10^8\,\dfrac{1}{\text{с}}} = \dfrac{3}{4{,}5}\text{ м} = \dfrac{2}{3}\text{ м} \approx 0{,}67\text{ м} = 67\text{ см}$

$\lambda_2 = \dfrac{3 \cdot 10^8\,\dfrac{\text{м}}{\text{с}}}{3 \cdot 10^9\,\dfrac{1}{\text{с}}} = \dfrac{1}{10}\text{ м} = 0{,}1\text{ м} = 10\text{ см}$

Відповідь: діапазон довжин хвиль становить від $0{,}1\text{ м}$ до $\approx 0{,}67\text{ м}$ (від $10\text{ см}$ до $\approx 67\text{ см}$).

САМОПЕРЕВІРКА

Здійсніть самоперевірку за покликанням (https://9klas.academiabook.club/fizyka/f-s3)

Для виконання онлайн-завдань самоперевірки за Розділом ІІІ «Механічні та електромагнітні хвилі»:

• Переходимо за адресою або скануємо QR-код підручника камерою смартфона.
• Повторюємо основні формули розділу: швидкість хвилі $v = \lambda \cdot \nu$, залежність періоду й частоти $T = \dfrac{1}{\nu}$, формулу радіолокації $R = \dfrac{c \cdot t}{2}$, а також межі чутного звуку ($20\text{ Гц}$ – $20\text{ кГц}$).
• Проходимо інтерактивні тести й перевіряємо свій рівень знань з вивченої теми.

НАВЧАЛЬНИЙ ПРОЄКТ

Виконайте проєкт, дотримуючись алгоритму (додаток 1)

Тема проєкту: У світі нечутних звуків (інфразвук та ультразвук).

• Мета дослідження: з’ясувати фізичну природу звуків, не сприймаваних людським вухом, та дослідити їхнє значення в живій природі й техніці.
• Діапазони нечутних звуків: звукові хвилі з частотою менше ніж $20\text{ Гц}$ називають інфразвуком, а коливання з частотою понад $20\,000\text{ Гц}$ — ультразвуком. Людина їх не чує, проте вони мають важливе практичне значення.
• Інфразвук у природі й техніці: джерелами інфразвукових хвиль є землетруси, цунамі, шторми, виверження вулканів та робота потужних двигунів. Завдяки здатності інфразвуку поширюватися на сотні кілометрів без відчутного згасання сейсмологи завчасно фіксують підземні поштовхи, а тварини відчувають наближення цунамі.
• Ультразвук та ехолокація: дельфіни й кажани генерують ультразвукові хвилі та орієнтуються за їхнім відбиванням від перешкод і здобичі. У техніці та медицині цей ефект покладено в основу роботи ехолотів для вимірювання глибини моря, апаратів УЗД для обстеження внутрішніх органів, а також приладів дефектоскопії для виявлення внутрішніх тріщин у металевих виробах.
• Підсумок: нечутні звукові коливання мають таку саму хвильову природу, як і звичайний звук, але завдяки своїм специфічним частотам відіграють вирішальну роль у системах раннього оповіщення, медицині, навігації та орієнтуванні живих істот.