§ 21. ДОСЛІДЖУЄМО ВЛАСТИВОСТІ ЕЛЕКТРОМАГНІТНИХ ХВИЛЬ

• Назад до змісту довідника

ДОСЛІДЖУЙ

• Я виявив, що погодні умови впливають на якість радіосигналу. А чому так відбувається?

Краплі дощу, сніг і кристали льоду в повітрі розсіюють та поглинають електромагнітні хвилі, а різка зміна температури чи вологості атмосфери змінює траєкторію їхнього руху. Це послаблює сигнал або створює додаткові радіозавади.

• Переконайся, що електромагнітні хвилі поширюються прямолінійно, заломлюються, розсіюються та відбиваються (мал. 21.1). Установи відповідність між підписами на малюнку (1–4) та їх описом (А–Г).

ДУМАЙ

1. Як називають явище, коли хвиля змінює напрям при переході в інше середовище?

Явище зміни напрямку поширення хвилі під час переходу з одного середовища в інше називають заломленням.

2. Як називають явище, коли хвиля огинає перешкоду?

Явище огинання хвилями перешкод або проникнення крізь вузькі отвори називають дифракцією.

3. Яке явище спостерігається, коли дві хвилі накладаються одна на одну?

Накладання у просторі двох або більше хвиль, унаслідок якого амплітуда коливань у певних точках підсилюється, а в інших послаблюється, називають інтерференцією.

4. Чим відрізняється відбиття хвилі від заломлення?

Під час відбивання хвиля доходить до межі двох середовищ і повертається в те саме середовище, звідки надійшла. При цьому її швидкість, частота та довжина хвилі залишаються сталими, а кут відбивання дорівнює куту падіння. Під час заломлення хвиля перетинає межу та переходить у друге середовище, де змінюється швидкість її поширення і відповідно змінюється довжина хвилі при незмінній частоті, що спричиняє відхилення напрямку руху хвилі.

5. Електромагнітна хвиля переходить із вакууму у середовище, де її швидкість становить $2 \cdot 10^8\text{ м/с}$. Як зміниться довжина хвилі в цьому середовищі?

Дано:

• $c = 3 \cdot 10^8\text{ м/с}$
• $v = 2 \cdot 10^8\text{ м/с}$
• $\nu = \text{const}$

Знайти:

• $\dfrac{\lambda_1}{\lambda_2} - ?$

Розв’язання:
Швидкість поширення хвилі пов’язана з довжиною хвилі та її частотою:
$v = \lambda \cdot \nu \implies \lambda = \dfrac{v}{\nu}$

Частота коливань $\nu$ під час переходу між середовищами не змінюється:
Для вакууму:
$\lambda_1 = \dfrac{c}{\nu}$

Для даного середовища:
$\lambda_2 = \dfrac{v}{\nu}$

Знаходимо відношення довжини хвилі у вакуумі до її довжини в середовищі:
$\dfrac{\lambda_1}{\lambda_2} = \dfrac{c}{\nu} : \dfrac{v}{\nu} = \dfrac{c}{v}$
$\left[\dfrac{\lambda_1}{\lambda_2}\right] = \dfrac{\text{м/с}}{\text{м/с}} = 1$
$\dfrac{\lambda_1}{\lambda_2} = \dfrac{3 \cdot 10^8\text{ м/с}}{2 \cdot 10^8\text{ м/с}} = 1{,}5$

Або відношення довжини хвилі в середовищі до початкової:
$\dfrac{\lambda_2}{\lambda_1} = \dfrac{v}{c} = \dfrac{2 \cdot 10^8\text{ м/с}}{3 \cdot 10^8\text{ м/с}} = \dfrac{2}{3} \approx 0{,}67$

Відповідь: довжина хвилі зменшиться в $1{,}5$ раза (становитиме $\dfrac{2}{3}$ від початкової).

ВИКОНАЙ ДОСЛІДЖЕННЯ

Дослідіть властивості відбивання й заломлення радіохвиль, використовуючи доступні засоби.

Дослід 1. Дослідіть відбивання радіохвиль від металевих поверхонь.

• Сформулюйте гіпотезу на основі проблемного питання: чи можуть радіохвилі відбиватися від металевих поверхонь, і як це впливає на силу сигналу?

Металеві поверхні добре відбивають радіохвилі, тому що вільні електрони в металі створюють протидіюче електромагнітне поле. Металевий екран між роутером і смартфоном послабить або повністю заблокує прямий сигнал, а екран позаду смартфона зможе спрямувати відбиті хвилі до приймача і підсилити сигнал.

• 1. Стань на відстані 3–5 метрів від Wi-Fi роутера. Запиши рівень сигналу Wi-Fi на своєму смартфоні (кількість смужок). Це буде твій базовий показник.

На прямій видимості на відстані $3\text{–}5\text{ м}$ рівень сигналу становить максимальні 4 смужки.

• 2. Попроси однокласників / однокласниць тримати великий металевий лист між роутером і твоїм смартфоном. Спостерігай за зміною сигналу.

Рівень сигналу Wi-Fi на смартфоні різко падає до $1\text{–}2$ смужок, оскільки металевий екран блокує та відбиває прямі хвилі назад до роутера.

• 3. Попроси однокласників / однокласниць тримати металевий лист позаду тебе (як екран) так, щоб роутер був перед тобою. Металевий лист має бути орієнтований так, щоб відбивати сигнал від роутера у твій бік. Запиши зміну сигналу.

Рівень сигналу залишається стабільно високим (4 смужки) і показує максимальну якість зв’язку, бо металевий екран відбиває частину хвиль додатково в напрямку приймальної антени смартфона.

• 4. Зміни кут нахилу металевого листа. Чи змінюється сила сигналу?

Так, сила сигналу змінюється. При зміні нахилу листа змінюється кут падіння та кут відбивання електромагнітних хвиль, тому відбитий пучок хвиль відхиляється вбік і перестає потрапляти на антену телефона.

• 5. Перемісти металевий лист так, щоб він повністю затуляв твій смартфон від роутера. Чи зник сигнал повністю?

Сигнал сильно слабшає, проте найчастіше не зникає повністю, оскільки радіохвилі доходять завдяки відбиванню від стін і стелі класу та огинають краї листа через дифракцію. Якщо ж повністю загорнути телефон у шар фольги, сигнал зникає цілком.

• 6. Чи підтвердилася ваша гіпотеза?

Гіпотеза повністю підтвердилася: металеві предмети ефективно відбивають та екранують радіохвилі, змінюючи рівень прийому сигналу.

• 7. Де в повсякденному житті ми можемо спостерігати такі відбивання?

Відбивання радіохвиль використовують у роботі радіолокаторів (радарів), супутникових тарілок (металеве дзеркало фокусує хвилі на опромінювач), а також під час передавання теле- і радіосигналів, коли хвилі відбиваються від рельєфу та йоносфери.

Дослід 2. Досліди поглинання й ослаблення радіохвиль різними матеріалами.

• Сформулюй гіпотезу на основі проблемного питання: як різні матеріали (стіни, меблі, двері) впливають на силу сигналу Wi-Fi?

Різні матеріали по-різному поглинають радіохвилі: легкі діелектрики (дерево, скло, пластик) практично не створюють перешкод, тоді як масивні залізобетонні та цегляні стіни значно поглинають та послаблюють сигнал через свою густину й наявність металевої арматури.

• 1. Обери місце, де сигнал Wi-Fi стабільний (наприклад, 3–4 смужки). Запиши рівень сигналу.

Базовий рівень сигналу в кімнаті з роутером становить 4 смужки.

• 2. Пройди в іншу кімнату через дерев’яні двері (закрий їх). Запиши рівень сигналу.

За зачиненими дерев’яними дверима рівень сигналу становить $3\text{–}4$ смужки: сухе дерево майже не послаблює радіохвилі.

• 3. Пройди за цегляну / бетонну стіну. Запиши рівень сигналу.

За залізобетонною або товстою цегляною стіною рівень сигналу помітно знижується до $1\text{–}2$ смужок унаслідок значного поглинання хвилі матеріалом.

• 4. Спробуй пройти за шафу або великі меблі. Запиши рівень сигналу.

За великою дерев’яною шафою сигнал становить 3 смужки: зміна є незначною і майже не впливає на стабільність підключення.

• 5. Повтори ці дії з віконним склом (за можливості).

Через звичайне віконне скло сигнал проходить вільно і зберігається на рівні $3\text{–}4$ смужок.

• 6. Який матеріал найбільше перешкоджав сигналу Wi-Fi, а який — найменше?

Найбільше сигналу перешкоджали залізобетонні та цегляні стіни, а найменше — скло та сухі дерев’яні двері.