>>> Перейти на мобильный размер сайта >>>

Учебник для 11 класса

Естествознание

       

§ 35. Физика и повседневная жизнь человека

  1. Опишите опыты Г. Герца, которыми он доказал существование электромагнитных волн.
  2. Назовите фамилии русского и итальянского учёных — изобретателей радио.
  3. Расскажите о первой отечественной телебашне и её создателе.
  4. Перечислите операторов сотовой связи в России.
  5. Один из самых известных чешских писателей ХХ в. придумал слово «робот», назовите его имя, а также перечислите известные вам кинофильмы, рассказывающие о роботах, искусственном интеллекте, киборгах, андроидах и т. п.

Нагревательные и осветительные приборы. Наше жилище буквально напичкано разного рода электронными устройствами и электрическими приборами. Рассмотрим принципы работы нагревательных приборов. В этих приборах и устройствах используется свойство металлических проводников нагреваться при прохождении по ним электрического тока. Основу электронагревательных приборов, таких как утюг, чайник, кофеварка, электрический обогреватель и т. п., составляет нагревательный элемент, температура которого возрастает при прохождении по нему электрического тока.

Нагревание металлического проводника происходит из-за столкновения электронов, движущихся направленно, с ионами кристаллической решётки. При этом кинетическая энергия электронов превращается во внутреннюю энергию металла, что приводит к повышению температуры. Энергия нагревательного элемента в процессе теплообмена передаётся воде в чайнике, ткани, которую гладят утюгом, окружающему воздуху.

При прохождении электрического тока по проводнику его температура может повыситься настолько, что проводник будет светиться. Это явление используется в осветительных приборах, в частности в лампах накаливания. Однако лампа накаливания — низкоэффективный источник света. Максимум её энергии излучения приходится на инфракрасный диапазон длин волн, на видимый свет приходится лишь малая доля излучаемого света. Обычная лампа накаливания только 10% получаемой энергии излучает в виде полезного света, остальные 90% тратятся на нагревание спирали, баллона, окружающего воздуха.

Увеличить эффективность ламп накаливания можно, повысив температуру нити. Для этого колбу заполняют газом под высоким давлением и получают галогенную лампу. Такие лампы используются в проекторах, автомобильных фарах и т. п. Галогенная лампа излучает в видимом диапазоне до 15% затраченной энергии.

В настоящее время лампы накаливания и галогенные уступают место другим, более экономичным лампам — люминесцентным и светодиодным. В быту используются преимущественно люминесцентные лампы.

Люминесцентная лампа — это газоразрядный источник света. Она заполнена инертным газом и парами ртути. В противоположные концы лампы вставлены электроды. При прохождении по лампе электрического тока пары ртути излучают ультрафиолетовый свет. Её внутренняя поверхность покрыта слоем люминофора. Люминофор поглощает ультрафиолетовый свет и излучает видимый свет. Световая отдача люминесцентной лампы в несколько раз больше, чем у ламп накаливания такой же мощности, а срок службы может превышать срок службы ламп накаливания в 20 раз.

Ещё более экономичной является светодиодная лампа. Светящимся элементом в этой лампе служит полупроводниковый диод. Можно представить, что атомы полупроводника содержат электроны проводимости и валентные электроны. Если в валентной зоне не хватает электронов, то свободное место может занять электрон проводимости. Если на диод подать напряжение (от 2 до 4 В) нужной полярности, то количество электронов, переходящих в валентную зону, увеличится. Электроны проводимости, переходя в валентную зону, теряют энергию; эта энергия может излучаться в виде света — это и есть принцип действия светодиодов. Можно сказать, что светодиод реализует наиболее прямой способ преобразования электрической энергии в свет. Цвет излучения зависит от энергии фотонов: при увеличении энергии осуществляется переход от красного цвета к фиолетовому.

Таким образом, КПД светодиода может быть достаточно близким к 100%. При этом светодиод излучает практически чистый спектральный цвет, что даёт возможность подобрать определённый цвет, выбирая в качестве основы соответствующий полупроводниковый материал.

Микроволновая печь (свч-печь). В настоящее время СВЧ-печь становится незаменимым бытовым прибором. Это связано с тем, что с её помощью можно быстро разморозить продукты, за несколько минут приготовить и разогреть пищу. Микроволновая печь была изобретена сравнительно недавно: в 1942 г. американский инженер П. Спенсер (1894—1970) заметил, что сверхвысокочастотное излучение способно нагревать продукты. 25 октября 1955 г. американская «Тэппан компани» впервые представила бытовую микроволновую печь, а первая серийная бытовая микроволновая печь была выпущена японской фирмой «Шарп» в 1962 г.

Рассмотрим, как работает микроволновая печь. Микроволновое, или сверхвысокочастотное (СВЧ), излучение — это электромагнитные волны длиной от 1 мм до 1 м. Такой диапазон длин электромагнитных волн используется не только в микроволновых печах, но и в радиолокации, радионавигации, системах спутникового телевидения, сотовой связи.

В бытовых микроволновых печах используются волны, частота колебаний (v) которых составляет 2450 МГц. Такая частота установлена для микроволновых печей специальными международными соглашениями, чтобы не создавать помех работе радаров и иных устройств, использующих микроволны. Длину волны (X) можно рассчитать, разделив скорость электромагнитных волн (с), равную 300 000 км/с, на частоту колебаний:

Процесс нагревания в микроволновой печи происходит следующим образом. В состав продуктов питания входят многие вещества: минеральные соли, жиры, сахар, вода. Они содержат полярные молекулы — диполи, о которых вы уже имеете представление. Это в первую очередь дипольные молекулы воды.

Когда электромагнитное поле отсутствует, диполи расположены хаотически. При наличии поля они выстраиваются в определённом порядке, магнитное поле на покоящиеся заряды не действует, а их ориентацию вызывает электрическое поле. При изменении направления электрического поля молекулы поворачиваются на 180°. Поскольку направление электрического поля изменяется с частотой 2450 МГц, т. е. 2 450 000 000 колебаний в секунду, то полярность диполей меняется за одну секунду 4 900 000 000 раз. Таким образом, под действием микроволнового излучения молекулы поворачиваются с огромной скоростью. Так как температура прямо пропорциональна средней кинетической энергии движения атомов или молекул вещества, то такое быстрое колебание молекул увеличивает температуру вещества. Выделяющаяся при этом энергия и является причиной разогрева пищи.

Микроволны не проникают в продукты и пищу глубже 1—3 см, поэтому полное их нагревание происходит как за счёт прогревания сверхвысокочастотным излучением верхних слоёв, так и за счёт проникновения энергии вглубь благодаря теплопроводности.

Необходимо знать, что микроволновая печь безопасна при эксплуатации, никакого вредного воздействия на человеческий организм при соблюдении правил эксплуатации она не оказывает. Сам механизм приготовления пищи с помощью микроволн обусловливает сохранение молекулярной структуры, а значит, и вкусовых качеств продуктов. Приготовление пищи в микроволновой печи позволяет обходиться без применения жиров, которые, будучи нагреты до высокой температуры в процессе жарки, вредны для здоровья.

Существует несколько правил, которые следует выполнять при пользовании микроволновой печью. В частности, нельзя помещать в микроволновую печь металлические предметы (это может привести к повышению их температуры и оплавлению, на заострённых металлических предметах может появиться электрический разряд), а также плотно закрытые ёмкости (бутылки, консервные банки, контейнеры с продуктами и т. п.) и яйца (не важно, сырые или варёные). Всё это при нагреве может разорваться и привести печь в негодность. Продукты питания, имеющие кожицу или оболочку (например, помидоры, сосиски и т. п.), тоже могут «взорваться» в микроволновой печи. Поэтому, перед тем как помещать их в печь, следует проколоть оболочку или кожицу. В этом случае образующийся внутри пар сможет выйти наружу. Нельзя включать пустую печь, без единого предмета, который поглощал бы микроволны. В качестве минимальной загрузки печи при любом её включении принят стакан воды (200 мл).

Жидкокристаллические и плазменные экраны и дисплеи. В настоящее время телевизоры и мониторы с электронно-лучевыми трубками уходят в прошлое, им на смену приходят жидкокристаллические (ЖК) и плазменные экраны и мониторы. Дисплей на жидких кристаллах используется для отображения информации в компьютерных мониторах, ноутбуках, телевизорах, телефонах, цифровых фотоаппаратах, электронных книгах, навигаторах, калькуляторах, часах, а также во многих других электронных устройствах.

ЖК-экраны сделаны из жидкокристаллического вещества цианофенила. Особенностью жидких кристаллов является то, что упорядоченное расположение молекул сохраняется на больших расстояниях вдоль определённого направления. Поэтому они обладают анизотропией свойств, т. е. их свойства (в частности, оптические) в разных направлениях различны. Одним из таких свойств является прозрачность кристалла по отношению к световой волне. Это значит, что при одном расположении кристалла свет через него проходит, а при другом, перпендикулярном к первому, не проходит. ЖК-экран представляет собой множество маленьких сегментов, называемых пикселями, ориентация которых может изменяться. В ходе исследований была обнаружена связь между повышением электрического напряжения и изменением ориентации молекул кристаллов, в результате чего регулируется способность кристалла пропускать свет. Это и обеспечивает создание изображения.

К преимуществам ЖК-мониторов и ЖК-телевизоров относятся их малые размеры и масса по сравнению с мониторами на основе электронно-лучевой трубки. У ЖК-мониторов нет видимого мерцания, дефектов фокусировки лучей, помех от магнитных полей, проблем с чёткостью изображения. Энергопотребление ЖК-мониторов может быть существенно ниже по сравнению с мониторами с электронно-лучевой трубкой.

Плазменный экран (плазменная панель), в отличие от жидкокристаллического, содержит не жидкие кристаллы, а ячейки, наполненные газом (ксеноном, аргоном или неоном). Эти ячейки расположены между стеклянными пластинами, к которым присоединены электроды. Когда на электроды подаётся переменное напряжение, газ в ячейке отдаёт большую часть своих валентных электронов и становится ионизованным, т. е. переходит в состояние плазмы. Поскольку напряжение переменное, то ионы и электроны попеременно собираются у разных электродов. При определённом значении напряжения в плазме происходит электрический разряд, в результате которого возникает ультрафиолетовое излучение. Это излучение воздействует на люминофор (вещество, способное преобразовывать поглощаемую энергию в световое излучение; им покрыты стенки ячеек) и заставляет его излучать свет в видимом диапазоне.

Достоинством плазменной панели является то, что отсутствует мерцание изображения, картинка имеет высокую яркость и контрастность. Плазменная панель отображает около 16 млн цветовых оттенков, что является достаточно хорошим показателем.

Электронный и жидкокристаллический термометры. Домашние роботы. В настоящее время на смену жидкостному медицинскому термометру приходит электронный термометр. Принцип его работы такой же, как и нагревательных приборов, — зависимость сопротивления от температуры. Каждому значению температуры соответствует определённое значение сопротивления. Значения сопротивления обрабатываются и выводятся на дисплей в виде цифр, показывающих температуру.

Для измерения температуры используют также жидкокристаллические термометры. В основе измерения температуры лежит свойство жидких кристаллов менять свой цвет при изменении температуры. Из смесей жидкокристаллических веществ изготавливают температурные индикаторы в интервале температур от -20 до +250 °С. Индикатор представляет собой тонкую гибкую плёнку из жидкого кристалла. При наложении плёнки на поверхность предмета можно определить его температуру и её изменение со временем.

В последние годы широкое применение в домашнем хозяйстве находят робототехнические машины, или роботы.

Робот — это машина, предназначенная для воспроизведения физических и интеллектуальных функций человека и способная адаптироваться к реальным условиям окружающей среды.

Поэтому естественным является желание возложить на них такие домашние работы, как стирка, уборка, глаженье, мытьё окон и пр. Среди домашних роботов вам знакомы автоматические стиральные машины с набором программ, посудомоечные машины, автоматические плиты с таймерами для приготовления пищи, хлебопечки и т. д.

Любой робот имеет исполнительное устройство и устройство программного управления. Устройство программного управления представляет собой электрические цепи, элементами которых являются полупроводниковые приборы. Оно позволяет полностью автоматизировать процесс стирки белья (стирку, полоскание, отжим, а в некоторых моделях и сушку) и осуществить его по заданной программе. Так же программируется работа посудомоечных машин, хлебопечек и других подобных устройств.

Настоящий робот-пылесос разработан фирмой «Электролюкс». Этот робот, диаметр корпуса которого равен 40 см, выполняет одну операцию, но при этом он сначала изучает периметр комнаты, запоминает все объекты, которые могут встретиться на пути, а затем собирает пыль. Сначала он обходит комнату по периметру, а затем по разным направлениям, обходя мебель и другие предметы. Форма и малые размеры позволяют пылесосу забираться в труднодоступные места.

Радиопередатчики и радиоприёмники. Давайте выясним сначала, как работает простейший радиоприёмник. После того как были впервые осуществлены излучение и приём электромагнитных волн, встала задача использования их для передачи информации. Первое такого рода устройство было сконструировано А. С. Поповым (1859—1906) в 1895 г. Особое внимание при этом Попов обратил на устройство приёмника волн. К тому времени уже было известно, что при электрическом разряде мельчайшие металлические опилки сцепляются и их сопротивление уменьшается. На этом основано действие прибора для регистрации электромагнитных волн — когерера.

Когерер представляет собой стеклянную трубку с двумя электродами. В трубке находятся металлические опилки. Когда электромагнитная волна достигает когерера, соединённого с источником тока и гальванометром, то сопротивление опилок резко падает и стрелка гальванометра отклоняется. Сопротивление опилок восстанавливается после их встряхивания.

Попов, включив в приёмник электромагнитных волн (рис. 150) когерер (1), сделал его встряхивание автоматическим. Он соединил когерер с источником тока (2) и телеграфным реле (3). При замыкании когерера реле срабатывало, замыкалась цепь электроёмкого звонка (4), молоточек (5) звонка, притягиваясь к электромагниту (6), ударял когерер и встряхивал его. Чувствительность этого прибора сильно увеличилась после того, как Попов подключил к приёмнику антенну в виде провода.

Рис. 150. Схема устройства приёмника Попова

Первые экспериментальные испытания прибора Попов провёл в Кронштадтской гавани, установив связь между кораблями «Россия» и «Африка», находившимися на расстоянии 640 м друг от друга. Последующие разработки Попова были направлены на увеличение дальности радиосвязи.

Дальнейшие разработки в области радиопередачи и радиоприёма были направлены на создание устройств, позволявших передавать голосовые сообщения. Проблема заключается в том, что звуковые волны, имеющие низкую частоту, не могут передаваться на большие расстояния, поскольку сильно поглощаются атмосферой. Для передачи звукового сигнала используют электромагнитные волны (высокочастотный сигнал), амплитуду которых изменяют в соответствии со звуковой частотой. Этот процесс называется амплитудной модуляцией.

Рассмотрим схему простейшего канала связи (рис. 151). Передатчик состоит из генератора колебаний высокой частоты, микрофона (источника колебания низкой частоты), модулятора, осуществляющего модуляцию колебаний, излучающей антенны. В приёмнике из модулированных колебаний высокой частоты выделяют низкочастотные колебания. Такой процесс называют детектированием. Приёмник состоит из антенны, принимающей модулированный сигнал, и колебательного контура, который настраивается в резонанс с излучённым сигналом. Кроме того, приёмник включает усилитель высокой частоты, детектор — устройство, пропускающее модулированный сигнал в одном направлении, и параллельно соединённые громкоговоритель и конденсатор, разделяющие высокочастотный и низкочастотный сигналы.

Рис. 151. Блок-схема простейшего канала связи

Современные радиоприёмники имеют более сложное устройство: полупроводниковые многокаскадные усилители высокой и низкой частот, способные принимать сигналы в широких частотных диапазонах.

Телевидение и спутниковая связь. С помощью радиоволн наряду со звуковым сигналом можно передавать изображения предметов. В основе телевизионной передачи изображений лежат три процесса: преобразование оптического изображения в электрические сигналы; передача электрических сигналов; преобразование принятого электрического сигнала в оптическое изображение.

Передаваемое изображение условно разбивается на ряд мелких участков — элементов изображения. Свет от каждого участка преобразуется с помощью специальных передающих устройств в импульс электрического напряжения, амплитуда которого тем больше, чем больше интенсивность света, испускаемого данным участком.

Возможны разные конструкции телевизионного передатчика — устройства, передающего изображение. Одним из них является передающая трубка видикон (рис. 152).

Рис. 152. Передающая трубка видикон

Видикон представляет собой электронно-лучевую трубку, в которой вместо светящегося экрана установлен светочувствительный полупроводниковый экран (1). Рассмотрим, как происходит преобразование полученного на экране изображения некоторого предмета в электрический сигнал. В видиконе установлена электронная пушка (2), которая создаёт электронный пучок. Этот пучок ускоряется и направляется на экран. Электроны бомбардируют экран и выбивают из него вторичные электроны, которые движутся к коллектору (3), имеющему более высокий потенциал, чем экран. При освещении экрана сопротивление полупроводника уменьшается, а сила тока на участке экран — коллектор возрастает. И чем больше освещённость того места экрана, на который падает электронный пучок, тем меньше его сопротивление и больше сила тока. Таким образом, освещённость и соответственно сопротивление разных участков экрана, на котором получено изображение некоторого предмета, различны. Две пары катушек, на которые подаётся напряжение, создают магнитные поля, управляющие электронным пучком. Под действием магнитного поля катушек (4) электронный пучок пробегает вдоль строки слева направо по горизонтали, а под действием магнитного поля катушек (5) — сверху вниз по вертикали. В итоге на выходе видикона возникает последовательность электрических импульсов, соответствующих передаваемому изображению. И за 0,04 с пучок пробегает 625 строк.

Как и в случае радиопередачи, этот сигнал непосредственно не может быть передан на расстояние: он модулируется высокочастотными колебаниями, которые и излучаются в пространство. Принятые приёмником модулированные колебания усиливаются и детектируются. Полученный от приёмника видеосигнал передаётся на устройство, преобразующее электрические импульсы в видимое изображение. Таким устройством может быть, например, электронно-лучевая трубка, называемая кинескопом (рис. 153).

Рис. 153. Кинескоп

В кинескопе, так же как и в видиконе, электронная пушка создаёт электронный пучок, который попадает на экран, покрытый люминофором. При ударе о него электронов люминофор начинает светиться. Снаружи трубки расположены две пары катушек, создающих магнитное поле при прохождении по ним электрического тока. Одна пара пластин отклоняет электронный пучок слева направо, другая вверху вниз, причём движение пучка в кинескопе совершается синхронно с движением пучка в видиконе: во время движения пучка в кинескопе вдоль первой строки им управляет сигнал, принятый при движении электронного пучка вдоль первой строки в видиконе. В итоге за 1/25 секунды на экране кинескопа будет такое же изображение, которое было на экране видикона. Кадры сменяют друг друга с частотой 25 кадров в секунду, и в силу инертности зрения глаз воспринимает эту смену как непрерывную.

Для передачи телевизионного и радиосигнала на большие расстояния используют, во-первых, высокие антенны, а во-вторых, ретрансляторы, установленные на искусственных спутниках Земли. Преимущество спутниковой связи перед наземной заключается в том, что ретранслятор, установленный на спутнике, находится на очень большой высоте относительно поверхности Земли — от сотен до десятков тысяч километров. Зона его «видимости» существенно увеличивается и составляет почти половину земного шара, поэтому отсутствует необходимость в создании серии ретрансляторов.

Сотовая связь. В основе одного из видов мобильной связи лежит сотовая сеть. Такая сеть объединяет мощные скоростные компьютеры, базовые станции, распределённые по рабочей сети, мобильные телефоны. Для осуществления мобильной телефонной связи общая зона покрытия делится на несколько ячеек — сот в форме шестиугольников. Соты имеют определённый размер, их количество определяется зоной покрытия отдельных базовых станций. Базовые станции обычно располагают на крышах зданий и вышках, даже в небольших городах устанавливают несколько сотен вышек. Управляет всей мобильной связью в городе центр коммутации для мобильных телефонов. Он контролирует все телефонные звонки и базовые станции в данной местности, определяя местоположение подвижных абонентов и обеспечивая непрерывность связи при перемещении абонента из зоны действия одного приёмопередатчика в зону действия другого.

Каждый мобильный телефон имеет свой код — для распознавания телефона, его владельца и мобильного оператора. Когда мы включаем мобильный телефон, он ищет код идентификации на главном канале управления. Если телефон не может найти канал управления, значит, он находится вне зоны досягаемости и на экране высвечивается «Нет сети». При получении кода идентификации телефон сверяет его со своим кодом и при совпадении получает разрешение на подключение к сети. Центр коммутации фиксирует положение телефона в базе данных и может отсылать сообщения, зная, каким телефоном пользуется абонент. Он принимает звонки и может вычислить номер звонящего, проверить его в своей базе данных. Центр коммутации связывается с мобильным телефоном, чтобы сообщить, какую частоту использовать, и после этого телефон получает доступ в сеть.

Мобильный телефон поддерживает с базовой станцией постоянный радиоконтакт и при изменении местоположения переключается с одной базовой станции на другую.

Далее речь пойдёт о том, без чего немыслим быт современного человека, о разных химических веществах и новых материалах. Это и моющие средства, и инсектициды, и косметика, и пищевые добавки, и т. п.

Теперь вы знаете

  • принцип работы микроволновой печи (СВЧ-печь)
  • принципы устройства жидкокристаллических и плазменных экранов и дисплеев
  • принципы работы радиопередатчиков и радиоприёмников
  • принципиальные основы сотовой связи

Теперь вы можете

  • объяснить принцип работы нагревательных приборов
  • объяснить отличие люминесцентной лампы от светодиодной
  • назвать имя американского инженера, который изобрёл микроволновую печь
  • сформулировать, что такое пиксели
  • описать, как работает простейший радиоприёмник
  • ответить на вопрос, почему сотовая связь называется сотовой

Выполните задания

  1. Опишите, какие виды ламп существуют, какие из них более экономичны в упoтpeблeнии и почему.
  2. Объясните, что представляет собой микроволновая печь (СВЧ-печь) и каков принцип её работы.
  3. Проведите сравнительный анализ жидкокристаллических и плазменных телевизоров, сформулируйте, чем они отличаются друг от друга.
  4. Назовите известных вам домашних роботов.
  5. Охарактеризуйте процесс амплитудной модуляции и процесс детектирования.
  6. Расскажите, что такое видикон и кинескоп, как они работают, что у них общее и в чём различия.
  7. Определите, для чего каждому мобильному телефону нужен свой код идентификации.

Темы для рефератов

  1. Роботы-помощники.
  2. История радио.
  3. История телевидения.
  4. Интернет и его роль в жизни современного общества.
  5. Из истории сотовой связи.

 

 

 

Top.Mail.Ru
Top.Mail.Ru