Конспект урока физики для 9-11 класса "Основы радиотехники"

На уроке физики на тему "Основы радиотехники" обучающиеся 9-11 классов познакомятся с базовыми компонентами электрической цепи в радиотехнике и узнают их принцип работы

Ход урока

Учитель: Ребята, кто может объяснить, что такое электрический ток?

Электрический ток – это направленное движение заряженных частиц

- А какие частицы движутся? (ответы учащихся)
- Верно, электроны. А какие два вида тока вам известны?
- Все правильно. И так как далее речь пойдет о различных электромагнитных явлениях, упор мы будем делать на переменный ток соответственно.

- В 9 классе вы узнали, что переменный ток порождает переменное магнитное поле. На этом явлении основано действие колебательного контура.
- Давайте вспомним принцип его работы, но прежде немного остановимся на явлении самоиндукции. Где мы его наблюдаем?

- Само собой! Катушка – это просто кусок проволоки, она спокойно пропускает постоянный ток, но является преградой для переменного, она сопротивляется его действию, а значит ЭДС индукции будет направлено против тока.

- Если рассчитать нужное количество витков, то через нее и вовсе не пройдет переменный ток. А кто сможет рассказать, как работает конденсатор?
- Давайте я постараюсь рассказать вам о работе конденсатора очень примитивно и доступно. Представьте себе сосуд, посередине которого находится эластичная перегородка.

- При наполнении его через правый канал перегородка перемещается в лево до тех пор, пока не достигнет максимума.
- А затем выталкивает воду в обратном направлении, вода бежит по трубе и заполняет сосуд уже с другой стороны. Так всем понятно?

- Вернемся к колебательному контуру. Конденсатор разрежается на катушку, в той соответственно, мы наблюдаем явление самоиндукции, возникает переменное магнитное поле.
- Когда конденсатор полностью разрядится, вокруг катушки будет переменное магнитное поле. Которое будет порождать переменное электрическое, а явление самоиндукции вновь будет препятствовать его протеканию в цепи.

- В конечном итоге конденсатор зарядится, поменяв знак на своих обкладках. Но так как мы живем в реальном мире, ток в контуре рано или поздно затухнет, из-за сопротивления элементов схемы.
- Кто-нибудь знает как сделать колебания в контуре незатухающими? (добавить транзистор, трансформатор и источник постоянного тока)
- Вы знаете, как устроен транзистор? Принцип его работы наглядно иллюстрирует картинка…

- Только вместо воды в цепи бежит ток соответственно. Биполярный транзистор - трехэлектродный полупроводниковый прибор. Полупроводниковые материалы, из которых делают транзисторы, это в основном: кремний, германий, арсенид галлия и другие.

- Кремний, германий и другие вещества изначально являются диэлектриками, но если в них добавить примеси, то они станут полупроводниками. (Добавки в кремний типа фосфора (донор электронов) сделают кремний полупроводником N-типа, а если в кремний добавить бор (акцептор электронов), то кремний станет полупроводником P-типа).

- К каждому слою припаяны выводы, которые называются: эмиттер, коллектор и база.
- А так же давайте рассмотрим трансформатор. В простейшем виде трансформатор состоит всего из трех основных частей: сердечника, а также первичной и вторичной обмоток. В принципе обмоток у трансформатора может быть и больше двух, но минимум их две.

- А теперь взглянем на схему. База транзистора подключена к трансформатору, который в свою очередь подключен к колебательному контуру. Когда ток в цепи возрастает, транзистор открывается, через эмиттер течет ток, который как бы подталкивает колебания.

- Можно провести обычную аналогию с качелями. Нам нужно подталкивать друга в момент взлета, ведь если мы попытаемся сделать это в сторону отличную от направления скорости качелей ничего хорошего не выйдет – качели остановятся.

- Сейчас, прежде чем мы перейдем к практике нужно узнать об еще одном элементе – диод. Диод - это двухполюсный электронный компонент, который проводит ток преимущественно в одном направлении он имеет низкое (в идеале нулевое) сопротивление в одном направлении и высокое (в идеале бесконечное) сопротивление в другом.

- Сложно? Представьте себе клапан. В одну сторону он пропускает воду, а в другую закроется и не пропустит, так же диод работает с током.
- Вот теперь мы можем с вами говорить о радиосвязи. Кто знает устройство радиопередатчика? (передатчик состоит из микрофона, усилителя низких частот, генератора высоких частот, модулятора, усилителя высоких частот и антенны)

- Вы знаете, что такое модуляция и зачем она нужна?
- Верно! Когда мы записываем какой-то сигнал, например, песню, ее диапазон будет лежать в низких частотах, а такой сигнал очень сложно передавать.

- Поэтому, его как бы накладывают на высокие частоты, изменяя его амплитуду или частоту.
- Давайте рассмотрим самые примитивные модуляторы, а за генератор высоких частот примем наш колебательный контур с незатухающими колебаниями.

Схема амплитудного модулятора

При сложении несущей частоты, низкой частоты и напряжения цепи (специально подобранного ниже среднего значения). Получается импульсный ток.
- После, он поступает в колебательный контур, где вновь преобразуется в синусоиду, благодаря принципу работы колебательного контура. C2 – конденсатор, для того, чтобы постоянный ток не поступал на выходные клеммы.

Схема частотного модулятора (слайд):

• C1 – конденсатор, нужен для того чтобы постоянный ток не смог пройти на клеммы.
• L1 – катушка, не дает переменному току выйти на клеммы.
• R1 – нагрузка.
• L2 C2 – колебательный контур.
• VD1 – варикап.

- Варикап занимает ключевую роль в схеме, он представляет из себя диод, подключенный в обратном направлении и имеющий емкость.
- Суть его в том, что он уменьшает емкость при возрастании амплитуды волны, тем самым управляет частотой модулируемого сигнала.

- В заключении, хочу показать вам еще одну схему. Передать сигнал мало – его еще нужно принять.
- Примитивные приемники устроены намного проще, чем передатчики, правильнее, сейчас их назвать детекторами.

- Детектирование – процесс обратный модуляции. Так как приемники у нас самые простые, то ни о каких усилительных эффектах мы говорить не будем.
- Задача таких приемников – расшифровать сигнал и подать его на нагрузку.

Частотный детектор

C1 L1 – колебательный контур, имеющий собственную частоту равную максимальной частоте сигнала. Поэтому у участка волны с максимальной частотой вырастет амплитуда, а с маленькой наоборот.

- Это происходит за счет конденсатора С1. (при высокой частоте заряжается полостью, при маленькой не успевает зарядится до конца, следовательно, когда синусоида будет уменьшаться, конденсатор начнет разряжаться, исходя из этого изменится амплитуда)

- ТА1 (трансформатор), передает амплитудный сигнал, а далее схема дублирует амплитудный детектор, где VD1 – диод, C2 – конденсатор, R1 - нагрузка.

Амплитудный детектор

Принцип: выпрямительный диод пропускает ток только положительной величины. Напряжение емкости не может изменяться скачком, поэтому выходное напряжение сглаживается.

Вывод: вы узнали, как устроен радиоприемник и радиопередатчик, научились применять эти знания на практике.