Методическая разработка учебного занятия по физике Изобретение радио А.С. Поповым. Принцип радиосвязи.

Конспект урока

«Изобретение радио А.С. Поповым. Принцип радиосвязи»

Технология информационно-коммуникационные

Тем урока Изобретение радио А.С. Поповым. Принцип радиосвязи

Тип урока урок изучения нового материала

Цели урока: Познакомить учащихся с историей изобретения, с приемом радиотелефонной связи.

Оборудование: мультимедийный проектор, компьютер

Ход урока

1. Организационный момент. Активизация внимания учащихся. Объяснение темы урока.

2. Изучение нового материала.

1 . Вступление

Цели и задачи этапа: вводное знакомство учащихся с биографией великого русского инженера-физика.

Слайд № 2 А.С.Попов родился 16 марта 1859 г. в посёлке Турьинские рудники Богословского горного округа Верхотурского уезда Пермской губернии (ныне г. Краснотурьинск) в се­мье священника. Знаменитый изобретатель происходил из старинного рода священнослужителей Поповых, насчитывающего девять поколений. Отец, Степан Петрович Попов, служил настоятелем храма во имя святого апостола Иоанна Богослова в Богословском заводе, а предки несли служение в приходах Кунгурского уезда Пермской епархии. В 10-летнем возрасте Александр Попов был отправлен в Далматовское ду­ховное училище — за 400 км от дома. Там он учился с 1869 по 1871 гг., а затем продолжил образование в Екатеринбургском духовном учили­ще. Среднее образование Попов получил в Пермской духовной семина­рии, где учился с 1873 по 1877 гг.

Слайд № 3 Александр неохотно участвовал в затеях и играх, но зато с большим интересом занимался математикой и физикой, хотя этим предметам в семинарской программе было отведено довольно скромное место. Приехав в 1877 г. в Петербург, А.С.Попов подал ректору Петербургского университета прошение о допущении к «проверочному испытанию» и, успешно сдав его, был принят на физико-математический факультет. Юношеские годы будущего изобретателя ра­дио протекали в эпоху великих открытий в области физики, внедрения электричества в промышленность и быт, в период зарождения новой при­кладной науки — электротехники. В 1882 г. А.С.Попов окончил универси­тет и связал свою жизнь с естественными науками. Он стал автором вели­чайшего открытия XIX в. — распространения в пространстве электромаг­нитных волн, — названного им «радио», продолжив цепочку открытий, сделанных его предшественниками, учёными-физиками.

2. Начало большого пути

Цели и задачи этапа, повторение и закрепление ранее изученного материала;

Любое изобретение делается на основе на основе научных открытий

Слайд № 4

• Фарадей открыл явление электромагнитной индукции.

• Дж.Максвелл создал теорию электромагнитного поля.

• Г.Герц экспериментально доказал существование электромагнитных волн.

В 1865 г. английский учёный Джеймс Клерк Максвелл опубликовал систему уравнений, которые свя­зывали между собой электрическое и магнитное поля. Из уравнений сле­довало, что, поддерживая друг друга, эти поля могут распространяться в пространстве, образуя единое электромагнитное поле. Уравнения Макс­велла были написаны на таком высоком математическом уровне (их сей­час изучают на старших курсах радиотехнических вузов), что немногие в Европе поняли их смысл. Однако Генрих Герц его понял и немедленно ввёл уравнения Максвелла в курс своих лекций. В 1887 г. он создал кон­тур, где находились катушка индуктивности и конденсатор.

Конденсатор представлял собой две пластины с зазором между ними. Когда в контур вводилась энергия, конденсатор превращался в разрядник, между пластинами про­скакивала искра, благодаря чему в пространство излучалась электро­магнитная волна частотой, равной резонансной частоте передающего I контура. Приёмный контур был настроен на точно такую же частоту, в н ём наводились колебания, и в его конденсаторе-разряднике также про­скакивала искра. Теперь Герц мог спокойно рассказывать на лекциях о существовании электромагнитных волн. Герц считал, что его открытия были не практичнее максвелловских: «Это абсолютно бесполезно. Это только эксперимент, который доказывает, что маэстро Максвелл был прав. Мы всего-навсего имеем таинственные электромагнитные волны, которые не можем видеть глазом, но они есть». «И что же дальше?» — спросил его один из студентов. Герц пожал плечами, он был скромный человек, без претензий и амбиций: «Я предполагаю — ничего».

Александр Степанович Попов, напротив, считал, что таинственным электромагнитным волнам предназначено большое будущее. Для более глубокого понимания природы электромагнитных волн он повторил опыт Генриха Герца.

3. Когерер — основной элемент приёмника А.С.Попова

Цели и задачи этапа: ознакомление учащихся с заслугами Эдуар­да Бранли и Оливера Лоджа; объяснение принципа работы когерера; организация дискуссии по проблеме восстановления чувствительности когерера после приёма электромагнитной волны; объяснение принципа работы приёмника А.С.Попова.

Слайд №5 Имя Эдуарда Бранли не особенно известно в мире, но во Франции считают, что он внёс важнейший вклад в изобретение радиотелег­рафной связи. Он первым добился успеха в поисках эффективного индика­тора электромагнитных волн. Проводя опыты в 1890 г., он заметил, что при искровом разряде сопротивление тонкого слоя металлических опилок, на­сыпанных на стеклянную пластинку, резко падает. Используя это явление, Э.Бранли создал лабораторный прибор, который назвал радиокондукто­ром. Он позволял по отклонению стрелки гальванометра в цепи судить о приходе электромагнитной волны, но при этом сразу терял чувствитель­ность. Для её восстановления радиокондуктор надо было встряхнуть.

Слайд №6 Следующий шаг удалось сделать английскому физику Оливеру Джозефу Лоджу. Лодж заметил, что между двумя расположенными достаточно близко друг к другу шариками при проскакивании искры мог проходить достаточный для действия электрического звонка ток. Лодж объяснил это явление тем, что под влиянием электрической ис­кры происходит когезия (сцепление) шариков. Вскоре он создал при­бор, напоминавший радиокондуктор Э.Бранли и представлявший со­бой стеклянную трубочку, наполненную металлическими опилками. Эту трубочку Лодж назвал когерером. Почему Лодж не изобрёл радио? Сам он так объяснил этот факт: «Я был слишком занят работой, чтобы браться за развитие телеграфа или любого другого направления тех­ники. У меня не было достаточного понимания того, чтобы почувство­вать, насколько это окажется экстраординарно важным для флота, торговли, гражданской и военной связи».

В отличие от Лоджа А.С.Попов стал искать более эффективный способ восстановления чув­ствительности когерера. Помог ему в поисках случай. Хотя, я полагаю, что случайностей в исследованиях не бывает.

Слайд № 7 Итак, главная деталь в при­ёмнике Попова — когерер, который изобрёл (кто? — вопрос ученикам). Но именно Попов предложил когерер Бранли—Лоджа в качестве чувстви­тельного к радиоизлучению элемента.

В отличие от Лоджа он применил звонок не как пассивный индикатор, а как активный элемент схемы приёмника: молоточек, ударяя по чашке звонка, фиксировал приём сигнала, а при обратном " ходе встряхивал когерер, обеспечивая этим готовность сис­темы принять следующий сигнал. Трубочка когерера АВ фик­сировалась горизонтально в зажимах М и N с помощью лёгкой часовой пружинки, которой для большей упругости была придана форма зигзага. Звонок располагался так, что­бы молоточек мог делать лёгкие удары по середине трубоч­ки когерера, на которую во избежание поломки надевалось резиновое кольцо. Трубочка и звонок укреплялись на одной вертикальной доске. Сигнал, будучи принятым, автоматичес­ки восстанавливал способность когерера принимать следую­щий сигнал. Реле с источником питания (4—5 В) могло разме­щаться где угодно. В цепи батарейки постоянно протекал ток: от электрода Р к платиновой пластинке А когерера, да­лее, через металлический порошок в трубке к другой плати­новой пластинке В когерера и по обмотке реле обратно к электроду О батарейки. Сила этого тока была недостаточ­ной, чтобы притянуть якорь реле, но, когда под воздействи­ем электромагнитного сигнала сопротивление порошка мгно­венно уменьшалось в результате сцепления, ток настолько увеличивался, что якорь притягивался. В этот момент учас­ток цепи от батарейки к звонку, разомкнутый ранее в точке С, замыкался, якорь электромагнита притягивался, и связан­ный с ним молоточек бил по чашке звонка. Однако тотчас же цепь электромагнита разрывалась в точке D, и при обратном ходе молоточек стукал по трубочке когерера, опять умень­шая проводимость цепи, — реле размыкало цепь звонка. После этого система готова была принимать следующий сигнал, и так — до окончания приёма всей информации.

4. Физика — экспериментальная наука

Цели и задачи этапа проследить опытную работу АС.Попова,

Система теле­графии без проводов была неоднократно проверена весной 1895 г. в учебных кабинетах, а когда не стало хватать места — то и в саду минного офицерского класса, при этом дальность радиосвязи составляла 30—40 сажен, т.е. 60—80 м.

В своей статье 1896 г. Попов также отметил, что его приёмник системы телеграфии без проводов может быть использован и как отметчик грозовых разрядов. Сразу же после исторического доклада, он в июне 1895 г. соз дал прибор метеорологического назначения, названный метеорологами разрядоотметчиком А.С.Попова, а поз­же — грозоотметчиком Попова. Но это было второе, отдельное изобретение на основе обсуждаемой схемы. В новом приборе на выходе вместо аппарата Морзе был установлен прибор братьев Ришар для автоматической записи грозовых разрядов на ленте самописца. Свой гро­зоотметчик А.С.Попов установил на метеорологической станции Лесного института для накопления данных о час­тоте и силе грозовых разрядов, являющихся помехами радиоприёму.

5. Радио изобретено в России

Цели и задачи этапа, воспитание патриотизма, гор­дости за Россию — родину изобретателя радио А.С.По­пова.

Слайд № 8, 9 Только после своих опытов А.С.Попов доложил о своём изобре­тении на заседании физического отделения Русского фи­зико-химического общества (РФХО) 25 апреля (7 мая) 1895 г. На этом заседании он продемонстрировал первый в мире сеанс радиосвязи с передачей и приёмом длинных и коротких сигналов — элементов азбуки Морзе — и их фиксацией звонком приёмника. Он отметил, что приёмник с антенной в виде вертикального провода длиной 2,5 м «отвечал» на открытом воздухе колебаниям, произведён­ным большим герцевым вибратором, на расстоянии 30 са­жен (64 м). Свой доклад А.С.Попов закончил словами: «В заключение могу выразить надежду, что мой прибор может быть применён к передаче сигналов на значитель­ные расстояния».

А.С.Попов с самого начала полагал, что его приёмник должен быть неотъемлемой частью будущей системы бес­проводной телеграфии. Об этом чётко сказано в его ста­тье: «На одиночные колебания приёмник отвечает корот­ким звонком; непрерывно действующие разряды спирали (передатчика. — Ред.) отзываются на приёмнике доволь­но частыми, через приблизительно равные промежутки времени следующими короткими звонками». Так переда­вались точки и тире азбуки Морзе. При установке в марте 1896 г. на выходе приёмника аппарата Морзе точки и тире чётко фиксировались на телеграфной ленте. Для увеличе­ния дальности радиосвязи до приемлемой с практичес­кой точки зрения А.С.Попову потребовался год. Он усо­вершенствовал свой передатчик: увеличил его мощность, установил на выходе, как и на приёмнике, вертикальную штыревую антенну, а также аппарат Морзе для фиксации сигналов на телеграфной ленте. С усовершенствованной системой телеграфии без проводов А.С.Попов выступил
на заседании физического отделения РФХО 12 (24) марта 1896 г. На этот раз он продемонстрировал передачу и приём первой в мире радиограммы с текстом «Генрих
Герц» на расстоянии 250 м. Телеграфная лента с этим тек­стом долго хранилась у участника этого заседания проф. В.К.Лебединского, пока не погибла с его библио­текой в Риге в ходе Первой мировой войны.

6. Что изобрёл А.С.Попов, и на что получил патент Г.Маркони

Цели и задачи этапа, организация дискуссии по про­блеме приоритета в науке.

Слайд № 10 В то врем я, когда в России А.С.Попов успешно завершил первые опыты по со­зданию системы телеграфии без проводов, а их результаты были опуб­ликованы в открытой печати, в Италии подобными вопросами занимал­ся талантливый инженер и энергичный предприниматель Гульельмо Маркони (1874—1937), ставший впоследствии крупнейшим производителем радиотехнических систем (на небезызвестном «Титанике», например, стояла приёмно-передающая радиосистема его фирмы). Маркони по­лучил много патентов на различного рода элементы радиосистем и их усовершествования, однако в получении патента на изобретение ра­диоприёмника ему было отказано — приоритет был признан за А.С.Поповым.

7. Практические применения изобретения российского учёного

Цели и задачи этапа, показать ученикам первое практическое при­менение радио.

Слайд № 11 Аппаратура А.С.Попо­ва с 1897 г. стала применяться сначала на Балтийском флоте, а с 1898 г. — на Черноморском. 2 марта 1899 г. в докладе вице-адмирала И.М.Дикова управляющему Морским министерством адмиралу П.П.Тыртову о применении системы радиосвязи А.С.Попова на Черноморском флоте было сказано: «Во время шторма 3 сентября беспроволочный телеграф А.С.Попова был единственным средством сообщения между кораблями и действовал совершенно беспрепятственно, достигая даль­ности связи до 30 морских миль — более 50 км».

В 1899 г. А.С.Попов совместно с П.Н.Рыбкиным и Д.С.Троицким впервые опробовали ра­диосвязь с использованием воздушного шара, а в мае 1899 г. провели испытания системы радиосвязи между кронштадтскими фортами. Во время последних испытаний они обнаружили на радиоприёмнике «де­текторный эффект» когерера, позволяющий принимать информацию «на слух» — на телефонные наушники. А.С.Попов в это время был в служебной командировке за границей, но, получив телеграмму, сейчас же прибыл и высоко оценил открытый «детекторный эффект». Прове­дя тщательные исследования, он разработал три варианта когереров для приёма телеграфных сигналов на головные телефоны, позволяв­шего значительно увеличить дальность радиосвязи, и создал схему специального телефонного приёмника. На это изобретение он подал патентную заявку, указав в ней, что приёмник создан на основе «де­текторного эффекта» когерера, открытого П.Н.Рыбкиным и Д.С.Тро­ицким.

Осенью 1899г. броненосец «Генерал-адмирал Апраксин» из-за на­вигационной ошибки капитана сел на камни у острова Гогланд в Финс­ком заливе. Гогланд телеграфной связи с материком не имел. Весенний ледоход мог сдвинуть броненосец с места и тем вызвать ещё большее его разрушение, а может быть, и привести к гибели. Необходимо было принять срочные меры по снятию броне­носца с камней. Для этого нужна была телеграфная связь с матери­ком. Прокладка кабеля в зимнее время стоила дорого. Было решено связь с островом установить с использованием системы телеграфии без проводов А.С.Попова. Одну радиостанцию решили установить на расположенном вблизи берега острове Кутсало, имевшего с берегом связь через телеграфную контору на Котке, которая, в свою очередь, была связана телеграфной линией с Петербургом.

Вторую радиостанцию решили установить на острове Гогланд, вбли­зи броненосца, потерпевшего аварию. Это была первая в мире практи­ческая радиолиния с дальностью связи 47 км. Зимой 1900 г., в суро­вых условиях было закончено строительство обеих радиостанций, ос­нащённых аппаратурой радиосвязи А.С.Попова. Эту радиолинию час­то называют радиолинией «Гогланд—Котка». Интересно отметить, что первой на этой линии была послана радиограмма из Главного морског о штаба (С.-Петербург) на ледокол «Ермак», стоявший рядом с бро­неносцем, с приказанием следовать в море для спасения пятидесяти рыбаков, оказавшихся в открытом море на льдине. Эта первая в мире радиограмма по спасению людей вошла в историю радиосвязи. Ледо­кол «Ермак» выполнил приказ, и рыбаки были спасены. Радиолиния продолжала успешно работать до апреля 1900 г., до завершения ра­бот по снятию броненосца с камней. За время работы радиостанции обменялись 400 радиограммами.

8. Память о первом изобретателе радио будет жить вечно

Цели и задачи этапа, организация дискуссии по проблеме: «Дело моё продолжат мои соотечественники...»

В 1901 г. Александр Степанович был назначен заведующим кафедрой физики Петербургс­кого электротехнического института в звании ординарного профессо­ра и, естественно, уже не мог активно заниматься научными исследова­ниями, хотя под его руководством ученики проводили опыты по осу­ществлению радиотелефонной связи.

Напряжённый труд не мог не сказаться на здоровье Александра Степановича, и 13 января 1906 г., после бурного разговора с мини­стром внутренних дел, он скоропостижно скончался от кровоизлияния в мозг. Талантливому учёному и изобретателю не исполнилось и 47 лет! Как много он ещё мог сделать, осуществляя свои мечты...

9. Изобретение А.С.Попова и современная жизнь

Цели и задачи этапа, организация дискуссии по проблеме «А нуж­но ли проверять себя на прочность?»

Прошло более 100 лет со дня открытия радио А.С.Поповым. За это время техника шагнула далеко вперёд. Сегодня, чтобы передать сообщение, нужно просто достать из кармана сотовый телефон и набрать номер. Сейчас никого не удивишь ни спутниковым телефоном, ни телевидением. Всё это реалии наших дней. Однако в экстремальных условиях, при ураганах, землетрясениях, навод­нениях и других природных бедствиях современная техника перестаёт работать. Привычные сотовые телефоны не будут работать и в удалённых местах земного шара, например, на островах Арктики.

Именно поэтому в 1964 г. известным английским радиолюбителем-наблюдателем Джефом Уотсом была предложена международная дип­ломная программа Hands On The Air (IOTA), созданная с целью привле­чения интереса радиолюбителей к установлению радиосвязи с остро­вами всего мира. Каждому острову национальная радиолюбительская организация Великобритании (RSGB) присваивает личный номер, при­чём в эту программу включаются только те острова, которые полнос­тью отрезаны от современных телекоммуникационных средств.

В 2006 году груп­пой российских радиолюбителей было закрыто последнее белое пятно Арктики — остров Ушакова в северной части Карского моря. Площадь острова свыше 300 км², высота до 350 м, остров покрыт ледниковым куполом. Открыт остров в 1935 г. российской экспедицией на ледо­кольном пароходе «Садко», назван в честь Г.А.Ушакова (географ, по­лярник, доктор географических наук, орденоносец, действительный член Русского Географического общества, почётный полярник СССР).

10.Подведение итогов урока.

Цели и задачи этапа: подвести итог урока; заслушать мнения учащихся по обсуждаемой проблеме.

Учащиеся высказывают свое мнение по пройденному материалу. Учитель подводит итоги урока.

11.Домашнее задание: §51,52