§ 4. Радиоэлектроника, электронно-вычислительная и оптическая техника

Темпы научно-технического прогресса во многом зависят от развития радиоэлектроники и приборостроения, которые являются одной из основ современного производства. Радиоэлектроника определяет широкое внедрение в народное хозяйство электронно-вычислительной техники и автоматизированных систем управления.

Изучение вопросов радиоэлектроники и приборостроения в курсе физики позволяет показать учащимся важное направление технического прогресса, место технических устройств в современном производстве.

Радиоэлектроника и электронно-вычислительная техника. По современному определению, радиоэлектроникой называется область науки и техники, связанная с передачей, приемом и переработкой информации с помощью электронных ламп. Радиоэлектроника впитала в себя многие фундаментальные достижения электродинамики, физики твердого тела и квантовой физики. Без радиоэлектроники невозможны были бы современные достижения электронно-вычислительной техники, автоматизации, космонавтики.

Вопросы радиоэлектроники рассматриваются в курсах физики IX и X классов, и с точки зрения данного выше определения необходимо акцентировать внимание учащихся на том, что назначение всех радиоэлектронных систем - передача и преобразование закодированного сигнала (рис. 20).

Рис. 20

При изучении полупроводников в IX классе и электровакуумного триода в X классе нужно разобрать с учащимися основные характеристики этих приборов, их применение. Впервые возможности радиоэлектроники открылись в 1906 г., когда американский ученый Ли Де Форест изобрел триод, способный усиливать слабые электрические сигналы. Быстрое внедрение электронных приборов в технику началось в период 1915-1920 гг. С того времени и до начала 50-х годов электроника росла и развивалась в основном как техника электронных ламп. Однако практика показала, что электронные лампы недостаточно надежны, громоздки и потребляют значительное количество электроэнергии.

Преимущества полупроводниковых приборов заключаются в первую очередь в том, что они более надежны. Транзистор питается напряжением примерно от 1 до 10 В. Важно также и то, что транзистор не требует накала, необходимого для электронных ламп. Кроме того, транзисторы потребляют гораздо меньшую мощность. Наконец, использование полупроводников позволило осуществить миниатюризацию электронного оборудования, стало возможным создание интегральных схем, представляющих собой комбинацию нескольких электронных приборов с конденсаторами и резисторами, причем каждый из этих элементов имеет микроскопические размеры.

Вопросы радиопередачи и радиоприема являются одними из наиболее важных технических вопросов курса физики X класса. Усвоение этих вопросов непосредственно связано с пониманием учащимися важных физических и технических понятий: модуляции и демодуляции сигнала с использованием триода. В радиотехнике разработано множество приемов для осуществления модуляции колебаний. Один из самых простых способов (в то же время и самый распространенный) - модуляция за счет передачи переменного напряжения на сетку генераторной лампы (так называемая модуляция на сетку).

Для демонстрации амплитудной модуляции собирают схему, включающую электронный осциллограф, звуковой генератор, микрофон и камертон. После удара молоточка по камертону наблюдают на экране осциллограмму амплитудно-модулированного сигнала. Блок-схема такого амплитудного модулятора приведена на рисунке 21.

Рис. 21

Необходимо обратить внимание учащихся на то, что основными функциями любого радиоприемного устройства являются частотная селекция и детектирование. С этой точки зрения и определяются его главные характеристики: чувствительность, селективность и стабильность.

Изложение вопросов, связанных с телевидением, необходимо начать с сообщения учащимся некоторых основополагающих принципов. Передача изображения на расстояние осуществляется следующим образом:

• Передаваемое изображение условно разбивается на ряд мелких участков-квадратов. С уменьшением размеров этих участков глаз перестает различать изменение яркости внутри участка. Такой участок изображения называют элементом изображения. Размер элемента изображения зависит от расстояния между глазом наблюдателя и изображением.
• Световая энергия каждого участка изображения преобразуется в электрический импульс напряжения, амплитуда которого пропорциональна световому потоку, падающему на данный участок изображения. Так как преобразование световой -энергии каждого участка в электрический сигнал производится в строго определенной последовательности - слева направо строки и сверху вниз по строкам, то на выходе преобразующего устройства возникает видеосигнал - последовательность электрических импульсов, соответствующих передаваемому изображению.
• Полученным сигналом изображения модулируются высокочастотные колебания, которые затем излучаются в пространство.
• Принятые телевизионным приемником модулированные колебания усиливаются и детектируются. На выходе приемника выделяется видеосигнал, который затем передается на устройство, преобразующее электрические импульсы в участки видимого изображения.

Желательно разобрать с учащимися блок-схему телевизионного тракта. При разборе полезно воспользоваться настенными таблицами "Телевидение - схема преобразования оптического изображения в электрический сигнал" и "Телевидение - схема преобразования электрических импульсов в оптическое изображение".

В конце темы "Электромагнитные волны" в X классе изучаются некоторые вопросы радиолокации. Радиолокацией называют обнаружение и определение местоположения (координат) объектов на расстоянии с помощью радиоволн. Аппаратура, обеспечивающая обнаружение и определение координат объектов, носит название радиолокационной станции (РЛС). Ученики должны понять, что принципы радиолокации и эхолокации, использующей ультразвуковые волны, одинаковы.

Из предыдущих разделов учащиеся знают, что если на пути распространения радиоволн встретится какое-либо тело с электрическими параметрами, отличными от параметров среды, то это тело, облученное электромагнитной волной, становится источником вторичного электромагнитного поля. Явление образования вторичного электромагнитного поля телами, встречающимися на пути распространения первичного поля, упрощенно можно рассматривать как явление отражения электромагнитной энергии от тел. Отраженные различными телами электромагнитные волны используются для радиолокации.

В радиолокации применяют РЛС с непрерывным и импульсным излучением энергии. Как правило, на основных занятиях учитель имеет возможность изучить работу только импульсного радиолокатора. Изучение РЛС с непрерывным излучением энергии затруднено прежде всего тем, что учащиеся незнакомы с доплеровским сдвигом частоты, поэтому этот вопрос рекомендуется рассмотреть на факультативных занятиях.

При импульсном методе радиолокации передатчик РЛС излучает колебания высокой частоты в виде кратковременных, периодически повторяющихся импульсов. Эти импульсы называют зондирующими. Длительность импульса τ обычно много меньше периода повторения Т. В промежутке времени между зондирующими импульсами происходит прием отраженных сигналов. Определение дальности в этом случае сводится к измерению интервала между моментом излучения зондирующего импульса РЛС и моментом прихода отраженного от объекта импульса.

Учащимся нужно объяснить, что определение дальности объекта сводится к отсчету расстояния на экране электроннолучевой трубки от начала развертки до момента появления на экране индикатора отраженного импульса.

Дальность действия станции равна:

где t - время прохождения сигнала до цели и обратно. Если направление на цели отличается на угол, меньший, чем ширина диаграммы направленности антенны, то они будут видны как одна цель. Если же, наоборот, угол больше ширины, то одна цель будет видна, а другая (или другие) не видна. Следовательно, выгоднее использовать радиолокаторы с узкой диаграммой направленности.

В радиолокации используются метровые, дециметровые, сантиметровые и миллиметровые волны, что соответствует диапазону частот 60-300 000 МГц.

Учащихся обычно интересует, почему для радиолокации применяют ультракороткие волны (УКВ). Нужно объяснить, что УКВ применяют в радиолокации в связи с тем, что в системах с пассивным ответом (только отражают радиосигнал) мощность отраженного сигнала слабо зависит от длины волны X, если К меньше геометрических размеров предмета. Многие же размеры не превышают единиц и десятков метров. Кроме того, направленность излучения тем выше, чем меньше X по сравнению с геометрическим размером антенны.

Говоря о применении радиолокации, необходимо прежде всего остановиться на радиолокации Луны и планет. В 50-х годах Горьковским научно-исследовательским радиофизическим институтом была впервые проведена радиолокация Луны в сантиметровом диапазоне. Большой успех был достигнут при использовании планетного радиолокатора, созданного под руководством академика В. А. Котельникова. С помощью этого прибора была осуществлена радиолокация Венеры, Меркурия, Марса и сделана попытка радиолокации Юпитера. Радиолокационными методами удалось выяснить многие свойства Луны и планет: уточнялись периоды их собственного вращения и расстояния планет от Солнца (и Луны от Земли), определялся коэффициент отражения радиоволн от поверхности Луны и планет и т. д. Все эти измерения исключительно важны для развития науки. Например, анализ характеристик отражения планет позволил уточнить характер их рельефов и свойства грунтов. Кроме того, была определена средняя плотность и диэлектрическая проницаемость поверхностного слоя планет. В Советском Союзе, как и в других странах мира, строятся различные астрономические радиолокаторы и радиотелескопы.

В курсе физики учащиеся знакомятся с принципами действия телефона, телеграфа, радиоприемников и радиопередатчиков, радиолокаторов и телевизоров. Завершением изучения этой важной технической темы является обобщение всех этих знаний, показ основных направлений развития средств связи^*.

^* (Данные по развитию средств связи в нашей стране приведены в табл. 13 приложения.)

Учащимся следует сообщить, что в ближайшее десятилетие будет создана Единая автоматизированная система связи (ЕАСС), по которой будет осуществляться передача всех потоков информации. В эту систему предполагается включение систем связи между электронно-вычислительными машинами, расположенными в разных районах страны. По каналам скоростной телеграфной связи, которые соединят многие промышленные предприятия с центрами управления и образуют систему связи между электронно-вычислительными центрами страны, будет передаваться мощный поток данных, т. е. информация в закодированном виде.

В настоящее время начата разработка электронных АТС с бесконтактной системой коммутации на полупроводниках и магнитных элементах. Электронные элементы обладают рядом важных преимуществ перед механическими: быстродействием, отсутствием движущихся частей, большим сроком службы, малыми размерами, что очень важно для систем связи.

Получит развитие междугородная электрическая связь, опирающаяся на строительство кабельных и радиорелейных линий.

Нужно отметить, что дальнейшее развитие получит космическая радиосвязь, причем в ближайшие годы будут построены приемные центры в городах, в которых обеспечить прием передач центрального телевидения другими средствами трудно.

Создание ЕАСС предполагает самую широкую автоматизацию всех процессов связи. Необходимость автоматизации определяется многими причинами; в частности, о необходимости автоматизации при создании ЕАСС можно судить хотя бы по тому, что для обслуживания этой системы связи без автоматизации требовалось бы 2 млн. человек.

Учащиеся должны понять важнейшие задачи развития средств связи в СССР, которые могут быть сформулированы так:

1. дальнейшее расширение и правильное географическое размещение средств связи на территории страны;
2. повышение скорости сообщений;
3. увеличение мощности радиовещательных станций;
4. расширение каналов связи;
5. развитие космического телевидения;
6. создание Единой автоматизированной системы связи (ЕАСС).

Рассмотрение вопросов электронно-вычислительной техники должно стать одной из главных тем обобщающей лекции "Физика и научно-техническая революция". При объяснении материала надо обратить внимание учащихся на то, что в определенной степени история развития вычислительной техники отражает развитие физики.

Из школьного курса физики учащиеся имеют представление о том, что до XIX в. наиболее развитой областью физики была механика. Нужно объяснить им, что именно поэтому первые появившиеся вычислительные машины были механическими, позже- с развитием электромеханики - появились счетные машины, работающие на электрических реле. Но и механические, и электромеханические вычислительные машины обладали одним серьезным недостатком - малой скоростью вычислений. Только создание электронных ламп, а на их основе ЭВМ привело к качественному скачку в развитии вычислительной техники.

Но, что еще более важно, появление ЭВМ определило принципиально новую тенденцию современной научно-технической революции, а именно замену машиной логических функций человека.

Хотя история электронно-вычислительной техники и насчитывает всего около 30 лет, тем не менее в ее развитии уже можно выделить несколько этапов, как принято говорить, сменилось несколько "поколений" ЭВМ. В 40-50-х годах были созданы электронно-вычислительные машины первого поколения, представляющие собой довольно малонадежные устройства, собранные на базе электронных ламп. Хотя их нельзя еще было применять в широких масштабах для целей управления, они позволяли производить некоторые громоздкие инженерные расчеты и, что более важно, заставили изменить представления о возможностях технических устройств.

Создание и широкое внедрение в технику полупроводников позволило создать ЭВМ второго поколения, имеющие полупроводниковую элементарную базу. Эти машины были надежнее, обладали большей машинной "памятью" и быстродействием; скорость вычислений у них составляла несколько десятков и сотен тысяч операций в секунду (у ЭВМ первого поколения она была на порядок меньше). И если машины первого поколения использовались в основном для решения научных задач, то возможности машин второго поколения позволили применять их в сфере управления и экономики, где в 60-е годы было занято около 80% всех ЭВМ. Появление второго поколения машин позволило решать принципиально новые задачи - экономическое управление отдельными предприятиями.

Машины третьего поколения, созданные в конце 60-х годов, выполнялись на интегральных схемах, в результате чего стало возможным заменить огромные блоки миниатюрными элементами. Принципиальной отличительной чертой этих машин была та, что они позволили вести диалог "человек - машина".

Другая важная черта этого класса машин - возможность одновременного решения большого числа задач. На базе машин третьего поколения были созданы автоматизированные системы управления (АСУ), определяющие экономическое руководство целыми отраслями народного хозяйства (эта область использования электронно-вычислительных машин очень эффективна - ведь машина в своей "памяти" может хранить огромный цифровой материал).

Сейчас создаются машины четвертого поколения, обладающие еще более емкой памятью и еще большим быстродействием. В них используются миниатюрные элементы, предполагается применение оптоэлектроники и лазерной техники (в частности, для хранения информации предполагается использовать голограммы). Использование машин четвертого поколения даст возможность объединить отдельные машины в единые вычислительные системы, в перспективе предполагается создание единой общегосударственной системы сбора и обработки информации.

Электронно-вычислительные машины находят самое широкое применение во многих областях экономики, техники и производства: для поиска, хранения и обработки информации; для статистического учета, управления и планирования. Внедрение ЭВМ дает огромный экономический эффект (например, в области экономики оптимальные планы, рассчитанные на ЭВМ, оказываются на 20% эффективнее планов, рассчитанных традиционными методами).

Синхроциклотрон Ленинградского института ядерной физики им. Б. П. Константинова, управляемый с помощью ЭВМ

Возрастает число научных применений ЭВМ, причем все чаще использование этих устройств позволяет решать важнейшие теоретические и прикладные задачи^*. Например, с помощью ЭВМ в космонавтике рассчитываются орбиты спутников и космических кораблей; в биологии был расшифрован генетический код, что явилось одним из самых ярких открытий XX в.; в медицине успешно проводится диагностика различных заболеваний; решается с помощью ЭВМ и ряд задач общественных и гуманитарных наук (социологии, истории, лингвистики и др.). Кроме того, развитие электронно-вычислительных машин привело к появлению кибернетики - науки об управлении и контроле.

^* (Вопросы использования электронно-вычислительных машин могут быть продемонстрированы с помощью диапозитивов из серии "Физика и научно-технический прогресс".)

Оптическая техника. Учебный материал политехнического характера при изучении оптики в X классе можно разделить на четыре направления: источники света, спектральный анализ, индикаторы света и оптические приборы.

Источники света. Наиболее широко применяются тепловые и люминесцентные источники света. Механизм излучения света различными источниками учащиеся смогут понять, только ознакомившись с элементами квантовой теории.

Специфические особенности различных источников света и использование этих особенностей в науке и технике программой рекомендуется раскрывать при изучении темы "Излучение и спектры".

Тепловые источники можно разделить на три группы: нагретые твердые тела и жидкости, плазма низкого давления (газовый разряд) и лазеры. Они отличаются друг от друга в первую очередь по характеру спектра излучения. У нагретых твердых тел и жидкостей спектр излучения сплошной. К таким источникам относятся всевозможные лампы накаливания, пламя свечи и т. д. Они используются для освещения, в пирометрии и при спектральном анализе по спектрам поглощения. Спектр излучения газоразрядных источников света линейчатый. К таким источникам относятся различного рода газоразрядные трубки, электрическая дуга, ртутная лампа. Используются эти источники для освещения, спектрального анализа по спектрам излучения и для люминесцентного спектрального анализа. Излучение лазеров отличается от излучения других тепловых источников тремя особенностями: высокой монохроматичностью, пространственной когерентностью и спектральной интенсивностью (т. е. мощностью, приходящейся на узкий участок спектра).

Люминесцентные источники можно разделить на две группы - флуоресцентные и фосфоресцентные, различающиеся по периоду высвечивания. К флуоресцентным источникам относятся люминесцентные лампы, люминесцентные художественные краски. Фосфоресцирующие вещества, имеющие длительный период высвечивания, используются для покрытия шкал, указателей, циферблатов приборов, предназначенных для использования в темноте.

Излагая материал о принципе действия лазеров, следует обратить внимание на особенности лазерных источников света. Большая мощность и направленность лазерных излучений позволяет применять лазер для пробивания отверстий в твердых материалах, для сварки материалов, при глазной хирургии. В настоящее время имеются лазеры, излучающие короткие (10~,2с) импульсы очень большой мощности и направленности: такие импульсы применяются, например, для точной локации. Очень широкое применение лазеры нашли в научных лабораториях. Когерентность лазерного излучения, в частности, позволяет создавать объемные изображения различных объектов (голограммы).

Спектральный анализ. Метод определения химического состава вещества с помощью спектрального анализа основан на том, что атомы того или иного химического элемента излучают и поглощают свет свойственного только этому элементу спектрального состава: все химические элементы имеют свой индивидуальный спектр излучения и поглощения.

Использование лазера в станке

Спектральный анализ получил наибольшее распространение в металлургической промышленности, где он значительно потеснил химический анализ. На передовых металлургических заводах до 80% всех анализов производится спектральными методами и лишь незначительное количество - химическим путем.

В настоящее время в технике различают два основных метода спектрального анализа: качественный и количественный.

При проведении качественного анализа необходимо бывает или дать полный анализ образца, или же выяснить наличие в нем определенных элементов. Во всех случаях прежде всего получают спектр образца. Для этого в специально подобранных источниках света (дуге или искре) возбуждают свечение атомов исследуемого вещества. Полученное излучение разлагают спектральным прибором и спектр рассматривают или фотографируют. С помощью атласов или таблиц спектроскопист легко может определить, какому элементу принадлежит та или иная линия спектра. Наиболее полные атласы содержат до 100 000 линий различных элементов.

В качестве примера можно рассмотреть, как определяется качественный состав стального образца, основным компонентом которого является железо. Сначала зажигают дугу или искру между исследуемым образцом и электродом из железа. Получаемый спектр фотографируют. Затем на ту же пластинку фотографируют спектр, полученный от излучения между двумя железными электродами. Определяют, какие новые линии появились в спектре образца по сравнению со спектром чистого железа. Сравнивая оба спектра с атласами спектральных линий, определяют длину волны вновь появившейся линии и находят по таблице, какому элементу эта линия принадлежит.

В основе количественного спектрального анализа лежит использование зависимости между интенсивностью спектральных линий и концентрацией элементов в пробе. С увеличением концентрации элемента в пробе интенсивность его спектральных линий возрастает до определенного предела пропорционально концентрации. При количественном спектральном анализе необходимо получить спектр образца, определить в нем линии анализируемых элементов, определить интенсивность этих линий и по этим данным определить концентрацию элементов пробы.

Приемники (индикаторы) света. Приемники света употребляются для обнаружения световых потоков или для измерения интенсивности этих потоков. Наиболее распространенные приемники света - фотоэмульсия и фотоэлектрические приборы.

Фотоэмульсии, нанесенные на подложку (фотопленки, фотопластинки, фотобумага), имеют преимущества перед фотоэлектрическими приборами: относительно легко фиксируется место попадания света на фотоэмульсию, полученный отпечаток долго хранится; фотоэмульсии обладают высокой разрешающей способностью (до 50 и более штрихов на миллиметр), что позволяет детально изучить пространственную структуру падающего на них светового пучка; на фотоэмульсии одновременно фиксируется световой пучок практически любых размеров, что позволяет использовать ее для изучения пространственной структуры таких световых пучков; фотоэмульсии практически безынерционны; при достаточно большой интенсивности света на них получаются отпечатки изменения структуры или интенсивности световых пучков, длящихся очень короткое время (до 10^-13 с). Поэтому фотоэмульсии используются для фиксации и последующего изучения практически любых быстро протекающих процессов.

Указанные особенности фотоэмульсий определяют их широкое распространение и разработку фотографического метода исследований. Дешевизна и простота обращения с фотоматериалами привели к повсеместному использованию фотографического метода и в быту. Эта распространенность фотографирования определяет интерес учащихся к фотографическому методу.

Однако фотоэмульсии обладают и существенным недостатком - без последующих исследований с применением фотоэлектрических приборов невозможно определить интенсивность светового пучка, попадающего в ту или иную точку фотоэмульсии. Поэтому часто используется прямой фотоэлектрический способ исследования световых пучков.

Фотоэлектрические приборы преобразуют световой сигнал в электрический. Поскольку амплитуду электрического сигнала можно измерить (например, с помощью гальванометра или осциллографа) и эта величина однозначно зависит от мощности попадающего на приемный элемент прибора светового пучка, по показаниям прибора Можно быстро и достаточно точно определить интенсивность светового излучения в той или иной области пространства. Эта особенность фотоэлектрических приборов используется в люксометрах - приборах для измерения освещенности.

В основе фотоэлектрических приборов лежит способность света вырывать электроны из металлической пластинки или из атомов, или из молекул (фотоионизация). Соответственно характеру фотоэффекта различаются три типа фотоэлементов: с внешним фотоэффектом (собственно фотоэлементы), с внутренним фотоэффектом (фоторезисторы) и с вентильным фотоэффектом (фотоэлектрические преобразователи энергии). Кроме того, существуют приборы (термоэлементы), в которых используются термоэлектроны. В этих приборах свет поглощается зачерненной поверхностью и нагревает последнюю. Степень нагрева поверхности (очевидно, пропорциональная интенсивности падающего света) определяется термопарой и фиксируется с помощью гальванометра.

Фотоэлементы с внешним фотоэффектом обладают малой инерционностью (особенно вакуумные) и большой чувствительностью (особенно газонаполненные). Однако в инфракрасной области их чувствительность мала. Поэтому такие фотоэлементы используются для измерений мощности световых пучков только в ультрафиолетовой и видимой областях спектра.

Использование микроскопа в медицине для исследования среза тканей

Фоторезисторы в отличие от фотоэлементов позволяют пропускать через себя большие токи. Они просты в эксплуатации, имеют небольшие размеры и поэтому широко применяются для измерения интенсивности световых потоков (в люксометрах) и как индикаторы света в схемах электронной автоматики.

Весьма перспективным является использование вентильных фотоэлементов для непосредственного преобразования энергии световых, потоков в электрическую энергию. Возникающий в электрической цепи ток можно использовать в различных целях, например в электромоторах, для освещения и т. п. В настоящее время КПД таких преобразователей достигает 10%. Они нашли применение, в частности, в солнечных батареях искусственных спутников Земли.

Оптические приборы. К оптическим приборам относятся микроскоп, телескоп, фотоаппарат и т. п. При анализе устройства и работы этих приборов используется материал темы "Геометрическая оптика". Учащиеся рассматривают механизм изменения резкости (четкости) изображения при передвижении объектива фотоаппарата и проекционного аппарата, окуляров бинокля, телескопа и микроскопа, решают задачи на расчет увеличения микроскопа и телескопа.