Guia per al professorat
Introducció
Aquesta proposta de pràctica virtual utilitza una miniaplicació
que es pot descarregar gratuïtament del conjunt PhET, elaborat per la Universitat
de Colorado a Boulder (http://phet.colorado.edu/en/simulations/category/physics.)
També hi és la versió en català i en castellà.
Si feu clic a la figura 1 podreu accedir a la versió catalana.
La simulació (vegeu la figura 1) representa una antena emissora i una
de receptora. Fent oscil•lar un electró de l'antena emissora podem
observar com al cap d'una estona comença a oscil•lar un altre electró
situat en l'antena receptora amb la mateixa freqüència. A partir
d'aquest fenomen es poden obtenir les posicions dels dos electrons en funció
del temps i comparar-les. També podem observar el camp estàtic
creat per l'electró, el camp radiat, les forces sobre l'electró
i el camp com a ona.
Temporització
1-2 hores (es pot fer 1 hora
a classe i acabar-ho a casa)
Alumnes als quals s’adreça l’experiència
2n de batxillerat
Metodologia
La idea és entendre com funciona una antena emissora
i una de receptora de ràdio i relacionar-ho amb el camp electromagnètic.
La pràctica està pensada com a problema integrador, ja que
s'hi pot treballar: moviments harmònics simples (MHS), gràfics
del moviment, forces elèctriques, camp elèctric i ones.
També es pot ometre’n alguna part i centrar-se més
en la part de l'electromagnetisme.
En obrir l'aplicació observem dues antenes:
L'electró representat per un punt blau es pot moure de dalt a baix
de l'antena de manera manual o automàtica.
|
|
Fig 1. miniaplicació "Ones de ràdio" de la col•lecció
PhET. Podeu fer clic a la imatge per accedir-hi. |
En el menú de la dreta tenim:
Moviment que s’ha de
transmetre: manual o oscil•lant i amb les palanques de sota es pot
modificar la freqüència i l'amplitud d'oscil•lació
de l'electró. Vegeu la figura 2.
|
|
Fig 2. |
Mode de visió del camp: amb
vectors, sense, tot o bé res. Vegeu la figura 3.
|
|
Fig 3. |
Tipus de camp: mostra les forces sobre l'electró (color vermell)
o el camp elèctric (verd). Vegeu la figura 4.
|
|
Fig 4. |
Camp a mostrar: pot ser el camp radiat o el camp estàtic.Vegeu
la figura 5.
Posicions electró:
apareix el gràfic posició-temps dels dos electrons.Vegeu
la figura 5.
|
|
Fig 5. |
1. Començarem fent oscil•lar
l'electró de l'antena emissora amb el play. Observarem què passa
a l'electró del receptor.
A continuació els alumnes hauran d'explicar el fenomen observat, identificar
el tipus de moviment que tenen els electrons i representar al seu parer al gràfic
posició-temps dels dos electrons i comparar-los.
També poden variar la freqüència i l'amplitud d'oscil•lació
de l'electró emissor i treure'n conclusions.
2. Aquí comproven el seu gràfic
amb el que dóna la simulació i en treuen les conclusions corresponents.
3. En l'apartat “Forces sobre
l'electró” interessa que vegin el sentit de la força (en
color vermell), que aquesta no és constant, que disminueix amb la distància
i que la pertorbació es desplaça en forma d'ona.
4. En el següent apartat, “Camp
elèctric radiat”, cal adonar-se que aquest va en sentit contrari
a la força, que no és constant, que disminueix amb la distància
i que també es pot representar en forma d'ona. Aquest és el camp
interessant, és el que possibilita que a l’electró del receptor
li arribi l’ona electromagnètica.(ona EM).
5. Pel que fa a “Camp elèctric
estàtic” (malgrat la càrrega, està en moviment),
es pot veure que la direcció és radial, que el sentit és
cap a la càrrega negativa i que disminueix molt amb la distància,
i que, per tant, no influeix en l'electró del receptor.
6. A “Camp total” es pot
veure com les ones es propaguen per tot l'espai fins que arriben al receptor.
De tota manera, aquest apartat pot confondre els alumnes; per tant, no és
necessari fer-lo.
Orientacions tècniques
La miniaplicació està
escrita en Java
. Seguint l'enllaç trobareu ajuda.
Full de l’alumnat
Objectiu
Saber com funcionen un emissor i
un receptor de ràdio.
Com intervenen els camps elèctrics
i magnètics en el funcionament d'una ràdio.
Introducció
L'espectre radioelèctric (radiofreqüència, ones de ràdio
o RF) és el conjunt d'ones electromagnètiques amb freqüències
compreses entre 3 Hz i
3000 GHz.
Tots els sistemes de telecomunicació utilitzen senyals elèctrics
per al transport de la informació. Aquests es descriuen per la variació
que hi ha en el temps de les magnituds de tensió i corrent. A més
d'aquesta descripció en el domini del temps, és possible establir-ne
una altra en el domini de la freqüència, que és l'espectre
del senyal. Cada mitjà de transmissió té un espectre radioelèctric
o amplada de banda de transmissió propi, en la qual s'ubiquen els senyals
que s'hi propaguen.
Com que l'espectre radioelèctric és un bé limitat i que
no pot créixer, es poden superposar un o diversos senyals diferents,
però de la mateixa freqüència o molt properes, amb el risc
que es produeixin interferències i s’impedeixi l'establiment de
cap comunicació. És per aquesta raó que l'espectre radioelèctric
adopta el caràcter de bé de domini públic i el seu control
i custòdia són responsabilitat de les administracions públiques,
les quals n’estableixen el reglament d'ús i l'assignació
de freqüències i potències d'emissió per a les estacions
i els serveis de comunicació que ho sol•liciten.
Material
http://phet.colorado.edu/en/simulations/category/physics
en català i en castellà. Si feu clic a la figura 8, una mica més
avall, podreu accedir a la versió catalana.
Realització
En obrir l'aplicació trobareu a la dreta de la pantalla les següents
possibilitats següents (vegeu les figures 6 i 7):
|
|
|
Fig 6. |
|
Fig 7. |
1. Com
treballen els electrons en les antenes de ràdio?
1.1. Obre l'aplicació i
marca:
Moviment: oscil·lant
Visió del camp:
cap
1.2. Prem “Play”.
1.3. Descriu què observes.
1.4. Varia la freqüència
d'oscil•lació i l'amplitud de desplaçant amb el botó
corresponent. Explica com són afectades la freqüència
i l'amplitud d'oscil•lació de l'electró receptor.
1.5. Representa segons el teu
parer el gràfic posició-temps dels dos electrons. |
|
|
Fig 8. miniaplicació "Ones de ràdio" de la col•lecció
PhET. Podeu fer clic a la imatge per accedir-hi. |
|
2. Gràfic posició-temps
dels electrons
2.1. Marca les posicions de l’electró.
2.2. Prem “Play”
2.3. Què n'obtens? És el
que esperaves o no? Justifica la resposta.
3. Forces sobre l'electró.
3.1- Marca:
Moviment: oscil•lant
Visió del camp: oscil•lació
amb vectors
Tipus de camp: força
sobre l'electró
Camp a mostrar: camp radiat
3.2. Prem “Play”.
3.3. Què observes? Quin moviment
descriu l'electró?
3.3. Dibuixa o captura la imatge de
l'ona que s'origina i les forces sobre l'electró per incloure-la a l'informe.
3.4. En quin punt de l'antena es troba
l'electró quan la força que actua sobre ell és zero?
3.5. Com es relaciona el sentit de la
força amb la posició de l'electró?
4. Camp elèctric radiant.
4.1. A“Tipus de camp” marca:
camp elèctric
4.2. El camp elèctric és
uniforme? És constant?
4.3. Va en el mateix sentit o en sentit
contrari a la força? Per què?
4.4. Com es produeix aquest camp elèctric?
5. Camp elèctric estàtic.
5.1. Marca: camp estàtic
5.2. Quina direcció i sentit
tenen les línies de camp?
5.3. És uniforme o radial?
6. Camp total.
6.1. Marca
Moviment: oscil•lant
Visió del camp: camp
total
Tipus de camp: força
sobre l'electró
Camp a mostrar: camp radiat
6.2. Prem “Play”
6.3. Per què és diferent
respecte a quan només hi ha camp elèctric? Què és
el que ha variat ara?
6.4. Podries dibuixar o descriure la
forma de les línies de camp? Com canvien amb el temps?
6.5. Pots identificar els elements característics
d'una ona, període, velocitat de propagació?
7. Conclusions
Comenta breument quin paper juga en l’emissió i la recepció
de les ones de ràdio cadascun dels següents elements i la relació
entre tots tres:
Moviment del electrons
a cadascuna de les dues antenes,
Camp elèctric estàtic,
Camp elèctric radiat.
Solucions
1. Com treballen els electrons en les
antenes de ràdio?
En fer oscil•lar l'electró
de l'antena emissora, al cap d'una petita estona comença a oscil•lar
l'electró de l'antena receptora amb el mateix període i la mateixa
freqüència, però amb una amplitud inferior.
Si augmenta la freqüència de l'emissor també augmenta la
del receptor, però sempre són iguals. L'amplitud de l'electró
a l’antena receptora varia de manera proporcional a l'amplitud de l'electró
a l'antena emissora.
2. Gràfic
posició-temps dels electrons
Els dos electrons tenen el mateix període
i la mateixa freqüència, però el receptor té
menys amplitud i, per tant, menys intensitat (menys energia) i està
desfasat. Vegeu la figura 9.
Si mantenim la freqüència i posem una amplitud més
petita o més gran, varia l'amplitud d'oscil•lació
de l'electró. Vegeu les figures 10 i 11.
|
|
Fig 9. |
|
|
|
Fig 10. |
|
Fig 11. |
Si mantenim l'amplitud
constant i disminuïm la freqüència, l'energia de l'ona
emesa és menor; per tant, augmenta la longitud de l'ona ().
Vegeu la figura 12.
|
|
Fig 12. |
3. Forces
sobre l'electró.
L'electró emissor descriu
un moviment harmònic simple (MHS) i el receptor també. Els
dos oscil•len amb un cert desfasament i tenen el mateix període.
L'ona s'origina just quan comença a moure's l'electró. L'animació
no mostra la trajectòria de cap electró, sinó la
força que actuaria sobre un electró en cada posició
i en cada moment.
Quan l'electró es mou cap avall, a partir del moment en què
sobrepassa la posició d'equilibri, la força va cap amunt;
per tant, l'electró frena fins que s'atura. En aquest instant la
força és màxima i l'electró es troba en la
posició més baixa, que és la màxima elongació
o amplitud (-A).
Quan l'electró continua cap amunt la força va cap avall
de manera que la velocitat de l'electró disminueix fins que s'atura
en la posició de màxima elongació (A).
En la posició d'equilibri la força és zero.
L'electró del receptor rep una força menor; per tant, l'amplitud
del moviment que fa també és més petita. Vegeu la
figura 13.
|
|
Fig 13. |
4. Camp
elèctric radiant.
El camp elèctric és constant?
Les línies de camp són paral•leles,
però la intensitat de la força i del camp elèctric
disminueixen amb la distància; per tant, no és constant.
Va en el mateix sentit, o en sentit contrari
a la força? Per què?
També comprovem que el
camp elèctric va en tot moment en sentit contrari a la força,
perquè la càrrega és negativa. Quan el camp s'anul•la,
la força elèctrica val zero (F=0);és
a dir, quan l’electró passa per la posició d’equilibri.
Vegeu la figura 14.
Com es produeix aquest camp elèctric?
Les lleis de Maxwell indiquen
que per produir ones electromagnètiques, les càrregues han
d'estar accelerades. El físic alemany Heinrich Hertz va idear un
muntatge l'any 1887 que consistia en un corrent oscil•lant, en el
qual les càrregues s'acceleraven i es desacceleraven alternativament,
com passa amb una massa que oscil•la penjada d'una molla. (Com passa
en l'animació que estem estudiant.)
El dispositiu dissenyat per Hertz s'anomena dipol oscil•lant i consta
d'un emissor i d'un receptor. Marconi va perfeccionar aquest dispositiu
i va aconseguir transmetre un senyal electromagnètic a través
de l'Atlàntic.
Quan un objecte conductor, com per exemple una antena, condueix un corrent
altern (emissor), la radiació electromagnètica es propaga
amb la mateixa freqüència que el corrent. De la mateixa manera,
quan una radiació electromagnètica incideix en un conductor
elèctric (receptor), els electrons de la seva superfície
oscil•len i es genera un corrent altern de la mateixa freqüència.
|
|
Fig 14. |
5. Camp
elèctric estàtic
Aquí han d'observar que:
el camp és radial, el sentit és cap a l'electró i
la intensitat disminueix amb la distància. Pot destacar-se que
el camp disminueix més ràpidament amb la distància
() que no pas
en el cas anterior. També han de notar que la direcció i
el sentit del camp només depenen de la posició inicial de
l'electró de l'antena emissora i que la intensitat és independent
del moviment. Vegeu la figura 15.
|
|
Fig 15. |
6. Camp total.
Ara podem observar el camp elèctric
total o bé la força també total. Podem observar com tenen
sentit contrari i es propaguen per l'espai fins que arriben a l'antena receptora.
Es pot indicar la longitud d'ona en qualsevol de les dues imatges com la distància
entre dues crestes, el període com el temps que tarden a passar dues
crestes successives per l'antena i la velocitat de propagació. Vegeu
les figures 16 i 17.
|
|
|
Fig 16. |
|
Fig 17. |
7. Conclusions
1. Els electrons en les antenes de ràdio
oscil•len amb un MHS. Aquest moviment és produït per un corrent
elèctric altern.
2. L'electró
receptor rep l'energia corresponent i oscil•la amb la mateixa freqüència
però amb una amplitud inferior, cosa que origina un corrent elèctric
altern.
3.Podem representar la propagació
del camp amb un model ondulatori. En allunyar-nos de l'antena, l'energia radiada
es va distribuint sobre superfícies cada vegada més grans, de
manera que la intensitat del camp va disminuint.
4. Una partícula carregada en
repòs genera un camp elèctric i en moviment també genera
un camp magnètic. Sabem que les ones de ràdio són ones
electromagnètiques, tot i que en aquesta simulació només
s'hi representa el camp elèctric.
5. El camp estàtic disminueix
amb la distància al quadrat; per tant, l’electró del receptor
no arriba a detectar-lo i no té cap tipus d’influència en
la propagació de les ones EM a llarga distància.
6. El camp radiat és el que possibilita
que arribi l’ona EM a l’electró del receptor. Aquest és
el camp interessant!
|