Урок 2. Децибелы и мощность лисы

Целеполагание

Цель урока: создать условия, при которых ученик по своим замерам выводит, на сколько слабеет сигнал при удвоении расстояния, и объясняет, почему мощность лисы подбирают под площадку.

Планируемые результаты

Личностные: доверяет замеру больше, чем ожиданию, записывает и «неудобные» значения.

Предметные — ученик:

• измеряет RSSI на заданных расстояниях и заполняет таблицу;
• находит по таблице падение сигнала при удвоении расстояния;
• объясняет, почему при 14 дБм охотник звучит одинаково по всему коридору.

Метапредметные:

• регулятивные: повторяет замер, если значение выбивается из ряда;
• познавательные: переходит от таблицы к правилу и проверяет правило на симуляторе;
• коммуникативные: сравнивает свои числа с числами другой команды и объясняет расхождение.

Инструментальный блок

Задачи урока

1. Ответить на вопрос урока: «Если отойти от лисы вдвое дальше, сигнал станет вдвое слабее?»
2. Выполнить задание: измерить RSSI на 1, 2, 4, 8, 16 м при мощности лисы 2 дБм и 14 дБм.
3. Проверить результат: по таблице найдено падение на каждое удвоение, сделан вывод о мощности.

Тип урока: практическая работа с измерениями.

Учебно-методический комплекс

• Оборудование: две лисы, заранее прошитые на FOX_TX_PWR_DBM 2 и 14 (менять прошивку на уроке долго); охотники с OLED, BEARING_MODE 0; рулетка 20 м или разметка скотчем на полу коридора; компьютер учителя с foxhunt_sim.py и проектором.
• Источники информации: симулятор (вкладка «Пеленгация (симулятор)» на странице проекта).
• Дидактическое сопровождение: таблица замеров (ниже), задание двух уровней.

Задание

Базовый уровень. Заполнить таблицу для лисы 2 дБм, посчитать разницу между соседними строками.

Повышенный уровень. Повторить замер для 14 дБм и объяснить, почему разница между двумя лисами почти одинакова на всех расстояниях.

Организационно-деятельностный блок

Основные понятия: дБ, дБм, затухание, удвоение расстояния, мощность передатчика, насыщение шкалы.

Межпредметные связи: математика — разность отрицательных чисел, степени двойки; физика — излучение слабеет с расстоянием от источника.

Организация пространства и формы работы: фронтальная — вопрос, разбор на симуляторе, итог; групповая — замеры. Коридор длиной от 20 м, лиса на стуле в начале разметки, метки 1, 2, 4, 8, 16 м на полу.

Ход урока

Оценивание

• таблица заполнена, разности посчитаны;
• вывод о падении сигнала при удвоении опирается на свои числа;
• повышенный уровень: объяснено, почему разница между лисами постоянна.

Безопасность

• В коридоре не бегают, рулетку сматывают сразу после разметки.
• Метки на полу — малярный скотч, после урока его снимают.

Материал к уроку

Чего ожидать

Расчёт по модели симулятора (здание, лиса 2 дБм):

В реальном коридоре числа будут другими на 5–10 дБ, и это нормально: коридор с гладкими стенами иногда ведёт волну как труба, а люди и двери её поглощают. Важны разности между строками. В здании обычно выходит 6–9 дБ на удвоение.

Разница между колонками 2 и 14 дБм на всех метках около 12 дБ. Мощность лисы сдвигает всю кривую вверх или вниз и не меняет её наклон.

Что сказать на разборе

Если бы сигнал слабел вдвое при удвоении расстояния, мы видели бы минус 3 дБ на каждое удвоение. Мы видим минус 6–9. Значит, сигнал слабеет в 4–8 раз. Волна расходится во все стороны, и на приёмник попадает всё меньшая её часть, а в здании её ещё поглощают стены.

Теперь про 14 дБм. Сплошной тон начинается от −55 дБм. При 14 дБм сигнал сильнее −55 на всём коридоре, и охотник всё время звучит одинаково, хотя число на экране меняется. Охотник «зашкалило»: прибор работает, но его шкала кончилась. С весами то же самое: если груз тяжелее предела, стрелка стоит в упоре, и разницы между 20 и 30 кг уже не видно. Поэтому лису приглушают под размер площадки: этаж — 2 дБм, спортзал — −9 дБм.

Симулятор

uv run foxhunt_sim.py на компьютере учителя. Мышь — это охотник на этаже 40×40 м. Ползунок мощности: при 2 дБм зона сплошного тона — круг радиусом около 10 м, при 14 дБм — около 25 м, то есть почти весь этаж. Ползунок n: 2 — открытое место, 3 — здание. При n = 2 зоны раздуваются: на улице лису тоже приходится приглушать.

Глубже

Удвоение расстояния даёт падение на 10·n·lg 2 ≈ 3·n дБ, где n — показатель затухания: 2 на открытом месте, около 3 в здании. Отсюда 6 и 9 дБ. Радиус зоны сплошного тона растёт с мощностью медленно: +12 дБ мощности (в 16 раз) увеличивают радиус всего в 10^(12/30) ≈ 2,5 раза при n = 3. Дальность покупается дорого.

Задача. Сигнал на 4 м равен −43 дБм. Каким он будет на 16 м в здании?

Задача. Какую мощность лисы взять, чтобы сплошной тон звучал в радиусе около 4 м?

Таблица замеров команды

Вывод: при удвоении расстояния сигнал падает на ____ дБ. Лису 14 дБм в нашем коридоре искать ____________, потому что ____________.