Урок 4. Антенна и тень тела

Целеполагание

Цель урока: создать условия, при которых ученик рассчитывает длину волны и полуволнового вибратора для 869 МГц и по замерам строит диаграмму, показывающую направление на лису.

Планируемые результаты

Личностные: аккуратно повторяет замер в одних и тех же условиях.

Предметные — ученик:

• рассчитывает длину волны по частоте и длину полуволнового вибратора;
• измеряет, сколько дБ теряется, если антенну охотника положить горизонтально;
• строит по восьми замерам диаграмму и определяет по ней направление на лису.

Метапредметные:

• регулятивные: держит одинаковые условия замера (расстояние, высота, поворот);
• познавательные: переносит результат опыта с телом на устройство антенны Яги;
• коммуникативные: распределяет роли — держит, читает экран, записывает, следит за углом.

Инструментальный блок

Задачи урока

1. Ответить на вопрос урока: «Почему на уроке 1 охотник не показывал, куда идти, хотя его крутили?»
2. Выполнить задание: снять диаграмму «охотник у груди» по восьми направлениям.
3. Проверить результат: на диаграмме виден минимум, он показывает от лисы.

Тип урока: урок открытия нового знания с практической работой.

Учебно-методический комплекс

• Оборудование: одна лиса 2 дБм с вертикальной антенной на стуле; охотники с OLED, BEARING_MODE 1; полоски бумаги, ножницы, линейка; мел или скотч для разметки восьми направлений на полу.
• Источники информации: страница проекта, вкладка «README» — схема охотника.
• Дидактическое сопровождение: бланк диаграммы (ниже), задание двух уровней.

Задание

Базовый уровень. Снять восемь значений RSSI, нанести на бланк, указать направление на лису.

Повышенный уровень. Найти разницу между максимумом и минимумом в дБ и посчитать, во сколько раз тело ослабило сигнал.

Организационно-деятельностный блок

Основные понятия: длина волны, частота, полуволновой вибратор, поляризация, диаграмма направленности, экранирование.

Межпредметные связи: физика — волна, частота, скорость света; математика — деление, углы 45°, построение на круговой сетке; черчение — диаграмма в полярных координатах.

Организация пространства и формы работы: фронтальная — вопрос, расчёт, итог; групповая — замеры. Спортзал или двор: лиса в одном конце, команды на расстоянии 10–15 м от неё, каждая на своём кругу с восемью метками.

Ход урока

Оценивание

• длина волны и полуволны рассчитаны верно;
• диаграмма построена по восьми точкам, направление на лису указано;
• повышенный уровень: разница в дБ переведена в «во сколько раз».

Безопасность

• Поворачиваются на месте медленно, другие члены команды стоят вне круга.

Материал к уроку

Почему штатная антенна не показывает направление

Хлыст охотника — всенаправленная антенна: вокруг себя по горизонтали она принимает одинаково. Поэтому сколько её ни крути, звук не меняется. Чтобы появилось направление, нужно что-то, что закрывает антенну с одной стороны. Сегодня это тело ученика.

Длина волны и вибратор

Полуволновой вибратор — два проводника по четверти волны, кабель подключают между ними. Настоящий вибратор чуть короче половины волны: чем толще провод, тем короче. Для меди 2 мм на 869 МГц — 160 мм. Эту длину ученики увидят на уроке 5 в чертеже Яги.

Поляризация

Антенна лисы стоит вертикально, и волна выходит с вертикальной поляризацией: электрическое поле колеблется вверх-вниз. Антенна охотника, положенная горизонтально, такую волну почти не принимает. На открытом месте разница доходит до 20 дБ, в зале меньше — 10–15 дБ, потому что отражения от стен поворачивают поляризацию. Вывод на все следующие уроки: лиса и антенна охотника всегда в одной плоскости — вертикально.

Как снимать диаграмму

• Расстояние до лисы 10–15 м. Ближе — тело закрывает не всё, дальше — мешают отражения.
• Охотник прижат к груди, антенна вверх, в 5 см от тела.
• Режим пеленга: на каждый пакет — щелчок. На каждом направлении ждать два щелчка и записывать число с экрана.
• Направление 0° команда выбирает сама по своей метке. Лису закрывают картонной ширмой, чтобы направление на неё нельзя было увидеть: команда определяет его только по диаграмме.

Типичный результат: лицом к лисе сигнал наибольший, спиной на 10–15 дБ меньше. Минимум получается чётче максимума: при повороте спиной звук падает резко. По нему и находят направление: лиса — с противоположной стороны.

Что сказать на разборе

Тело — это в основном вода, а вода поглощает волну 869 МГц. Когда тело между лисой и антенной, до антенны доходит меньше. Получился направленный приёмник: он лучше слышит спереди. Антенна Яги делает то же самое без тела: за вибратором ставят проволоку чуть длиннее, она отражает волну назад к вибратору, а перед вибратором — чуть короче, она направляет волну к нему. Медный «экран» лёгкий, и работает лучше тела: в расчёте Яги слышит спереди в 300 раз лучше, чем сзади, на практике — в 30–100 раз.

Глубже

Скорость света 300 000 км/с = 3·10⁸ м/с. За одно колебание волна проходит λ = c / f = 3·10⁸ / 869·10⁶ = 0,345 м. Отсюда и правило «300 / МГц».

Задача. Сигнал лицом к лисе −48 дБм, спиной −61 дБм. Во сколько раз тело ослабило сигнал?

Задача. Какой длины будет полуволновой вибратор для Wi-Fi на 2400 МГц?

Бланк диаграммы

Начертите круг с восемью лучами через 45°. На каждом луче отметьте точку: чем сильнее сигнал, тем дальше от центра (например, −70 дБм — центр, −40 дБм — край круга). Соедините точки.

Поляризация: хлыст вверх ____ дБм, хлыст горизонтально ____ дБм, разница ____ дБ.

Лиса находится в направлении ____°, потому что ______________________________.