第17章 电磁波与现代通信--2024-2025学年苏科版物理九年级下学期

第十七章 电磁波与现代通信 一、信息与信息传播 从这些图你能得到什么信息？ 什么是信息? 信息 信息：信息是各种事物发出的有意义的消息。一切事物，包括自然界、人类社会等，都在发出信息，一切存在的事物都有信息，信息无处不在。 信息的特点： ①信息具有不灭性。一条信息产生后，其载体可以变换，也可以被毁掉，但信息本身并没有被消灭。 ②信息具有无限复制性。信息可以被大量复制，广泛地传播。 ③信息具有时效性。 ④消息中包含的内容越多，信息量就越大。 生活中，接触到的人类特有的信息有哪一些呢？ 信息 语言 符号 图像 信息必须通过传播才有实际意义 你知道哪些传播信息的方法？ 通信：以特定的手段和方式进行的信息传播活动 信息的传播 古代人 驿传 信鸽 烽火台 近代人 1837年，莫尔斯发明电报机是电报通讯的起源，它的通讯电码是以点、划符号组合而成，每一个码代表一个字母和一个数字。发报员用电键发出长短不一的电码，收报员听到滴答的声音。答的声音是滴的三倍长。收报员抄录滴答组合的电码后再译成电文，这就是早期的电报。 信息的传播 不同符号之间用空白(即开关断开)隔断。 莫尔斯电码的特点： ①点数+ 画数=5； ②数字小于或等于5 时，点的个数与数字相同； ③数字大于5 时，点的个数等于10 减去该数的值。 莫尔斯电码 例：下列关于莫尔斯电码的说法中错误的是( ) A. 莫尔斯电码是由“点”“画”和“空白”构成的 B. 莫尔斯电码最初是通过无线电传播的 C. 莫尔斯电码可以通过电报机进行信息传递 D. 莫尔斯电码是一种符号信息 B 典型例题 电线 【中考·常州】欧空局曾成功将两颗国际通信卫星发射升空并顺利进入预定轨道。在发射当天的18时00分20秒这一时刻，控制中心接收到卫星发出的信号。卫星发出信号的时刻用莫尔斯电码表示，其代码为“· ― ― ― ―；― ― ―· ·；― ― ― ― ―；― ― ― ― ―；· ― ― ― ―；― ― ― ― ·”． 典型例题 莫尔斯电码与数字的关系如下表所示。卫星发出信号的时刻为____________，此时它距控制中心________km。(电磁波的传播速度为3×108 m/s) 18 : 00 : 19 3×105 9 1876年，贝尔研制成了最早的电话。 电话由话筒和听筒两部分组成。他们都是根据电磁转换原理设计的。 两年后的1878年，贝尔在波士顿，其助手沃特森在纽约，两地相距300多千米，首次进行了长途电话实验。 信息的传播 电话工作原理 欧姆定律 电流的磁效应 大小、音调不同的声音带动膜片振动，改变碳粒密集程度，进而改变其电阻，最后出现不停变化的电流 变化的电流经过电磁铁产生变化的磁场带动膜片振动(频率和振动变化)，发出声音 电流通过导线把信息传递到了远方 利用无线电波传递信息 信息的传播 现代人 例2：通过快递公司把下列物品从北京送到南京，其中属于通信的是( ) A. 一台新电脑 B. 会议通知 C. 手机 D. 一件衣服 B 典型例题 例1：[2021·苏州] 下列信息不属于人类特有的信息的是( ) A. 语言 B. 味道 C. 符号 D. 图像 B ①语言的诞生 人类语言的诞生则可以追溯到30万年前，自从人类学会了语言，知识可以传承、技术可以迭代，文明就进入了突飞猛进的快车道 我是泰山 信息传播的五次变革 古人对信息远距离传递的愿望 听：顺风耳 看：千里眼 14 文字的发明是人类文明的一大进步。最初，原始人将不同数字或形状的结系在绳子上，以表达特定的含义，这被称为结结。后来，古人在石头和墙上描绘一些特定的事物形象，以传达某种含义，该象形图画直接孕育了人类文字的起源。古埃及圣文字、苏美尔楔形文字和考古发现的汉字也如此 ②文字的诞生 信息传播的五次变革 15 印刷术发明前，欧洲人九成是文盲。印刷术是中国古代劳动人民的发明之一。雕版印刷术发明于唐朝，并在唐朝中后期普遍使用。宋仁宗时毕昇发明了活字印刷术标志着活字印刷术的诞生。 ③印刷术的诞生 信息传播的五次变革 16 无线电广播与电视都是利用电磁波来进行的。无线电广播利用的电磁波的频率很高，范围也非常大，而电视所利用的电磁波的频率则更高，范围也更大。 电磁波还应用于手机通讯、卫星信号等通信活动。 ④电磁波的应用 信息传播的五次变革 17 将计算机技术融入到通信领域，可以说是对计算机信息传输效率的大大增强。在通信领域日常实际应用计算机技术时，工作人员要以信息传送当做计算机通信技术的核心支撑，从而保证每一项工作内容可以顺利进行。与传统的信息技术比较而言，计算机通信技术更具备高效性、安全性等显著特征。 ⑤计算机与网络技术的应用 信息传播的五次变革 18 信息的记录方法 ①结绳记事； ②文字记录； ③磁带记录； ④光盘记录； ⑤硬盘记录。 信息和信息传播经过的五次巨大的变革： ① 语言的诞生； ② 文字的诞生； ③ 印刷术的诞生； ④ 电磁波的应用； ⑤ 计算机技术的应用 人类特有的三种信息：语言、符号、图象 知识小结 1.下列人类历史上的信息和信息传播活动的变革，按从古到今的时间顺序排列的有（ ） A．文字的诞生到语言的诞生 B．文字的诞生到印刷术的诞生 C．电磁波的应用到文字的诞生 D．计算机技术的应用到电磁波的应用 B 练一练 2.关于信息和信息传播活动的每一次变革，下列说法错误的是（　　） A．信息传播越来越远 B．信息传播越来越快 C．信息传播量越来越大 D．信息传播方式越来越简单 D 练一练 3.下列情况中，不属于信息记录的是( ) A. 相片 B. 牛骨刻辞 C. 烽火告急 D. 拷贝磁盘 C 二、电磁波及其传播 波：类似于水波、弹簧的疏密波，都是波。 这类振动形态在介质中的传播，属于机械波。 水波：水的起伏振动形态在水中传播； 绳子的波：绳子的振动形态在传播 波 波的基本特征 波长λ ①振幅A 波源偏离平衡位置的最大距离，单位：m 振幅A ②波长λ 两相临波峰（或波谷）之间的距离，单位：m 振动强弱 波在一个周期T内传播的距离 时间t ③周期T 波源振动一次所需时间，单位：s ④频率f 波源1s钟振动的次数，单位：Hz T = 1 f 波长λ 波在一个周期T内传播的距离 设波的传播速度为v 有 v = λ T v = λf 或 振动快慢 波的基本特征 英国物理学家麦克斯韦在研究电磁现象的基础上， 在1864年建立了电磁场理论并预言了电磁波的存在。 电磁波 德国物理学家赫兹，在1888年第一次通过实验证实了电磁波的存在。 电磁波：在空间传播的周期性变化的电磁场 电磁波的产生条件：当导体中有迅速变化的振荡电流时，在导体周围空间会有电磁波产生，并周期性向外传播。 验证电磁波的存在 【分组实验】 1.打开收音机的开关，将调谐旋钮调到没有电台的位置并将音量放大。 现象：收音机没有声音 电磁波 现象：收音机出现杂音 2.取一节旧干电池和一根导线。靠近收音机，将导线的一端与电池一极相连，用导线的另一端与电池的另一极时断时续的相连。 分析：收音机出现杂音，说明收音机接收到了电磁波。 时断时续的与电池相连，导线周围出现了变化的电磁场。 电磁波 28 电视机、收音机可以收到不同电视台和广播电台的电磁波 中央电视台1台的波长是4.96m，频率是60.5MHz 中央电视台4台的波长是3.88m，频率是77.25MHz 电磁波 电磁波传播需要介质吗？ 29 1.探究电磁波能否在真空中传播 打开手机，放在真空罩中，用抽气机逐渐抽出空气，同时打电话，看手机能否收到呼叫信号？ 现象：抽去空气，手机依然能收到呼叫信号 理想实验法 结论：电磁波的传播不需要介质 电磁波 探究电磁波的传播特性 30 2.探究对电磁波的传播有影响的材料 打开手机，放在不同材料的密闭容器中（塑料、纸、金属等），同时打电话，看手机能否收到呼叫信号？ 现象：在密闭的金属容器中，手机不能收到呼叫信号 生活现象：在建筑物或电梯中，手机有时候收不到信号或信号较弱 电磁波 探究电磁波的传播特性 金属网（或封闭的金属容器）对电磁波有屏蔽作用 31 光： 1.光的传播不需要介质，可以在真空中传播 2.真空中的光速 ≈ 3×108m/s 电磁波： 1.电磁波的传播不需要介质，可以在真空中传播 2.真空中电磁波的波速 ≈ 3×108m/s 光波属于电磁波的一种 电磁波 电磁波的传播特性 32 电磁波包括的范围很广，人们将这些电磁波按照它们的波长或频率的大小顺序进行排列，这就是电磁波谱。 电磁波谱 电磁波谱 电磁波的应用 (1)无线电波：广播、电视和移动电话等； (2)微波：通信、加热食物、雷达等； (3)红外线：遥控、遥感等； (4)紫外线：杀菌、验钞等； (5)X 射线：用于医疗上诊断是否骨折等； (6)γ 射线：金属探伤等。 电磁波谱 电磁波谱 无线电波和微波的应用 微波炉所使用的微波频率一般为2450MHz，在微波的作用下，食物分子剧烈振动，食物内能增大。电磁波可以深入食物内部，所以食物内部和外部几乎同时变熟。 ②电磁波能在真空中传播，其传播速度等于光速 ③金属网（或封闭的金属容器）对电磁波有屏蔽作用 不同频率的电磁波真空中的传播速度相同 ①电磁波是在空间传播的周期性变化的电磁场 知识小结 电磁波谱在信息方面的应用： ①携带信息（收音机接收到的信息）； ②帮助人们获取信息(雷达)； ③承载并传播信息（手机发送微信）。 电磁污染：电磁污染指的是天然的和人为的各种电磁波干扰和有害的电磁辐射。广播、电视、微波技术等射频设备功率的增加，导致电磁辐射大幅增加；大功率电机、变压器、高压输电线附近辐射较大。 延伸拓展——电磁污染及其预防方法 ①尽量远离人造电磁辐射源，如不随便靠近电视发射装置、高频电缆等； ②正确使用带有电磁辐射的家用电器； ③必要时，要安装屏蔽设备。 电磁波污染 1.以下关于电磁波的说法中，正确的是（ ） A．电磁波可以在真空中传播 B．电磁波的传播离不开介质 C．不可见光是电磁波，可见光不是电磁波 D．频率较高的电磁波在真空中传播速度较大 A 练一练 40 2.长春机场的指挥室的工作人员，在飞机飞行时，指挥员和飞机驾驶员要相互传递飞行信息，是通过 来传播的，其传播速度为 km/s 电磁波 3×105 练一练 3.下列关于电磁波的说法正确的是（　　） A．电磁波在空气中的传播速度是340m/s B．电磁波只能传播声音信号，不能传递图象信号 C．电磁波的传播需要介质 D．北斗卫星定位系统既能发射电磁波，也能接收电磁波 D 41 4.如图所示是一个物体振动时的波形图。观察此图可以知道声源的振幅是_____m；波源振动的周期是____s；波源振动的频率是____Hz。如果此波的波长为2m，则此波传播的速度是___m/s。 0.3 0.4 2.5 5 练一练 5.如图是某学校为学生配备的智能学生证。智能学生证除了可以记录学生个人信息资料外，还具有定位(判断学生“在校”或“离校”)及紧急呼救等功能。智能学生证实现定位或呼救功能时，主要是利用( ) A. 超声波 B. 次声波 C. 无线电波 D. 红外线 C 练一练 6.电磁波的频率与波长的大致分布如图所示，下列说法正确的是(　　) A．紫外线属于可见光 B．红外线的波长比可见光的短 C．X射线的频率比无线电波的低 D．可见光与γ射线在真空中的传播速度相等 D 练一练 下列关于电磁波和信息技术说法正确的是（ ） A．由华为主导的5G技术不是利用电磁波进行信息传输的 B．北斗卫星导航系统是通过电磁波进行定位服务的 C．电磁波只能传递信息不能传递能 D．不同频率的电磁波在真空中传播速度不相同 B 练一练 7.2020年5月19日，为抢救濒危病人，常州医生朱鼎暴露在X光(电磁波的一种)下近1h，之后才穿上铅制防护服继续抢救直至病人转危为安。朱鼎事后流了鼻血，好在身体未受到其他严重伤害。铅制防护服能阻碍X光传播，下列现象同样是阻碍电磁波传播的是(　　) ①放在真空罩内的手机仍能接收到呼叫信号； ②放在密闭金属盒内的收音机，不能接收到电台信号； ③微波炉炉门上的玻璃覆盖有金属网，可以防止微波泄漏； ④用导线时断时续连接干电池的两极，附近的收音机发出“咔啦咔啦”的声音。 A．①② B．②③ C．③④ D．①④ B 练一练 8.印度的月球卫星“月船1号”失联后，地面测控中心通过计算预测“月船1号”会经过月球北端上空165 km高处的A点(如图所示)，便在某时刻向该处发射________(填“电磁波”或“超声波”)信号，2.6 s后收到回波信号，从而确信“月船1号”依然在轨道上运行，测控中心距离A点________km。 (v电磁波＝3×108 m/s，v超声波＝340 m/s) 电磁波 3.9×105 电磁波及其传播 电磁波 波 产生 传播 分类 应用 归纳新知 三、现代通信——走进信息时代 1.什么是“信息高速公路” “信息高速公路”是卫星通信和光纤通信等高速、大容量信息传输通信的俗称。 信息高速公路 电视广播 移动通信 主要利用微波进行传递信息 微波通讯 50 微波 指的是频率在3×102 ~ 3×105MHz的电磁波，高于中波和短波 传播特缺点：沿直线传播，不能在地球表面绕射 那么如何在地表实现微波的远距离通信？ ①微波中继站 微波 利用微波传递信号时，必须每隔50 km 左右就建一个微波中继站，把上一站传来的信号处理后，再发射到下一站去。 优点：频率高，传递的信息多 51 卫星通讯：利用通信卫星做微波通信的中继站来进行通信的方式。 卫星通讯 组成：卫星通信系统由通信卫星(空间部分)和通信地面站(地面部分)两大部分组成。通信卫星就像一个无人值班的太空微波中继站，它接收从一个地面站发射来的电磁波信号，处理后，再发送到另一个或几个地面站。 卫星通讯 一般是地球同步卫星 ②卫星通讯 地球同步轨道的运行方向与地球自转方向一致，运行周期等于地球自转周期. 其高度约35 800 km，卫星在轨道上的绕行速度约为3.1 km/s 53 地球同步卫星 卫星通信系统的优点： 覆盖面大、通信距离远、不受地理位置限制、通信容量大、干扰小、质量好、效率高、建设速度快 卫星通讯 在长距离、边远山区和抢险救灾等通信中更是大显身手 一般来说，三颗地球同步卫星组成的通信系统几乎可以覆盖整个地球 54 全球卫星定位系统 美国GPS、俄罗斯GLONASS、中国“北斗”卫星导航系统 二十世纪七十年代，中国开始研究卫星导航系统的技术和方案，但之后这项名为“灯塔”的研究计划被取消。 1983年，中国航天专家陈芳允提出使用两颗静止轨道卫星实现区域性的导航功能，1989年，中国使用通信卫星进行试验，验证了其可行性，之后的北斗卫星导航试验系统即基于此方案。 2009年北斗三号工程正式启动建设。在各大系统和众多参研参试单位共同努力下，中国全面突破系统核心关键技术，完成地面验证，卫星状态基本固化。特别是2015至2016年成功发射5颗新一代导航卫星，完成了在轨验证。 2018年前后，发射18颗北斗三号组网卫星，覆盖“一带一路”沿线国家；2020年6月23日完成所有55颗卫星组网发射，实现全球服务能力。 精准对时：2017年，中国计量科学研究院首次利用自主研制的“北斗时间频率传递装置”，在超过8200公里的欧亚链路和约1000公里的欧洲内部链路，实现了时间和频率传递。时间频率传递可以理解为比对两端的时间，实验证明，利用北斗系统传递时间频率，其稳定度、准确度与GPS（全球定位系统）相当。 2019年9月，北斗系统正式向全球提供服务，在轨39颗卫星中包括21颗北斗三号卫星：有18颗运行于中圆轨道、1颗运行于地球静止轨道、2颗运行于倾斜地球同步轨道。随着“北斗”地基增强系统提供服务，它可提供米级、亚米级、分米级，甚至厘米级的服务，“北斗”导航系统的定位精度将与美国GPS相媲美。 全球卫星定位系统 卫星通信的缺点 (1)造价较高；(2)信号会有零点几秒的延迟；(3)保密性有待提高。 卫星通讯 例 北斗卫星导航系统是中国自行研制的全球卫星定位与通信系统，是第三个成熟的三维定位与通信系统. 目前北斗卫星导航系统已应用于测绘、通信、减灾救灾等诸多领城，该系统传递信息主要依靠( ) A. 电磁波 B. 次声波 C. 超声波 D. 光波 A 2、什么是光纤？ 能传输光信号的极其纤细的物质称为光导纤维，简称光纤。 1、光纤通信是利用光波(激光)在光导纤维中传输信息的一种通信方式 光纤通讯 3、什么是激光？ 频率单一、方向高度集中的光 光缆：由多根光导纤维制成的激光信号的传输线。 2、什么是光缆？ 光纤通讯 光纤之父---高锟 从1957年开始，高锟即从事光导纤维在通讯领域运用的研究。1964年，他提出在电话网络中以光代替电流，以玻璃纤维代替导线。 在他的努力推动下，1971年，世界上第一条1公里长的光纤问世，第一个光纤通讯系统也在1981年启用。 研究光纤是怎样传输光信号的？ 光是经过多次反射从光纤的一端传播到另一端。 光纤通讯 原理：将携带信息的激光从光纤的一端射入，激光在内壁上多次反射，从另一端射出，把激光携带的信息传到远方。 光纤包括两层：内层对光的折射本领较强；外层对光的折射本领较弱。 全反射 能量信息无损耗 信息的处理方式：首先在发送端把要传送的信息变成电信号，再调制到激光器发出的激光束上，并通过光纤发送出去；在接收端，检测器收到光信号后把它变成电信号，经解调后恢复原信号。 光纤通信的优、缺点： (1)优点：容量极大(激光频率更高)；不受外界电磁场的干扰；不怕潮湿，耐腐蚀，能量损耗低，可长距离传输；通信质量高，保密性好。 (2)缺点：架设线路受到地理条件限制；光缆容易被拉断。 光纤通讯 头发丝：上百万路电话 电缆：几十路电话 拓展延伸： 光纤通常由廉价的玻璃等绝缘材料制成，将玻璃抽成丝后，能够使其变成质地柔软、耐磨、可弯曲且强度大的材料，但它仍然属于绝缘体，不导电，也不会受外界电磁场的干扰。由于玻璃及其纤维的弹性较差，光纤易被拉断。 光纤通讯 光纤通信 无线通信 传输载体和通道 激光为载体 光纤为通道 电磁波为载体 信息容量 大 小 信息质量 抗干扰能力强 信号衰减小 抗干扰能力弱 信号衰减大 信息处理方式 信息电信号光信号传输光信号电信号信息 信息电信号电磁波传输电磁波电信号信息 例 光纤通信已成为现代通信的主要支柱之一，以下关于光纤的说法正确的是( ) A．光纤是超导体 B．光波在光纤中不断反射向前传播 C．光波在光纤中的传播速度为3×108 m/s D．光纤不导电，不会受外界电磁场的干扰 B 光纤通讯 信息高速公路的主干线——互联网 ①互联网：互联网(如因特网)是一个由计算机、通信网络及其附属设备连接起来的全球通信网络(传递0和1)，是目前最频繁的网络通信形式。 ②互联网通信：互联网通信是通过网络将各个孤立的设备进行联结，通过信息交换实现人与人、人与计算机、 计算机与计算机之间的通信。 ③互联网通信的特点： (1)拥有极其丰富的信息资源；(2)信息传递快； (3)参与的人数众多。 ④互联网的主要作用：信息查询、收发电子邮件、视频会议、远程登录、文件传送、远程教育、网上聊天、网上购物等。 信息高速公路的主干线——互联网 信息高速公路 (1)概念：集卫星通信、光纤通信、数据通信、移动通信等技术于一身，利用光缆和各级计算机把所有的通信系统连接在一起, 组成一个高速传递信息的网络，这种国家信息基础设施叫作“信息高速公路”。 (2)两大支柱：卫星通信和光纤通信。 (3)实质：是一个高速度、大容量、多媒体的信息传输网络。 信息高速公路 从无线电波、微波到光波，传输信息所用电磁波的频率越来越高，电磁波的频率越高，相同时间内可传递的信息就越多，信息之路就越宽！ 信 号 塔 北 斗 卫 星 系 统 信息高速公路 (1)电话通信中的电话机相当于网络通信中的________； (2)电话通信中的电话交换机相当于网络通信中的________； (3)电话通信中的通信线路相当于网络 通信中的__________________。 计算机 服务器 导线、光缆、微波等 知识对比 1.2021年5月15日我国自主研发的“天问一号”火星探测器成功将“祝融号”火星车着陆到火星表面，探测器从火星向地球传递信息是通过(　　) A．红外线　　B．超声波　　C．电磁波　　D．次声波 C 练一练 2.人造地球同步卫星常用于通信、气象、广播电视等方面，以实现对同一地区连续工作．下列关于同步卫星的说法正确的是(　　) A．卫星相对于地面来说是运动的 B．卫星是利用超声波来传递信息的 C．卫星上的太阳能电池板将化学能转化为电能 D．卫星相当于太空中的微波中继站 D 69 3.2020年5月27日，我国登山队登顶珠穆朗玛峰，对珠穆朗玛峰高度再次进行精确测量，并首次利用5G技术向全世界视频直播，直播过程是利用________波传递信息的。 电磁 4.华裔物理学家高锟在光导纤维通信领域取得突破性的进展并因此获得2009年的诺贝尔物理学奖。光纤传播信息利用的原理是(　　) A．光的反射 B．光的折射 C．光的直线传播 D．光的色散 A 练一练 70 5.现代网络无奇不有，利用互联网可以方便地进行一些信息的传递。下列各种方式中，不能通过互联网做到的是(　　) A．发送电子邮件 B．把家乡的特产送给远方的亲人 C．快速检索网络上的信息资源 D．召开分散于各地的人员的视频会议 B 练一练 71 6.我们所说的“信息之路越来越宽”的含义是(　　) A．传递信息时，我们走的高速公路很宽 B．仅指传递信息的方式越来越多 C．仅指传递信息所用的电磁波频率越来越高 D．传递信息所用电磁波的频率越来越高，传递信息的方式也越来越多 D 练一练 72 C 7.在2020年特殊的经济形势下，“新基建”的七大产业担负起了国家经济发展的重大使命，“5G”产业是其中一项。“5G”手机通过电磁波与基站之间进行信息传递，以下有关说法中不正确的是(　　) A．电磁波可以在真空中传播 B．电磁波既能传递信息也能传递能量 C．“5G”比“4G”传递信息更快，是因为它所使用的电磁波的波速更快 D．即使先进的“5G”手机，使用过程中也会发热，是因为工作过程中部分电能转化为内能 练一练 73 8.被誉为“光纤之父”的华裔科学家高锟因为在“光在光导纤维中的传输用于光学通信”的成就而获得2009年诺贝尔物理学奖．光在光导纤维中的传输情况是光线每次由内层玻璃芯射向外套的分界面时，均要发生反射，而不发生折射，从而使光在不断地反射中沿内层玻璃芯向远处传播，如图。 请根据图回答： 当增大入射光线AB的入射角时，CD光线的入射角_____(填“增大”“减小”或“不变”)，D点将要向_____(填“左”或“右”)侧移动。 增大 右 练一练 74 现代通信——走进信息时代 现代通信 卫星通信 光纤通信 互联网与信息高速公路 归纳新知 $$