三、信息的“高速路”（表格式教学设计）物理北师大版（北京）2024九年级全一册

该初中物理教学设计聚焦现代通信技术原理与应用，涵盖电视信号传递、卫星通信、光纤通信、移动通信及信息高速公路等核心内容。通过播放国庆大会视频创设情境，连接学生已有电磁波知识，以问题驱动结合信息流排序游戏搭建学习支架。 特色在于情境化探究与核心素养融合，如用动画演示卫星通信接力过程，设计5G技术进化史表格培养科学思维，结合北斗系统渗透国情教育。通过激光光纤传播模拟实验和小组合作提升探究能力，为教师提供丰富可视化资源，助力学生构建系统通信知识体系。

三、信息的“高速路” （教学设计） 年级 九年级 学科 物理 课时数 教师 课题 三、信息的“高速路” 教学 目标 物理观念 了解电磁波、光信号、电信号在信息传递中的作用；了解电视信号、卫星通信、光纤通信、移动通信的基本原理。 科学思维 能够分析信息传递的基本流程；比较不同通信方式的优缺点；理解“信息高速公路”的组成与作用。 科学探究 通过图示、模拟实验等方式，探究信号发射、接收与中继的过程；能设计简单的信息传递模型。 科学态度 与责任 认识到通信技术对社会发展的推动作用；树立信息安全意识，遵守网络道德与法律法规。 教材 分析 本节内容属于《信息的传递》章节，主要介绍现代通信技术的基本原理与应用，包括：电视信号的发射与接收、卫星通信、光纤通信、移动通信（1G~5G）、互联网与信息高速公路、北斗卫星导航系统、教材通过生活实例和技术图示，引导学生理解信息传递的物理原理，培养科技素养与社会责任感。 学情分析 知识基础：学生已具备基本的电与磁、电磁波知识，但对信息传递的具体过程了解不深。 认知特点：对现代通信技术有使用经验，但缺乏系统理解；喜欢探究式学习，对实物模型和多媒体资源感兴趣。 能力水平：具备初步的分析与归纳能力，能进行小组合作与简单探究。 教学重点 信息传递的基本过程；卫星通信、光纤通信、移动通信的原理。 教学难点 信号调制与解调的理解；不同通信方式的比较与综合应用。 教学过程 教师活动 学生活动 导入新课 【问题情境】播放《庆祝中国共产党成立100周年大会》国旗护卫队行进的高清视频片段（或展示教材图18.3-1）。 提出问题：“同学们，我们当时并没有亲临天安门广场，但这些震撼的画面和响亮的声音，是如何几乎同步地传到我们每个人的家中，让我们如同身临其境的呢？” 思考并回答，激发兴趣。 学习新课 一、电视信号的旅程——从现场到你家 （一）电视信号的发射与接收过程 核心问题驱动：“电视台是怎样把声音和图像信息发射出去的？电视机又是怎样接收到的？” 教师讲解与演示：利用图18.3-2，动态演示信号转换与传递过程。 精讲点拨： 转换：摄像机将光信号 → 视频电流；话筒将声信号 → 音频电流。 调制：强调“调制”就像给货物（音视频信息）装上“卡车”（射频载波），目的是为了高效、远距离传输。 发射与接收：天线发射“搭载”信息的电磁波；电视机天线接收后，通过“解调”把货物从卡车上卸下来。 还原：显像管和扬声器最终将电信号还原为图像和声音。 二、互动游戏：【信息流排序】 将电视信号传递的各个环节（如：光学镜头成像、调制、发射、接收、解调、还原）制成卡片。 学生小组合作，将卡片按正确顺序排列，并派代表讲解。以此巩固对这一复杂过程的理解。 认真听讲，思考总结 学生活动 学习新课 二、跨越千山万水——卫星通信 （一）卫星通信技术 问题进阶：“电磁波遇到高山不能绕行，而且随着传播距离的增加，信号会衰减、时间会延迟。怎样才能让电电磁波传播得更远？如何让全国、全球的人同时看到这个盛况？” 探究与讲解：引导学生观察图18.3-3。 现在，人们可以将通信卫星作为中继站进行远距离通信。通信卫星大多是相对地面静止的同步卫星，从地面上看，它好像悬挂在空中静止不动。在地球的周围均匀地配置至少3颗同步通信卫星（图18.3-3甲）就可以覆盖几乎全部地球表面，实现全球通信。 如图18.3-3乙所示，天线A向卫星发射电磁波；卫星作为中继站，将接收到的电磁波进行处理，发送给天线B,并转发给另一颗卫星；另一颗卫星再发送给天线C。在整个过程中，卫星只是“二传手”。通过这个通信网络，地球上几乎任意一个地方都可以将信息即时发往世界各地，在一瞬间传遍全球。 关键概念： 中继站：形象地比喻卫星为信息的“二传手”。 同步卫星：解释其“静止”的含义，并说明至少3颗即可覆盖全球的原理。 （二）卫星通信的信息流示意图 通过动画演示信号从“地面站A → 卫星1 → 卫星2 → 地面站C”的接力过程。 讲解：信息的传递装置可以连成一条链，很多信息传输技术都是通过多个信息传递装置连接起来实现的。图18.3-4是无线电视实况转播的信息流示意图。 我们现在通过光缆（或电缆）接收有线电视，而不使用天线。光缆中的光纤具有抗干扰能力强，保密性较好，传输容量很大，建设和维护成本低等特性。 阅读教材 了解卫星通信技术 学习新课 三、地下光缆与空中电波——光纤与移动通信 （一）光纤通信 1．光纤通信： 播放视频：光在水流中的传播 通信用的激光要在一种专门制造的细玻璃丝内传播。这种玻璃丝称为光导纤维，简称光纤。 激光从光纤的一端入射后，在光纤的内壁上发生全反射，经过无数次反射，从另一端射出，如图18.3-5所示，整个过程中光能损耗非常少。如果入射光携带着信息，那么信息就完成了从光纤一端到另一端的传递。 实际使用时，把若干条光纤集成束，外面包上保护层，就成了光缆。光缆一般都铺设在地下的管道中，特别适用于远距离通信。 展示图18.3-5，用激光笔在弯曲的塑料光纤中传播的演示实验（或播放模拟动画），解释全反射原理。 引导学生阅读“相关链接”，总结光纤通信容量大、抗干扰、保密好的优点。 （二）移动通信 展示图18.3-6，解释“蜂窝”结构的意义（增加覆盖、减少基站数量）。 当前最为普遍的移动通信系统主要由移动台（手机）、基站和移动交换中心组成。基站也称为基地台，是按蜂窝（图18.3-6甲）的构造布局的（图18.3-6乙）,这样大大增加了无线电覆盖的有效面积，减少了转接信息的基站数量。 讲解“手机-基站-移动交换中心”的三级结构，强调移动交换中心是“信息枢纽”。 基站都与移动交换中心连接。移动交换中心是整个移动通信网络的核心，所有移动台发来的信息都要经由它分拣、处理、传递。同时，移动交换中心还担负着移动通信网络与固定电话网（座机）,甚至是与互联网的连接任务，是一个业务庞大、头绪繁多的信息枢纽。这三种设备良好衔接、相互配合，我们才可以使用手机通话、发短信、进行视频直播。 现在手机的功能非常丰富，而且还在不断扩展，5G（第五代移动通信技术）手机已经走进我们的生活。我国在5G技术开发与利用方面居于世界领先地位。 科技发展脉络梳理：【通信技术进化史】 教师引导学生阅读“移动通信技术的发展”链接，完成以下表格的填空或排序，直观感受从1G到5G的技术飞跃。 代际 核心特点 典型应用 1G 模拟、仅限语音 打电话 2G 数字语音 打电话、发短信 3G 高速数据 浏览网页、处理多媒体 4G 更快速度，传输高质量视频 移动支付、高清视频 5G 高速率、低时延、万物互联 增强现实、物联网、远程医疗 对比学习 了解移动通信 阅读教材 学习新课 三、 整合与升华：走进信息时代 （一）构建“信息高速公路”概念： 教师提问：“我们刚才学习的卫星、光纤、移动通信网，它们之间是什么关系？” 引导学生得出：它们不是孤立的，而是被互联网这个“全球通信网络”整合在一起，形成了国家的“信息高速公路”。 讨论与反思： 正面影响：引导学生畅谈互联网的用途（远程医疗、线上学习等），感受其对社会生活的巨大推动。 社会责任：提出问题：“作为信息时代的公民，我们在享受便捷的同时，应承担哪些责任？”引导学生树立信息安全意识，遵守网络道德与法律法规。 国情教育融入：简要介绍我国在5G技术和北斗卫星导航系统领域的领先成就，增强民族自豪感。 （二）北斗卫星导航系统 阅读教材，了解北斗卫星导航系统 我国自主研制的北斗卫星导航系统于2020年7月31日正式开通。北斗卫星导航系统由三种不同轨道的卫星组成。24颗中圆地球轨道卫星是北斗三号系统的核心星座，它们确保了北斗卫星导航系统能均匀覆盖全球，在全球任何一个地方，用户都可以得到北斗卫星导航系统的高精度服务。3颗静止轨道卫星能为亚太地区提供大容量的短报文通信、精密单点定位等特色服务。 北斗卫星导航系统是通过卫星，利用电磁波对汽车、船舶、飞机实现即时定位的系统。例如，在汽车上安装北斗卫星导航系统，并在系统内部配上电子地图，不论汽车行驶到什么地方，只要打开系统，便可查询到汽车所在地点的经纬度、海拔和汽车所在区域的准确交通线路，以及线路的实时交通状况，甚至能根据指导选择最佳的路线。 【实践与练习】 1．我们在家中也能收看到其他地区的电视节目，其他地区的节目是怎样传送到家中电视机里的? 电视节目的传输主要依赖于卫星通信技术。电视台将节目信号发送到通信卫星，卫星接收到信号后进行放大和转发，再将信号传送到地面接收站。地面接收站对接收到的信号进行处理后，通过有线电视网络或无线广播的方式分发到千家万户。用户家中安装的机顶盒或电视机内置的接收装置能够解析这些信号，从而在屏幕上呈现出清晰的电视画面和声音。这种传输方式不仅实现了远距离、大范围的节目覆盖，还能保证较高的图像和声音质量。 2．如果家中安装了有线电视高清机顶盒，请依据说明书将它与电视机和输送有线电视信号的电缆正确连接。练习使用它的互动功能，主要包括点播影视节目、进行节目回放。 首先，确保高清机顶盒的电源线已正确插入电源插座，并将机顶盒与电视机通过HDMI线或AV线连接。接着，将输送有线电视信号的电缆接入机顶盒的信号输入端口。完成物理连接后，打开电视机和机顶盒的电源，切换电视机的输入源至对应的HDMI或AV模式。根据说明书提示，进入机顶盒的设置菜单，进行信号搜索和系统初始化操作，以确保设备能够正常接收信号。 在熟悉基本操作后，可以尝试使用机顶盒的互动功能。例如，通过遥控器进入点播界面，浏览并选择感兴趣的影视节目进行播放。如果需要回放某个节目，可进入回放功能模块，按照时间或节目名称查找相关内容。部分机顶盒还支持快进、快退以及暂停功能，方便用户灵活控制观看进度。此外，还可以探索其他附加功能，如查看节目预告、参与互动投票或获取实时资讯等，进一步提升使用体验。 3．了解常用的通信工具及其主要功能，并把了解到的相关情况介绍给你的同学。 可以先从日常生活中最常见的通信工具入手，例如手机、电子邮件和即时通讯软件。手机不仅能够实现语音通话，还可以通过短信或社交媒体应用进行文字交流。电子邮件则适合发送正式的文件或长篇内容，具有记录和存档的功能。即时通讯软件如微信、QQ等，因其便捷性和多功能性，成为人们快速沟通的首选工具。此外，还可以提及视频会议软件的应用场景，特别是在远程办公或学习中发挥的重要作用。将这些工具的特点和用途整理后，可以用清晰易懂的语言分享给同学，帮助他们更好地理解现代通信方式的多样性与便利性。 4．谈谈网络给自己的学习、生活带来了哪些影响。作为新时代的中学生，怎样才能在享受网络带来的便捷服务的同时，防范网络带来的风险? 网络对学习和生活的影响是多方面的。在学习上，它为我们提供了丰富的资源和便捷的查询方式，无论是查找资料还是在线学习课程，都能极大地提升效率。生活中，网络让购物、社交和娱乐变得更加方便，缩短了人与人之间的距离。然而，网络也伴随着一些风险，例如信息泄露、网络诈骗以及过度沉迷等问题。 作为中学生，我们应学会合理规划上网时间，避免长时间沉迷于游戏或无意义的内容。同时，要提高信息安全意识，不随意泄露个人隐私，谨慎对待陌生链接或可疑信息。此外，培养批判性思维，对网络上的信息进行甄别，避免盲目相信或传播不实内容。通过正确使用网络，我们可以在享受其便利的同时，有效规避潜在的危害。 阅读教材，畅所欲言 课 堂 练 习 1．中国的北斗系统正在服务全世界，“北斗”卫星向地面传递信息是利用（    ） A．电磁波 B．超声波 C．次声波 D．引力波 【答案】A 【详解】卫星作为中继站，利用微波传递信息，微波属于电磁波，故A符合题意，BCD不符合题意。 故选A。 2．华为折叠屏手机以其独特的设计和先进的技术在市场上占据了重要地位，如图是一款华为折叠屏5G手机，下列说法正确的是（　　） A．5G网络信息载体是超声波 B．5G网络下载速度和传播速度都比4G网络快 C．5G网络的频率比4G网络更高 D．折叠屏的柔性发光二极管主要由超导体材料制成的 【答案】C 【详解】ABC．5G网络信息载体是电磁波，5G网络下载速度比4G网络快，传播速度和4G网络一样，大小等于光速，波速一定时，波长与频率成反比，5G电磁波的波长比4G更短，5G网络的频率比4G网络更高，故AB错误，C正确； D．半导体具有单向导电性，常用于制作二极管，因此折叠屏的柔性发光二极管主要由半导体材料制成的，故D错误。 故选C。 3．当手机开启热点功能为电脑、平板等带有Wi-Fi功能的设备提供网络支撑时，它相当于（　　） A．无线路由器 B．微波中继站 C．服务器 D．基地台 【答案】A 【详解】A．利用手机的热点功能，其他无线设备可以通过手机进行上网，这时，手机的作用相当于一个提供网络连接的设备，具有类似功能的是无线路由器，因为无线路由器是负责建立和管理无线网络的设备，可以让多个无线设备连接到互联网，故A符合题意； B．微波中继站主要用于远距离通信中，对微波信号进行接力传输，以延伸通信距离，与手机热点功能不同，故B不符合题意； C．服务器是为网络中的其他设备提供各种服务（如数据存储、应用程序服务等）的高性能计算机，手机热点主要是共享网络，并非提供多种服务，故C不符合题意； D．基地台是移动通信中与移动电话终端进行通信的固定收发设备，主要用于实现移动电话与核心网之间的通信连接，和手机热点功能差异很大，故D不符合题意。 故选A。 4．波长在1cm至1mm之间的无线电波叫做毫米波，近年来利用毫米波制作的雷达被广泛应用于汽车领域。无线电波频段划分如图。则（　　） A．毫米波属于UHF频段的电磁波 B．毫米波在空气中的传播速度为340m/s C．6×1010Hz毫米波波长比8×1010Hz的波长长 D．UHF和SHF频段电磁波在真空中的传播速度不同 【答案】C 【详解】A．波长在1cm至1mm之间的无线电波叫做毫米波，即波长为10-3m～10-2m，根据图中波长确定是极高频波，不是属于UHF频段的电磁波，故A不符合题意； BD．毫米波也是电磁波，各种电磁波在空气中的传播速度近似等于在真空中的传播速度，大约为3×108m/s，UHF和SHF频段电磁波在真空中的传播速度相同，故BD不符合题意； C．根据图中知波长越短，频率越高，6×1010Hz毫米波波长比8×1010Hz的波长长，故C符合题意。 故选C。 5．汽车GPS导航仪与通信卫星之间通过 来传递信息，其在真空中的传播速度为 m/s；如图所示是表示音频、视频和射频三种信号的波形示意图，频率最高的是 信号． 【答案】电磁波；3×108；射频。 【详解】电磁波被广泛用来传递信息，且电磁波可以在真空中传播． 所以汽车GPS导航仪与通讯卫星之间通过电磁波来传递信息； 电磁波在真空中的传播速度与光速相同，为3×108m/s； 如图所示是表示音频、视频和射频三种信号的波形示意图，在相同时间内变化次数最多的频率最高，所以频率最高的是射频信号，实际应用时射频信号携带着视频和音频信号发射出去，将信息传递到远方． 6．随着社会的进步，光纤网络开始进入普通老百姓家庭，光纤的主要用途是 （通信、照明），激光在光导纤维中不断的 （反射、折射）．电磁波可作为信息的载体，电磁波的传播 介质（不需要、需要）．其频率越大，波长 ． 【答案】通信；反射；不需要；越短。 【详解】光纤已经成为现代通信的主要传输工具，它具有容量大、不受外界磁场的干扰、不怕腐蚀、不怕潮、能量损耗少等优点．光纤通信是利用激光从光纤的一端射入，在内壁上多次反射后在另一端反射出来；电磁波可以在真空中传播，即电磁波的传播不需要介质，电磁波的频率与波长成反比，即电磁波频率越大，波长越短． 7．某国产品牌手机具有北斗卫星消息的收发功能，如图所示，在身处荒漠无人区等无地面网络信号覆盖环境下，该手机可通过畅连APP将文字和位置信息向外发出，信息是通过 （选填“超声波”“次声波”或“电磁波”）传递的，手机收到信息会发“响铃”，铃声是由于发声物体 产生的。 【答案】电磁波；振动。 【详解】[1]卫星通信是利用电磁波来传递信息的，所以手机通过畅连APP发信息是通过电磁波传递。 [2]声音是由物体振动产生的，铃声是发声物体振动产生。 8．2024年5月，清华大学类脑计算研究中心团队研制出了世界首款类脑互补视觉芯片“天眸芯”。主要应用领域包括自动驾驶、智能无人系统和具身智能。“天眸芯”通过模仿人类视觉系统的特征，能够在复杂和极端的环境中实现高速、高精度和高动态范围的视觉信息采集，能够高效应对各种极端场景，显著提升自动驾驶系统的可靠性和安全性。“天眸芯”采用90nm背照式CMOS（主要成分包括硅和锗两种元素）基底，一个指甲盖大的“天眸芯”芯片含有上百亿个晶体管。请回答以下问题： （1）“天眸芯”主要采用 （选填“半导体”或“导体”）材料制成；晶体管的空间尺度 （选填“大于”或“小于”）原子空间尺度； （2）汽车自动驾驶时，汽车顶部的雷达发射出一束肉眼不可见的激光射向前方的障碍物，测出这束激光往返的时间，即可知道障碍物与自动驾驶汽车的距离。该测距方法主要利用了激光的 和 （填字母）； A．直线传播    B．反射    C．折射 （3）自动驾驶车的摄像头是车的“眼睛”，它的工作原理与 相同。（填“照相机”“投影仪”或“放大镜”），车顶的激光雷达可以接收北斗卫星的 （选填“超声波”、“次声波”或“电磁波”）信号，对车辆实现 （选填“厘米”或“米”）级的定位。 【答案】（1）半导体；大于；（2）A；B；（3）照相机；电磁波；厘米。 【详解】（1）[1]CMOS材料的主要成分硅和锗属于半导体材料，因此第一空填“半导体”。 [2]晶体管的尺寸为纳米级（如90nm），而原子直径约为0.1nm，因此晶体管空间尺度“大于”原子。 （2）[1][2]激光测距通过发射激光并接收反射信号计算距离，需利用激光的“直线传播”和“反射”特性，故分别为A、B。 （3）[1]摄像头成像原理与照相机相同，物体在镜头二倍焦距外成缩小的实像。 [2]电磁波可以传递信息，且能在真空中传播，因此北斗卫星通过电磁波传递信号。 [3]北斗系统要求高精度定位，因此应以厘米为单位，即对车辆实现“厘米”级定位。 板 书 设 计 三、信息的“高速路” 一、信息的“高速路” ├─ 电视信号：转换→调制→发射→接收→解调→还原 ├─ 远距离通信： │ ├─ 卫星通信（中继站） │ └─ 光纤通信（全反射，光缆） ├─ 移动通信：蜂窝网络（1G→5G） └─ 信息高速公路：互联网整合所有技术 课 堂 小 结 三、信息的“高速路” 作业布置 1．教材本节末“实践与探索” 2．配套同步“导学案”。 教学反思 1 / 1 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $