第3节 卫星通信和光纤通信（培优教学课件）物理新教材人教版九年级全一册

该初中物理课件聚焦卫星通信和光纤通信，以天问一号探测器案例导入，从电磁波特性出发，通过微波通信局限问题引出卫星通信原理，再过渡到光纤通信与激光应用，辅以实验演示和例题解析搭建学习支架。 亮点在于情境导入联系科技前沿，培养科学态度与责任，水流导光实验引导科学探究，结构化总结与实例练习强化物理观念和科学思维，含视频素材。学生能提升探究能力，教师可高效利用资源开展教学。

九年级全一册•人教版 第3节 卫星通信和光纤通信 第二十一章 电磁波及其应用 2020年7月23日，长征五号遥四运载火箭搭载着中国火星探测器天问一号从海南文昌航天发射场升空。经过半个多小时的飞行，探测器成功与火箭分离，并进入地火转移轨道，开启了奔向火星的旅程。在数亿千米的漫长旅途中，天问一号探测器多次调整姿态和改变轨道，还要向遥远的地球发回照片。科学家通过电磁波控制探测器的航行，探测器也是通过电磁波与遥远的地面联络、传递信号的。 下面，我们就来研究这神奇的电磁波吧！ 在无线电波中，微波的波长较短，频率较高。一条微波线路可以同时开通几千、几万路电话。微波的性质接近光波，大致沿直线传播，不能沿地球表面绕射。 我们怎样才能把微波信号传递到远方呢？ 导入新课 微波通信接收装置 学习目标 物理观念 初步了解卫星通信和光纤通信的原理，能解释有关现象。 科学思维 通过阅读卫星通信和光纤通信的相关材料进行学习，发展通过阅读提取重要信息、分析、归纳的能力。 科学探究 经历水流导光的实验过程，发展科学探究能力。 科学态度 与责任 了解通信方式的变革为人类生活带来的便利，体会物理学对社会发展的促进作用。 教学重点：卫星通信、光纤通信、网络通信。 教学难点：网络通信和光纤通信的原理。 重点难点 1. 卫星通信 2. 光纤通信 3. 激光的应用 4. 课堂总结 5. 练习与应用 6. 提升训练 学习内容 一、卫星通信 第3节 卫星通信和光纤通信 一、卫星通信 （1）微波的波长和频率 微波波长在 10m~1mm之间，频率 30MHz~3×105MHz之间。 （2）微波的性质 微波的性质接近光波，大致沿直线传播，不能沿地球表面绕射。 1. 微波通信 波长在10m~ 1mm，频率 30MHz~3×105MHz之间 一、卫星通信 （3）微波中继站 由于微波大致沿直线传播，所以要想让它沿地球表面传播就要设中继站。通常每隔50km左右就要建设一个微波中继站，把上一站传来的信号处理后，再发射到下一站去。要想使信号传递的距离越远，那么需要的中继站就越多。 一、卫星通信 在遇到雪山、大洋，根本无法建设中继站时，又该怎么办？能不能利用地球的卫星——月球进行微波中继通信呢？ 月球是地球的卫星，可以反射微波，但它离我们太远了——38万千米！信号衰减、时间延迟，而且只有当两个通信点同时见到月亮时，才能完成这两点间的通信。 解决方案： 使用人造卫星通信 一、卫星通信 2. 卫星通信 （1）卫星通信：用通信卫星作为微波中继站来进行通信。 （2）同步通信 地球同步卫星距离地球约36000km，地球同步卫星绕地球转动的周期跟地球自转的周期相同，所以叫作“同步”卫星。 一、卫星通信 （3）全球通信 在地球的周围均匀地配置三颗通信卫星，就可以覆盖几乎全部的地球表面，实现全球通信。 用3颗地球静止卫星就可以实现全球通信 一、卫星通信 （4）卫星通信的组成 由通信卫星、地面站和传输系统三部分组成。卫星通信的工作原理是将卫星发射到赤道上空36000km处的对地静止轨道上，利用卫星上的通信转发器接收由地面站发射的信号，并对信号进行放大变频后转发给其他地面站，从而完成两个地面站之间的传输。 一颗通信卫星就是一个微波中继站 一、卫星通信 （5）卫星通信特点 通信范围大，只要在卫星发射的电磁波覆盖的范围内均可进行通信；不易受陆地灾害影响，建设速度快；易于实现广播和多址通信。 一、卫星通信 （6）北斗卫星导航系统 利用卫星来发射和接收电磁波信号的应用非常广泛。例如，北斗卫星导航系统是中国着眼于国家安全和经济社会发展需要，自主建设、独立运行的卫星导航系统，是为全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务的国家重要空间基础设施。 使用北斗卫星导航系统的无人驾驶车辆 一、卫星通信 【例题1】人们从某电视直播节目中获知，在北京2022年冬奥会自由式滑雪女子大跳台决赛中，中国选手谷爱凌夺得冠军！该电视节目的信号是通过卫星传送的，属于卫星通信。关于卫星通信，下列说法正确的是（　　） A．卫星通信使用的是中波或者短波 B．通信卫星只能用来传递声音信号 C．卫星通信就是利用卫星来向地面发射电磁波 D．通信卫星既能传递声音信号，又能传递图像信号 D 【解析】AC．卫星通信是利用卫星作为中继站，来转发接收到的无线电波（微波）的，故AC错误；BD．电磁波可以传递信息，卫星通信既能传递声信号又能传递图像信号，故B错误，D正确。故选D。 二、光纤通信 第3节 卫星通信和光纤通信 二、光纤通信 我们已经知道，电磁波的传播速度等于光速，实际上光也是一种电磁波。与短波、微波相比，光的频率更高。如果用光来通信，相同时间可以传递更多的信息。不过，普通的光源包含了许多不同波长（频率）的光，难以用它携带信息。 （1）激光的特点：1960年，美国科学家梅曼制成了世界上第一台红宝石激光器，它能产生频率单一、方向高度集中的光——激光。 （2）光纤通信：物理学家提出用光纤通信的构想，这使得用光进行通信的梦想得以实现。通信用的激光一般在特殊的管道——光导纤维（简称光纤）里传播。 1. 光纤通信 二、光纤通信 （1）光导纤维：简称光纤，是一种非常细的玻璃丝，激光可在光纤里传播，不受外界干扰。 2. 光导纤维 实用的光纤是比人的头发丝稍粗的玻璃丝，通信用光纤的外径一般为125~140μm。一般所说的光纤是由纤芯和包层组成，纤芯完成信号的传输，包层与纤芯的折射率不同，将光信号封闭在纤芯中传输并起到保护纤芯的作用。工程中一般将多条光纤固定在一起构成光缆。 二、光纤通信 光沿着水流传播 ①演示实验—《水流导光》 （2）光导纤维传光原理 光不但能沿直线传播，也可以沿着弯曲的水流传播 二、光纤通信 如图所示，光从光导纤维的一端射入，在内壁上多次反射后从另一端射出，这样就把它携带的信息传到了远方。光导纤维是很细很细的玻璃丝，通常将数条光纤并成一束再敷上保护层，制成光缆，用来传递电视、电话等多种信息。由于光的频率很高，所以光在一定时间内可以传输大量信息。 3. 光纤通信 二、光纤通信 （1）传输频带极宽，通信容量很大； （2）光纤衰减小，无中继设备，传输距离远； （3）不受电磁干扰，通信质量高，保密性好。 4. 光纤通信的优点 二、光纤通信 1966年，华裔物理学家高锟提出用光纤通信的构想，并得以实现，高锟被誉为“光纤之父”。 1960年，美国物理学家西奥多·梅曼在佛罗里达州迈阿密的研究实验室里，制成了世界上第一台红宝石激光器。 光纤通讯技术的发展 光纤通讯技术是近几十年才发展起来的。 二、光纤通信 我国光缆通信的发展十分迅速，目前光缆可以通达所有地区，而且还与其他国家合作修建了跨越太平洋的海底光缆。随着互联网的进一步发展，移动通信网络的建设，物联网等新应用的不断涌现，光纤通信将迎来更广阔的发展空间。 二、光纤通信 【例题2】光纤通信已成为现代通信的主要支柱之一，关于光纤以下说法正确的是（　　） A．光纤是超导体 B．光波在光纤中不断折射向前传播 C．光波在光纤中的传播速度为3×108m/s D．光纤不导电，不会受外界电磁场的干扰 D 【解析】AD．光纤的材料是二氧化硅，即玻璃丝，属于绝缘体，不导电，不会受外界磁场的干扰，故A错误，D正确； B．光纤通信是利用光波在光纤中不断反射向前传播，故B错误； C．光波属于电磁波，电磁波在真空中的传播速度是3×108m/s，在玻璃中的传播速度小于传播速度，故C错误。故选D。 三、激光的应用 第3节 卫星通信和光纤通信 三、激光的应用 激光束的方向性特别好，在传播很远的距离后仍能保持一定的强度。激光的这个特点使它可以用来进行精确的测距。对准目标发出一个极短的激光脉冲，测量发射脉冲和收到反射脉冲的时间间隔，就可以求出与目标的距离。 1. 激光测距雷达 除了通信，激光还有许多其他应用。 激光测距雷达就是根据这个原理制成的。 三、激光的应用 激光还有一个特点是亮度高，也就是说它可以在很小的空间和很短的时间内集中很大的能量。如果把强大的激光束会聚起来照射到物体上，就可以使物体的被照部分迅速上升到极高的温度并熔化。 2. 激光的其他一些应用 激光切割晶片示意 因此，我们可以利用激光束来切割各种物质、焊接金属以及在硬质材料上打孔。医学上可以用激光作为“光刀”切除肿瘤，还可以用激光“焊接”脱落的视网膜。强激光可以在瞬间破坏敌人的飞行器，这是军事研究的重要方向。 此外，利用几十阿秒（10-18s）的激光脉冲可以“捕捉”原子内电子的运动， 使人类对微观世界的观察接近极致。 【例题3】半导体芯片的发明是二十世纪的一项创举，它开创了信息时代的先河。光刻机是芯片制造的核心设备之一。光刻机使用的是一种非线性光学晶体材料，它能够将激光转化为史无前例的176纳米波长深紫外激光，从而制造出深紫外固体激光器。激光的平行度特别好，在传播很远的距离后仍能保持一定的距离。激光在空气中的传播速度大约是________m/s。请你写出一条激光在生活中的应用： __________ 。 3×108 【解析】激光在空气中的传播速度非常接近在真空中的光速，大约是3×108m/s。 光纤通信是利用激光在光导纤维中发生反射传递信息的。 三、激光的应用 通信 四、课堂总结 第3节 卫星通信和光纤通信 四、课堂总结 ①微波：波长在10m~1mm之间，频率在 30MHz~3×105MHz之间。大致沿直线传播。 ②微波通信：利用微波中继站传递信号。 ③卫星通信：利用通信卫星做微波通信的中继站来进行通信的方式。三颗同步卫星几乎可实现全球通信。 ④卫星通信的组成：同步通信卫星、地面站。 ①激光的特点：频率单一、方向高度集中；方向性好，亮度高。 ②激光的应用：光纤通信；激光测距雷达；激光切割晶片；切除肿瘤；破坏敌人的飞行器等。 卫星 通信 光纤 通信 卫星通信和光纤通信 五、练习与应用 第3节 卫星通信和光纤通信 【解析】实现全球通信至少需要3颗地球静止卫星。信息传递路径大概是：地球背面的信息通过电磁波传递到能够覆盖其所在地区的卫星上，再通过卫星之间传递，最后由卫星发射到它能覆盖到的需要该信息的地区，参见图。 五、练习与应用 1. 我们用地球静止卫星作为微波通信的中继站来实现全球通信，至少需要几颗地球静止卫星？要通过地球静止卫星适时地获得地球背面的信息，其信息传递路径大概是怎样的？ 【解析】无线电波传播的距离为s=36000km×2=72000km 延迟时间为 五、练习与应用 2. 天通一号卫星移动通信系统由中国自主研制建设，用它作为中继站可以实现卫星通话。用手机通过卫星通话时，会感到对方的反应有些延迟。造成这种延迟的一个原因是，无线电波在射向卫星和从卫星返回时需要一定的时间。已知卫星与地面通话手机的距离约为36 000 km，假设信号的接收与发射都是由同一颗卫星完成的，请你估算延迟的时间。 【解析】卫星通信：卫星电话、卫星导航等。 光纤通信：宽带网络等。 五、练习与应用 3. 我们的生活已经离不开信息的传递。我们不知不觉地把各种通信方式融入自己的生活和工作之中。请想一想，自己哪些地方用到了卫星通信和光纤通信。各举一个例子。 六、课堂练习 第3节 卫星通信和光纤通信 六、课堂练习 1．如图所示，降落在月球背面的嫦娥四号登月探测器，借助鹊桥中继卫星向地球传送信息。利用的是（　　） A．次声波 B．无线电波 C．红外线 D．超声波 B 【解析】卫星是通过电磁波和地球进行信息交流的，借助鹊桥中继卫星向地球传送信息，利用的是电磁波，即无线电波。故ACD不符合题意，B符合题意。 故选B。 六、课堂练习 2．如图是小明总结的思维图的一部分，请你帮助小明补全空缺。 【解析】电磁波的传播不需要介质，卫星通讯利用电磁波传递信息。 光纤通信是利用激光从光导纤维的一端射入，在内壁上多次反射，从另一端射出传递信息。 电磁波 反射 六、课堂练习 3．光纤通信主要利用波长很_____ （选填“短”或“长”）的激光传输信息。 如图所示，激光从光纤一端射入，在内壁上多次_____ ，从另一端射出，把信息传到远方，无线电广播的音频信号在发射出去之前，必须加载到频率更_____ （选填“高”或“低”）的电流信号上。 高 【解析】光纤是利用激光传播信息的，作为载体的无线电波，频率越高，相同时间内传输的信息量越多，激光的频率比较高，波长较短，相同的时间内就可以传递大量的信息。 光纤通信是利用激光传输信息的，从光纤的一端射入，在内壁上多次反射后在另一端放射出来，然后在接收端，检测器收到光信号后把它变换成电信号，经解调后恢复原信息；无线电广播的音频信号在发射出去之前，必须加载到频率更高的电流信号上。 短 反射 六、课堂练习 4．如图所示的“智轨”电车采用激光雷达感知技术、毫米波雷达感知技术等环境感知手段，获得安全防护信息。雷达感知技术是通过信号发射系统向环境发射信号，然后信号接收系统接收到来自环境反射回来的信号而获得周边环境的信息。下列说法正确的是（ ） A．毫米波雷达感知技术利用超声波传递信息 B．激光雷达感知技术利用电磁波传递信息 C．毫米波的传播需要介质，激光的传播 不需要介质 D．毫米波传播的速度比激光小 B 六、课堂练习 【解析】A．超声波是频率高于20000Hz的声波，属于声波的一种。而毫米波是电磁波的一种，毫米波雷达感知技术是利用毫米波来传递信息的，并非超声波，故A错误； B．激光属于电磁波的一种。 激光雷达感知技术是通过发射激光信号，然后接收反射回来的激光信号来获得周边环境的信息，故B正确； C．毫米波是电磁波，电磁波的传播不需要介质，它可以在真空中传播；激光同样属于电磁波，其传播也不需要介质，在真空中也能以光速传播。故C错误； D．在真空中，所有电磁波的传播速度都相同，都等于光速c=3×108m/s。 毫米波和激光都属于电磁波，它们在真空中的传播速度相等；在其他介质中，虽然传播速度会小于真空中的速度，但二者在相同介质中的传播速度仍然是相等的，故D错误。 故选B。 【解析】A．激光在光缆中传播发生的是全反射，不是光的折射，故A错误； B．用于通信的激光在光纤中传播，而不是在空中传播的，故B错误； C．由于光在光导纤维中全反射传播，传播轨迹是折线，，故C错误； D．光纤通信一般利用是红外线要比短波、微波通信使用电磁波频率高，波长短，所以容量更大，故D正确。故选D。 六、课堂练习 5．关于光纤通信，下列说法中正确的是（ ） A．载有信息的激光在光缆的内壁上不断地发生光的折射，把信息从一端 传到了光缆的另一端 B．用于通信的激光 是在空中传播的 C．光在光导纤维中的传播是直线传播 D．光纤通信要比短波、微波通信容量更宽 D （2）实验中从瓶中流出的水柱相当于激光通信中的_____，由此说明用来进行激光通信的导管_____ （填“能”或“不能”）弯曲； （3）猜想：在激光通信中，同一根导管能不能同时传导多束激光束而不致相互干扰？ _____ 。 6. 在一个无色大塑料瓶的侧壁靠底部的位置，钻一个小孔，在瓶中装满水，用胶带粘住小孔，在瓶的另一侧放一只激光电筒，调节光束的方向，让光束正好能射中对面的小孔。如图所示，揭下胶带，让水流到下面盆里，你会看到光随着弯弯的水流照到盆底，在盆底产生一个光斑。 （1）在这个实验中，激光电筒的光束沿水流的内壁经过多次_____（填“反”或“折”）射，最后射到盆底的； 反 六、课堂练习 能 光纤 能 六、课堂练习 【解析】（1）由图可知，激光电筒的光束是沿水流的内壁，多次反射后，射到盆底。 （2）激光在传输过程中，从光导纤维的一端射入后，在光导纤维内壁上要发生多次反射，并从另一端射出，这样就把它携带的信息传到远方。 实验中从瓶中流出的水柱相当于激光通信中的光导纤维，所以，用来进行激光通信的导管能弯曲。 （3）光纤通信的容量大，不受外界条件的干扰，传播很远，通信质量很高，在激光通信中，每一根光导纤维中能同时传导多束激光信号而不致相互干扰。 Lavf59.27.100 $