第三节 跨学科：电磁波与信息技术（表格式教学设计）物理沪科版2024九年级全一册

该初中物理教学设计聚焦电磁波与信息技术，涵盖光纤通信、现代电信网络及互联网核心知识。通过播放5G视频通话、光纤铺设短视频导入，提问衔接光学与科技应用，搭建从基础到现代技术的学习支架。 此设计以科学探究（观察光在光纤传播实验）、科学思维（对比光纤优势、梳理通信原理）为特色，用“接力赛”类比微波中继助理解，跨学科整合生活实例。培养学生实验与系统思维能力，教师可直观落实核心素养，提升教学效率。

第三节 跨学科：电磁波与信息技术（教学设计） 年级 九年级 学科 物理 课时数 1课时 教师 课题 第三节 跨学科：电磁波与信息技术 教学 目标 物理观念 了解光纤的构成，知道光纤利用光波传播信号，明白光纤通信的特点及应用；了解卫星、微波、移动通信及互联网相关知识。 科学思维 通过分析光纤通信优势，培养对比分析能力；能对不同通信方式原理进行逻辑梳理。 科学探究 经历“观察光在光纤中传播”实验，提高观察与动手能力；与同学讨论实验现象，提升合作交流及归纳能力。 科学态度 与责任 以严谨态度探究通信知识，认识通信技术对生活的影响，增强探索科技知识的热情。 教材 分析 本节围绕信息传递技术展开，涉及光在光纤中的全反射原理、电磁波在通信中的应用及互联网的信息共享功能，知识上衔接光学与现代科技应用，体现物理与生活的联系。重点是理解光纤传输的原理和三种无线通信方式的特点，难点在于抽象概念如全反射和信号接力的理解。教学应以观察实验切入，结合示意图讲清光的传播路径，通过类比“接力赛”帮助理解微波中继。学习活动可设计为小组讨论与模拟演示，目标定位在能解释光纤抗干扰性强的原因及比较不同通信方式的适用场景，最终达成对信息传输物理本质的认知与科技素养的提升。 学情分析 学生此前已了解简单的电路知识及信息传递的初步概念。此阶段学生逻辑思维能力增强，对新鲜事物充满好奇，知识储备有所提升。教材重难点在于理解光纤通信原理、不同电信网络特点及互联网应用。要求学生明白光纤传播光信号的原理、各电信网络的工作方式，体会互联网对信息共享的作用，培养对通信技术的兴趣，能够将所学知识与生活中的通信现象建立联系。 教学重点 通过实验观察，理解光在光纤中的传播原理。 结合实例，掌握光纤通信的传输特点及其优势。 教学重点 理解光在光纤中传播时不会跑到外层的原理。 分析光纤通信在信息传输中的实际应用及其重要性。 教学过程 教学活动 设计意图 导入新课 【情景提问】 1. 展示情境：播放两段短视频：① 5G 网络下高清视频通话、高速下载文件；② 光纤铺设、海底光缆连接全球的场景； 2. 提问引导： - “我们能实现千里之外的高清通话、秒下载电影，信息是通过什么载体传递的？”（电磁波，含光波） - “为什么光纤能支撑海量信息的远距离传输？手机信号又是如何覆盖全球的？” 3. 引出课题：本节课从跨学科视角，探究 “电磁波与信息技术” 的关联，揭秘通信网络的奥秘。 从生活熟悉的信息技术场景切入，引发认知冲突，自然关联课题，激发探究兴趣。 学习新课 一、光纤通信 1. 光纤 （1）光纤：光纤是光导纤维的简称， 是由玻璃或塑料等材料制成的纤维。光纤是利用光波（即可见光）传播信号的，是信息社会传送各种信息的主要工具。 运用光纤传送信息的容量，比运用电线传送信息的容量要大很多。一根光纤能同时传输相当于10 000根电线所传输的信息量。随着科学技术的发展, 光纤能传送的信息容量还会更大。 （2） 光导纤维传光原理 光导纤维传播激光的原理是光的全反射。光纤很细，有内外两层，由于内外层的折射本领不一样。携带信息的激光从光导纤维的一端射入，在光纤内部发生全反射，从另一端射出，这样就把它携带的信息传到了远方。 2. 光纤通信 （1）光纤的特点：光纤的抗干扰能力强，能有效减少信号的衰减，适用于远距离、大容量传输信息。 （2）光纤通信网络：由于光纤传输信号容量及抗干扰能力的优异特性，现已成为互联网地面信号传输的主要媒介，由其组建的网络又称为光纤通信网络。 3.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。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。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”。 【例1】历经四十年的发展，中国光纤光缆行业已经占据世界半壁江山，为现代通讯做出了突出贡献，体现了大国精神、大国担当。现代信息高速公路，是卫星通信和光纤维通信等高速、大容量信息传输通道的俗称，光纤维通信传输信息的载体是（　　） A．微波 B．光波 C．无线电波 D．超声波 【答案】B 【解析】光纤通信传输的信息的载体是光波，因为光波可以携带大量的信息，故ACD不符合题意，B符合题意。 故选B。 通过实物观察、动手实验、优势分析，三层递进落实光纤通信的知识，突破 “光在弯曲光纤中传播” 的难点，培养实验探究能力。 学习新课 二、二、现代电信网络 人们每天都在打电话，其实，要打通一个电话可没想象中那么简单。电话系统由许多有线、无线网络构成，以下扼要展示卫星通信、微波通信及移动通信在无线电通信中发挥的作用。 1. 卫星通信 （1）概念 卫星把地面站送来的信号接收后，进行放大，再转发给另外的地面站。 （2）组成 卫星通信系统由通信卫星、地面站和传输系统三部分组成。通信卫星接收从一个地面站发射来的信号，经过处理后，再发送到另一个或几个地面站。 在地球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。 微波炉 （3）卫星通信的优缺点 优点：卫星通信具有覆盖面大、通信距离长、不受地理环境限制等许多独特的优点，尤其在长距离、边远山区和抢险救灾等的通信中更是大显身手。 缺点：造价较高、有零点几秒的时间延迟、保密性不好。 2. 微波通信 （1）概念 微波通信像接力赛，每隔几十千米修建一座接力站，接收并放大信号，继续传送。这就像接力赛跑一样，一棒传一棒，可以把信息传递到远方。 2）优点 作为载体的电磁波，频率越高 ，相同时间内可以传输的信息就越多。微波比中波和短波的频率更高 ，可以传递更多的信息。一条微波线路可以同时开通几千、几万路电话。 （3）缺点 微波的性质更接近光波，大致沿直线传播，不能沿地球表面绕射。微波通信每隔50km左右就需要建一个微波中继站。信号传递的距离越远，需要的中继站就越多。遇到雪山和大洋无法建中继站时，微波通信就无法继续。现在，人类可以用通信卫星做中继站来进进行通信。 3. 移动通信 （1）移动电话 移动电话用微波信号与电话网络联系。既是无线电发射台又是无线电接收台。它用电磁波把讲话的信息发射到空中；同时它又在空中捕获电磁波，得到对方讲话的信息。 （2）基地台 移动通信的基地台是按蜂窝的构造布局的，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地台数量。因而移动电话也被称为“蜂窝电话”。 第五代移动通信技术简称5G。移动通信技术已历经第一代、第二代、第三代、第四代发展，每一次代际跃迁都极大地促进了产业升级和经济社会发展。 与4G相比，5G最大的优势在于其更高的速度和更低的延迟，是实现人机物互联的网络基础设施，是移动互联网及其服务蓬勃发展的基础，也是目前改变世界的几种主要技术之一。 国际电信联盟（ITU）定义了5G的八大关键性能指标，其中高速率、低时延、大连接成为5G最突出的特征，用户体验速率达1Gbps时延低至1ms，用户连接能力达每平方千米百万连接。 【例1】北斗卫星导航系统是我国自行研制的全球卫星定位与通信系统（BDS）。许多公交车安装了BDS系统，通过BDS系统可显示汽车的行驶方向、车速、与后车距离等信息。实现BDS系统与卫星信号传输的是（ ） A．可见光 B．微波 C．红外线 D．紫外线 【答案】B 【解析】在卫星通信中，人类利用通信卫星做微波通信的中继站来进行通信。可知，BDS接收器通过接收卫星发射的微波信号，实现对车辆的精确定位并导航。故B符合题意，ACD不符合题意。 故选B。 通过示意图辅助、实例解析，系统梳理现代电信网络的组成与工作机制，突破 “系统协同” 的难点，培养系统思维能力。 三、互联网 1. 互联网： 互联网将分布于世界各地的计算机网络连接起来，用来传送计算机信号。 2. 互联网的应用 （1）获取信息 人们通过计算机，进入互联网这个信息高速公路，足不出户就可获得世界各地的各种信息，即便你足不出户也能了解天下大事。网络让我们即使远隔千山万水，也仿佛近在咫尺。 （2）网络学校 互联网为我们提供了崭新的学习方式— 网络学校。互联网让图书馆和实验室都能“进入”你的家里，随时随地打开计算机，你就可开始学习。 （3）网上医院 网上医院使医生与患者能通过互联网及时传递信息，患者无需和医生面对面，就能获得专业咨询和诊断。 互联网使信息在全球范围内得到了高速共享。 （4）网络购物 近年来随着互联网技术的不断发展，使得线上购物成为中国网民不可缺少的消费渠道之一。截止到2019年上半年，我国网络购物用户规模达6.39亿，占网民整体的74.8%。其中手机网络购物用户规模达6.22亿，占手机网民的73.4%。 跨越千年：从烽火台到“5G +北斗”导航 在人类文明历程中，信息的产生和传播一直备受关注。我国古代就有了烽火传递信息的方法，主要用于军事，后来驿站的建立完善了通信体系。古代信息的传递速度受限于交通工具，直到电磁波的发现，才真正让天涯变为咫尺。借助电磁波，现代通信网络已覆盖了地球的各个角落，世界变成了 “地球村”。 我国在移动通信和卫星通信领域都取得了丰硕的成果。我国自行研制的北斗卫星导航系统，在卫星通信领域有着明显的优势和潜力，同时具备高精度定位和通信功能，可广泛应用于交通运输、海洋探测、天气预报等多个领域。如果5G与北斗融合，北斗可支撑“G网络安全高效运行，5G可增强北斗导航服务能力，将能提供高精度、连续稳定的时空信息服务，进而服务于智慧城市、无人系统、万物互联等多个场景。 【例1】下列关于计算机网络的说法正确的是（ ） A．同一个办公室里的几台计算机不可能建立网络 B．把几台计算机用信号线直接连接起来就成为网络 C．网络通信既能传递文字，还能传递图像和声音 D．用笔记本电脑进行无线上网不属于网络通信 【答案】C 【解析】 A．同一个办公室里的几台计算机可能建立网络，故A错误； B．把几台计算机用信号线直接连接起来不是网络，故B错误； C．网络通信既能传递文字，还能传递图象和声音，故C正确； D．用笔记本电脑进行无线上网属于网络通信，故D错误。 故选C。 从跨学科视角整合技术、社会、生活，既体会信息技术的价值，又培养理性看待技术的态度，落实科学态度与责任目标。 课 堂 练 习 一、单选题 1．如图所示的现象中，利用光的折射现象的是（　　） A．日晷计时 B．光导纤维 C．海市蜃楼 D．潜望镜 【答案】C 【详解】A．日晷计时是利用光沿直线传播形成的影子来计时的，故A不符合题意； B．光导纤维是利用光的反射原理，故B不符合题意； C．海市蜃楼是由于空气密度不均匀，发生光的折射形成的虚像，故C符合题意； D．潜望镜使用的是平面镜，利用的是光的反射，故D不符合题意。 故选C。 2．2024年春运期间，我国自主生产的C919飞机首次投入春运，深受国人的喜爱。此飞机在空中飞行时，跟地面上联系用的是（   ） A．光纤通信 B．超声波 C．广播和电视 D．电磁波 【答案】D 【详解】飞机在空中飞行时，与地面联系是利用电磁波。因为电磁波可以在真空中和空气中传播，而超声波不能在真空中传播且传输距离有限，光纤通信需要铺设光缆，广播和电视本质也是电磁波，但属于单向传播的民用信号，非专用航空通信手段。故D符合题意，ABC不符合题意。 故选D。 3．关于信息，下列说法正确的是（　　） A．微波是一种无线电波，微波通信时可以沿地球表面绕射 B．通信卫星相当于一个太空微波中继站，它是用来转发地面站发送来的信号的 C．光纤通信是激光利用光的折射来传递信息的 D．微波通信、卫星通信、光纤通信、网络通信都是靠电磁波传递信息的 【答案】B 【详解】A．微波的传播与光的传播相同，沿直线传播，则微波通信时不可以沿地球表面绕射，故A错误； B．卫星通信就是利用卫星作为中继站来转发无线电波而进行的两个或多个地球站之间的通信，故B正确； C．光纤通信是利用激光在光导纤维中通过光的反射原理来传递信息，而不是通过折射原理，故C错误； D．微波通信、卫星通信、光纤通信都是靠电磁波传递信息，但网络通信还可以通过导线传输电信号来传递信息，故不都是靠电磁波传递信息的，故D错误。 故选B。 4．用收音机接收无线电广播时，收音机中承担选台工作的是（　　） A．接收天线 B．调谐器 C．调制器 D．扬声器 【答案】B 【详解】收音机是无线电广播信号的接收装置，用电线接收电磁波，用调谐器选出需要的信号，即选台。故B符合题意，ACD不符合题意。 故选B。 二、填空题 5．光纤利用激光传递信息，由于激光具有较高的 （选填“速度”“频率”或“能量”），在一定时间内可以传输大量信息。光波 （选填“属于”或“不属于”）电磁波。 【答案】 频率 属于 【详解】[1]激光的高频率特性使其能在相同时间内完成更多数据传输，这是光纤通信容量大的核心原因之一。 [2]电磁波谱包括可见光，因此光波是电磁波的一种。 6．信鸽能从2000km以外的地方准确地飞回“家中”，研究表明，原来信鸽是利用 （选填“地磁场”或“电磁波”）来导航的。光纤是信息传递的一种重要工具，光可以从任意弯曲的光纤一端传向另一端，似乎光在其中能随意“转弯”，其实这是光在光纤内壁多次 （选填“反射”或“折射”）而实现的。光纤利用激光传递信息，大幅提高了信息传输量，是因为激光具有较高的 （选填“速度”或“频率”）。 【答案】 地磁场 反射 频率 【详解】[1]地球相当于一个巨大的磁体，鸽子在飞行时是靠地磁场来导航的。 [2]光纤通信利用的就是全反射的原理，光纤在结构上有中心和外皮两种不同介质，光从中心传播时遇到光纤弯曲处，会发生全反射现象，而保证光线不会泄漏到光纤外。 [3]光纤是信息传递的一种重要工具，由于激光的频率很高，在光导纤维中利用激光传递信息大幅提高了信息传输量。 7．手机是现代人离不开的通信工具。手机信号 （选填“能”或“不能”）在真空中传播；手机的发射频率低，需要有设备转接，在同一区域手机间的通信方式是手机甲→ →手机乙。 【答案】 能 基站 【详解】[1]手机本身既是无线发射台也是无线接收台， 手机信号是电磁波，能在真空中传播； [2]手机发射频率较低，信号覆盖范围有限，无法直接实现远距离或同一区域内的直接通信。需通过 “基站”（又称信号塔）作为中间转接设备，先接收手机甲的信号，再放大并转发给手机乙。 8．2025年4月11日凌晨，我国成功发射通信技术试验卫星十七号。卫星十七号随火箭加速升空的过程中，卫星十七号的机械能 ，地面控制室是通过 和卫星十七号传递信息的。 【答案】 增大 电磁波 【解析】【小题1】[1]卫星十七号随火箭加速升空的过程中，质量不变，速度增大，动能增大；高度增加，重力势能增大。因为机械能等于动能与重力势能之和，所以卫星十七号的机械能增大。 [2]由于太空中是真空环境，声音无法传播，而电磁波可以在真空中传播，所以地面控制室是通过电磁波与卫星十七号传递信息的。 板 书 设 计 1. 光纤通信 · 结构：玻璃/塑料纤维，内外层折射本领不同 · 原理：全反射（光不逃逸外层） · 优势：容量大（1光纤=10⁴电线）、抗干扰、低衰减 2. 现代电信网络 · 卫星通信：接收→放大→转发 · 微波通信：接力站中继传输 · 移动通信：蜂窝基站布局（增大覆盖，减少数量） 3. 互联网 · 功能：全球计算机联网，高速信息共享 · 应用：在线学习（网络学校）、远程医疗 · 特点：打破时空限制，"信息高速公路" 课 堂 小 结 作业布置 1. 完成课后作业：“实践与练习” 2. 配套同步分层作业 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 $