第四节 现代通信（导学案）物理新教材鲁科版（五四学制）九年级下册

该初中物理导学案聚焦现代通信，涵盖卫星通信、光纤通信、水声通信和量子通信等核心内容。通过自主预习问题引导学生回顾微波传播特性，衔接中继站作用与卫星通信原理，构建从基础原理到实际应用的学习支架。 资料以任务驱动设计探究活动，如卫星通信组成与覆盖原理分析，结合北斗系统增强民族自豪感，体现科学态度与责任。光纤通信实验演示激光全反射传播，例题与课堂练习分层设计，培养科学思维与探究能力，课堂总结含思维导图助力知识梳理。

第4节 现代通信（导学案） 【学习目标】 1. 知道微波大致沿直线传播及中继站作用；了解卫星通信原理，知道同步卫星覆盖地球的条件；知道激光的特点及光纤通信原理。 2. 认识卫星通信、光纤通信在生活中的应用价值；了解北斗系统，增强民族自豪感和科技探索意识。 3.了解水声通信和量子通信。 【学习重点】 理解卫星通信的基本原理；结合实验演示，掌握光纤通信中激光的传播方式。 【学习难点】 理解同步卫星实现全球通信的覆盖原理。 【自主预习】 阅读课本P85--89内容，并解答以下问题： 1. 卫星通信：利用通信卫星做微波通信的 来进行通信的方式叫卫星通信。 颗同步卫星几乎可实现全球通信。 2. 光纤通信：激光的特点是频率 、方向高度 。光纤通信是利 在光纤中传输信号的。光纤由中央的玻璃芯和外面的反射层、保护层构成的，可以传输大量的信息。 3. 网络通信：将数台计算机通过各种方式联结在一起，便组成了网络通信。现在世界上最大的计算机网络叫 。人们经常使用的网络通信方式是电子邮件 （e-mail），传递信息既快又方便。 【探究新知】 【学习任务一】卫星通信 1.什么是卫星通信： 利用 做微波通信的中继站来进行通信的方式叫卫星通信。 在地球周围均匀地配置 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。 2.为什么要使用卫星通信： 因为在无线电波中，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。 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。 3.卫星通信的组成和原理： （1）组成： 由 和传输系统三部分组成。 （2）星通信的原理： 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 由地面站发射的信号，并对信号进行放大变频后 给其他地面站，从而完成两个地面站之间的传输。 4.卫星通信的特点： 通信范围 ，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。 5.北斗卫星导航系统： 系统是我国自主建设运行的全球卫星导航系统，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时空基础设施。 【例题1】通信卫星相当于微波通信的 。通信卫星大多是相对地球“ ”的同步卫星，在地球的周围均匀地配置3颗同步通信卫星，就覆盖了几乎全部地球表面，可以实现 。 【例题2】（多选题）北斗卫星导航系统（BeiDou Navigation Satellite System）是我国自主发展、独立运行的卫星导航系统。从2018年12月26日开始提供全球服务，标志着北斗卫星导航系统正式迈入全球时代。如图所示的北斗卫星导航系统由空间段、地面段和用户段三部分组成：空间段包括5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星，地面段包括主控站、注入站和监测站等若干个地面站，用户段包括北斗用户终端以及与其他卫星导航系统兼容的终端。在北斗卫星导航系统中（　　） A．各部分间利用超声波进行信息传递 B．太阳能帆板是卫星的主要电源之一 C．静止轨道卫星相对于地球是静止的 D．导航定位信号的传播速度等于光速 【例题3】关于卫星通信，下列说法正确的是（　　） A．要完成全球卫星通信至少需要4颗地球同步卫星 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 【学习任务二】光纤通信 1.什么是激光： 频率单一、方向高度集中的光叫 。由激光器产生发出。 激光实际也是一种 。与微波相比，光的频率更高。如果用光来通信，比短波、微波能传播更多的信息 。 2.什么是光纤： 简称光纤，是一种非常细的玻璃丝（直径100μm左右），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。激光可在光纤里传播，不受外界干扰。 3.光纤通信原理： 光的 携带信息的激光从光导纤维的一端射入，在光纤内部传播时，发生的是全反射，在内壁上多次反射，从另一端射出，这样就把它携带的信息传到了远方。 4.光纤通信的优点： （1）通信容量很 ； （2）光纤衰减小，无中继设备，传输距离 ； （3）不受电磁干扰，通信质量高，保密性 。 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。 【例题4】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。 【例题5】小明在电脑上收看春节联欢晚会的直播。小明家使用的是光纤上网，因特网的信息是通过光导纤维传送的，在光导纤维中传递的是 （选填“电流”“激光”或“微波”）。 【例题6】光纤通信前景广阔，下列关于光纤通信的说法正确的是（　　） A．光纤通信中所使用的光不是激光 B．光纤通信传递信息的容量要比短波、微波大 C．光纤通信不需要任何传导介质 D．因为玻璃丝很容易折断，不宜用来做光导纤维 【学习任务三】水声通信和量子通信 1.水声通信： 水声通信是以声波为载体在水下传输文字、语音及图像等信息的技术，通过电信号与声信号的相互转换实现信息传递。其原理为信息经数字化处理后由换能器转为声信号传递，接收端再将声信号解码还原。 2.量子通信： 量子通信，量子加密通信的简称，可以简单理解为使用量子计算为通信双方进行加密，保障通信安全性的过程。主要优势在于其提供的信息传输安全性。它利用量子比特作为信息载体，能够在确保信息安全和增大信息传输容量方面突破经典信息技术的极限。特别是量子密钥分发技术，它克服了经典加密技术的安全隐患，被认为是迄今为止唯一被严格证明无条件安全的通信方式。 【课堂总结】 按照学习内容学列本节课的思维导图： 【课堂练习】 要求：合上课本，像考试一样独立完成。 1. 卫星通信： （1）通信卫星相当于微波通信的 。 （2）通信卫星大多是相对地球“ ”的同步卫星，在地球的周围均匀地配置3颗同步通信卫星，就覆盖了几乎全部地球表面，可以实现 。 2. 北斗卫星导航系统是中国自主建设、独立运行的卫星导航系统，始终秉持和践行“中国的北斗，世界的北斗，一流的北斗”的发展理念，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。卫星导航在传递信息过程中主要依靠的是（　　） A．超声波 B．次声波 C．电磁波 D．光导纤维 3．光纤通信 光纤通信是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，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 ，由内芯和外套两部分组成。 光纤通信传送的不是普通的光，而是一种频率单一、方向高度集中的 ，激光最早是在1960年由美国科学家梅曼发现的。光纤通信的保密性 ，不受外界条件的 ，传播距离 ，容量 。 4．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 5. 光纤通信前景广阔，下列关于光纤通信的说法正确的是（　　） A．光纤通信中所使用的光不是激光 B．光纤通信传递信息的容量要比短波、微波大 C．光纤通信不需要任何传导介质 D．因为玻璃丝很容易折断，不宜用来做光导纤维 6. 世界上凡是计算机集中的地方，例如：企业、机关、学校等等．大都已经把自己的计算机连在一起了．这些网络又互相连接，成为世界上最大的计算机网络，叫做 ，这样便可以做到 的共享。 7. 如图所示，电视台把无线电信号传送到高空中的通信卫星上，卫星再把信号传到地面上的其他区域，这样就实现了卫星转播。在调试的过程中，电视台本身也需要接收卫星上传回的信号，并和演播室用电缆传来的信号进行比较，这时发现卫星传来的画面上，人物动作变化总比电缆传来的画面发生慢一些。 （1）解释产生这种时间延误的原因； （2）已知通信卫星的高度大约是36000 km，无线电波的传播速度和光速相同。请你根据这些数据，估算一下画面延迟的时间。 【课后反思】 谈谈你在本节课中： （1）收获有哪些？ （2）需要改进的地方有哪些？ 1 / 2 学科网（北京）股份有限公司 $ 第4节 现代通信（导学案） 【学习目标】 1. 知道微波大致沿直线传播及中继站作用；了解卫星通信原理，知道同步卫星覆盖地球的条件；知道激光的特点及光纤通信原理。 2. 认识卫星通信、光纤通信在生活中的应用价值；了解北斗系统，增强民族自豪感和科技探索意识。 3.了解水声通信和量子通信。 【学习重点】 理解卫星通信的基本原理；结合实验演示，掌握光纤通信中激光的传播方式。 【学习难点】 理解同步卫星实现全球通信的覆盖原理。 【自主预习】 阅读课本P85--89内容，并解答以下问题： 1. 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叫卫星通信。三颗同步卫星几乎可实现全球通信。 2. 光纤通信：激光的特点是频率单一、方向高度集中。光纤通信是利用激光在光纤中传输信号的。光纤由中央的玻璃芯和外面的反射层、保护层构成的，可以传输大量的信息。 3. 网络通信：将数台计算机通过各种方式联结在一起，便组成了网络通信。现在世界上最大的计算机网络叫因特网。人们经常使用的网络通信方式是电子邮件 （e-mail），传递信息既快又方便。 【探究新知】 【学习任务一】卫星通信 1.什么是卫星通信： 利用通信卫星做微波通信的中继站来进行通信的方式叫卫星通信。 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。 2.为什么要使用卫星通信： 因为在无线电波中，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。 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。 3.卫星通信的组成和原理： （1）组成： 由通信卫星、地面站和传输系统三部分组成。 （2）星通信的原理： 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。 4.卫星通信的特点： 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。 5.北斗卫星导航系统： 北斗卫星导航系统是我国自主建设运行的全球卫星导航系统，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时空基础设施。 【例题1】通信卫星相当于微波通信的 。通信卫星大多是相对地球“ ”的同步卫星，在地球的周围均匀地配置3颗同步通信卫星，就覆盖了几乎全部地球表面，可以实现 。 【答案】中继站；静止；全球通信。 【详解】（1）卫星通信是利用人造卫星作为通信的中继站来转发无线电信号，在两个或多个地面站之间进行通信的．通信卫星作为一个微波中继站，只是转发信号，转发的信号可以是广播、电视等多种信号。 （2）通信卫星大多是相对地球静止的同步卫星，用通信卫星做微波通信的中继站，在地球周围均匀地配置3颗同步通信卫星，通信范围就覆盖了几乎全部地球表面，可以实现全球通信。 【例题2】（多选题）北斗卫星导航系统（BeiDou Navigation Satellite System）是我国自主发展、独立运行的卫星导航系统。从2018年12月26日开始提供全球服务，标志着北斗卫星导航系统正式迈入全球时代。如图所示的北斗卫星导航系统由空间段、地面段和用户段三部分组成：空间段包括5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星，地面段包括主控站、注入站和监测站等若干个地面站，用户段包括北斗用户终端以及与其他卫星导航系统兼容的终端。在北斗卫星导航系统中（　　） A．各部分间利用超声波进行信息传递 B．太阳能帆板是卫星的主要电源之一 C．静止轨道卫星相对于地球是静止的 D．导航定位信号的传播速度等于光速 【答案】BCD 【详解】A．北斗导航各部分是利用电磁波进行信息传递的，故A选项不符合题意； B．太阳能帆板是是将太阳能转化为电能，故是电能的主要电源之一，故B选项符合题意； C．静止在轨道卫星，与地球同样的速度运动，故相对于地球是静止的，故C选项符合题意； D．导航定位信号是电磁波，而光也是一种电磁波，故传播的速度等于光速，故D符合题意。 故选BCD。 【例题3】关于卫星通信，下列说法正确的是（　　） A．要完成全球卫星通信至少需要4颗地球同步卫星 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 【答案】D 【详解】A．在地球周围均匀放置3颗地球同步卫星，就可实现全球通信，并非至少需要4颗，故A错误； B．通信卫星能传递的信号类型丰富，不只是声音信号，像图像信号等也能传递，故B错误； C．卫星通信的原理是地面站发射电磁波，通信卫星作为中继站进行转发，而不是卫星向地面发射电磁波，故C错误； D．通信卫星可以传递声音信号，也能够传递图像信号等多种信号，故D正确。 故选D。 【学习任务二】光纤通信 1.什么是激光： 频率单一、方向高度集中的光叫激光。由激光器产生发出。 激光实际也是一种电磁波。与微波相比，光的频率更高。如果用光来通信，比短波、微波能传播更多的信息 。 2.什么是光纤： 光导纤维简称光纤，是一种非常细的玻璃丝（直径100μm左右），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。激光可在光纤里传播，不受外界干扰。 3.光纤通信原理： 光的反射 携带信息的激光从光导纤维的一端射入，在光纤内部传播时，发生的是全反射，在内壁上多次反射，从另一端射出，这样就把它携带的信息传到了远方。 4.光纤通信的优点： （1）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。 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。 【例题4】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。 【答案】 短 反射 高 【详解】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。 【例题5】小明在电脑上收看春节联欢晚会的直播。小明家使用的是光纤上网，因特网的信息是通过光导纤维传送的，在光导纤维中传递的是 （选填“电流”“激光”或“微波”）。 【答案】激光 【详解】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。 【例题6】光纤通信前景广阔，下列关于光纤通信的说法正确的是（　　） A．光纤通信中所使用的光不是激光 B．光纤通信传递信息的容量要比短波、微波大 C．光纤通信不需要任何传导介质 D．因为玻璃丝很容易折断，不宜用来做光导纤维 【答案】B 【详解】光纤通信利用的是激光，通信时需要光导纤维作为传导介质，光导纤维是很细很细的玻璃丝；光纤通信传递信息的容量比短波、微波高出百万倍、千万倍。故ACD错误，B正确。 故选B。 【学习任务三】水声通信和量子通信 1.水声通信： 水声通信是以声波为载体在水下传输文字、语音及图像等信息的技术，通过电信号与声信号的相互转换实现信息传递。其原理为信息经数字化处理后由换能器转为声信号传递，接收端再将声信号解码还原。 2.量子通信： 量子通信，量子加密通信的简称，可以简单理解为使用量子计算为通信双方进行加密，保障通信安全性的过程。主要优势在于其提供的信息传输安全性。它利用量子比特作为信息载体，能够在确保信息安全和增大信息传输容量方面突破经典信息技术的极限。特别是量子密钥分发技术，它克服了经典加密技术的安全隐患，被认为是迄今为止唯一被严格证明无条件安全的通信方式。 【课堂总结】 按照学习内容学列本节课的思维导图： 【课堂练习】 要求：合上课本，像考试一样独立完成。 1. 卫星通信： （1）通信卫星相当于微波通信的 。 （2）通信卫星大多是相对地球“ ”的同步卫星，在地球的周围均匀地配置3颗同步通信卫星，就覆盖了几乎全部地球表面，可以实现 。 【答案】中继站；静止；全球通信。 【详解】（1）卫星通信是利用人造卫星作为通信的中继站来转发无线电信号，在两个或多个地面站之间进行通信的．通信卫星作为一个微波中继站，只是转发信号，转发的信号可以是广播、电视等多种信号。 （2）通信卫星大多是相对地球静止的同步卫星，用通信卫星做微波通信的中继站，在地球周围均匀地配置3颗同步通信卫星，通信范围就覆盖了几乎全部地球表面，可以实现全球通信。 2. 北斗卫星导航系统是中国自主建设、独立运行的卫星导航系统，始终秉持和践行“中国的北斗，世界的北斗，一流的北斗”的发展理念，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。卫星导航在传递信息过程中主要依靠的是（　　） A．超声波 B．次声波 C．电磁波 D．光导纤维 【答案】C 【详解】卫星导航在传递信息过程中依靠的是电磁波来传递信息。故选C。 3．光纤通信 光纤通信是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，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 ，由内芯和外套两部分组成。 光纤通信传送的不是普通的光，而是一种频率单一、方向高度集中的 ，激光最早是在1960年由美国科学家梅曼发现的。光纤通信的保密性 ，不受外界条件的 ，传播距离 ，容量 。 【答案】玻璃丝，激光，强，干扰，远，大。 【详解】1966年英籍华人高锟发表论文提出用石英制作玻璃丝，即光导纤维，可实现大容量的光纤通信。 光纤通信传送的是一种高方向性、高相干性、高单色性的激光，所以光纤通信又叫激光—光纤通信。由于激光的高方向性、高相干性、高单色性等优点，使得光纤通信的保密性强，不受外界环境的干扰，光纤通信传播损耗低，无中继传输距离可达几十、甚至上百公里，因此，光纤通信传播距离远。一根光纤的潜在带宽可达20THz，因此，光纤通信的容量大。 4．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 【详解】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。 5. 光纤通信前景广阔，下列关于光纤通信的说法正确的是（　　） A．光纤通信中所使用的光不是激光 B．光纤通信传递信息的容量要比短波、微波大 C．光纤通信不需要任何传导介质 D．因为玻璃丝很容易折断，不宜用来做光导纤维 【答案】B 【详解】光纤通信利用的是激光，通信时需要光导纤维作为传导介质，光导纤维是很细很细的玻璃丝；光纤通信传递信息的容量比短波、微波高出百万倍、千万倍。故ACD错误，B正确。故选B。 6. 世界上凡是计算机集中的地方，例如：企业、机关、学校等等．大都已经把自己的计算机连在一起了．这些网络又互相连接，成为世界上最大的计算机网络，叫做 ，这样便可以做到 的共享。 【答案】因特网，信息资源。 【详解】世界各地的计算机互相连接，成为世界上最大的计算机网络，称为因特网，实现了信息资源的共享。 7. 如图所示，电视台把无线电信号传送到高空中的通信卫星上，卫星再把信号传到地面上的其他区域，这样就实现了卫星转播。在调试的过程中，电视台本身也需要接收卫星上传回的信号，并和演播室用电缆传来的信号进行比较，这时发现卫星传来的画面上，人物动作变化总比电缆传来的画面发生慢一些。 （1）解释产生这种时间延误的原因； （2）已知通信卫星的高度大约是36000 km，无线电波的传播速度和光速相同。请你根据这些数据，估算一下画面延迟的时间。 【答案】（1）见解析；（2）0.24s 【详解】（1）电视台发出的无线电信号由电视台传到卫星，然后再由卫星传回电视台，需要一定的时间，演播室用电缆传来的信号由于距离很短，传输所用的时间忽略不计。所以卫星传来的画面上，人物动作的变化总比电缆传来的画面相应的变化发生得晚一些。 （2）无线电信号的路程s=2h，则画面延迟的时间 【课后反思】 谈谈你在本节课中： （1）收获有哪些？ （2）需要改进的地方有哪些？ 1 / 2 学科网（北京）股份有限公司 $