21.3 卫星通信和光纤通信 教案 2025-2026学年物理人教版九年级全一册

第3节　卫星通信和光纤通信 教学目标 1．初步了解卫星通信和光纤通信的原理，能解释有关现象。 2．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。 3．经历水流导光的实验过程，发展科学探究能力。 4．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 了解卫星通信、光纤通信的基础知识。 教学难点 了解卫星通信、光纤通信的原理。 教学过程 新课导入 【师生活动】教师展示课件，通过提问：“微波无法绕射地球表面，怎样才能把微波信号传递到远方呢？”来引导学生思考微波信号远距离传输问题。 【提出问题】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？ 　　　　　　　 【设计意图】本环节通过微波的基本特性，以矛盾设问制造认知冲突，激发学生探究兴趣，引导学生主动思考微波远距离传输的解决办法，自然引出本节课核心内容，同时联系实际应用，帮助学生建立知识与生活的联系，培养科学思维与探究能力。 新知探究 一、卫星通信 【师生活动】教师先带领学生梳理微波的波长、频率与直线传播特性，通过设问引导思考远距离传输难题，共同得出用微波中继站接力传输的方法，并总结其优缺点；接着针对雪山、海洋无法建站的问题，引导讨论月球中继的缺陷，顺势引出卫星通信；随后师生一起学习同步卫星、全球覆盖原理、系统组成与通信特点，最后结合我国北斗卫星导航系统，联系实际应用，完成从微波通信到卫星通信的探究学习。 1．微波通信 （1）微波的波长和频率 微波波长在 1 mm~10 m，频率在30 MHz~3×105 MHz。 （2）微波的性质 微波波长较短，频率较高。在一定的时间内可以传递更多信息。微波可穿透大气层，适用于电视信号与雷达信号传送，以及卫星通信，具有极高的民用、科研及军事价值。微波性质接近光波，大致沿直线传播。 【提出问题】微波和光波很相似，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？ （3）微波中继站 每隔50 km左右建设一个微波中继站，把上一站传来的微波信号处理后，再发射到下一站去。这就像接力赛跑一样，一站传一站，经过很多中继站可以把信息传递到远方。 （4）微波通信的优缺点 ①优点：微波通信的频率高，传播信息容量大，且中继站能用计算机监督控制，出现故障时能自动切换。 ②缺点：微波传送距离越远，需要建立的中继站就越多，势必会带来一定的麻烦。而且在遇到雪山、大洋，无法建立中继站。 【提出问题】遇到雪山、海洋，无法建设中继站时，又该怎么办？我们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！是两个微波中继站距离的7 600倍。信号会严重衰减、时间延迟很大，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。 2．卫星通信 （1）卫星通信：利用人造卫星作为微波中继站来进行通信。 （2）同步卫星 有一些通信卫星是相对地球静止的同步卫星，从地面上看，它们好像悬挂在空中静止不动。周期与地球的自转周期相同，距离地面大约35 786 km。 （3）全球通信 在地球的周围均匀地配置三颗通信卫星，即可覆盖几乎全部的地球表面，实现全球通信。 （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。 （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；车载、船载、机载、便携站都能快速入网，不受地面线路限制；可一点对多点广播，方便传输、群发数据。 （6）北斗卫星导航系统 我国北斗卫星导航系统利用的是卫星发射和接收电磁波信号的原理。 北斗卫星导航系统是我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。 【设计意图】先从微波的特点与传输限制提出问题，制造认知冲突，激发学生主动思考；通过分析微波中继站的原理与不足，自然引出无法建站场景的新问题，让学生理解技术升级的必要性；再对比月球中继的缺陷，顺势引入人造同步卫星通信，清晰呈现地面接力到太空中继的技术演进；接着讲解卫星通信的组成、覆盖原理与优势，帮助学生构建完整知识体系；最后结合北斗卫星导航系统，融入国情教育与科技自信，让物理知识贴近生活、联系国家发展，全程以学生为主体，引导探究、逐步深化，落实核心素养。 二、光纤通信 【师生活动】教师先用两个问题导入，引导学生思考；接着演示水流导光实验，让学生直观观察光的传播现象；随后结合课件讲解激光的产生、光纤结构与光在光纤内多次反射传输的原理，师生互动认识纤芯、包层、涂覆层的作用；之后共同梳理光纤通信的优点，教师补充激光与光纤的发展历史、“光纤之父” 高锟及我国光纤通信发展情况，完成知识拓展与总结。 【提出问题】光也是一种电磁波。与微波相比，光的频率更高。如果用光来通信，相同时间可以传递更多的信息。但是，普通的光源包含了许多不同频率的光，难以用它携带信息。 如何获得单一频率的光呢？单一频率的光要在什么介质中传播呢？ 1．光纤通信 （1）单一频率光的获得 激光的发现：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）光的传播通道 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。 2．光导纤维 （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）光导纤维的原理 【实验】水流导光（模拟激光在光导纤维中的传播） 在塑料瓶的一侧开个小孔，塑料瓶内盛水，让激光从另一侧水平射向小孔。当水从小孔流出时，你会看到光随着弯弯的水流照到地面，在桶里产生一个光斑。 【实验结论】光可以沿弯曲介质传播。 3．光在光导纤维中传播 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。 4．光纤通信的优点 （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。 5．光纤通信技术的发展 光纤通信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，故高锟被誉为“光纤之父”。 6．我国的光纤发展 我国光缆通信的发展十分迅速，目前光缆可以覆盖所有地区，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。 【设计意图】以问题导入激发学生探究兴趣，引导思考光通信的关键条件；通过水流导光实验直观呈现光的全反射传播规律，降低抽象原理的理解难度；结合课件讲解激光、光纤结构与传输原理，帮助学生建立清晰认知；师生共同梳理优点、梳理发展历史与我国光纤成就，既落实知识目标，又强化科学素养与民族自豪感，整体遵循初中生的认知逻辑，让学生从现象到本质、从原理到价值逐步掌握光纤通信知识。 三、激光的应用 【师生活动】教师讲解激光方向性好、亮度高两大特点；结合激光测距、观测微观世界、切割焊接、医疗光刀、军事激光武器等实例，与学生互动讨论生活与科技中的激光应用。 1．激光束的方向性特别好 可以用来进行精确的测距，例如激光测距雷达、激光测距仪。利用几十阿秒（10-18 s）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。 　　2．激光亮度高 把激光束会聚起来照射到物体上，就可以使物体迅速升温并熔化。因此，我们可以利用激光束来切割各种物质、焊接金属。医学上可以用激光作为“光刀”切除肿瘤，“焊接”脱落的视网膜。军事方向上，强激光可以在瞬间破坏敌人的飞行器。 【设计意图】从激光的核心特性出发，结合生活、工业、医疗、军事等真实应用案例，让学生把抽象的物理特点与具体用途对应起来，降低理解难度；通过实例讲解与互动讨论，帮助学生直观感受激光的实用价值，激发学习兴趣，同时落实“从物理知识走向实际应用” 的教学目标，培养学生联系生活、学以致用的科学素养。 　　四、课堂练习 　　【师生活动】展示课堂练习，学生思考作答。 　　【设计意图】通过学生对课堂练习的作答与教师的讲解，进一步巩固学生对卫星通信和光纤通信的理解与应用。 课堂小结 学科网（北京）股份有限公司 $