21.3 卫星通信和光纤通信（课件，教材配套版）物理新教材人教版九年级全一册

该初中物理课件围绕卫星通信和光纤通信，系统讲解微波中继、地球同步卫星、光纤导光及激光应用原理，通过“微波直线传播如何传远”的问题导入，从地面中继站到月球中继局限，再到同步卫星与光纤通信，构建递进式学习支架。 其亮点在于融合科学探究（“水流导光”实验观察光的多次反射）、科学思维（比较微波与光纤通信特点）和科学态度（北斗系统社会价值），通过实验演示、模型建构（3颗卫星覆盖全球）及实际应用案例，帮助学生建立物理观念，教师可利用结构化资源提升教学效率。

21.3 卫星通信和光纤通信 第二十一章 电磁波及其应用 · 21.3 01 从微波中继到全球互联 同步教学PPT｜九年级物理 本节围绕卫星通信、光纤通信与激光应用，理解电磁波在现代通信中的传递方式。 关键词：微波 · 中继站 · 地球同步卫星 · 光纤 · 激光 今天我们沿着一条“信息怎样走得更远”的主线，学习卫星通信、光纤通信与激光应用。[停顿] 要点：①通信需求 ②传播方式 ③现代应用 时长：1 分钟 学习目标与问题导入 第二十一章 电磁波及其应用 · 21.3 02 四维教学目标 物理观念：知道微波大致沿直线传播， 理解卫星中继、光纤导光的基本原理。 科学思维：比较微波、光与光纤通信的特点， 依据传播路径解释通信范围与延迟。 科学探究：观察“水流导光”演示， 描述光在光导纤维内壁多次反射的证据链。 科学态度与责任：认识北斗卫星导航、 光纤网络与激光应用的社会价值。 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？ 先想一想：哪里需要“中继”？ [过渡] 先明确四维目标，再从微波为什么不能直接绕过地球这一问题进入新课。[互动] 请同学说说自己的猜想。 要点：①四维目标 ②微波直线传播 ③提出中继问题 时长：3 分钟 微波通信：为什么需要中继站 第二十一章 电磁波及其应用 · 21.3 03 微波的特点 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。 图21.3-1 微波通信接收装置 结论：直线传播 → 需要中继 [过渡] 微波线路容量大，但大致沿直线传播，因此远距离通信会受地球曲面限制。 要点：①波长短 ②频率高 ③大致直线传播 时长：2 分钟 微波中继通信示意 第二十一章 电磁波及其应用 · 21.3 04 中继站如何工作？ 通常每隔50 km左右就要建设一个 微波中继站。 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，需要的 中继站就越多。 图21.3-2 微波中继通信示意 [过渡] 解决方案是沿途设置中继站，每隔约50 km处理并转发一次信号。 要点：①约50 km ②处理后再发射 ③距离越远中继越多 时长：2 分钟 想想议议：中继站能建在哪里？ 第二十一章 电磁波及其应用 · 21.3 05 在遇到雪山、大洋等根本无法建设中继站的情况时，怎么办？ 能不能利用地球的卫星——月球进行微波中继通信呢？ 思考方向：寻找“空中的中继站” [过渡] 雪山和大洋上无法连续建站，引导学生提出利用空中天体或人造卫星中继的想法。[互动] 要点：①地形限制 ②月球设想 ③空中中继 时长：2 分钟 月球中继的局限与通信卫星 第二十一章 电磁波及其应用 · 21.3 06 月球可以反射微波，但并不理想 月球离我们太远了——38万千米！ 信号衰减、时间延迟，而且只有在当两个通信点同时 见到月球时，才能完成这两点间的通信。 现代方案：用通信卫星作为微波通信的中继站 [过渡] 月球虽能反射微波，但距离、衰减、延迟和可见条件都限制了通信。 要点：①38万千米 ②信号衰减与延迟 ③通信卫星方案 时长：2 分钟 地球同步卫星：悬挂在空中 第二十一章 电磁波及其应用 · 21.3 07 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。 通信过程 它们把从一个地面站接收的电信号， 处理后再发送到另一个或几个地面站。 同步卫星：相对地面看，好像静止不动 [过渡] 同步卫星的周期与地球自转周期相同，从地面看好像静止不动，便于稳定中继。 要点：①周期相同 ②相对静止 ③接收处理再发送 时长：2 分钟 3颗卫星覆盖全球通信 第二十一章 电磁波及其应用 · 21.3 08 全球通信的空间布局 在地球的周围均匀地配置3颗地球静止 卫星，就覆盖了几乎全部地球表面， 可以实现全球通信。 卫星电视：突发事件画面几乎立刻传遍全球 图21.3-4 用3颗地球静止卫星就可以实现全球通信 [过渡] 三颗地球静止卫星均匀配置，就能覆盖几乎全部地球表面，实现全球通信。 要点：①3颗 ②均匀配置 ③几乎全球覆盖 时长：2 分钟 卫星通信的应用：北斗系统 第二十一章 电磁波及其应用 · 21.3 09 北斗卫星导航系统 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。 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，是国家重要空 间基础设施。 图21.3-5 使用北斗卫星导航系统的无人驾驶车辆 [过渡] 北斗是我国自主建设、独立运行的卫星导航系统，提供定位、导航和授时服务。 要点：①自主建设 ②全天候全天时 ③高精度服务 时长：2 分钟 光纤通信：用光传递更多信息 第二十一章 电磁波及其应用 · 21.3 10 光的频率更高 → 相同时间传递更多信息 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。 不过，普通的光源包含许多不同波长（频率）的光，难以用它携带信息。 关键转折：需要频率单一、方向高度集中的光——激光 [过渡] 光也是电磁波，频率更高，因此相同时间能传递更多信息；普通光源却难以直接携带信息。 要点：①光是电磁波 ②频率高 ③普通光源的局限 时长：2 分钟 激光与光纤通信的构想 第二十一章 电磁波及其应用 · 21.3 11 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。 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。 [过渡] 1960年梅曼制成红宝石激光器，激光频率单一、方向高度集中，为光纤通信提供了条件。 要点：①1960年 ②梅曼 ③激光特点 时长：2 分钟 演示：水流导光 第二十一章 电磁波及其应用 · 21.3 12 实验操作 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，会看到光随着弯弯的 水流照到地面，在地面产生一个光斑。 图21.3-6 水流导光 实验现象：光沿弯曲水流传播 [过渡] 观察激光随弯曲水流到达地面的现象，体会光被限制在通道中传播。[观察] 要点：①实验操作 ②光斑现象 ③模拟光纤传播 时长：4 分钟 光在光导纤维中的传播 第二十一章 电磁波及其应用 · 21.3 13 多次反射，把信息送到远方 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。 图21.3-7 光导纤维：甲 光导纤维实物；乙 光在光导纤维中的传播 [过渡] 光在光纤内壁多次反射后从另一端射出，把信息传到远方。 要点：①多次反射 ②玻璃丝 ③光缆结构 时长：3 分钟 光缆与光纤通信的发展 第二十一章 电磁波及其应用 · 21.3 14 光缆传递多种信息 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。 我国光纤通信 我国光纤通信的发展十分迅速，光缆可以 通达几乎所有地区，而且还与其他国家合 作修建了跨越太平洋的海底光缆。 随着互联网进一步发展、移动通信网络建 设、物联网等新应用不断涌现，光纤通信 将迎来更广阔的发展空间。 [过渡] 光缆能传递电视、电话等多种信息，我国光缆网络与海底光缆发展迅速。 要点：①传输容量大 ②通达广 ③应用空间广阔 时长：2 分钟 科学世界：激光的应用 第二十一章 电磁波及其应用 · 21.3 15 方向性特别好 激光束在传播很远的距离后仍能保持一定的强度， 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。 图21.3-8 激光切割晶片示意 激光测距雷达依据这一原理制成 [过渡] 激光方向性好，可通过测量脉冲往返时间进行精确测距。 要点：①方向性好 ②激光测距 ③激光测距雷达 时长：2 分钟 科学世界：激光的高亮度与能量 第二十一章 电磁波及其应用 · 21.3 16 亮度高：在很小空间、很短时间内集中很大能量 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。 因此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。 强激光还可在瞬间破坏敌人的飞行器，这是军事研究的重要方向。 [过渡] 激光亮度高，能量可高度集中，因此可用于切割、焊接、打孔和医学治疗。 要点：①亮度高 ②集中能量 ③加工与医学应用 时长：2 分钟 科学世界：从宏观到微观 第二十一章 电磁波及其应用 · 21.3 17 几十阿秒（10⁻¹⁸ s）的激光脉冲 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。 激光：通信、测距、加工、医学与微观观测 [过渡] 极短的阿秒激光脉冲还能捕捉原子内电子的运动，把观察推进到微观极限。 要点：①几十阿秒 ②10⁻¹⁸s ③捕捉电子运动 时长：1 分钟 练习1 第二十一章 电磁波及其应用 · 21.3 18 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？ 提示：结合图21.3-4思考覆盖范围和信号路径。 [过渡] 独立阅读题干，根据全球覆盖图判断最少卫星数量并描述信息路径。[互动] 要点：①3颗 ②覆盖关系 ③路径表达 时长：3 分钟 练习1 第二十一章 电磁波及其应用 · 21.3 19 答案 至少需要3颗地球静止卫星。 信息路径：发射站 → 通信卫星 → 地面接收站 → 互联网或通信卫星 → 背面地面接收站。 依据：3颗卫星在地球周围均匀配置，可覆盖几乎全部地球表面。 [过渡] 对照答案，关注“均匀配置”和“卫星间转发”两个关键条件。 要点：①至少3颗 ②地面站到卫星 ③卫星转发到背面 时长：2 分钟 练习2 第二十一章 电磁波及其应用 · 21.3 20 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。 先确定信号传播的总路程，再利用传播速度估算时间。 [过渡] 先画出手机到卫星再回到手机的传播路径，确定总路程。[互动] 要点：①往返路程 ②36 000 km ③估算延迟 时长：3 分钟 练习2 第二十一章 电磁波及其应用 · 21.3 21 解题指导 信号需要“手机 → 卫星 → 对方手机”，总路程约为2×36 000 km。 取无线电波传播速度约等于光速3.0×10⁵ km/s，单程延迟时间约为： 72 000 km ÷（3.0×10⁵ km/s）≈ 0.24 s。 结论：一方说话到对方听到约0.24 s；一问一答约0.48 s。 [过渡] 手机到卫星再到对方手机，总路程约72 000 km，单程延迟约0.24 s；一问一答约0.48 s。 要点：①2×36 000 km ②3.0×10⁵ km/s ③0.24 s与0.48 s 时长：2 分钟 练习3 第二十一章 电磁波及其应用 · 21.3 22 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。 请结合生活经验作答。 [过渡] 联系生活，各举一个卫星通信和光纤通信的例子。[互动] 要点：①卫星通信实例 ②光纤通信实例 ③生活联系 时长：2 分钟 练习3 第二十一章 电磁波及其应用 · 21.3 23 示例答案（合理即可） 卫星通信：使用北斗卫星导航系统进行定位、导航或授时。 光纤通信：家庭宽带或跨地区网络通过光缆传递互联网信息。 作答要点：通信方式名称 + 生活中的具体使用场景。 [过渡] 答案合理即可，关键是说清通信方式和具体使用场景。[停顿] 要点：①北斗导航 ②家庭宽带 ③表达完整 时长：1 分钟 $