人教版（2024）九年级全册（2024）第二十一章 电磁波及其应用第3节 卫星通信和光纤通信教案设计

这是一份人教版（2024）九年级全册（2024）第二十一章 电磁波及其应用第3节 卫星通信和光纤通信教案设计，共9页。教案主要包含了实验结论，播放视频等内容，欢迎下载使用。
年级
九年级
学科
物理
教师
课题
第3节 卫星通信和光纤通信
教学
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。
教材
分析
本节主要包括卫星通信和光纤通信两部分内容。它们是电磁波在现代通信技术中的两种重要应用。本节内容旨在让学生认识到通信技术与人类生产生活息息相关，了解科技为人类生活带来的便利，体会物理学的应用价值，从而提高学生的学习兴趣。
学情分析
在学习本节课之前，学生已经接触过一些电磁学的基本知识，教学大纲要求学生常识性地了解卫星通信、光纤通信、网络通信的优点、原理。本节关键在于让学生认识到人类已进入信息时代，信息技术已经渗透到人类生产、生活的各个 领域。信息技术的发展给人类的生活方式带来了翻天覆地的变化。使学生通过学习，了解科技为人类带来的便利。从而提高学生学习科学的兴趣，使学生养成关心科学发展前沿的习惯，树立正确的科学观，培养振兴中华、用科学服务于人类的使命感和责任感。
教学重点
了解卫星通信、光纤通信的基础知识。
教学难点
光纤通信的原理。
教学器材
多媒体ppt，包含视频《水流导光》、《光导纤维》等。
教学过程
教师活动
学生活动
导入新课
【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？
思考问题，激发兴趣，进入情景。
学习新课 一、卫星通信
1. 微波通信
（1）微波的波长和频率：在无线电波中，微波波长在10m~1mm之间，频率在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。
（3）微波中继站：微波大致沿直线传播，不能绕地球表面绕射。因此必须每隔50km左右就要建设一个中继站，可以把上一站传来的微波信号经过接收、放大处理后，再发射到下一站去。这就像接力赛跑一样，一棒传一棒，可以把信息传递到远方。
（4）微波通信的优点
①频率高，传输信息的容量大；
②质量好，可以传送很远的距离；
③大致沿直线传播，受大气干扰小，能量损耗小，收到的信号强且稳定。
（5）微波通信的缺点
需要大量中继站进行信号处理，且信号传递的距离越远，需要的中继站越多。在遇到雪山、大洋，根本无法建设中继站时，微波通信几乎无法继续。
2. 卫星通信
【提问】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？
【分析】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：使用人造卫星进行通信。
（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。
（3）全球通信：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。

（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。
（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。
（6）中国北斗卫星导航系统
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。

北斗卫星导航系统 使用北斗卫星导航系统的无人驾驶车辆
【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（ D ）
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
【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。
阅读课本第183页，说出微波的性质。什么是微波中继站。
阅读课本第184页，说出什么是卫星通信；为什么用同步卫星做微波中继站；北斗卫星导航系统的应用。

做例题1，知道什么是卫星通信。
学习新课 二、光纤通信
【过渡】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。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. 光纤通信
（1）激光的特点：频率单一、方向高度集中。
（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。
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。
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125~140 μm。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。

（2）光导纤维传光原理
①演示实验—《水流导光》。如图所示，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，在地面产生一个光斑。
【实验结论】光不但能沿直线传播，也可以沿着弯曲的水流传播。
【播放视频】——《水流导光》
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。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。
3. 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。
4. 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（ D ）
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
【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。
阅读课本第185页，回答激光的特点。
什么是光纤通信。
阅读课本第185页，讨论回答什么是光导纤维，光导纤维传光的原理。
观看视频并回答光导纤维传光原理。
了解光纤通信的优缺点。
了解光纤通讯技术的发展史。
做例题2，了解光纤通信。
学习新课 三、激光的应用
除了通信，激光还有许多其他应用。
1. 激光测距雷达
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。激光测距雷达就是根据这个原理制成的。
2. 激光的其他一些应用
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。
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： __________ 。
【答案】3×108m/s；通信。
【详解】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。
阅读课本第186页，说出激光的一些应用。
。
做例题3，了解激光的一些应用。
课
堂
练
习
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
【答案】B
【详解】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。
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。
【答案】（1）电磁波；（2）反射
【详解】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。
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。
【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。
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
【答案】B
【详解】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。
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
【答案】D
【详解】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。
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；
（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？ 。
【答案】 反 光纤 能 能
【详解】（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。
课
堂
小
结
第3节 卫星通信和光纤通信
板
书
设
计
第3节 卫星通信和光纤通信
一、卫星通信
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微波中继站：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中继站进行的通信方式。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。
二、光纤通信：是利用激光在光导纤维中传输信息的一种通信方式.
三、激光的特点与应用
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：（1）激光通信。（2）激光测距雷达。（3）激光切割晶片；切除肿瘤；瞬间破坏敌人的飞行器等。