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/ 让教学更有效 精品试卷 | 物理学科
电磁波与通信技术
第三节　现代通信技术及其发展前景
教 材 解 读 　本节课是继上一节课之后对信息传递方式的进一步展示,要求学生常识性地了解移动通信、卫星通信、光纤通信、网络通信的优点、原理,认识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。由于内容简单,可通过自学、互学、师生共同交流来处理本节课,教学中要注意运用教材中大量的图片以及多媒体影视画面,可适当通过视频方式展示各种通信方式的优点、缺点和改进方法,以提高学生的学习积极性。
学 习 目 标 物理观念 　1.常识性了解移动通信、网络通信、光纤通信、卫星中继通信的基础知识。 　2.通过大量的图片、视频,掌握和了解移动通信、网络通信、光纤通信、卫星中继通信的特点和基本原理。
科学思维 　通过了解卫星通信、光纤通信、网络通信的知识,提高学生应用物理知识解决实际问题的能力。
科学探究 　通过自学、互学、师生共同交流和观看视频、展示各种通信方式的优点、缺点和改进方法,以提高学生的学习积极性。
科学态度 与责任 　1.通过学习现代通信知识,了解科技为人类带来的便利,提高学生学习科学的兴趣。 　2.养成关注科学发展前沿的习惯,树立科学的世界观,具有振兴中华、用科学服务人类的使命感和责任感。
重 点 难 点 　重点: 常识性了解移动通信、网络通信、光纤通信、卫星中继通信的优点和原理。 　难点:了解现代通信知识及发展前景。
教学 方法 　讲解法、讨论法。
备课 资料 　word版电子教案、匹配的课件见电子资源
教师活动 学生活动 设计意图
【导入新课】 老师展示手机更新的历史信息。从最初只能进行简单通话的大哥大,到如今能实现万物互联的智能手机,通信技术的变革令人惊叹。移动通信作为现代科技的关键领域,正在重塑我们的世界。它是如何一步步发展到今天的呢 让我们一起走进移动通信的世界,探寻其中的奥秘。 学生讨论、交流 教师播放图片,学生观看并思考了解。
【探究新知】 一、移动通信 过渡设问:移动通信是如何实现信号发射和接收的呢 结合多媒体图片,利用简单的教具或模型,模拟基站和手机之间的信号传递过程。 移动电话(发射、接收二合一) 结合简单示意图,讲解移动通信系统由移动台、基站、移动交换中心等组成,说明信号从手机发出到基站接收、交换中心处理再到目标手机的过程,简单提及调制、解调、多址技术等概念。 再列举一些生活中其他的移动通信设备,如对讲机,手持和车载小型电台等。 阅读、思考、交流 提高学生阅读能力,了解周边生活的物理知识。
(续表)
教师活动 学生活动 设计意图
二、网络通信 计算机网络是计算机技术和通信技术紧密结合的产物,已经成为衡量一个国家信息化水平的重要标志。 那么我了解了哪些网络通信的什么知识呢 请同学们阅读课本P195。 教师讲解以下内容: 1.网络通信概念:讲解网络通信是指通过网络将信息从一个节点传输到另一个节点的过程,强调网络通信的目的是实现信息的共享和交换。 广域网的组成(拓扑图) 2.网络通信组成部分:利用PPT展示网络通信系统的组成图,讲解包括发送端、接收端、传输介质、网络设备等部分,并举例说明各部分在实际网络通信中的作用。 3.常见网络通信协议:介绍TCP/IP协议族,解释TCP(传输控制协议)负责可靠的数据传输,IP(网际协议)负责寻址和路由。简单提及UDP(用户数据报协议)及其特点和适用场景。 教师在多媒体教室的计算机上,演示使用QQ软件进行文件传输、文字聊天的操作过程,同时讲解网络通信在这个过程中是如何实现的,涉及哪些网络通信协议和设备。 演示使用浏览器访问网页的过程,分析浏览器与服务器之间的通信流程,以及HTTP协议在其中的作用。 阅读、思考、交流 观看、理解、类比 培养学生对信息技术的兴趣,提高学生的信息素养。 引导学生正确使用网络工具,树立正确的网络道德观念。
(续表)
教师活动 学生活动 设计意图
三、光纤通信 讲述:光纤通信技术是近几十年才发展起来的。1966年,华裔物理学家高锟首次利用无线电波导通信的原理,提出了低损耗(20 db/km)的光导纤维(简称光纤)的概念。1970年,美国康宁公司首次研制成功损耗为20 db/km的石英光纤,它是一种理想的传输介质。1970年,贝尔实验室研制成功室温下连续振荡的半导体激光器(LD)。从此,开始了光纤通信迅速发展的时代。 归纳: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频率高,信号传输质量高。 ④光纤抗电磁干扰,保密性强。 四、卫星中继通信 师:能否用月亮做中继站,实现微波通信呢 生:不行,距离太远!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。 师:那用什么方案可以解决呢 多媒体展示图片:卫星通信。 多媒体播放视频文件:同步卫星全球通信。 归纳:①同步通信卫星相对于地面是静止的,围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。 阅读、交流、了解 了解、交流 引导学生关注通信技术发展对社会和生活的影响,树立正确的科技价值观。
(续表)
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②在地球周围均匀地配置3颗同步通信卫星,就可以实现全球通信。 ③卫星通信应用非常广泛,我国建立的北斗卫星定位系统,可以提供全天候的即时定位服务。 ④卫星通信的优点:通信范围大,只要卫星发射的电磁波覆盖的范围均可进行通信;不易受地表灾害影响;建设速度快;易于实现广播和多址通信。 五、通信技术的发展前景 通过播放一段展示从古代烽火传信到现代5G高速通信发展历程的视频,引导学生思考通信技术发展的巨大变化,提问:“同学们,基于这些变化,你们觉得通信技术未来还会朝着哪些方向发展呢 ”从而引出通信技术的发展前景。 1.5G技术的深化与演讲。 2.6G设想。 3.卫星通信的崛起:介绍卫星通信在偏远地区通信覆盖、全球物联网等方面的重要作用,以及低轨卫星等新兴卫星通信技术的发展情况。 4.案例分析 (1)智能交通领域:展示智能网联汽车借助通信技术实现自动驾驶、车车/车路协同的案例视频,分析其中通信技术如何保障车辆间及车辆与基础设施间的高效通信,进而提升交通效率和安全性。 (2)工业互联网领域:以某智能工厂为例,讲解通过5G等通信技术实现设备互联、远程操控、实时监测等功能,分析通信技术如何推动工业生产的智能化变革。 课堂小结(略) 课堂练习(略) 布置作业(略) 阅读,交流、讨论、思考 体会物理与生活的密切联系,激发学生敢于向科学挑战、热爱科学的情感。 激发学生对通信技术的探索热情,培养学生对科技发展的敏锐洞察力。
学点1　移动通信
阅读教材P194,回答下列问题。
问题1:电话座机依靠　导线　中的音频电流传送声音,只能在固定的地点使用。
问题2:如图15-3-5所示,手机由　电磁波　传递信息,它既是　发射机　又是　接收机　,既可以传递　声音　,又可以传递　图像　。
图15-3-5
学点2　网络通信
问题:把许多计算机通过一定的硬件和软件连接起来,使计算机之间能够传递信息,这就构成了计算机　网络　。利用网络可以传送　文字　、　图像　和　声音　等。
学点3　光纤通信
问题1:激光是一种颜色非常　纯　、方向　高度集中　的光。光纤通信用途广泛,如　长途电话　、　有线电视　、　电视会议　、　互联网 　等,光纤的应用是社会信息化程度提高的重要标志。
问题2:光纤通信就是利用　激光　通过光导纤维传递信号的一种通信方式。其工作原理是:　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。
学点4　卫星中继通信
问题:卫星通信就是利用　通信卫星　作微波通信的中继站进行通信。通信卫星大多是相对于地球“静止”的　同步卫星　,从地面上看,它好像悬挂在空中静止不动。如图15-3-6所示,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。
图15-3-6
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电磁波与通信技术
第三节　现代通信技术及其发展前景
方式　【生活场景导入】
展示手机通话、视频聊天、上网等场景图片或视频,提问学生这些行为背后靠什么实现。如今手机已经是生活中不可或缺的物品。大家想想,无论是在热闹的商场、偏远的山区,还是在高速行驶的高铁上,我们都能随时刷短视频、打视频电话,这背后是什么技术在支撑呢
过渡语:答案就是移动通信技术,这也是我们接下来要深入学习本节的内容。引入新课。
1.卫星通信讲解素材
在讲到卫星通信时,可播放《我国北斗卫星》的视频片段(如图15-3-1所示),让学生了解我国卫星技术的发展,同时对学生进行爱国主义教育。
图15-3-1
2.深入讲解光纤通信
光纤通信是利用光的传播特性,把携带信息的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,把它所携带的信息传到远方。
光的频率更高,用光来通信,在相同时间内能传递的信息更多。实际技术中采用的是频率单一、方向性高度集中的激光作为信息载体来通信的。激光与微波相比,频率更高,传递信息的容量更大。
光纤是一种非常细的玻璃丝,全称叫作光导纤维,激光可沿光纤传播,不受外界干扰;把若干条光纤集成束,外面包上保护层就成为光缆。
[温馨提示]光纤通信的特点:由于光的频率很高,所以在一定时间内可以传输大量信息;光纤通信可长距离传输信息,容量大,不怕雷击,不受电磁干扰,通信质量高,保密性好。
[中考解读] 本节内容中,卫星通信、光纤通信是中考的热点,可能会结合北斗卫星定位系统、光在光导纤维中的传播进行考查,中考中多以选择题、填空题的形式进行考查。
[考点对接] 1.光纤通信
例1　(咸宁中考)光导纤维的主要用途是传递信息、进行通信。把要传输的信息变成光信号在光纤中传播,如图15-3-2所示,那么光在光纤中的传播方式是 (　　)
图15-3-2
A.沿着光纤的中轴线直线传播
B.沿着光纤的外壁多次折射传播
C.沿着光纤的内壁多次反射传播
D.沿着光纤螺旋式地曲线传播
[答案] C
[考点对接] 2.卫星通信
例2　(巴中中考)中国北斗导航系统已正式投入使用,卫星导航在传递信息过程中主要依靠的是 (　　)
A.光导纤维 B.超声波
C.次声波 D.电磁波
[答案] D
　　材料一——中国北斗卫星导航系统
中国北斗卫星导航系统(Bei dou Navigation Satellite System,简称BDS)是中国自行研制的全球卫星导航系统,是继美国全球定位系统(GPS)、俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统(GLONASS)之后第三个成熟的卫星导航系统。北斗卫星导航系统(BDS)和美国GPS、俄罗斯GLONASS、欧盟GALILEO,是联合国卫星导航委员会已认定的供应商。
北斗卫星导航系统(如图15-3-3所示)由空间段、地面段和用户段三部分组成,可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务,并且具备短报文通信能力,已经初步具备区域导航、定位和授时能力,定位精度优于10 m,测速精度优于0.2 m/s,授时精度优于10 ns。
图15-3-3
应用数据方面:据2025年2月4日消息,北斗三号系统稳定运行,高峰时期日定位量超6000亿次。
国际应用方面:北斗系统已为230多个国家和地区提供服务,用户规模超过15亿。
技术规划方面:根据《北斗卫星导航系统2035年前发展规划》,2025年将完成下一代北斗系统关键技术攻关;2027年左右发射3颗先导试验卫星,开展下一代新技术体制试验;2029年左右开始发射下一代北斗系统组网卫星;2035年完成下一代北斗系统建设。
星座优化方面:下一代北斗系统将优化星座架构,形成高中低轨混合星座,全面提升时空基准维持精度和自主运行能力。
相关事件方面:有报道称中国北斗卫星导航系统在监测美国航母方面取得显著成果,美国航母未经许可进入中国海域时,其依赖的GPS导航系统突然失灵。
材料二——光纤通信的发展现状
光纤通信因其频带宽、容量大、中继距离长、抗干扰性强、保密性高等特点得到飞速发展。20世纪90年代以来,光纤通信已成为各国电信业务传输的主要手段。到2000年底,全世界光纤用量累计已达3亿公里,光传输系统设备的市场规模超过110亿美元。国际上,光纤通信产品制造业已实现集约化大生产,主要产品的生产集中于十几家大公司手中。1999年全球光纤产量约6700万公里,仅康宁、朗讯、阿尔卡特三大公司就占了总产量的60%。在光传输系统设备方面,阿尔卡特、北方电信和朗讯三公司占据了50%的市场份额。
光纤通信产业涉及的技术领域较为广泛,包括光电子、微电子、计算机和通信等产业,因此产业链很长。一般而言,光纤通信产业包括了从上游的光纤光缆到终端的光接入网等环节,从产业链的角度可以划分为四个部分:光纤光缆、光纤通信器件、光网络模块和光网络设备。20世纪30年代前,通信传输设备基本上是通过铁线、铜线、铜包钢线、平衡电缆和同轴电缆等传输信号的。由于这些线材具有容量和传输距离有限的先天不足,很快它们成了通信发展的瓶颈。1966年7月,世界著名的华裔专家高锟博士在英国发表了一篇题为“光频纺介质纤维表面波导”的论文,创造性地提出了用玻璃制成损耗为20 db/km的光纤,以支持长距离、大容量信息传输的思想,这一年被认为是光纤通信元年。经过50多年的发展,光纤通信已是各种通信网的主要传输方式,欧美等发达国家已经把光纤通信放在了国家发展的战略地位。现在光纤的使用已不只限于陆地,光缆已广泛铺设到了大西洋、太平洋海底,这些海底光缆使得全球通信变得非常简单快捷。现在不少发达国家又把光缆铺设到住宅前,实现了光纤到办公室和家庭的接入。
图15-3-4
20世纪70年代,国外的低损耗光纤获得突破以后,我国从1974年开始了低损耗光纤和光纤通信的研究工作,并于20世纪70年代中期研制出低损耗光纤和室温下可连续发光的半导体激光器(如图15-3-4所示)。1979年分别在北京和上海建成了市话光缆通信试验系统,这比世界上第一次现场试验只晚了两年多。这些成果是我国光纤通信研究的良好开端,并使我国成为当时少有的拥有光缆通信系统试验段的几个国家之一。到20世纪80年代末,我国光纤通信的关键技术已达到国际先进水平。目前,我国已经形成了较完整的光纤通信产业体系,涵盖了光纤、光传输设备、光源与探测器件和光电器件等领域。2025年1月,工业和信息化部正式印发《关于开展万兆光网试点工作的通知》,标志着我国将在2025年正式启动万兆光网的试点部署和应用。
技术突破50G-PON技术:50G-PON应用中的灵敏度劣化、色散代价差异等技术有望攻克解决,技术三代多模共存、上下行对称的50G-PON万兆光网有望实现落地应用。
空芯光纤:空芯光纤作为新一代光通信技术正加速从实验室走向产业化。如微软2024年启动15000公里空芯光纤部署,中国电信在浙江进行首标,中国移动试点长飞光纤产品。
应用拓展万兆光网试点场景:在居民小区,推进50G-PON接入端口覆盖,试点5000Mbps及以上家庭宽带套餐等业务;在工厂场景,推进50G-PON接入端口覆盖厂房、车间,验证万兆光网和人工智能融合技术在工业AOI等领域应用;在工业和产业园区,推进50G-PON接入端口覆盖,探索OTN节点部署到园区机房等新型技术验证。
光网络与多领域融合:光网络与AI融合加深,人工智能技术在网络“规建维优营”中的应用将持续加强;同时光网络还将为5G-A/6G承载、算力互联、低空经济等提供支撑。
　　材料一　中国北斗卫星导航系统 　　材料二　光纤通信的发展现状 　　——详见电子资源
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