资源简介

(共42张PPT)
幻灯片 1：课程标题
标题：21.3 卫星通信和光纤通信
学科：物理
年级：九年级全一册（人教版）
前置关联：基于 21.2 广播、电视和移动通信知识，深入探究两种高效远距离通信方式 —— 卫星通信和光纤通信
幻灯片 2：教学目标
了解卫星通信的系统组成和工作原理，知道同步通信卫星的特点和作用。
理解光纤通信的基本原理，掌握光导纤维的传光特性和信号传输过程。
对比卫星通信和光纤通信的优缺点及应用场景，认识它们在现代通信网络中的重要地位。
关注通信技术的发展趋势，体会科技进步对信息传递的推动作用。
幻灯片 3：导入 - 远距离通信的突破
现实需求：随着全球化的发展，人们对远距离、大容量、高质量的通信需求日益增长，普通的地面通信难以满足跨大洲、跨海洋的通信需求。
技术方案：卫星通信和光纤通信作为两种重要的远距离通信技术，分别通过空间和有线介质实现了高效信息传递，成为现代通信网络的核心支柱。
核心问题：卫星通信如何实现全球覆盖？光纤通信为何能传输大量信息？它们各自有哪些独特优势？
幻灯片 4：卫星通信的系统组成
通信卫星：作为空间中继站，接收地面发射的信号并放大后转发给其他地面站，主要由天线、转发器、电源和控制系统组成。
地面站：包括发射站和接收站，负责将信号发送到卫星或将卫星转发的信号接收处理，如大型地面通信中心、便携式地球站等。
通信链路：由上行链路（地面站到卫星）和下行链路（卫星到地面站）组成，利用微波波段传递信号（通常为 C 波段、Ku 波段等）。
幻灯片 5：同步通信卫星的特点
轨道特性：同步通信卫星位于赤道上空约 35786km 的圆形轨道上，绕地球运行的周期与地球自转周期相同（24 小时），相对于地面静止，又称静止卫星。
覆盖范围：一颗同步卫星可覆盖地球表面约 40% 的区域，三颗均匀分布的同步卫星即可实现全球通信覆盖（除两极部分地区外）。
信号延迟：由于卫星距离地面遥远，信号往返传播时间约为 0.27 秒，这是卫星通信不可避免的 “卫星延迟”。
幻灯片 6：卫星通信的工作原理
信号发射：地面发射站将音频、视频或数据信号调制到高频微波信号上，通过大功率发射天线发送到同步通信卫星。
卫星转发：卫星上的转发器接收地面信号，进行放大、变频等处理后，再通过卫星天线转发回地面。
信号接收：地面接收站接收卫星转发的信号，经过解调、放大等处理，还原出原始信息，传递给用户终端。
应用场景：国际通信、电视转播（如奥运会全球直播）、气象监测、导航定位（如 GPS）、偏远地区通信等。
幻灯片 7：卫星通信的优势与挑战
显著优势：
覆盖范围广，不受地理条件限制，特别适合偏远地区和海洋、沙漠等地面通信难以到达的区域。
通信距离远，一颗卫星即可实现跨洲际通信，建设成本与通信距离无关。
部署灵活，可快速实现通信网络覆盖，在灾害救援等紧急情况下作用突出。
面临挑战：
信号受天气影响较大，暴雨、雷电等恶劣天气可能导致信号衰减或中断。
存在卫星延迟，影响实时交互类通信（如视频通话）的体验。
卫星制造和发射成本高，维护困难，且存在轨道资源和频率资源有限的问题。
幻灯片 8：光纤通信的基本原理
核心载体：利用光导纤维（简称光纤）传递光信号，光信号携带信息实现通信。光属于电磁波，频率极高（约 10 -10 Hz），因此光纤通信具有极大的信息容量。
传光原理：光在光纤中通过全反射传播。光纤由折射率较高的纤芯和折射率较低的包层组成，当光以大于临界角的角度入射到纤芯与包层的界面时，会发生全反射，使光在纤芯中沿锯齿状路径传播，几乎无能量损失。
信号转化：发送端将电信号通过电光转换器（如激光器）转化为光信号，光信号在光纤中传输，接收端通过光电转换器（如光电二极管）将光信号还原为电信号。
幻灯片 9：光导纤维的结构与分类
结构组成：
纤芯：位于中心，直径通常为 5-10μm（单模光纤）或 50-62.5μm（多模光纤），由高纯度石英玻璃或塑料制成，折射率较高。
包层：包裹在纤芯外层，直径约 125μm，折射率低于纤芯，确保光在纤芯中发生全反射。
涂覆层：最外层的保护层，由聚合物材料制成，起保护、增强光纤机械强度的作用。
主要分类：
单模光纤：纤芯直径小，仅允许一种模式的光传播，传输距离远（可达数十千米），带宽大，适用于长距离通信。
多模光纤：纤芯直径较大，允许多种模式的光传播，传输距离较短（几千米），带宽较小，适用于短距离通信（如局域网）。
幻灯片 10：光纤通信的系统组成
光发射机：由电信号处理电路、光源（如半导体激光器、发光二极管）组成，将电信号转化为光信号并注入光纤。
光纤线路：包括光纤、光纤接头和光纤连接器，是光信号传输的物理通道。
光中继器：当光信号传输距离较长（超过几十千米）时，信号会衰减，光中继器可放大、整形光信号，延长传输距离。
光接收机：由光检测器（如光电二极管）、电信号处理电路组成，将接收到的光信号转化为电信号，还原出原始信息。
幻灯片 11：光纤通信的显著优势
信息容量大：光的频率高，一根光纤可同时传输数百万路电话或数千套电视节目，远高于电缆和无线电通信的容量。
传输距离远：光信号在光纤中衰减小，单模光纤无中继传输距离可达 100 千米以上，降低了中继设备的成本。
抗干扰能力强：光纤是非金属材料，不导电，不受电磁干扰和雷电影响，信号传输稳定，保密性好（不易被窃听）。
体积小、重量轻：光纤由玻璃或塑料制成，直径细，重量轻，便于铺设和运输，尤其适合海底和地下管道铺设。
原材料丰富：制造光纤的主要材料是石英砂，来源丰富，成本低廉，相比铜缆可节省大量金属资源。
幻灯片 12：光纤通信的应用场景
长途通信干线：连接各大城市、省份的通信骨干网络，承担大量语音、数据、视频的长途传输任务。
海底光缆：铺设在海底的光纤电缆，是连接各大洲之间通信的主要通道，如连接亚欧、欧美大陆的海底光缆系统。
本地通信网络：城市内部的通信网络，如光纤到户（FTTH），为家庭和企业提供高速互联网、高清电视等服务。
数据中心互联：数据中心之间通过光纤连接，实现大量数据的快速传输和共享，支撑云计算、大数据等业务。
幻灯片 13：卫星通信与光纤通信的对比
通信方式
传输介质
带宽容量
传输距离
抗干扰性
延迟
主要应用
卫星通信
微波（空气、真空）
中等
远（全球覆盖）
受天气影响大
较高（约 0.27 秒）
全球通信、电视转播、导航、偏远地区通信
光纤通信
光纤（光信号）
极大
远（需中继）
强（抗电磁干扰）
极低（忽略不计）
长途干线、海底通信、光纤到户、数据中心互联
幻灯片 14：卫星通信的发展趋势
低轨道卫星星座：由数百颗甚至数千颗低轨道卫星（轨道高度 500-2000km）组成星座，如 Starlink、OneWeb 等，相比同步卫星，具有低延迟、高带宽、全球无缝覆盖的优势，可提供高速卫星互联网服务。
高通量卫星（HTS）：采用更高频率的波段和多点波束技术，大幅提高卫星的通信容量，降低单位带宽成本，满足高清视频、大数据传输等需求。
卫星与地面网络融合：实现卫星通信与 5G、物联网等地面网络的融合，构建天地一体化通信网络，提升通信的可靠性和灵活性。
幻灯片 15：光纤通信的前沿技术
超高速传输：研发更高调制速率的光传输技术，如 1.2Tbps、400Gbps 甚至更高速率的光纤传输系统，满足爆炸式增长的数据传输需求。
超长距离传输：通过新型光纤材料、放大技术（如拉曼放大）和信号处理技术，延长无中继传输距离，降低长途通信成本。
光纤传感与通信融合：利用光纤同时实现通信和传感功能，在油气管道监测、地质灾害预警、结构健康监测等领域应用前景广阔。
幻灯片 16：现代通信网络的构成
骨干网：以光纤通信为主，承担长距离、大容量的核心传输任务，连接各大城市和数据中心。
接入网：将骨干网与用户连接起来，包括光纤到户、无线局域网（Wi-Fi）、移动通信基站等。
卫星通信网：作为骨干网的补充，覆盖偏远地区、海洋、空中等地面网络难以到达的区域，提供应急通信和全球覆盖服务。
融合趋势：各种通信方式相互协作、优势互补，形成覆盖全球、无缝连接的现代通信网络，支撑数字经济和信息化社会的发展。
幻灯片 17：通信技术对社会发展的影响
全球互联互通：卫星通信和光纤通信打破了地理限制，使全球各地的人们能够便捷地交流信息、开展合作，促进了全球化进程。
数字经济发展：高速、大容量的通信网络为电子商务、云计算、大数据、人工智能等数字经济产业提供了基础支撑，推动了经济转型升级。
应急通信保障：在地震、洪水等自然灾害导致地面通信中断时，卫星通信可快速恢复通信，为救援工作提供关键支持。
生活方式改变：光纤到户带来的高速互联网使在线教育、远程办公、高清视频通话等成为可能，改变了人们的学习、工作和生活方式。
幻灯片 18：课堂总结
卫星通信：以同步通信卫星为中继，利用微波实现全球覆盖，适用于偏远地区和跨洲际通信，存在一定延迟和天气影响。
光纤通信：利用光在光纤中的全反射传输信号，具有大容量、长距离、抗干扰强等优势，是现代通信骨干网的核心。
技术互补：卫星通信和光纤通信各有优势，在现代通信网络中相互协作，共同构建全球无缝通信体系。
发展方向：低轨道卫星星座和超高速光纤传输是两大技术的重要发展趋势，将进一步提升通信能力。
幻灯片 19：课后作业
完成课本练习题，对比卫星通信和光纤通信的异同点。
实践思考：为什么在地震等自然灾害中，卫星电话成为重要的通信工具？结合卫星通信的特点解释。
资料收集：查阅资料，了解我国在卫星通信（如北斗系统）和光纤通信领域的最新成就。
拓展探究：畅想未来通信技术的发展，你认为卫星通信和光纤通信会如何进一步融合发展？
2024人教版版物理九年级全册
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21.3卫星通信和光纤通信
第二十一章 电磁波及其应用
a
i
T
u
j
m
i
a
N
g
一、微波通信
信息理论表明，作为载体的电磁波，频率越高，相同时间内传输的信息就越多。因此，现代通信技术所采用的频率越来越高，微波通信就是其中应用较广泛的一种。
1. 传输信息与频率的关系
（1）波长和频率范围
微波波长在 10m~1mm之间，频率 30MHz~3×105MHz之间。
（2）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。
一、微波通信
2. 微波
波长在10m~ 1mm ，频率 30MHz~3×105MHz之间
（1）概念：利用微波进行的通信称为微波通信。
一、微波通信
3. 微波通信
（2）微波中继站
微波大致沿直线传播，不能沿地球表面绕射。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。
（3）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。
（4）微波通信的缺点
需要大量中继站进行信号处理，而且，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。
一、微波通信
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？
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。
二、卫星通信
解决方案：
使用人造卫星通信
1. 卫星通信的概念
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。
二、卫星通信
2. 同步通信
地球同步卫星即地球同步轨道卫星，是运行在地球同步轨道上的人造卫星，距离地球约36000km，卫星的运行方向与地球的自转方向相同、运行轨道位于地球赤道平面上圆形轨道、运动周期与地球自转一周的时间相等，所以叫做“同步通信卫星”。
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。
二、卫星通信
二、卫星通信
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。
事实上，一颗通信卫星就是一个微波中继站。
二、卫星通信
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。
二、卫星通信
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。
A
三、光纤通信
（1）激光的概念：频率单一、方向高度集中的光叫激光。
（2）激光通信容量更大
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。与微波相比，光的频率更高。如果用光来通信，这条“高速公路”要比短波、微波的“公路”宽出百万倍、千万倍。
不过，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。
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。
1. 激光
三、光纤通信
（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
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。
三、光纤通信
光沿着水流传播
①演示实验—《水流导光》
（2）光导纤维传光原理
光不但能沿直线传播，也可以沿着弯曲的水流传播
三、光纤通信
光导纤维
携带信息
的激光射入
携带的信息
随激光射出
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。
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。由于光的频率很高，在一定时间内可以传输大量信息。
3. 光纤通信
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（市、州），而且还与其他国家合作修建了跨越太平洋的海底光缆。光纤通信已经成为我国长途通信的骨干力量。
三、光纤通信
（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. 光纤通信的优点
三、光纤通信
三、光纤通信
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”。
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。
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。
A
计算机可以高速处理各种信息，把计算机联在一起，可以进行网络通信。计算机之间的联结，除了使用金属导线外，还用了光缆、通信卫星等各种通信手段。
如果某人的计算机跟一个叫做服务器的大计算机相联，就是平常说的“上网”。世界上最大的计算器网络是因特网。
1. 网络通信
四、网络通信
A
计算机服务器是指在计算机网络中提供服务的一种计算机系统，它提供应用程序的服务，可以接受客户端的请求并提供相应的服务功能。服务器通常配备高效的硬件和软件资源，用于处理大量的请求和数据，在网络上起到“服务商”的角色。
2. 计算机服务器
四、网络通信
A
（1）电子邮件
①电子邮件是人们经常使用的网络通信形式，它不仅可以传送文字，也可以把照片、语言及任何信息变成数字文件进行传送。
每个电子信箱都有自己的“地址”，这样才能把邮件送到正确的地方。电子信箱地址的格式为：用户名、符号“@”（发音同英语的“at”）和域名三部分。
如 xiaolin@.cn，这表示信箱属于一个自称“xiaolin”的人，他的服务器名叫.cn。其中“cn”是China的简写，表示这个服务器是在中国注册的。
3. 网络通信的应用
四、网络通信
A
②电子邮件的传送
发送方通过计算机输入信息并传送到与计算机相联系的服务器A→服务器A将信息传送到与接收方计算机相连接的服务器B→服务器B将信息再传送到接收方计算机中，即可显示发送方的信息。
四、网络通信
A
（2）网络通信的一些应用
除了通过网络收发电子邮件外，还可以通过网络通信系统查阅资料、看新闻、购物、进行视频点播，另外还可以通过网络进行远程教育、远程医疗等。
四、网络通信
　通过因特网可以快速收发语音短信、视频、图片和文字等信息。
随着通信技术的发展，现在已经可以在很短的时间内传送越来越大的信息量，信息传送的速度能够满足电视等活动画面的需要。
四、网络通信
近年来随着互联网技术的不断发展，使得线上购物成为中国网民不可缺少的消费渠道之一。截止到2019年上半年，我国网络购物用户规模达6.39亿，占网民整体的74.8%。其中手机网络购物用户规模达6.22亿，占手机网民的73.4%。2019年网络购物消费额将达到66610亿元，占社零总额比重为19.5%。
网络购物
四、网络通信
1. 激光的特点与应用
（1）激光束的平行度特别好，在传播很远的距离后仍能保持一定的强度。
①激光测距：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，就可以求出目标的距离。激光测距雷达就是根据这个原理制成的。
②读出光盘上记录的信息：由于平行度好，激光可以会聚到很小的一点上。让这一点照射到光盘上，就可以读出光盘上记录的信息，经过处理后还原成声音和图像。由于会聚点很小，光盘记录信息的密度很高。
五、《科学世界》——激光的应用
（2）激光的亮度高
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，可以使物体的被照部分迅速上升到极高的温度，最难熔化的物质在这一瞬间也要汽化了。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。医学上可以用激光做“光刀”来切开皮肤、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，在军事上有广泛的应用。
五、《科学世界》——激光的应用
2. 想想议议
阅读了以上这段“科学世界”和前面的“光纤通信”后，讨论下面几个问题。
（1）激光有哪些不同于其他光的特点？文中所说激光的应用分别利用它的哪个特点？
（2）除了文中介绍的应用外，你还听说在什么地方用到了激光？
五、《科学世界》——激光的应用
1. 微波通信需要中继站，原因是( )
C
A. 微波信号衰减特别快
B. 微波信号传播速度慢
C. 微波大致沿直线传播，不能沿地球表面绕射
D. 微波信号容易被干扰，信号容易丢失
返回
2. 下列关于地球同步通信卫星的判断中正确的是( )
A
A. 同步卫星的转动周期和地球自转周期相同，相对于地面
是静止的
B. 同步卫星在空中静止不动
C. 同步卫星每天绕地球运转一周
D. 同步卫星作为微波通信的中继站，地球上空至少要4颗才
能将信号覆盖全球
返回
3. 光纤通信就是利用光波在光导纤维中传输信息的一种通信
方式，光导纤维是一种由玻璃制成的纤维，其应用前景非常
广阔。下列关于光纤通信的说法正确的是( )
B
A. 光导纤维是导体
B. 由于光的频率高，可以在一定时间内传播大量的信息
C. 光波在光导纤维中传播的速度等于
D. 光波不是电磁波
【点拨】光导纤维是玻璃丝，属于绝缘体。光导纤维是固体，
光在固体中的传播速度小于 。光波属于电磁波。
返回
4.在一个无色大塑料瓶的侧壁靠底部的位置钻一个小孔，用
胶带粘住小孔，在瓶中装满水，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侧的小孔
（如图所示）。揭下胶带，让水流到下面的盆里，你会看到
光束随弯曲的水流照到盆底，在盆底形成一个光斑。
（第4题）
（1）在这个实验中，激光电筒的光束沿水
流的____（填“内”或“外”）壁经过多次
______（填“反射”或“折射”），最后射到
盆底。
内
反射
（2）实验中从瓶中流出的水柱相当于光纤
通信中的光导纤维，由此说明用来进行光
纤通信的光纤____（填“能”或“不能”）弯
曲。
（3）在光纤通信中，每一根光纤____
（填“能”或“不能”）同时传导多束激光信号
而不致相互干扰。
能
能
（第4题）
返回
（第5题）
5. 现在许多长途电话是以地球同
步卫星做中继站的，如图所示。
打这种长途电话时，会感到对方
的反应有些延迟。造成这种延迟
的原因之一是无线电波在射向卫
星和从卫星返回时需要一定的时
间。假设某人造卫星与地球的距
B
A. B. C. D.
离是 ，则延迟的时间约为( )
返回
6.光导纤维由内芯和
外套组成（如图甲）。
若光在光导纤维内芯
16
中传播速度为真空中传播速度的 ，那么光信号在光导纤维内
芯中沿直线传播，需要_________ 。光纤通信是利用
光在光导纤维中多次反射来传输信息，当一束光与水平方向
成 角，从点射到一段水平放置的长为 、内径为
的直光导纤维的边缘，如图乙所示，光束进入此光导
纤维内部（两端的边缘除外）后反射了____次。
【点拨】光在光导纤维内芯
中传播速度为
光信号在光导纤维内芯中沿直线传播 需要的时间为
。由题知，光束在此光导纤维
，
内部每反射一次传播的距离
为 /次
/次，光束在
此光导纤维内部反射的次数
为 次。因两端的边缘除外，反射的次数
应减去1，所以光束在此光导纤维内部反射的次数为16次。
返回
①微波：波长10m~1mm间，频率30MHz~3×105MHz间.
②利用微波进行的通信称为微波通信。
③需利用微波中继站传递信息.
①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组成：同步通信卫星、地面站.
①激光：频率单一、方向高度集中.
②是利用激光在光导纤维中传输信息的一种通信方式.
网络通信是借助计算机网络进行通信的方式.
五、课堂总结
微波通信
卫星通信
光纤通信
网络通信
越来越宽的信息之路
必做作业：从教材习题中选取；
选做作业：完成练习册本课时的习题.
谢谢观看！

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