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第二十一章 电磁波及其应用
第3节 卫星通信和光纤通信
课时学习目标
1. 了解微波通信、卫星通信和光纤通信;
2. 知道信息理论,频率越高,相同时间传输的信息越多。
3. 经历通信方式演变的过程,体会信息传递的多样性。
4. 经历“水流导光”实验,了解光纤通信的原理。
5. 通过学习通信知识,了解科技为人类带来的便利,培养关注科学发展前沿的意识,提高学习科学的兴趣,树立科技服务人类的思想。
了解现代通信知识。
学习重点
学习难点
卫星通信和光纤通信的优点和原理。认识现代科技对生活的影响。
学习重点、难点
导入新课
在无线电波中，微波的波长短，频率高。一条微波线路可以同时开通几千、几万路电话。
第3节 卫星通信和光纤通信
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？
导入新课
作为信息传递载体的电磁波,频率越高,相同时间内传输的信息就越多。所以常用微波进行通信。
微波的性质接近光波,大致沿直线传播 我们怎样才能把微波信号传递到远方呢
知识点一 卫星通信
微波通信

微波
（2）频率范围：30 MHz ～3 ×105 MHz
（1）波长：10 m ～1 mm
频率比中波和短波的更高，相同时间内可以传输更多的信息。
微波通信接收装置
知识点一 卫星通信
微波通信

微波大致沿直线传播，要想让微波沿地球表面传播就要设中继站。通常每隔50 km左右就要建设一个微波中继站，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，那么需要的中继站就越多。
发射
接收
微波中继通信示意
知识点一 卫星通信
微波通信

微波通信
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
缺点 需要大量中继站进行信号处理，如遇到雪山和大洋无法建立中继站时，微波通信就无法继续
知识点一 卫星通信
一、卫星通信

在遇到雪山、大洋等根本无法建设中继站的情况时，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。
知识点一 卫星通信
一、卫星通信

现在，人类用通信卫星作为微波通信的中继站来进行通信。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。
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“地球同步通信卫星”。从地面上看，它们好像悬挂在空中静止不动。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。
知识点一 卫星通信
全球通信：用3颗地球静止卫星就可以实现全球通信
卫星通信由通信卫星、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。
一颗通信卫星就是一个微波中继站
知识点一 卫星通信
知识点一 卫星通信
卫星通信

卫星通信
优点 ①信号覆盖范围广，在地球周围均匀地布置3颗同步通信卫星，就可覆盖几乎全部的地球表面；
②通信范围大；不易受地形、场地影响；建设速度快，易于实现广播和多址通信。
缺点 两地面站之间使用卫星进行通信时，电磁波传播的距离约为72000km，故信号有延迟（约0.24s）；
10GHz以上频带易受雨、雪的影响。
知识点一 卫星通信
利用卫星来发射和接收电磁波信号的应用非常广泛。例如，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，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。
中国北斗卫星导航系统
一、家用电器的总功率对家庭电路的影响
【例题1】关于微波及微波通信,下列说法正确的是【 】
A.微波是指频率最低、波长最长的无线电波
B.微波大都沿地球表面绕射，所以可以实现全球通信
C.月球可以作为微波的中继站
D.微波大致沿直线传播,需要每隔50km左右建一个中继站
【解析】A、D.在无线电波中，微波的波长最短，频率最高。一条微波线路可以同时开通几千、几万路电话;
B.微波的性质接近光波,大致沿直线传播。通常每隔50 km左右建设一个微波中继站，把上一站传来的信号处理后再发射到下一站去，让微波沿地球表面传播；
课堂练习
D
C.月球是地球的卫星，可以反射微波，但月球离地球太远，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。
一、家用电器的总功率对家庭电路的影响
　　【解析】A．以卫星2为参照物，卫星1相对卫星2的空间位置没有变化，因此卫星1相对卫星2是静止的；
B．以卫星3为参照物，卫星2相对卫星3的空间位置没有变化，因此卫星2相对卫星3是静止的；
C、D．以地球为参照物，三颗卫星相对地球的空间位置没有发生变化，因此三颗卫星相对地球都是静止的，同时三颗卫星之间的相对位置都没有发生变化，所以卫星之间都是相对静止的。
【例题2】2020年6月23日，我国在西昌卫星发射中心用长征三号乙运载火箭，成功发射北斗系统第五十五颗导航卫星，暨北斗三号最后一颗全球组网卫星，至此北斗三号全球卫星导航系统星座部署全面完成。北斗导航系统由地球非同步卫星和地球同步卫星两部分组成。如图是三颗地球同步卫星轨迹示意图。
下列地球同步卫星说法中正确的是【 】
A．卫星1相对于卫星2是静止的
B．卫星2相对于卫星3是运动的
C．三颗卫星相对于地球是运动的
D．三颗卫星相对于地球是静止的，卫星之间是相对运动的
课堂练习
B
知识点二 光纤通信
二、光纤通信

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。如果用光来通信，相同时间可以传递更多的信息。
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。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。
知识点2 光纤通信
二、光纤通信
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。
水流导光
知识点2 光纤通信
水流导光
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，用来传递电视、电话等多种信息。
知识点2 光纤通信
光导纤维
光在光导纤维中的传播
携带信息的激光射入
携带的信息随激光射出
多次反射
光导纤维
光的频率很高，光在一定时间内可以传输大量信息。
知识点二 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。
光纤通信技术的发展
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。
知识点2 光纤通信
知识点一 卫星通信
光纤通信

光纤通信
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。
缺点 ①光纤容易折断，半径不能过小，否则会导致光信号的损耗增加。
②光纤通信需要一定设备和技术，光纤通信系统的建设和维护成本较高。
一、家用电器的总功率对家庭电路的影响
【解析】移动通信主要是依靠无线网络通信技术，就是利用电磁波进行信息传输；
光纤通信是利用激光在光导纤维中多次反射，将携带的信息传到远方。
【例题3】5G是第五代移动通信技术的简称，5G是利用 　 　_________传递信息的。据专家预计到2030年5G网络将完全开发和建立，将和光纤一道成为信息社会最重要的基础设施，其中光纤通信是利用光在光导纤维中多次________将信息传到远方。
课堂练习
电磁波
反射
一、家用电器的总功率对家庭电路的影响
　 【解析】光纤通信是信号在光纤内传播,不容易受电磁干扰;光纤通信传输容量大;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,光是频率很高的电磁波;光纤通信需要介质,无线电通信可以在真空中进行，也可以不需要介质。
【例题4】光纤通信已成为现代通信的主要支柱之一,关于光纤通信,以下说法正确的是【 】
A.光纤通信容易受电磁干扰
B.光纤通信传输容量小
C.光纤通信是利用电磁波传递信息的
D.光纤通信和无线电通信都不需要介质
课堂练习
C
激光的应用
科 学 世 界
二、电动机的基本构造
激光的应用
除了通信，激光还有许多其他应用。
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。
激光的应用
科 学 世 界
二、电动机的基本构造
激光的应用
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。
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。
利用激光束切割金属
利用激光焊接金属
利用激光束钻孔
激光的应用
科 学 世 界
二、电动机的基本构造
激光的应用
医学上用激光作为“光刀”切除肿瘤；用激光“焊接”脱落的视网膜。
激光的应用
科 学 世 界
二、电动机的基本构造
激光的应用
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。
LY-1舰载激光武器九三阅兵亮相（2025年）
激光的应用
科 学 世 界
二、电动机的基本构造
激光的应用
利用几十阿秒(10-14s)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。
X 射线自由电子激光器的同步阿秒 X 射线脉冲对（图中粉色和绿色）来研究液态水中电子（金）在阿秒时间尺度上的能量响应，而氢（白色）和氧（红色）原子及时“冻结”。
【例题5】下列应用激光的实例中，错误的是【 】
A. 利用激光进行长距离精确测量
B. 利用激光进行通信
C. 利用激光进行室内照明
D. 利用激光加工坚硬的材料
课堂练习
【解析】激光的频率高，利用激光进行通信，相同时间可以传递更多的信息。
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。利用激光可以用来进行长距离精确的测距。
激光的亮度高，可以在很小的空间和很短的时间内集中很大的能量。因此利用激光束可以加工坚硬的材料，用来切割各种物质、焊接金属以及在硬质材料上打孔。
C
课时知识总结
卫星通信
和光纤通信
微波通信
卫星通信
光纤通信
微波在无线电波中，波长最短，频率最高。
微波大致沿直线传播，需建中继站。
卫星是微波中继站，均匀配置3颗地球同步卫星可实现全球通信。
特点：信号覆盖范围广，通信范围大。
利用激光在光纤中多次反射传递信息
特点：传输信息量大，传输距离远，抗干扰能力和保密性强。
练习与应用： 1、2、3题
课后作业

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