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人教版九年级物理 第二十一章 电磁波及其应用
第3节 卫星通信和光纤通信（教学设计）
【课题】第3节 卫星通信和光纤通信
【学习目标】
1．了解卫星通信和光纤通信。
2．通过学习了解为什么要用微波通信？如何实现微波通信？了解微波性质接近于光波，大致沿直线传播，不能沿地球表面绕射的特性，了解微波传播过程中的一些缺陷以及这些缺陷如何通过卫星通信来弥补。
3．了解光纤通信的原理和优点。
【学习重点】
卫星通信和光纤通信的优点和原理。
【学习难点】
卫星通信和光纤通信的优点和原理。
【实验器材】塑料瓶、激光笔、玻璃水槽、水等（演示水流导光）。
【问题导入新课学习】
无线电波中微波的波长更短，在1mm至10m之间，频率更高，在30MHz到3×105MHz 之间，一条微波线路可以同时开通几千、几万路电话，能够传输更多的信息。
微波的性质接近光波，在真空和空气中大致沿直线传播，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？
【板书课题】第3节 卫星通信和光纤通信
【新课学习】知识点一 卫星通信
指导学生阅读课本有关卫星通信的内容，了解其原理。
【分析论述】微波通信
微波频率高、波长短，绕射能力差,几乎沿直线传播,传输过程中衰减很大,传输距离较短。受地球弧度影响,被地球表面阻挡。需每隔50 km左右就建一个微波中继站,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。
【归纳总结】
【想想议议】
问题：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？
讨论后得出结论：不能。
原因：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。
解决方案：
利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。
【播放视频】全球通信：利用3颗地球同步卫星进行全球通信
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。
【归纳总结】
【介绍卫星通信的应用】
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。
【课堂练习】
【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
【答案】D
【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；
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。
【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
【答案】B
【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。
知识点二 光纤通信
二、光纤通信
指导学生阅读课本有关“光纤通信”的内容，了解其原理。
【分析论述】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。
【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。
由实验可以看到，光可以沿弯曲的水流传播，该实验模拟了激光在光导纤维中的传播。
【播放视频】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。
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。
【归纳总结】
【课堂练习】
【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。
【答案】电磁波 反射
【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
【答案】C
【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。
科学世界 激光的应用
指导学生阅读课本有关“激光的应用”的内容，了解激光的应用
归纳总结：激光的应用
1.激光通信。
2.激光方向性好，利用激光精确测距。
3. 激光亮度高，可在很小的空间和很短的时间内集中很大的能量。利用激光加工坚硬材料。激光切割金属、焊接金属，金属钻孔等。
4.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。
5.制造激光武器。
6.利用几十阿秒(10-14s)的激光脉冲“捕捉”原子内电子的运动。
【课堂练习】
【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
【答案】C
【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。
【课后作业】练习与应用： 1、2、3题

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