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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
素养目标
1.了解卫星通信的基本原理和激光的特性及光在光纤内的全反射传播原理，对比卫星通信（覆盖、延时）与无线通信（容量、抗干）的优缺点。
2.初步具有模型建构能力，通过卫星轨道示意图和光纤全反射光路图，抽象化通信系统的结构模型。
3.有实验设计与观察能力，通过“水波导”实验模拟光传输，理解卫星通信在定位中的作用。
4.通过我国北斗系统、超大容量光纤网络等成果，增强民族科技自豪感、社会责任意识，培养科技价值观。
创设情景，引入新课
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。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？
微波通信接收装置
1.思考：什么是微波？
卫星通信
（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。
波长在10m~ 1mm ，频率 30MHz~3×105MHz之间
2.思考：什么是微波通信？
（1）概念：利用微波进行的通信称为微波通信。
（2）微波中继站
由于微波大致沿直线传播，所以要想让它沿地球表面传播就要设中继站。通常每隔 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 。
（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
50
多
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？
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。
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：
使用人造卫星通信
3.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。
4.利用通信卫星做微波通信的中继站来进行通信的方式叫 通信。
5. 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 、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”。
6.全球通信
在地球周围均匀地配置 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。
卫星
相同
三
7.卫星通信的组成：
由通信卫星、地面站和 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 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 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。
传输系统
静止
变频
8.卫星通信特点：
通信范围 ，只要在卫星发射的电磁波覆盖的范围内均可进行通信； 受陆地灾害影响，建设速度 ； 于实现广播和多址通信。
9.中国北斗卫星导航系统：
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。
大
不易
快
易
北斗导航和使用北斗导航的无人驾驶车
光纤通信
我们已经知道，电磁波的传播速度
光速，实际上 也是一种电磁波。与短波、微波相比，光的频率更 。如果用光来通信，相同时间可以传递更多的信息。
1. 激光
（1）激光的概念：频率 、方向 集中的光叫激光。
等于
光
高
单一
高度
（2）激光通信容量更大
我们知道，电磁波的传播速度等于光速，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，难以用它来携带信息。
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。
2. 光导纤维
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。
（1）光导纤维简称光纤，是一种非常细的 ，激光可在光纤里传播， 受外界干扰。
光导纤维灯
实用的光纤是比人的头发丝稍 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 和 组成， 完成信号的传输， 与 的折射率不同，会将光信号封闭在
中传输并起到保护 的作用。工程中一般将多条光纤固定在一起构成光缆。
玻璃丝
不
粗
纤芯
包层
包层
纤芯
纤芯
纤芯
纤芯
（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。
上面的实验模拟了激光在光导纤维中的传播。
光不但能沿直线传播，也可以沿着
的水流传播 。
②光导纤维传光原理
光导纤维传播激光的原理是光的 反射。携带信息的激光从光导纤维的一端 ，在光纤内部传播时，发生的是 反射，在内壁上 次反射，从另一端 ，这样就把它携带的信息传到了远方。
携带信息的激光射入
携带的信息
随激光射出
激光多次发生全反射
弯曲
射入
全
全
多
射出
视频讲解—《光导纤维》
3. 光纤通信
光纤通信是利用 在光导纤维中传输信息的一种通信方
式。由于光的频率很 ，在一定时间内可以传输大量信息。
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
激光
高
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。
4. 光纤通信的优点：
（1）传输频带极 ，通信容量很 ；
（2）光纤衰减 ， 中继设备，传输距离 ；
（3） 受电磁干扰，通信质量 ，保密性 。
5.光纤通讯技术的发展
宽
大
小
无
远
不
高
好
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：历经四十年的发展，中国光纤光缆行业已经占据世界半壁江山，为现代通讯做出了突出贡献，体现了大国精神、大国担当。现代信息高速公路，是卫星通信和光纤维通信等高速、大容量信息传输通道的俗称，光纤维通信传输信息的载体是（　　）
A．微波 B．光波
C．无线电波 D．超声波
B
科学世界：激光的应用
除了通信，激光还有许多其他应用：
（1）激光束的方向性（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。
（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，这是军事研究的重要方向。
（3）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。
激光切割晶片示意
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？
课堂总结
卫星通信和
光纤通信
卫星通信
光纤通信
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。
④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。
⑤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。
③科学世界：激光的应用。
课堂练习
2.北斗卫星导航系统是中国自主建设、独立运行的卫星导航系统，始终秉持和践行“中国的北斗，世界的北斗，一流的北斗”的发展理念，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。卫星导航在传递信息过程中主要依靠的是（　　）
A．超声波 B．次声波 C．电磁波 D．光导纤维
1.利用光导纤维在一定时间内可以传输较大量的信息，这是因为光波的（　　）
A．波长长
B．波速快
C．频率高
D．看得见
C
C
3.现在许多长途电话是以地球同步卫星做中继站的。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离是36 000 km，请你估算延迟的时间。为什么打市内电话时没有这种延迟？
解： 无线电波传播的距离为：
s=36000km×2=72000km
延迟时间为：
t=s/v
=72000km/3×105km/s
=0.24s
打市内电话没有延迟的原因为：
在市内打电话距离很短，延迟时间很短，人感觉不到。
4. 关于网络通信，下列说法正确的是（ ）
A．目前使用比较频繁的网络通信形式是电子邮件
B．电子邮件在目前只能传递文字，不能传递照片、语音或其他信息
C．从网上只能收发电子邮件，查不到其他资料，因此上网是有局限性的
D．利用互联网可以进行远程教育、下载文件、邮寄商品等
A
5.通过微波传送的是（　　）
A．超远程通信 B．无线电广播
C．电报 D．电视和宇航通信
D
下 课
Thanks!
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