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第二十一章 电磁波及其应用
第三节 卫星通信和光纤通信
物理观念：了解卫星通信的基本原理，同步卫星的轨道特性及三颗卫星实现全球覆盖的机制，了解解光纤通信中激光的特性及光在光纤内的全反射传输原理。对比卫星通信（覆盖、延时）与光纤通信（容量、抗干）的优缺点。
科学思维：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。
科学探究：实验设计与观察，通过“水流导光”实验模拟光纤传输，观察光在介质中的反射路径，理解卫星通信在定位的作用。
科学态度与责任：通过我国北斗系统、超高速光纤网络等成就，增强民族科技自豪感。社会责任意识，培养科技的价值观。
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。相同时间内，电视广播比电台广播能传递更多的信息。
在相同的时间内，播放视频和播放音频传递的信息量一样吗？
微波：波长在10 m ～1 mm之间;
频率在30 MHz ～3 ×105 MHz之间的电磁波。
优点：
微波比中波、短波的频率更高，一定时间内可以传递更多的信息。一条微波线路可以同时开通几千甚至几万路电话。
1.微波通信
知识点一：卫星通信
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 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（如图）。要想使信号传递的距离越远，那么需要的中继站就越多。
2.微波中继站
月球是地球的卫星，可以反射微波，但它离我们太远，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。
解决方案：人造卫星通信。
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？
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。
3.地球同步卫星
有一些通信卫星是相对地球静止的同步卫星，从地面上看，它们好像悬挂在空中静止不动。
4.卫星通信
卫星通信的组成部分
用通信卫星作为微波通信的中继站来进行通信。
卫星通信:利用卫星做中继站的微波通信方式。
同步卫星：通信卫星大多相对地球“静止”
——同步卫星
通信卫星的板状两翼是太阳能电池，它将太阳能转化为电能，供卫星使用。碟形天线用来接收来自卫星的信号。
卫星通信由组成部分：同步卫星、地面中继站、地面通信控制中心、地面传输系统。
5.卫星通信的优点
卫星通信可用于国内或国际通信，能传输电报、电话、传真、电视和高速数据等，在地球周围配置3颗同步卫星，可以实现全球通信。通过卫星电视，一个地方出现的突发事件，全世界的人们几乎可以立刻看到现场的画面。
优点：（1）通信容量大，通信范围大。
（2）干扰小、不易受灾害影响。
（3）质量好、功效高，建设速度快。
（4）同一信通可用于不同方向和不同区域。
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。
使用北斗卫星导航系统的无人驾驶车辆
视频 北斗卫星导航系统
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。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。
（1）激光的特点：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）光纤通信：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.光纤通信
知识点二：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125~140μm。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。
光沿着水流传播
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
如图所示，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。由于光的频率很高，所以光在一定时间内可以传输大量信息。
3. 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
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。
5.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。
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，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。
卫星通信
和光纤通信
卫星通信
光纤通信
1.微波在无线电波中，波长最短，频率最高；大致沿直线传播，需建中继站
2.卫星是微波中继站，可实现全球通信
3.特点：信号覆盖范围广，通信范围大
1.利用激光在光纤中多次反射传递信息
2.特点：传输信息量大，传输距离远，抗干扰能力和保密性强
1.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
C
2.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
3.早在100多年前，贝尔实验室就有了用“光话”替代电话的设想，后来科学家利用强光源产生的　 　，以及光导纤维技术，终于让光纤通信成为了现代通信的重要方式。如图是光导纤维工作示意图，光导纤维能传导光的基本原理是　　　 　。
激光
光的反射

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