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人教版2024九年级上册物理同步精讲精炼学案（全国通用）
第二十一章 电磁波及其应用
专题61 卫星通信和光纤通信
物理观念：了解卫星通信、光纤通信；知道信息理论，频率越高，相同时间传输的信息越多。
科学思维：通过阅读卫星通信和光纤通信的相关材料进行学习，发展通过阅读提取重要信息、分析、归纳的能力。
科学探究：经历“水流导光”实验，了解光纤通信的原理，提高应用物理知识分析、解决问题的能力。
科学态度与责任：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，提高学科学的兴趣，树立科技服务人类的思想。
贯彻本节课核心素养目标，必须完成以下精细化的学习目标
1.了解卫星通讯、光纤通讯。
2.通过了解现代通讯知识，了解科技给人类带来的便利，提高学生学习科学的兴趣。
本节课重点难点
重点：了解卫星通信、光纤通信的基础知识。
难点：光纤通信的原理。
知识点1. 卫星通信
1. 微波通信
（1）微波的波长和频率：在无线电波中，微波的波长较短（在10m~1mm之间），频率较高（在30MHz~3×105MHz之间）。
（2）微波的性质：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。
（3）微波中继站：微波大致沿直线传播，不能绕地球表面绕射。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。
（4）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。
（5）微波通信的缺点：需要大量中继站进行信号处理，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。
2. 卫星通信
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。解决方案是使用人造卫星作为微波中继站进行通信。
（1）卫星通信：用通信卫星作为微波中继站来进行通信。
（2）同步通信：地球同步卫星距离地球约36000km，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）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。
（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。
（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。
（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。
北斗卫星导航系统 使用北斗卫星导航系统的无人驾驶车辆
知识点2. 光纤通信
1. 光纤通信
（1）激光的特点：频率单一、方向高度集中。
（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。
2. 光导纤维
（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。
【实验结论】光不但能沿直线传播，也可以沿着弯曲的水流传播。
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。
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。
3. 光纤通信的优点
（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。
4. 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。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”。
知识点3. 激光的应用
1. 激光测距雷达
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。
2. 激光的其他一些应用
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。
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。医学上可以用激光作为“光刀”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。
此外，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。
对微波通信存在模糊认识
1. 知道微波的概念：利用波长在0.1毫米至1米之间（频率300MHz至3000GHz）的电磁波进行信息传输。
2. 理解微波特点：抓住“频率高、容量大、直线传播、需中继”四大关键点，结合具体问题情境分析其应用与限制。
3. 典型特征：（1）频率高→信息容量大；
（2）波长短→直线传播（视距传播）→无法绕射地球曲面；
（3）中继站限制→特殊地形（雪山、海洋）无法铺设→引出卫星通信解决方案；
（4）传播受环境影响→存在衰落现象→需采取抗衰落措施。
解决卫星通信问题基本方法
卫星通信 是一种利用人造地球卫星作为中继站，转发或反射无线电波。
1.理解卫星通信原理：地面站将信号上传至卫星（上行链路），卫星接收后对信号进行放大和频率转换，再下传至目标地面站（下行链路）。整个系统由 空间段 （卫星）、 地面段 （地球站）和 用户段 （终端）三部分组成。
2.掌握卫星通信特点：
（1）覆盖范围广 ：只要在卫星信号覆盖范围内，即可实现远距离通信，尤其适用于海洋、沙漠、山区等地面网络难以覆盖的区域。
（2）通信距离远且费用与距离无关 ：无论通信双方相距多远，成本基本一致。
（3）抗灾能力强 ：不易受地震、洪水等自然灾害影响，是应急通信的重要手段。
（4）支持多址通信 ：一个卫星可同时连接多个地面站，实现广播或多点通信。
知识点1. 卫星通信
【例题1】卫星中继通信
（1）同步卫星的转动方向和转动周期与地球自转方向和自转周期 ，与地面保持相对静止。
（2）用同步卫星做 可弥补微波在地面传播的不足，使卫星转发的微波信号到达地球上很大范围。
（3）用 颗地球同步卫星几乎就能使通信范围覆盖地球上的各个角落。
【答案】（1）相同；（2）中继站；（3）三
【解析】同步卫星的“同步”指的是与地球自转同步，因此转动方向与地球自转方向相同（自西向东），转动周期与地球自转周期相同（约24小时），所以它相对于地面静止。
卫星的作用是中继转发信号，即作为通信中继站或中继站。
由地理知识可知，三颗同步卫星在赤道上空均匀分布（间隔 120°），即可覆盖全球除两极附近外的绝大部分地区。
（变式练1）北斗卫星导航系统是我国自行研制的全球卫星定位与通信系统（BDS）。许多公交车安装了BDS系统，通过BDS系统可显示汽车的行驶方向、车速、与后车距离等信息。实现BDS系统与卫星信号传输的是（ ）
A．可见光 B．微波 C．红外线 D．紫外线
【答案】B
【解析】在卫星通信中，人类利用通信卫星做微波通信的中继站来进行通信。可知，BDS接收器通过接收卫星发射的微波信号，实现对车辆的精确定位并导航。故B符合题意，ACD不符合题意。故选B。
（变式练2）当手机开启热点功能为电脑、平板等带有Wi-Fi功能的设备提供网络支撑时，它相当
于（　　）
A．无线路由器 B．微波中继站
C．服务器 D．基地台
【答案】A
【解析】A．利用手机的热点功能，其他无线设备可以通过手机进行上网，这时，手机的作用相当于一个提供网络连接的设备，具有类似功能的是无线路由器，因为无线路由器是负责建立和管理无线网络的设备，可以让多个无线设备连接到互联网，故A符合题意；
B．微波中继站主要用于远距离通信中，对微波信号进行接力传输，以延伸通信距离，与手机热点功能不同，故B不符合题意；
C．服务器是为网络中的其他设备提供各种服务（如数据存储、应用程序服务等）的高性能计算机，手机热点主要是共享网络，并非提供多种服务，故C不符合题意；
D．基地台是移动通信中与移动电话终端进行通信的固定收发设备，主要用于实现移动电话与核心网之间的通信连接，和手机热点功能差异很大，故D不符合题意。
故选A。
（变式练3）微波通信
（1）微波：微波是波长在10 m～1 mm 之间的电磁波．
（2）微波的特点
①频率高：相同时间内传递的信息更多，一条微波线路可以同时开通几千、几万路电话；
②大致沿 传播：不能沿地球绕射，每隔 50 km 左右就要建设一个微波 站．
【答案】直线，中继。
【解析】微波通信，速度快，容量大；微波的传播与光的传播相似，即大致沿直线传播；
由于地球表面是曲面，而微波沿直线传播，所以微波以地表传输的距离是有限的，所以每隔50 km左右就要建设一个微波中继站，这样微波信号能够通过中继站接力传播，传输到更远的目的地。
知识点2. 光纤通信
【例题2】关于光纤通信，下列说法中正确的是（ ）
A．载有信息的激光在光缆的内壁上不断地发生光的折射，把信息从一端传到了光缆的另一端
B．用于通信的激光是在空中传播的
C．光在光导纤维中的传播是直线传播
D．光纤通信要比短波、微波通信容量更宽
【答案】D
【解析】A．激光在光缆中传播发生的是全反射，不是光的折射，故A错误；
B．用于通信的激光在光纤中传播，而不是在空中传播的，故B错误；
C．由于光在光导纤维中全反射传播，传播轨迹是折线，，故C错误；
D．光纤通信一般利用是红外线要比短波、微波通信使用电磁波频率高，波长短，所以容量更大，故D正确。故选D。
（变式练1）光纤通信与微波相比的优点： 、 、 等优点，普通光源包含了许多不同波长（频率）的光，难以用它携带信息，激光的频率 、方向高度集中。
【答案】光的频率更高，搭载的信息量更大 抗干扰性强、传播距离远 保密性好 单一
【解析】光纤通信的优点是光的频率更高，搭载信息量更大、抗干扰性强、传播距离远、保密性好。
普通光包含许多不同波长和频率的光，保密性好，激光的频率单一、方向高度集中更适合搭载信息。
（变式练2）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或塑料制成的纤维，其应用前景非常广阔。下列关于光纤通信的说法正确的是（　　）
A．光导纤维是导体
B．光在光导纤维中经多次反射传递信息
C．光波在光导纤维中传播的速度等于3×108m/s
D．光波不是电磁波
【答案】B
【解析】A．光导纤维是玻璃丝，不是导体，是绝缘体，故A错误；
B．光在光导纤维中经多次反射传递信息，故B正确；
C．光导纤维是固体，光波在光导纤维中传播的速度小于3×108m/s；在真空中的传播速度最大，等于3×108m/s，故C错误；
D．光波是电磁波，故D错误。故选B。
（变式练3）光导纤维由内芯和外套组成（如图甲）。若光在内芯中传播速度为真空中传播速度的三分之二，那么光信号在光导纤维内芯中沿直线传播100km，需要 s。互联网的光纤通信是利用光在光导纤维中多次反射来传输信息，当一束光如图乙所示，与水平方向成45°角，从A点射到一段水平放置的长为0.850mm、内径为50μm的直光导纤维的边缘，光束进入此光导纤维内部（两端的边缘除外）后反射了 次。
【答案】 5×10-4 16
【解析】光在内芯中传播速度为
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
光束在此光导纤维内部反射的次数为
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。
知识点3. 激光的应用
【例题3】光纤通信主要利用波长很 （选填“短”或“长”）的激光传输信息。如图所示，激光从光纤一端射入，在内壁上多次 ，从另一端射出，把信息传到远方，无线电广播的音频信号在发射出去之前，必须加载到频率更 （选填“高”或“低”）的电流信号上。
【答案】 短 反射 高
【解析】光纤是利用激光传播信息的，作为载体的无线电波，频率越高，相同时间内传输的信息量越多，激光的频率比较高，波长较短，相同的时间内就可以传递大量的信息。
光纤通信是利用激光传输信息的，从光纤的一端射入，在内壁上多次反射后在另一端放射出来，然后在接收端，检测器收到光信号后把它变换成电信号，经解调后恢复原信息；无线电广播的音频信号在发射出去之前，必须加载到频率更高的电流信号上。
（变式练1）利用激光测量地月距离，是20世纪60年代后发展起来的一门新技术。从地面向月球发射一束脉冲激光，激光被安装在月面上的角反射器反射回来，地面上的计时器把激光往返地月的时间记录下来，这样就可以计算出地月距离。激光是一种______波。在空气中的光速均按3.0×108m/s计算，若计时器记录的时间为2.56s，则地月距离约为______。
【答案】电磁；3.84×108
【解析】（1）激光是一种电磁波；
（2）因为v=s/t，所以激光的路程：s=vt=3×108m/s×2.565=7.68×108m.
地月间的距离
（变式练2）半导体芯片的发明是二十世纪的一项创举，它开创了信息时代的先河。光刻机是芯片制造的核心设备之一。光刻机使用的是一种非线性光学晶体材料，它能够将激光转化为史无前例的176纳米波长深紫外激光，从而制造出深紫外固体激光器。激光的平行度特别好，在传播很远的距离后仍能保持一定的距离。激光在空气中的传播速度大约是______m/s。请你写出一条激光在生活中的应用：______。
【答案】3×108m/s；通信。
【解析】激光在空气中的传播速度非常接近在真空中的光速，大约是3×108m/s。光纤通信是利用激光在光导纤维中发生反射传递信息的。
（变式练3）阅读短文回答问题：
激光的应用
1958年，人类在实验室里激发出一种自然界中没有的光，这就是激光．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．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，测量发射脉冲和接收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。
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，经处理后还原成声音和图象，由于会聚点很小，光盘记录信息密度很高。
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，可以使物体被照的部分迅速上升到极高的温度，最难熔化的物质在一瞬间也要汽化了。因此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。医学上可以用激光作“光刀”来切割皮肤，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。
（1）激光在真空中的传播速度为 km/s。
（2）激光测距与初中物理学到的 测距原理相同。
（3）用激光作“光刀”来切割皮肤、切除肿瘤、“焊接”脱落的视网膜，是利用激光的 的特点。
【答案】 （1）3×105 （2） 声呐 （3） 能量大
【解析】（1）激光在真空中的传播速度为：；
（2）用声呐测量海底的深度，就是利用信号脉冲反射再接收的道理，故激光测距与初中物理学到的声呐（超声波）测距原理相同；
（3）根据题意，激光可以集中很大的能量，可以使物体被照的部分迅速上升到极高的温度，使最难熔化的物质在瞬间汽化．所以“光刀”来切割皮肤、切除肿瘤、“焊接”脱落的视网膜，是利用激光的亮度高、能量大的特点。
1．对于微波通信，下列说法正确的是（ ）
A．微波的频率比中、短波的低，因此它的波长更长一些，可以传递更多的信息
B．微波大致沿直线传播，而地球又是一个球体，其表面是一个球面，因而距发射台较远的地方必须有相当高的天线才能接收到微波信号，而且信号也比较弱，因此，每隔50 km左右就要建立一个微波中继站
C．月球是地球的卫星，可以在月球上建立中继站，实现微波通信
D．在陆地上必须建造中继站，而在水面上可以不建造中继站
【答案】B
【解析】A．微波的频率比中、短波的高，因此它的波长更短一些，可以传递更多的信息，故A错误；
B．微波大致沿直线传播，而地球又是一个球体，其表面是一个球面，因而距发射台较远的地方必须有相当高的天线才能接收到微波信号，而且信号也比较弱，因此，每隔50km左右就要建立一个微波中继站，B正确；
C．月球虽是地球的卫星，但距离地球较远，不适合在月球上建立中继站进行微波通信，C错误；
D．在陆地上必须建造中继站，在水面上也陆地一样，也是曲面，所以要进行微波通信也必须建立中继站，故D错误；故选B。
2.如图所示，降落在月球背面的嫦娥四号登月探测器，借助鹊桥中继卫星向地球传送信息。利用的
是（　　）
A．次声波 B．无线电波 C．红外线 D．超声波
【答案】B
【解析】卫星是通过电磁波和地球进行信息交流的，借助鹊桥中继卫星向地球传送信息，利用的是电磁波，即无线电波。故ACD不符合题意，B符合题意。故选B。
3．华为推出全球首款支持双向北斗卫星消息的智能手机，在无地面网络信号时，仍可通过卫星发送和接收信息，在传递信息过程中主要依靠的是（　　）
A．微波 B．红外线 C．X射线 D．光导纤维
【答案】A
【解析】A．利用微波进行通信具有容量大、频带宽、质量好、传输效率高、可传至很远的距离等特点，故A符合题意；
B．红外线有热效应，主要应用于医疗，作为红外线光源具有一定穿透性，可以用于夜视仪、监控装备、遥控器、感应门或感应开关等，故B不符合题意；
C．X射线是一种频率极高、波长极短、能量很大的电磁波，具有很强的穿透性，透过人体不同组织时，被吸收的程度不同，经过显像处理后可得到不同的影像，故C不符合题意；
D．光导纤维原理是根据光的全反射传播信息，不能无线传输信息，故D不符合题意。
故选A。
4.北斗卫星导航系统是我国自主研制的全球卫星定位与通信系统，目前已经具备全球导航、定位和授时功能。关于北斗卫星导航系统，下列说法正确的是（　　）
A．北斗卫星导航系统传输信息的速度与光速相同
B．北斗卫星导航系统的空间段采用光纤传输信息
C．北斗卫星导航系统采用超声波为汽车导航
D．北斗卫星导航系统在传输大量信息时，其传输频率较低
【答案】A
【解析】A．北斗卫星导航系统以电磁波传输信息，电磁波的速度与光速相同，故A正确；
B．北斗卫星导航系统的空间段采用电磁波传输信息，故B错误；
C．北斗卫星导航系统采用电磁波为汽车导航，故C错误；
D．北斗卫星导航系统在传输大量信息时，其传输频率不变，故D错误。故选A。
5.通信卫星相当于微波通信的 。通信卫星大多是相对地球“ ”的同步卫星，在地球的周围均匀地配置3颗同步通信卫星，就覆盖了几乎全部地球表面，可以实现 。
【答案】 中继站 静止 全球通信
【解析】卫星通信是利用人造卫星作为通信的中继站来转发无线电信号，在两个或多个地面站之间进行通信的．通信卫星作为一个微波中继站，只是转发信号，转发的信号可以是广播、电视等多种信号。
通信卫星大多是相对地球静止的同步卫星，用通信卫星做微波通信的中继站，在地球周围均匀地配置3颗同步通信卫星，通信范围就覆盖了几乎全部地球表面，可以实现全球通信。
6.如图所示为“鹊桥二号”中继星工作示意图，用于保障嫦娥六号在月球背面与地球通信。
（1）信息传递依靠的是________波；
（2）若信号频率为2.5 GHz，则其波长为________m；
（3）与直接用地面天线通信相比，使用中继星的主要优势是？
【答案 】（1） 电磁 ；（2） 0.12 ；（3） 月球背面无法直接与地球建立通信链路，中继星可实现信号中转，保障连续通信
【解析 】（1）真空中唯一能传信息的波是电磁波；
（2）
（3）考查实际应用场景理解，强调“通信盲区”与“中继”作用。
7.我国自主建设的北斗卫星导航系统已投入使用。卫星导航系统能提供高精度的定位、导航等服务，这是应用了电磁波的哪些性质？
【答案】（1）电磁波能在真空中传播；
（2）传播速度很快且速度已知；
（3）能够传递信息。
【解析】定位需要卫星向用户传递信号，并利用传播时间或距离信息进行判断.
8．微波通信、卫星通信、光纤通信、网络通信，这些通信方式是从不同的视角进行分类的：微波通信按加载信号的电磁波的波长来分类；卫星通信、光纤通信按传播介质或设备来分类，网络通信按通信者之间的联络关系来分类。网络通信也可以采用光纤通信方式，微波通信也可以通过卫星传播，这些分类是可以重叠的。请你把以上通信方式和你知道的其他通信方式，设计一个通信方式分类图，并在图中侧重说明以上四种方式的优点。
【答案】见解析
【解析】现代通信方式：
卫星通信指直接通过卫星通信频率交流的数字信息通信，它具有快捷、安全度较高的特点。
光纤通信是一种利用光纤信号的通信方式，其特点是快速交换信号。
网络通信则指一般为家庭所用的网络通信，适用家庭通信，安全度较差。
微波通信不需要固体介质，当两点间直线距离内无障碍时就可以使用微波传送。
9．阅读资料，回答下列问题.
微波通信
微波通信是无线电通信的一种，微波的波长只有1mm～10m，由于波长短，使得它和光一样只能沿直线前进，由于地球表面是一个曲面，所以传播的距离很近，必须每隔50km左右设置一个中继站，把前一站送来的信号经过放大后，再送到下一站，微波通信就是这样把报纸的文字信号或电视台的电视信号，一站接一站地传送到祖国各地，所以微波通信也叫微波接力通信。
使用微波通信虽然十分麻烦，但它也有许多独到之处.微波的频率高，传播的容量大。一部微波机能传送成百上千路电话或一路电视，而一条微波通信干线又可以有好几部微波机同时工作．与大容量的同轴电缆载波通信相比，微波通信建设速度快、造价低、能节约大量的铜，易于沟通无法铺设电缆的高山、岛屿、湖泽等地区。另外，微波通信的保密性要比短波通信好得多。
先进的微波中继站不需要人看管，是用计算机来监督控制的，出现故障时会自动倒换、自动报警，然后再派人去修理。
为了克服接力通信要建立很多中继站的麻烦，现在又有了卫星通信。
（1）微波通信为什么每隔50km左右就要设置一个中继站？
（2）微波通信具有哪些优点？
（3）更先进的通信方式是什么？
【答案】见解析所示。
【解析】（1）根据短文知道，由于微波的波长短，使得它和光一样只能沿直线前进，又因为地球表面是一个曲面，所以传播的距离很近，故必须每隔50km左右设置一个中继站，把前一站送来的信号经过放大后，再送到下一站；
（2）与大容量的同轴电缆载波通信相比，微波通信传输速度快、造价低、能节约大量的铜，易于沟通无法铺设电缆的高山、岛屿、湖泽等地区，另外，微波通信的保密性要比短波通信好得多．并且先进的微波中继站不需要人看管，是用计算机来监督控制的，出现故障时会自动倒换、自动报警，然后再派人去修理。
（3）更先进的通信方式是卫星通信。
10. 阅读短文，回答问题。
卫星通信
由于微波的性质更接近于光波，大致沿直线传播，不能沿地球表面绕射，同时在传输过程中信号存在衰减等．因此，人们在用微波传输信息时，需每隔一定距离建一个微波中继站，信息传输的越远，需要的中继站越多，在遇到雪山、大洋，根本无法建中继站又该怎么办？能否利用高悬的月球作为中继站呢？ 1946年，有人用雷达向月球发射微波信号，第一次准确收到了从月球表面反射回来的微波．
1959年，美、英和加拿大之间又进行了月面反射通讯实验，结果获得成功．但在实验中也发现：由于月球离我们太远，不但传输信号延迟时间太长，信号衰减也较严重，失真厉害，而且如果用月球作中继站，两个通信信号必须同时见到月球．
现在，人类可发射人造卫星，用通信卫星作微波中继站，实现了卫星通信梦想．通信卫星大多是相对地球“静止”的同步卫星，在地球周围均匀地配置3颗同步通信卫星，就覆盖了几乎全部地球表面，可以实现全球通信．
请回答：（1）在用微波传输信息时，为何每隔一定距离要建一个微波中继站？
（2）在同步通信卫星上建立微波中继站与在月球上建立微波中继站相比，有何优点？
（3）除了卫星通信外，你还知道哪些现代通信方式？
【答案】见解析。
【解析】（1）微波的性质更接近于光波，大致沿直线传播，不能沿地球表面绕射，同时在传输过程中信号存在衰减等．因此，人们用微波传输信息时，需每隔一定距离建一个微波中继站.（2）由于月球离我们太远，不但传输信号延迟时间太长，信号衰减也较严重，失真厉害，而且如果用月球作中继站，两个通信信号必须同时见到月球．用通信卫星作微波中继站，在地球周围均匀地配置3颗同步通信卫星，就覆盖了几乎全部地球表面，不但通信质量高，而且覆盖范围广.可以实现全球通信．（3）微波通信、光纤通信、网络通信.
机器人是谁发明的
机器人是美国人约瑟夫·恩格尔伯格发明的。
1925年7月26日，约瑟夫·恩格尔伯格出生，他于1959年研制出了世界上第一台工业机器人，所以被称为“机器人之父”。1983年，恩格尔伯格和他的同事们将Unimation公司卖给了西屋公司，并创建了TRC公司，开始研制服务机器人。1988年，恩格尔伯格的新公司开始销售护士助手（Helpmate）医疗机器人。依靠大量的传感器，护士助手能够在医院自由行动，协助护士提供送饭、送药和送信等服务。
现代机器人的应用：
1.客户聊天机器人。极大地减轻了客户服务团队的压力，并在需要时增加了可用性，从而在很大程度上节省了组织的资源。
2.医疗机器人。这些机器人具有内置的人工智能医疗功能，包括功能齐全的症状检查器、可信任来源的医疗内容，以及为理解医疗和临床术语而开发的语言理解模型。
3.教育机器人。主要用于回答学生的重复性问题，包括与课程材料有关的问题，以及与校园有关的其他问题。
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人教版2024九年级上册物理同步精讲精炼学案（全国通用）
第二十一章 电磁波及其应用
专题61 卫星通信和光纤通信
物理观念：了解卫星通信、光纤通信；知道信息理论，频率越高，相同时间传输的信息越多。
科学思维：通过阅读卫星通信和光纤通信的相关材料进行学习，发展通过阅读提取重要信息、分析、归纳的能力。
科学探究：经历“水流导光”实验，了解光纤通信的原理，提高应用物理知识分析、解决问题的能力。
科学态度与责任：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，提高学科学的兴趣，树立科技服务人类的思想。
贯彻本节课核心素养目标，必须完成以下精细化的学习目标
1.了解卫星通讯、光纤通讯。
2.通过了解现代通讯知识，了解科技给人类带来的便利，提高学生学习科学的兴趣。
本节课重点难点
重点：了解卫星通信、光纤通信的基础知识。
难点：光纤通信的原理。
知识点1. 卫星通信
1. 微波通信
（1）微波的波长和频率：在无线电波中，微波的波长较短（在10m~1mm之间），频率较高（在30MHz~3×105MHz之间）。
（2）微波的性质：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。
（3）微波中继站：微波大致沿直线传播，不能绕地球表面绕射。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。
（4）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。
（5）微波通信的缺点：需要大量中继站进行信号处理，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。
2. 卫星通信
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。解决方案是使用人造卫星作为微波中继站进行通信。
（1）卫星通信：用通信卫星作为微波中继站来进行通信。
（2）同步通信：地球同步卫星距离地球约36000km，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）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。
（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。
（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。
（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。
北斗卫星导航系统 使用北斗卫星导航系统的无人驾驶车辆
知识点2. 光纤通信
1. 光纤通信
（1）激光的特点：频率单一、方向高度集中。
（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。
2. 光导纤维
（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。
【实验结论】光不但能沿直线传播，也可以沿着弯曲的水流传播。
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。
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。
3. 光纤通信的优点
（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。
4. 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。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”。
知识点3. 激光的应用
1. 激光测距雷达
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。
2. 激光的其他一些应用
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。
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。医学上可以用激光作为“光刀”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。
此外，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。
对微波通信存在模糊认识
1. 知道微波的概念：利用波长在0.1毫米至1米之间（频率300MHz至3000GHz）的电磁波进行信息传输。
2. 理解微波特点：抓住“频率高、容量大、直线传播、需中继”四大关键点，结合具体问题情境分析其应用与限制。
3. 典型特征：（1）频率高→信息容量大；
（2）波长短→直线传播（视距传播）→无法绕射地球曲面；
（3）中继站限制→特殊地形（雪山、海洋）无法铺设→引出卫星通信解决方案；
（4）传播受环境影响→存在衰落现象→需采取抗衰落措施。
解决卫星通信问题基本方法
卫星通信 是一种利用人造地球卫星作为中继站，转发或反射无线电波。
1.理解卫星通信原理：地面站将信号上传至卫星（上行链路），卫星接收后对信号进行放大和频率转换，再下传至目标地面站（下行链路）。整个系统由 空间段 （卫星）、 地面段 （地球站）和 用户段 （终端）三部分组成。
2.掌握卫星通信特点：
（1）覆盖范围广 ：只要在卫星信号覆盖范围内，即可实现远距离通信，尤其适用于海洋、沙漠、山区等地面网络难以覆盖的区域。
（2）通信距离远且费用与距离无关 ：无论通信双方相距多远，成本基本一致。
（3）抗灾能力强 ：不易受地震、洪水等自然灾害影响，是应急通信的重要手段。
（4）支持多址通信 ：一个卫星可同时连接多个地面站，实现广播或多点通信。
知识点1. 卫星通信
【例题1】卫星中继通信
（1）同步卫星的转动方向和转动周期与地球自转方向和自转周期 ，与地面保持相对静止。
（2）用同步卫星做 可弥补微波在地面传播的不足，使卫星转发的微波信号到达地球上很大范围。
（3）用 颗地球同步卫星几乎就能使通信范围覆盖地球上的各个角落。
【答案】（1）相同；（2）中继站；（3）三
【解析】同步卫星的“同步”指的是与地球自转同步，因此转动方向与地球自转方向相同（自西向东），转动周期与地球自转周期相同（约24小时），所以它相对于地面静止。
卫星的作用是中继转发信号，即作为通信中继站或中继站。
由地理知识可知，三颗同步卫星在赤道上空均匀分布（间隔 120°），即可覆盖全球除两极附近外的绝大部分地区。
（变式练1）北斗卫星导航系统是我国自行研制的全球卫星定位与通信系统（BDS）。许多公交车安装了BDS系统，通过BDS系统可显示汽车的行驶方向、车速、与后车距离等信息。实现BDS系统与卫星信号传输的是（ ）
A．可见光 B．微波 C．红外线 D．紫外线
（变式练2）当手机开启热点功能为电脑、平板等带有Wi-Fi功能的设备提供网络支撑时，它相当
于（　　）
A．无线路由器 B．微波中继站
C．服务器 D．基地台
（变式练3）微波通信
（1）微波：微波是波长在10 m～1 mm 之间的电磁波．
（2）微波的特点
①频率高：相同时间内传递的信息更多，一条微波线路可以同时开通几千、几万路电话；
②大致沿 传播：不能沿地球绕射，每隔 50 km 左右就要建设一个微波 站．
知识点2. 光纤通信
【例题2】关于光纤通信，下列说法中正确的是（ ）
A．载有信息的激光在光缆的内壁上不断地发生光的折射，把信息从一端传到了光缆的另一端
B．用于通信的激光是在空中传播的
C．光在光导纤维中的传播是直线传播
D．光纤通信要比短波、微波通信容量更宽
【答案】D
【解析】A．激光在光缆中传播发生的是全反射，不是光的折射，故A错误；
B．用于通信的激光在光纤中传播，而不是在空中传播的，故B错误；
C．由于光在光导纤维中全反射传播，传播轨迹是折线，，故C错误；
D．光纤通信一般利用是红外线要比短波、微波通信使用电磁波频率高，波长短，所以容量更大，故D正确。故选D。
（变式练1）光纤通信与微波相比的优点： 、 、 等优点，普通光源包含了许多不同波长（频率）的光，难以用它携带信息，激光的频率 、方向高度集中。
（变式练2）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或塑料制成的纤维，其应用前景非常广阔。下列关于光纤通信的说法正确的是（　　）
A．光导纤维是导体
B．光在光导纤维中经多次反射传递信息
C．光波在光导纤维中传播的速度等于3×108m/s
D．光波不是电磁波
（变式练3）光导纤维由内芯和外套组成（如图甲）。若光在内芯中传播速度为真空中传播速度的三分之二，那么光信号在光导纤维内芯中沿直线传播100km，需要 s。互联网的光纤通信是利用光在光导纤维中多次反射来传输信息，当一束光如图乙所示，与水平方向成45°角，从A点射到一段水平放置的长为0.850mm、内径为50μm的直光导纤维的边缘，光束进入此光导纤维内部（两端的边缘除外）后反射了 次。
知识点3. 激光的应用
【例题3】光纤通信主要利用波长很 （选填“短”或“长”）的激光传输信息。如图所示，激光从光纤一端射入，在内壁上多次 ，从另一端射出，把信息传到远方，无线电广播的音频信号在发射出去之前，必须加载到频率更 （选填“高”或“低”）的电流信号上。
【答案】 短 反射 高
【解析】光纤是利用激光传播信息的，作为载体的无线电波，频率越高，相同时间内传输的信息量越多，激光的频率比较高，波长较短，相同的时间内就可以传递大量的信息。
光纤通信是利用激光传输信息的，从光纤的一端射入，在内壁上多次反射后在另一端放射出来，然后在接收端，检测器收到光信号后把它变换成电信号，经解调后恢复原信息；无线电广播的音频信号在发射出去之前，必须加载到频率更高的电流信号上。
（变式练1）利用激光测量地月距离，是20世纪60年代后发展起来的一门新技术。从地面向月球发射一束脉冲激光，激光被安装在月面上的角反射器反射回来，地面上的计时器把激光往返地月的时间记录下来，这样就可以计算出地月距离。激光是一种______波。在空气中的光速均按3.0×108m/s计算，若计时器记录的时间为2.56s，则地月距离约为______。
（变式练2）半导体芯片的发明是二十世纪的一项创举，它开创了信息时代的先河。光刻机是芯片制造的核心设备之一。光刻机使用的是一种非线性光学晶体材料，它能够将激光转化为史无前例的176纳米波长深紫外激光，从而制造出深紫外固体激光器。激光的平行度特别好，在传播很远的距离后仍能保持一定的距离。激光在空气中的传播速度大约是______m/s。请你写出一条激光在生活中的应用：______。
（变式练3）阅读短文回答问题：
激光的应用
1958年，人类在实验室里激发出一种自然界中没有的光，这就是激光．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．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，测量发射脉冲和接收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。
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，经处理后还原成声音和图象，由于会聚点很小，光盘记录信息密度很高。
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，可以使物体被照的部分迅速上升到极高的温度，最难熔化的物质在一瞬间也要汽化了。因此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。医学上可以用激光作“光刀”来切割皮肤，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。
（1）激光在真空中的传播速度为 km/s。
（2）激光测距与初中物理学到的 测距原理相同。
（3）用激光作“光刀”来切割皮肤、切除肿瘤、“焊接”脱落的视网膜，是利用激光的 的特点。
1．对于微波通信，下列说法正确的是（ ）
A．微波的频率比中、短波的低，因此它的波长更长一些，可以传递更多的信息
B．微波大致沿直线传播，而地球又是一个球体，其表面是一个球面，因而距发射台较远的地方必须有相当高的天线才能接收到微波信号，而且信号也比较弱，因此，每隔50 km左右就要建立一个微波中继站
C．月球是地球的卫星，可以在月球上建立中继站，实现微波通信
D．在陆地上必须建造中继站，而在水面上可以不建造中继站
2.如图所示，降落在月球背面的嫦娥四号登月探测器，借助鹊桥中继卫星向地球传送信息。利用的
是（　　）
A．次声波 B．无线电波 C．红外线 D．超声波
3．华为推出全球首款支持双向北斗卫星消息的智能手机，在无地面网络信号时，仍可通过卫星发送和接收信息，在传递信息过程中主要依靠的是（　　）
A．微波 B．红外线 C．X射线 D．光导纤维
4.北斗卫星导航系统是我国自主研制的全球卫星定位与通信系统，目前已经具备全球导航、定位和授时功能。关于北斗卫星导航系统，下列说法正确的是（　　）
A．北斗卫星导航系统传输信息的速度与光速相同
B．北斗卫星导航系统的空间段采用光纤传输信息
C．北斗卫星导航系统采用超声波为汽车导航
D．北斗卫星导航系统在传输大量信息时，其传输频率较低
5.通信卫星相当于微波通信的 。通信卫星大多是相对地球“ ”的同步卫星，在地球的周围均匀地配置3颗同步通信卫星，就覆盖了几乎全部地球表面，可以实现 。
6.如图所示为“鹊桥二号”中继星工作示意图，用于保障嫦娥六号在月球背面与地球通信。
（1）信息传递依靠的是________波；
（2）若信号频率为2.5 GHz，则其波长为________m；
（3）与直接用地面天线通信相比，使用中继星的主要优势是？
7.我国自主建设的北斗卫星导航系统已投入使用。卫星导航系统能提供高精度的定位、导航等服务，这是应用了电磁波的哪些性质？
8．微波通信、卫星通信、光纤通信、网络通信，这些通信方式是从不同的视角进行分类的：微波通信按加载信号的电磁波的波长来分类；卫星通信、光纤通信按传播介质或设备来分类，网络通信按通信者之间的联络关系来分类。网络通信也可以采用光纤通信方式，微波通信也可以通过卫星传播，这些分类是可以重叠的。请你把以上通信方式和你知道的其他通信方式，设计一个通信方式分类图，并在图中侧重说明以上四种方式的优点。
9．阅读资料，回答下列问题.
微波通信
微波通信是无线电通信的一种，微波的波长只有1mm～10m，由于波长短，使得它和光一样只能沿直线前进，由于地球表面是一个曲面，所以传播的距离很近，必须每隔50km左右设置一个中继站，把前一站送来的信号经过放大后，再送到下一站，微波通信就是这样把报纸的文字信号或电视台的电视信号，一站接一站地传送到祖国各地，所以微波通信也叫微波接力通信。
使用微波通信虽然十分麻烦，但它也有许多独到之处.微波的频率高，传播的容量大。一部微波机能传送成百上千路电话或一路电视，而一条微波通信干线又可以有好几部微波机同时工作．与大容量的同轴电缆载波通信相比，微波通信建设速度快、造价低、能节约大量的铜，易于沟通无法铺设电缆的高山、岛屿、湖泽等地区。另外，微波通信的保密性要比短波通信好得多。
先进的微波中继站不需要人看管，是用计算机来监督控制的，出现故障时会自动倒换、自动报警，然后再派人去修理。
为了克服接力通信要建立很多中继站的麻烦，现在又有了卫星通信。
（1）微波通信为什么每隔50km左右就要设置一个中继站？
（2）微波通信具有哪些优点？
（3）更先进的通信方式是什么？
10. 阅读短文，回答问题。
卫星通信
由于微波的性质更接近于光波，大致沿直线传播，不能沿地球表面绕射，同时在传输过程中信号存在衰减等．因此，人们在用微波传输信息时，需每隔一定距离建一个微波中继站，信息传输的越远，需要的中继站越多，在遇到雪山、大洋，根本无法建中继站又该怎么办？能否利用高悬的月球作为中继站呢？ 1946年，有人用雷达向月球发射微波信号，第一次准确收到了从月球表面反射回来的微波．
1959年，美、英和加拿大之间又进行了月面反射通讯实验，结果获得成功．但在实验中也发现：由于月球离我们太远，不但传输信号延迟时间太长，信号衰减也较严重，失真厉害，而且如果用月球作中继站，两个通信信号必须同时见到月球．
现在，人类可发射人造卫星，用通信卫星作微波中继站，实现了卫星通信梦想．通信卫星大多是相对地球“静止”的同步卫星，在地球周围均匀地配置3颗同步通信卫星，就覆盖了几乎全部地球表面，可以实现全球通信．
请回答：（1）在用微波传输信息时，为何每隔一定距离要建一个微波中继站？
（2）在同步通信卫星上建立微波中继站与在月球上建立微波中继站相比，有何优点？
（3）除了卫星通信外，你还知道哪些现代通信方式？
机器人是谁发明的
机器人是美国人约瑟夫·恩格尔伯格发明的。
1925年7月26日，约瑟夫·恩格尔伯格出生，他于1959年研制出了世界上第一台工业机器人，所以被称为“机器人之父”。1983年，恩格尔伯格和他的同事们将Unimation公司卖给了西屋公司，并创建了TRC公司，开始研制服务机器人。1988年，恩格尔伯格的新公司开始销售护士助手（Helpmate）医疗机器人。依靠大量的传感器，护士助手能够在医院自由行动，协助护士提供送饭、送药和送信等服务。
现代机器人的应用：
1.客户聊天机器人。极大地减轻了客户服务团队的压力，并在需要时增加了可用性，从而在很大程度上节省了组织的资源。
2.医疗机器人。这些机器人具有内置的人工智能医疗功能，包括功能齐全的症状检查器、可信任来源的医疗内容，以及为理解医疗和临床术语而开发的语言理解模型。
3.教育机器人。主要用于回答学生的重复性问题，包括与课程材料有关的问题，以及与校园有关的其他问题。
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