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沪科版2024九年级全册物理同步精讲精炼学案（全国通用）
第二十章 电磁波与信息时代
第三节 跨学科：电磁波与信息技术
物理观念：了解光纤通信、现代电信网络、互联网等传递信息的方式,了解电磁波在高效传递信息中的关联及作用。
科学思维：能从跨学科视角了解电磁波与信息技术的关联,能了解光纤通信、现代电信网络、互联网等及其与生产生活的关联。
科学探究: 能基于观察和案例分析,体会电磁波在现代信息技术中的广泛应用及其作用。
科学态度与责任：能感受电磁学与其他学科融合的技术进步对社会发展的推动作用,能体会电磁技术应用对人类生活和社会发展带来的影响。能为我国在电磁波技术应用方面的成就而自豪。
重点：了解电磁波在高效传递信息中的关联及作用。
难点：从跨学科视角了解电磁波与信息技术的关联。
知识点1. 光纤通信
光纤是光导纤维（optical fiber）的简称，是由玻璃或塑料等材料制成的纤维（。光纤是利用光波（即可见光）传播信号的，是信息社会传送各种信息的主要工具。
1. 光纤的结构特点
光纤很细，有内外两层（内芯和包层），由于内外层对光的折射本领不一样，光在光纤中传播时会发生全反射，所以光就不会跑到外层去了。
2. 光纤通信的原理
根据光的反射原理，携带信息的激光从光纤的一端射入，在内壁上多次反射，从另一端射出，这样就把光携帯的信息传到了远方。
注意：频率单一、方向高度集中。
3. 光纤通信的优点
（1）抗干扰能力强。光纤不像普通导线那样容易受到外界的干扰，光在内芯中传播时，不断地被包层来回反射，曲折前进，这样带有信息的光就沿着光纤向前传播，不受外界条件的干扰。
（2）容量大。光纤通信利用的是频率単一、方向高度集中的激光，因为激光频率很高，所以它能传输更大容量的信息。一根光纤能同时传输相当于10000根电线的信息量。
（3）损耗低，传输距离长
由于光纤的损耗低，所以能实现远距离传输。由石英光纤组成的光纤通信系统最大中继距离可达200多千米，这对于降低海底通信的成本、提高可靠性和稳定性具有重要的意义。
（4）抗电磁干扰能力强
光纤是绝缘体，它不受自然界的电干扰、电离层的变化和太阳黑子活动的干扰，也不受高压设备等工业电器的干扰，还可以用它与高压输电线平行架设或与电力导体复合构成复合光缆。
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。
【例题1】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
【答案】B
【解析】光纤通信传输的信息的载体是光波，因为光波可以携带大量的信息，故ACD不符合题意，B符合题意。故选B。
（变式训练1）光纤是传播光的器件，其优点是____强，能减少信号_____，适用于_____传输信息。
【答案】抗干扰能力 衰减 远距离、大容量
【解析】光纤通信中使用的导线是光导纤维，光在光导纤维中经多次反射向前传播，光纤通信具有传输信息容量大，光能损耗小、抗干扰能力、能减小信号衰减等优点，适合远距离传输信息。
（变式训练2）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。
（变式训练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）回声（3）亮度高
【解析】（1）激光在真空中的传播速度与光速相等为3×105km/s。
（2）激光测距与初中物理学到的回声测距原理相同。
（3）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。
知识点2. 现代电信网络
人们经常使用电话，其实，要打通一个电话可没想象中那么简单。电话系统由许多有线、无线网络构成，以下扼要展示卫星通信、微波通信及移动通信在无线电通信中发挥的作用。
电话网络示意图
1.卫星通信
（1）概念：卫星把地面站送来的信号接收后，进行放大，再转发给另外的地面站。
（2）组成：卫星通信系统由通信卫星、地面站和传输系统三部分组成。通信卫星接收从一个地面站发射来的信号，经过处理后，再发送到另一个或几个地面站。
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。
（3）卫星通信的优缺点
优点：卫星通信具有覆盖面大、通信距离长、不受地理环境限制等许多独特的优点，尤其在长距离、边远山区和抢险救灾等的通信中更是大显身手。
缺点：造价较高、有零点几秒的时间延迟、保密性不好。
（4）北斗卫星导航系统
卫星通信不仅在全球性的电话、电报、电视广播中成为重要的信息传输方式，而且在全球定位、导航等方面发挥着重要作用。
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。
2.微波通信
（1）概念：微波通信像接力赛，每隔几十千米修建一座接力站，接收并放大信号，继续传送。这就像接力赛跑一样，一棒传一棒，可以把信息传递到远方。
（2）优点：作为载体的电磁波，频率越高 ，相同时间内可以传输的信息就越多。微波比中波和短波的频率更高 ，可以传递更多的信息。一条微波线路可以同时开通几千、几万路电话。
（3）缺点：微波的性质更接近光波，大致沿直线传播，不能沿地球表面绕射。微波通信每隔50 km左右就需要建一个微波中继站。信号传递的距离越远，需要的中继站就越多。遇到雪山和大洋无法建中继站时，微波通信就无法继续。现在，人类可以用通信卫星做中继站来进行通信。
3.移动通信
（1）移动电话：移动电话用微波信号与电话网络联系。既是无线电发射台又是无线电接收台。它用电磁波把讲话的信息发射到空中；同时它又在空中捕获电磁波，得到对方讲话的信息。
（2）基地台：移动通信的基地台是按蜂窝的构造布局的，这样，大大增加了无线电覆盖的有效面积，减少了转接信息的基地台数量。因而移动电话也被称为“蜂窝电话”。
【例题2】阅读短文，回答问题。
地球同步卫星
人造地球同步卫星发射过程可简化为点火加速、离开大气层后关闭发动机自由上升和调整姿态三个阶段。从地面上看，它相对于地球静止于赤道上空，与地球转动同步，故称为地球同步卫星。在赤道上空约为36 000 km的高度上布设3颗通信卫星，可实现除两极外的全球通信。地球同步卫星常用于通信、气象、广播电视、导弹预警、数据中继等方面，以实现对同一地区的连续工作。
（1）同步卫星相对于地面是　　　　　（选填“运动”或“静止”）的。
（2）点火加速阶段中能量转化为：化学能→内能→　　　能。
（3）从地面发送电磁波信号通过同步卫星返回至少需要　　s。
（4）同步卫星的用途有　　　　　（至少写出两种）。
【答案】（1）静止；（2）机械；（3）0.24；（4）通信、气象、广播电视等
【解析】同步卫星的运转与地球的转动同步，相对于地面的物体来说，位置没有变化，是静止的；燃料燃烧，消耗燃料的化学能转化为内能，内能对火箭做功，转化为机械能。
电磁波的传播速度为3×105 km/s，地面发射信号传递到卫星再返回地面需要的时间至少为
同步卫星可以进行通信传输、气象预报、广播电视等。
（变式训练1）关于信息，下列说法正确的是（　　）
A．微波是一种无线电波，微波通信时可以沿地球表面绕射
B．通信卫星相当于一个太空微波中继站，它是用来转发地面站发送来的信号的
C．光纤通信是激光利用光的折射来传递信息的
D．微波通信、卫星通信、光纤通信、网络通信都是靠电磁波传递信息的
【答案】B
【解析】A．微波的传播与光的传播相同，沿直线传播，则微波通信时不可以沿地球表面绕射，故A错误；
B．卫星通信就是利用卫星作为中继站来转发无线电波而进行的两个或多个地球站之间的通信，故B正确；
C．光纤通信是利用激光在光导纤维中通过光的反射原理来传递信息，而不是通过折射原理，故C错误；
D．微波通信、卫星通信、光纤通信都是靠电磁波传递信息，但网络通信还可以通过导线传输电信号来传递信息，故不都是靠电磁波传递信息的，故D错误。故选B。
（变式训练2）人造地球同步卫星常用于通讯、气象、广播电视等方面，以实现对同一地区连续工作，下列关于同步卫星的说法正确的是（ ）
A. 卫星相对于地面来说是运动的
B. 卫星是利用超声波来传递信息的
C. 卫星上的太阳能电池板将太阳能转化为电能
D. 卫星相当于太空中的微波中继站
【答案】CD
【解析】A.同步卫星相对于地面来说没有发生位置的变化，以地面做参照物，同步卫星是静止的；故A错误；
B.超声波和次声波都属于声波，不能在真空中传播；电磁波可以在真空中传播，故卫星是利用电磁波来传递信息的，故C正确；
C.卫星上的太阳能电池板将太阳能转化为电能，故C错误；
D.同步卫星作为传播微波的中继站，地球上空只需3颗就几乎能覆盖全世界，故CD正确。
（变式训练3）手机已经成为一种人们沟通和交流的常用工具，下列关于手机说法正确的是（ ）
A．手机是利用超声笔来传递信息的
B．给手机充电时，化学能转化为电能
C．手机摄像头相当于一个凹透镜
D．手机掉入水中后，不要立即开机，是因为手机浸入水后电路可能发生短路
【答案】D
【解析】A．手机是利用电磁波来传递信息的；
B．给手机充电时，电能转化为化学能；
C．手机摄像头相当于一个凸透镜；
D．手机掉入水中后，不要立即开机，是因为手机浸入水后电路可能发生短路。
知识点3. 互联网
1. 互联网的含义：
互联网，又称国际网络，指的是网络与网络之间所串连成的庞大网络，这些网络以一组通用的协议相连，形成逻辑上的单一巨大国际网络。
互联网始于1969年美国的阿帕网。通常internet泛指互联网，而Internet则特指因特网。这种将计算机网络互相联接在一起的方法可称作网络互联，在这基础上发展出覆盖全世界的全球性互联网络称互联网，即是互相连接一起的网络结构。互联网并不等同万维网，万维网只是一建基于超文本相互链接而成的全球性系统，且是互联网所能提供的服务其中之一。
互联网（如因特网 internet）将分布于世界各地的计算机网络连接起来，用来传送计算机信号。
它是全球性的网络，是一种公用信息的载体，是大众传媒的一 种，具有快捷性、普及性的特点，是现今最流行、最受欢迎的传媒之一 。
2. 互联网的应用
因特网使信息在全球范围内得到了高速共享，在生活中的应用很广泛。
（1）收发电子邮件。
（2）获取世界各地的各种信息。
（3）网络学校、图书馆、实验室都能进入你的家里，随时随地打开计算机，你就可以幵始学习。
（4）网上进行广告宣传和购物。
（5）网上就医。网上医院使异地的病人得到国内外高水平名医的诊治，它能及时传递信息 ，挽救病人的生命。
【例题3】下列说法中不正确的是（ ）
A．微波大致沿直线传播，因此微波通信要建很多中继站才能把信息传递到远方
B．卫星通信只需要3颗同步卫星就可以实现全球通信
C．光纤通信容量大，不受电磁干扰，保密性好，通信质量高，但传输距离短
D．利用因特网可实现资源共享和信息传递，还可进行远程教育、远程医疗等
【答案】C
【解析】A. 地球是圆的，而微波沿直线传播，因此需要设置微波中继站，将信号接力传递下去，故A说法正确．
B. 通信卫星是相对地球“静止”，在地球周围均匀地配置3颗同步通信卫星，就覆盖了几乎地球表面，可以实现全球通信，故B说法正确．
C. 光纤已经成为现代通信的主要传输工具，它具有容量大、不受外界磁场的干扰、不怕腐蚀、不怕潮、能量损耗少使，激光通信能传播很远，并且能提高通信质量等优点，故C说法不正确；
D. 人们可以通过互联网进行远程教育、远程医疗会诊、打IP电话、查阅资料、发送电子邮件等，故D说法正确。 故选C。
（变式训练1）关于信息高速公路，下列描述错误的是（ ）
A. 信息高速公路可以传递声音
B. 信息高速公路可以传递图像
C. 信息高速公路可以传递文字
D. 信息高速公路可以传递实物
【答案】D
【解析】现代信息高速公路是卫星通信和光纤通信等高速、大容量信息传输通道的俗称。卫星通信是通过微波实现的，光纤通信是通过光波实现的。微波、光波都属于电磁波，电磁波可以传递语言、文字、数据、图像等信号，但不能传递实物。
（变式训练2）利用互联网可以方便地进行一些信息的传递，下列各种方式中，目前还不能通过互联网做到的是（ ）
A．远程教育 B．做饭
C．远程医疗会诊 D．打网络电话
【答案】B
【解析】人们可以通过互联网进行远程教育、远程医疗会诊、打IP电话、查阅资料、发送电子邮件等，但不能用互联网做饭．故选B。
（变式训练3）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，可向全球提供高精度，高可靠的定位、导航、授时等服务，北斗导航卫星系统为汽车导航采用的通信方式是（　　）
A．超声波 B．光纤 C．电磁波 D．红外线
【答案】C
【解析】A．超声波不能在真空中传播，卫星与地面之间有一部分是真空区域，故A不符合题意；
B．光纤的材料是玻璃丝，卫星通信是利用无线方式传递信息，故B不符合题意；
C．卫星通信是利用电磁波来传递信息的，故C符合题意；
D．红外线的频率高，在传输过程中能量衰减非常大，易受到云层等的干扰，不适合卫星通信，故D不符合题意。 故选C。
光纤通信误区
认为“光纤通信利用电磁波中的无线电波”，观念是错误的，因为光纤通信利用的是激光，属于可见光范畴。
对5G的学习认识
第五代移动通信技术简称 5G。移动通信技术已历经第一代、第二代、第三代、第四代发展，每一次代际跃迁都极大地促进了产业升级和经济社会发展。与 4G 相比，5G 最大的优势在于其更高的速度和更低的延迟，是实现人机物互联的网络基础设施，是移动互联网及其服务蓬勃发展的基础，也是目前改变世界的几种主要技术之一。国际电信联盟（ITU）定义了 5G 的八大关键性能指标，其中高速率、低时延、大连接成为 5G 最突出的特征，用户体验速率达 1 Gbps，时 延 低 至 1 ms， 用 户 连接能力达每平方千米百万连接。目前我国已基本建成 5G 移 动 通 信 网 络，无论是技术还是应用均处于世界前列。
1.光纤通信已成为现代通信的主要支柱之一，关于光纤以下说法正确的是（　　）
A．光纤是超导体；
B．光波在光纤中不断折射向前传播；
C．光波在光纤中的传播速度为3×108m/s；
D．光纤不导电，不会受外界电磁场的干扰
【答案】D
【解析】AD．光纤的材料是二氧化硅，即玻璃丝，属于绝缘体，不导电，不会受外界磁场的干扰，故A错误，D正确；
B．光纤通信是利用光波在光纤中不断反射向前传播，故B错误；
C．光波属于电磁波，电磁波在真空中的传播速度是3×108m/s，在玻璃中的传播速度小于传播速度，故C错误。故选D。
2. 下列关于电磁波和现代通信的说法，正确的是（　　）
A．语言、符号和电磁渡是人类特有的三种信息
B．1864年英国物理学家麦克斯韦证实了电磁波的存在
C．电磁波谱是按波速（或频率）连续排列的电磁波序列
D．光纤通信是利用光波在光导纤维中传输信息的一种通信方式
【答案】D
【解析】A．语言、声音和图象是人类特有的三种信息交流形式，故A错误；
B．1864年，英国青年物理学家麦克斯韦在研究了当时所发现的电磁现象的基础上，建立了麦克斯韦电磁理论，并预言了电磁波的存在；1888年，德国青年物理学家赫兹第一次用实验证实了电磁波的存在，故B错误；
C．电磁波谱是按电磁波的波长或频率将电磁波连续排列起来的图谱，故C错误；
D．光纤通信是利用光波在光导纤维中传输信息的通信，故D正确。故选D。
3. 在微波的传输过程中，必须每隔50千米左右就要建设一个微波中继站。中继站的作用是（ ）
A. 增大微波传输速度 B. 增大微波的频率
C. 处理上一站传来的信号并传递到下一站 D. 反射上一站传来的信号
【答案】C　
【解析】微波的波长较短，绕过障碍物的本领小，即微波沿直线传播，而地球是圆形的，故为了使信息能够传到很远的地方，通常采用接力赛式传递，即每隔50 km左右就要建设一个微波中继站，接收处理上一站传来的信号并把信号传递到下一站。故选C.
4．下列传播信息一次传得最远的是
A．互联网 B．通过语言传播 C．电磁波 D．局域网
【答案】A
【解析】A、互联网，又叫因特网，能把全世界的电脑连在一起，是世界上最大的计算机网络，可以做到信息资源的共享，信息可以传播的很远；
B、语言传播的距离是比较短的，是通过声波向四面八方传播的；
C、电磁波的传播速度比较快，但它容易发生各种反射和折射，一次传播的距离不会太长；
D、局域网是某些机关、学校、企业的内部网络，信息传播的距离是比较短的．
故选A
5．关于网络通信，下列说法正确的是（ ）
A．目前使用最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，却查不到其他资料，因此上网是有局限性的
D．上述说法都是错误的
【答案】A
【解析】AD．目前从们已经很频繁的使用网络通信，如电子邮件，是最常用的通信方式之一，故A正确，D错误；
B．电子邮件即可以传递文字，也能传递照片、语音或其他信息，故B错误；
C．从网上即可以收发电子邮件，也能通过网页等方式查找其他资料，故C错误。
故选A。
6．网络通信：把许多独立工作的计算机通过一定的硬件和软件连接起来，使计算机之间能够传递______，这就构成了计算机网络。根据覆盖范围，计算机网络可以分为个域网、局域网、城域网、______等层次。
【答案】信息 广域网
【解析】把许多独立工作的计算机通过一定的硬件和软件连接起来，使这些计算机之间能够进行信息的交换和共享，计算机之间能够传递信息。
广域网是指覆盖范围在几十公里到几千公里甚至全球的网络，属于计算机网络。
7. 微波应用
微波炉是现代家庭中的烹饪工具，接通电源后微波炉内的磁控管能产生频率很高，波长很短的电磁波，故称为微波。微波有以下重要特性：(1)微波的传播速度等于光速。（2)微波遇到金属物体，会像光遇到镜子一样地发生反射；波遇到绝缘材料，如玻璃、塑料等，会像光透过玻璃一样顺利通过。(3)微波遇到含水的食品，能够被其大量吸收，引起食品内部分子发生剧烈的振动，达到加热食品的目的。(4)过量的微波照射对人体有害。
（1）通过短文的阅读，在微波炉中应选用下列哪种容器来加热饭菜 （ ）
A．不锈钢盆子 B．铁盆子 C．玻璃盆子 D．铜制盆子
（2）微波在真空中传播速度是 m/s；请你猜想，微波 能量（选填“具有”或“不具有”）
（3）为防止微波泄漏对人体造成伤害，在玻璃炉门内侧应装有 ,（填“金属网罩”或“非金属网罩”）你的理由是 。
【答案】（1）玻璃盆子（2）3×108m/s 具有（3）金属网罩 屏蔽电磁波
【解析】只要认真阅读短文，根据短文信息就能直接回答问题。
8.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（如图甲），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？（如图乙）
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．（如图丙）
甲 乙 丙
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，人们在用微波传输信息时，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.
9.阅读短文，回答问题。
光纤的奥秘
光纤电缆是本世纪最重要的发明之一。光纤电缆利用玻璃清澈、透明的性质，使用光来传送信号，光可以从弯曲的玻璃光纤的一端传到另一端，而不会“溜”出玻璃纤维，这是为什么呢？如图甲所示，以某种玻璃为例，让一束光沿半圆形玻璃砖的半径射到平面上，可以看到一部分光线从玻璃砖的平面上折射到空气中，此时折射角大于入射角；另一部分光线反射入玻璃砖内；逐渐增大光的入射角，将看到折射光线离法线越来越远，且越来越弱，反射光线越来越强。当入射角增大到，折射光线就消失了，只剩下反射光线，如图丙所示，这种现象叫做全反射。刚好发生全反射时的入射角叫做临界角。只有入射角大于或等于临界角时，才会发生全反射现象。并非光线在任何界面都会发生全反射现象，这种现象只有在光从一种介质射向另一介质折射角大于入射角时才能发生。光纤通信就是利用光的全反射原理，光导纤维在结构上有内芯和包层两种不同的透明介质，光从内芯传播时遇到光纤包层处，会发生全反射现象，从而保证光线不会泄漏到光纤外，这样光就只能在玻璃中传播，而不会“溜”出玻璃光纤，如图丁所示。
(1)图甲中，光线从玻璃斜射向空气时，反射角___（选填“大于”、“小于”或“等于”）折射角；
(2)图乙中，当入射角逐渐增大时_______；
A．折射角逐渐增大，反射角逐渐减小 B．折射角逐渐减小，反射角逐渐增大
C．折射光线逐渐增强，反射光线逐渐减弱 D．折射光线逐渐减弱，反射光线逐渐增强
(3)光从空气进入玻璃时，增大入射角_______（选填“有可能”或“不可能”）发生全反射；
(4)如图丁所示若增大射向B点的入射光线AB的入射角时，C点将向_______（选填“左”或“右”）侧移动，CD光线的入射角将_______（选填“增大”、“减小”或“不变”），光在光纤内的传播时间将_______（选填“变长”“不变”或“变短”）
【答案】(1)小于 (2)D (3)不可能 (4)右 增大 变短
【解析】（1）根据光的反射定律可知，反射角等于入射角，从从玻璃斜射向空气时，折射角大于入射角，故反射角小于折射角。
（2）AB．当入射角逐渐增大时，反射角增大，折射角增大，故AB不符合题意；
CD．从图乙到图丙可知，当入射角逐渐增大时，折射光线最终会消失，说明此过程折射光线慢慢减弱，反射光线逐渐增强，故C不符合题意；D符合题意。
故选D。
（3）根据题文可知，全反射这种现象只有在光从一种介质射向另一介质折射角大于入射角时才能发生，而从空气进入玻璃时，折射角小于入射角，故不可能发生全反射。
（4）若增大射向B点的入射光线AB的入射角时，则反射角增大，C点将向右移动。
反射角增大，那么CD光线的入射角将增大。
若增大入射角，每一次经反射传播的距离变长，光纤的长度一定时，反射的次数变少，光在光纤内的传播时间将变短。
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第二十章 电磁波与信息时代
第三节 跨学科：电磁波与信息技术
物理观念：了解光纤通信、现代电信网络、互联网等传递信息的方式,了解电磁波在高效传递信息中的关联及作用。
科学思维：能从跨学科视角了解电磁波与信息技术的关联,能了解光纤通信、现代电信网络、互联网等及其与生产生活的关联。
科学探究: 能基于观察和案例分析,体会电磁波在现代信息技术中的广泛应用及其作用。
科学态度与责任：能感受电磁学与其他学科融合的技术进步对社会发展的推动作用,能体会电磁技术应用对人类生活和社会发展带来的影响。能为我国在电磁波技术应用方面的成就而自豪。
重点：了解电磁波在高效传递信息中的关联及作用。
难点：从跨学科视角了解电磁波与信息技术的关联。
知识点1. 光纤通信
光纤是光导纤维（optical fiber）的简称，是由玻璃或塑料等材料制成的纤维（。光纤是利用光波（即可见光）传播信号的，是信息社会传送各种信息的主要工具。
1. 光纤的结构特点
光纤很细，有内外两层（内芯和包层），由于内外层对光的折射本领不一样，光在光纤中传播时会发生全反射，所以光就不会跑到外层去了。
2. 光纤通信的原理
根据光的反射原理，携带信息的激光从光纤的一端射入，在内壁上多次反射，从另一端射出，这样就把光携帯的信息传到了远方。
注意：频率单一、方向高度集中。
3. 光纤通信的优点
（1）抗干扰能力强。光纤不像普通导线那样容易受到外界的干扰，光在内芯中传播时，不断地被包层来回反射，曲折前进，这样带有信息的光就沿着光纤向前传播，不受外界条件的干扰。
（2）容量大。光纤通信利用的是频率単一、方向高度集中的激光，因为激光频率很高，所以它能传输更大容量的信息。一根光纤能同时传输相当于10000根电线的信息量。
（3）损耗低，传输距离长
由于光纤的损耗低，所以能实现远距离传输。由石英光纤组成的光纤通信系统最大中继距离可达200多千米，这对于降低海底通信的成本、提高可靠性和稳定性具有重要的意义。
（4）抗电磁干扰能力强
光纤是绝缘体，它不受自然界的电干扰、电离层的变化和太阳黑子活动的干扰，也不受高压设备等工业电器的干扰，还可以用它与高压输电线平行架设或与电力导体复合构成复合光缆。
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。
【例题1】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
【答案】B
【解析】光纤通信传输的信息的载体是光波，因为光波可以携带大量的信息，故ACD不符合题意，B符合题意。故选B。
（变式训练1）光纤是传播光的器件，其优点是____强，能减少信号_____，适用于_____传输信息。
（变式训练2）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。
（变式训练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。
知识点2. 现代电信网络
人们经常使用电话，其实，要打通一个电话可没想象中那么简单。电话系统由许多有线、无线网络构成，以下扼要展示卫星通信、微波通信及移动通信在无线电通信中发挥的作用。
电话网络示意图
1.卫星通信
（1）概念：卫星把地面站送来的信号接收后，进行放大，再转发给另外的地面站。
（2）组成：卫星通信系统由通信卫星、地面站和传输系统三部分组成。通信卫星接收从一个地面站发射来的信号，经过处理后，再发送到另一个或几个地面站。
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。
（3）卫星通信的优缺点
优点：卫星通信具有覆盖面大、通信距离长、不受地理环境限制等许多独特的优点，尤其在长距离、边远山区和抢险救灾等的通信中更是大显身手。
缺点：造价较高、有零点几秒的时间延迟、保密性不好。
（4）北斗卫星导航系统
卫星通信不仅在全球性的电话、电报、电视广播中成为重要的信息传输方式，而且在全球定位、导航等方面发挥着重要作用。
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。
2.微波通信
（1）概念：微波通信像接力赛，每隔几十千米修建一座接力站，接收并放大信号，继续传送。这就像接力赛跑一样，一棒传一棒，可以把信息传递到远方。
（2）优点：作为载体的电磁波，频率越高 ，相同时间内可以传输的信息就越多。微波比中波和短波的频率更高 ，可以传递更多的信息。一条微波线路可以同时开通几千、几万路电话。
（3）缺点：微波的性质更接近光波，大致沿直线传播，不能沿地球表面绕射。微波通信每隔50 km左右就需要建一个微波中继站。信号传递的距离越远，需要的中继站就越多。遇到雪山和大洋无法建中继站时，微波通信就无法继续。现在，人类可以用通信卫星做中继站来进行通信。
3.移动通信
（1）移动电话：移动电话用微波信号与电话网络联系。既是无线电发射台又是无线电接收台。它用电磁波把讲话的信息发射到空中；同时它又在空中捕获电磁波，得到对方讲话的信息。
（2）基地台：移动通信的基地台是按蜂窝的构造布局的，这样，大大增加了无线电覆盖的有效面积，减少了转接信息的基地台数量。因而移动电话也被称为“蜂窝电话”。
【例题2】阅读短文，回答问题。
地球同步卫星
人造地球同步卫星发射过程可简化为点火加速、离开大气层后关闭发动机自由上升和调整姿态三个阶段。从地面上看，它相对于地球静止于赤道上空，与地球转动同步，故称为地球同步卫星。在赤道上空约为36 000 km的高度上布设3颗通信卫星，可实现除两极外的全球通信。地球同步卫星常用于通信、气象、广播电视、导弹预警、数据中继等方面，以实现对同一地区的连续工作。
（1）同步卫星相对于地面是　　　　　（选填“运动”或“静止”）的。
（2）点火加速阶段中能量转化为：化学能→内能→　　　能。
（3）从地面发送电磁波信号通过同步卫星返回至少需要　　s。
（4）同步卫星的用途有　　　　　（至少写出两种）。
【答案】（1）静止；（2）机械；（3）0.24；（4）通信、气象、广播电视等
【解析】同步卫星的运转与地球的转动同步，相对于地面的物体来说，位置没有变化，是静止的；燃料燃烧，消耗燃料的化学能转化为内能，内能对火箭做功，转化为机械能。
电磁波的传播速度为3×105 km/s，地面发射信号传递到卫星再返回地面需要的时间至少为
同步卫星可以进行通信传输、气象预报、广播电视等。
（变式训练1）关于信息，下列说法正确的是（　　）
A．微波是一种无线电波，微波通信时可以沿地球表面绕射
B．通信卫星相当于一个太空微波中继站，它是用来转发地面站发送来的信号的
C．光纤通信是激光利用光的折射来传递信息的
D．微波通信、卫星通信、光纤通信、网络通信都是靠电磁波传递信息的
（变式训练2）人造地球同步卫星常用于通讯、气象、广播电视等方面，以实现对同一地区连续工作，下列关于同步卫星的说法正确的是（ ）
A. 卫星相对于地面来说是运动的
B. 卫星是利用超声波来传递信息的
C. 卫星上的太阳能电池板将太阳能转化为电能
D. 卫星相当于太空中的微波中继站
（变式训练3）手机已经成为一种人们沟通和交流的常用工具，下列关于手机说法正确的是（ ）
A．手机是利用超声笔来传递信息的
B．给手机充电时，化学能转化为电能
C．手机摄像头相当于一个凹透镜
D．手机掉入水中后，不要立即开机，是因为手机浸入水后电路可能发生短路
知识点3. 互联网
1. 互联网的含义：
互联网，又称国际网络，指的是网络与网络之间所串连成的庞大网络，这些网络以一组通用的协议相连，形成逻辑上的单一巨大国际网络。
互联网始于1969年美国的阿帕网。通常internet泛指互联网，而Internet则特指因特网。这种将计算机网络互相联接在一起的方法可称作网络互联，在这基础上发展出覆盖全世界的全球性互联网络称互联网，即是互相连接一起的网络结构。互联网并不等同万维网，万维网只是一建基于超文本相互链接而成的全球性系统，且是互联网所能提供的服务其中之一。
互联网（如因特网 internet）将分布于世界各地的计算机网络连接起来，用来传送计算机信号。
它是全球性的网络，是一种公用信息的载体，是大众传媒的一 种，具有快捷性、普及性的特点，是现今最流行、最受欢迎的传媒之一 。
2. 互联网的应用
因特网使信息在全球范围内得到了高速共享，在生活中的应用很广泛。
（1）收发电子邮件。
（2）获取世界各地的各种信息。
（3）网络学校、图书馆、实验室都能进入你的家里，随时随地打开计算机，你就可以幵始学习。
（4）网上进行广告宣传和购物。
（5）网上就医。网上医院使异地的病人得到国内外高水平名医的诊治，它能及时传递信息 ，挽救病人的生命。
【例题3】下列说法中不正确的是（ ）
A．微波大致沿直线传播，因此微波通信要建很多中继站才能把信息传递到远方
B．卫星通信只需要3颗同步卫星就可以实现全球通信
C．光纤通信容量大，不受电磁干扰，保密性好，通信质量高，但传输距离短
D．利用因特网可实现资源共享和信息传递，还可进行远程教育、远程医疗等
【答案】C
【解析】A. 地球是圆的，而微波沿直线传播，因此需要设置微波中继站，将信号接力传递下去，故A说法正确．
B. 通信卫星是相对地球“静止”，在地球周围均匀地配置3颗同步通信卫星，就覆盖了几乎地球表面，可以实现全球通信，故B说法正确．
C. 光纤已经成为现代通信的主要传输工具，它具有容量大、不受外界磁场的干扰、不怕腐蚀、不怕潮、能量损耗少使，激光通信能传播很远，并且能提高通信质量等优点，故C说法不正确；
D. 人们可以通过互联网进行远程教育、远程医疗会诊、打IP电话、查阅资料、发送电子邮件等，故D说法正确。 故选C。
（变式训练1）关于信息高速公路，下列描述错误的是（ ）
A. 信息高速公路可以传递声音
B. 信息高速公路可以传递图像
C. 信息高速公路可以传递文字
D. 信息高速公路可以传递实物
（变式训练2）利用互联网可以方便地进行一些信息的传递，下列各种方式中，目前还不能通过互联网做到的是（ ）
A．远程教育 B．做饭
C．远程医疗会诊 D．打网络电话
（变式训练3）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，可向全球提供高精度，高可靠的定位、导航、授时等服务，北斗导航卫星系统为汽车导航采用的通信方式是（　　）
A. 超声波 B．光纤 C．电磁波 D．红外线
光纤通信误区
认为“光纤通信利用电磁波中的无线电波”，观念是错误的，因为光纤通信利用的是激光，属于可见光范畴。
对5G的学习认识
第五代移动通信技术简称 5G。移动通信技术已历经第一代、第二代、第三代、第四代发展，每一次代际跃迁都极大地促进了产业升级和经济社会发展。与 4G 相比，5G 最大的优势在于其更高的速度和更低的延迟，是实现人机物互联的网络基础设施，是移动互联网及其服务蓬勃发展的基础，也是目前改变世界的几种主要技术之一。国际电信联盟（ITU）定义了 5G 的八大关键性能指标，其中高速率、低时延、大连接成为 5G 最突出的特征，用户体验速率达 1 Gbps，时 延 低 至 1 ms， 用 户 连接能力达每平方千米百万连接。目前我国已基本建成 5G 移 动 通 信 网 络，无论是技术还是应用均处于世界前列。
1.光纤通信已成为现代通信的主要支柱之一，关于光纤以下说法正确的是（　　）
A．光纤是超导体；
B．光波在光纤中不断折射向前传播；
C．光波在光纤中的传播速度为3×108m/s；
D．光纤不导电，不会受外界电磁场的干扰
2. 下列关于电磁波和现代通信的说法，正确的是（　　）
A．语言、符号和电磁渡是人类特有的三种信息
B．1864年英国物理学家麦克斯韦证实了电磁波的存在
C．电磁波谱是按波速（或频率）连续排列的电磁波序列
D．光纤通信是利用光波在光导纤维中传输信息的一种通信方式
3. 在微波的传输过程中，必须每隔50千米左右就要建设一个微波中继站。中继站的作用是（ ）
A. 增大微波传输速度 B. 增大微波的频率
C. 处理上一站传来的信号并传递到下一站 D. 反射上一站传来的信号
4．下列传播信息一次传得最远的是
A．互联网 B．通过语言传播 C．电磁波 D．局域网
5．关于网络通信，下列说法正确的是（ ）
A．目前使用最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，却查不到其他资料，因此上网是有局限性的
D．上述说法都是错误的
6．网络通信：把许多独立工作的计算机通过一定的硬件和软件连接起来，使计算机之间能够传递______，这就构成了计算机网络。根据覆盖范围，计算机网络可以分为个域网、局域网、城域网、______等层次。
7. 微波应用
微波炉是现代家庭中的烹饪工具，接通电源后微波炉内的磁控管能产生频率很高，波长很短的电磁波，故称为微波。微波有以下重要特性：(1)微波的传播速度等于光速。（2)微波遇到金属物体，会像光遇到镜子一样地发生反射；波遇到绝缘材料，如玻璃、塑料等，会像光透过玻璃一样顺利通过。(3)微波遇到含水的食品，能够被其大量吸收，引起食品内部分子发生剧烈的振动，达到加热食品的目的。(4)过量的微波照射对人体有害。
（1）通过短文的阅读，在微波炉中应选用下列哪种容器来加热饭菜 （ ）
A．不锈钢盆子 B．铁盆子 C．玻璃盆子 D．铜制盆子
（2）微波在真空中传播速度是 m/s；请你猜想，微波 能量（选填“具有”或“不具有”）
（3）为防止微波泄漏对人体造成伤害，在玻璃炉门内侧应装有 ,（填“金属网罩”或“非金属网罩”）你的理由是 。
8.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（如图甲），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？（如图乙）
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．（如图丙）
甲 乙 丙
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？
9.阅读短文，回答问题。
光纤的奥秘
光纤电缆是本世纪最重要的发明之一。光纤电缆利用玻璃清澈、透明的性质，使用光来传送信号，光可以从弯曲的玻璃光纤的一端传到另一端，而不会“溜”出玻璃纤维，这是为什么呢？如图甲所示，以某种玻璃为例，让一束光沿半圆形玻璃砖的半径射到平面上，可以看到一部分光线从玻璃砖的平面上折射到空气中，此时折射角大于入射角；另一部分光线反射入玻璃砖内；逐渐增大光的入射角，将看到折射光线离法线越来越远，且越来越弱，反射光线越来越强。当入射角增大到，折射光线就消失了，只剩下反射光线，如图丙所示，这种现象叫做全反射。刚好发生全反射时的入射角叫做临界角。只有入射角大于或等于临界角时，才会发生全反射现象。并非光线在任何界面都会发生全反射现象，这种现象只有在光从一种介质射向另一介质折射角大于入射角时才能发生。光纤通信就是利用光的全反射原理，光导纤维在结构上有内芯和包层两种不同的透明介质，光从内芯传播时遇到光纤包层处，会发生全反射现象，从而保证光线不会泄漏到光纤外，这样光就只能在玻璃中传播，而不会“溜”出玻璃光纤，如图丁所示。
(1)图甲中，光线从玻璃斜射向空气时，反射角___（选填“大于”、“小于”或“等于”）折射角；
(2)图乙中，当入射角逐渐增大时_______；
A．折射角逐渐增大，反射角逐渐减小 B．折射角逐渐减小，反射角逐渐增大
C．折射光线逐渐增强，反射光线逐渐减弱 D．折射光线逐渐减弱，反射光线逐渐增强
(3)光从空气进入玻璃时，增大入射角_______（选填“有可能”或“不可能”）发生全反射；
(4)如图丁所示若增大射向B点的入射光线AB的入射角时，C点将向_______（选填“左”或“右”）侧移动，CD光线的入射角将_______（选填“增大”、“减小”或“不变”），光在光纤内的传播时间将_______（选填“变长”“不变”或“变短”）
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