第3節(jié)衛(wèi)星通信和光纖通信（教學(xué)設(shè)計(jì)）

年級(jí)九年級(jí)學(xué)科物理教師

課題第3節(jié)衛(wèi)星通信和光纖通信

物理觀念初步了解衛(wèi)星通信和光纖通信的原理，能解群有關(guān)現(xiàn)象，

通過(guò)閱讀衛(wèi)星通信和光纖通信的相關(guān)材料進(jìn)行學(xué)習(xí)，發(fā)展通過(guò)

科學(xué)思維

教學(xué)閱讀提取重要信息、分析、歸納的能力。

目標(biāo)科學(xué)探究經(jīng)歷水流導(dǎo)光的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，發(fā)展科學(xué)探究能力。

科學(xué)態(tài)度了解通信方式的變革為人類生活帶來(lái)的便利，體會(huì)物理學(xué)對(duì)社會(huì)

與責(zé)任發(fā)展的促進(jìn)作用。

本節(jié)主要包括衛(wèi)星通信和光纖通信兩皆分內(nèi)容。它們是電磁波在現(xiàn)代通信技

教材術(shù)中的兩種重要應(yīng)用。本節(jié)內(nèi)容旨在讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到通信技術(shù)與人類生產(chǎn)生活息息

分析相關(guān)，了解科技為人類生活帶來(lái)的便利，體會(huì)物理學(xué)的應(yīng)用價(jià)值，從而提高學(xué)生

的學(xué)習(xí)興趣。

在學(xué)習(xí)本節(jié)課之前，學(xué)生已經(jīng)接觸過(guò)一些電磁學(xué)的基本知識(shí)，教學(xué)大綱要求

學(xué)生常識(shí)性地了解衛(wèi)星通信、光纖通信、網(wǎng)絡(luò)通信的優(yōu)點(diǎn)、原理。本節(jié)關(guān)鍵在于

讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到人類已進(jìn)入信息時(shí)代，信息技術(shù)已經(jīng)滲透到人類生產(chǎn)、生活的各個(gè)

學(xué)情分析領(lǐng)域。信息技術(shù)的發(fā)展給人類的生活方式帶來(lái)了翻天覆地的變化。使學(xué)生通過(guò)學(xué)

習(xí)，了解科技為人類帶來(lái)的便利。從而提高學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)的興趣，使學(xué)生養(yǎng)成關(guān)

心科學(xué)發(fā)展前沿的習(xí)慣，樹(shù)立正確的科學(xué)觀，培養(yǎng)振興中華、用科學(xué)服務(wù)于人類

的使命感和責(zé)任感。

教學(xué)重點(diǎn)了解衛(wèi)星通信、光纖通信的基礎(chǔ)知識(shí)。

教學(xué)難點(diǎn)光纖通信的原理。

教學(xué)器材多媒體ppt,包含視頻《水流導(dǎo)光》、《光導(dǎo)纖維》等。

教學(xué)過(guò)程

教師活動(dòng)學(xué)生活動(dòng)

導(dǎo)人新遇

思考問(wèn)題，激發(fā)

【問(wèn)題】在無(wú)線電波中，微波的波長(zhǎng)較短，頻率較高，一條微波線路可以

興趣，進(jìn)入情

同時(shí)開(kāi)通幾千、幾萬(wàn)路電話。微波的性質(zhì)接近光波，大致沿直線傳播，不能沿

景。

地球表面繞射。我們?cè)鯓硬拍馨盐⒉ㄐ盘?hào)傳遞到遠(yuǎn)方呢？

學(xué)習(xí)新課一、衛(wèi)星通信

1.微波通信

（1）微波的波長(zhǎng)和頻率：在無(wú)線電波中，微波波長(zhǎng)在之間，頻

率在30MHz~3xlO'MHz之間。閱讀課本第

（2）微波的性質(zhì)：微波的性質(zhì)接近光波，大致沿直線傳播，不能沿地球表183頁(yè)，說(shuō)出微

面繞射。波的性質(zhì)。什

（3）微波中繼站：微波大致沿直線傳播，不能繞地球表面繞射。因此必須么是微波中繼

每隔50km左右就要建設(shè)一個(gè)中繼站，可以把上一站傳來(lái)的微波信號(hào)經(jīng)過(guò)接收、站。

放大處理后，再發(fā)射到下一站去。這就像接力賽跑一樣，一棒傳一棒，可以把

信息傳遞到遠(yuǎn)方。

（4）微波通信的優(yōu)點(diǎn)

①頻率高，傳輸信息的容量大；

②質(zhì)量好，可以傳送很遠(yuǎn)的距離；

③大致沿直線傳播，受大氣干擾小，能量損耗小，收到的信號(hào)強(qiáng)且穩(wěn)定。

（5）微波通信的缺點(diǎn)

需要大量中繼站進(jìn)行信號(hào)處理，且信號(hào)傳遞的距離越遠(yuǎn)，需要的中繼站越

多。在遇到雪山、大洋，根本無(wú)法建設(shè)中繼站時(shí)，微波通信幾乎無(wú)法繼續(xù)。

2.衛(wèi)星通信

【提問(wèn)】在遇到雪山、大洋，根本無(wú)法建設(shè)中繼站時(shí)，又該怎么辦？能不

能利用地球的衛(wèi)星——月球進(jìn)行微波中繼通信呢？

【分析】月球是地球的衛(wèi)星，可以反射微波，但它離我們太遠(yuǎn)了一38萬(wàn)

千米！信號(hào)衰減、時(shí)間延遲，而且只有當(dāng)兩個(gè)通信點(diǎn)同時(shí)見(jiàn)到月亮?xí)r，才能完

成這兩點(diǎn)間的通信。

解決方案：使用人造衛(wèi)星進(jìn)行通信。

（1）衛(wèi)星通信：用通信衛(wèi)星作為微波中繼站來(lái)進(jìn)行通信。

閱讀課本第

（2）同步通信：地球同步衛(wèi)星距離地球約36000km,地球同步衛(wèi)星繞地球

轉(zhuǎn)動(dòng)的周期跟地球自轉(zhuǎn)的周期相同，所以叫作“同步”衛(wèi)星。184頁(yè),說(shuō)出什

（3）全球通信：在地球周圍均勻地配置三顆通信衛(wèi)星，就可以覆蓋幾乎全么是衛(wèi)星通

部的地球表面，實(shí)現(xiàn)全球通信。信；為什么用

衛(wèi)星1同步衛(wèi)星做微

波中繼站；北

斗衛(wèi)星導(dǎo)航系

統(tǒng)的應(yīng)用。

（4）衛(wèi)星通信的組成：由通信衛(wèi)星、地面站和傳輸系統(tǒng)三部分組成。衛(wèi)星

通信的工作原理是將衛(wèi)星發(fā)射到赤道上空36000km處的對(duì)地靜止軌道上，利用

衛(wèi)星上的通信轉(zhuǎn)發(fā)器接收由地面站發(fā)射的信號(hào)，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大變頻后轉(zhuǎn)發(fā)

給其他地面站，從而完成兩個(gè)地面站之間的傳輸。

（5）衛(wèi)星通信特點(diǎn)：通信范圍大，只要在H星發(fā)射的電磁波覆蓋的范圍內(nèi)

均可進(jìn)行通信；不易受陸地災(zāi)害影響，建設(shè)速度快；易于實(shí)現(xiàn)廣播和多址通信。

（6）中國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國(guó)著眼于國(guó)家安全和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要，自主建設(shè)

運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是為全球用戶提供全天候、全天時(shí)、高精度的定位、

導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)的國(guó)家重要時(shí)空基礎(chǔ)設(shè)施。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)使用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的無(wú)人駕駛車輛

【例題1】人們從某電視直播節(jié)目中獲知，在北京2022年冬奧會(huì)自由式滑

雪女子大跳臺(tái)決賽中，中國(guó)選手谷愛(ài)凌奪得冠軍！該電視節(jié)目的信號(hào)是通過(guò)衛(wèi)

星傳送的，屬于衛(wèi)星通信。關(guān)于衛(wèi)星通信，下列說(shuō)法正確的是（D）

A.衛(wèi)星通信使用的是中波或者短波

B.通信衛(wèi)星只能用來(lái)傳遞聲音信號(hào)

C.衛(wèi)星通信就是利用二星來(lái)向地面發(fā)射電磁波

D.通信衛(wèi)星既能傳遞聲音信號(hào)，乂能傳遞圖像信號(hào)

【解析】AC.衛(wèi)星通信是利用衛(wèi)星作為中繼站，來(lái)轉(zhuǎn)發(fā)接收到的無(wú)線電波

（微波）的，故AC錯(cuò)誤；BD.電磁波可以傳遞信息，衛(wèi)星通信既能傳遞聲信

號(hào)又能傳遞圖像信號(hào)，故B錯(cuò)誤，D正確。故選D。

做例題1,知道

什么是衛(wèi)星通

信。

【過(guò)渡】我們已經(jīng)知道，電磁波的傳播速度等于光速，實(shí)際上光也是一種

電磁波。與短波、微波相比，光的頻率更高。普通的光源包含了許多不同波長(zhǎng)

（頻率）的光，難以用它攜帶信息。閱讀課本第

i.光纖通信185頁(yè)，回答激

（1）激光的特點(diǎn)：頻率單一、方向高度集中。光的特點(diǎn)。

（2）光纖通信：物理學(xué)家提出用光纖通信的構(gòu)想，這使得用光進(jìn)行通信的什么是光纖通

夢(mèng)想得以實(shí)現(xiàn)。通信用的激光一般在特殊的管道一一光導(dǎo)纖維（簡(jiǎn)稱光纖）里信。

傳播。

2.光導(dǎo)纖維

（1）光導(dǎo)纖維簡(jiǎn)稱光纖，是一種非常細(xì)的玻璃絲，激光可在光纖里傳播，

不受外界干擾。

實(shí)用的光纖是比人的頭發(fā)絲稍粗的玻璃絲，通信用光纖的外徑一般為

125-140pmo一般所說(shuō)的光纖是由纖芯和包層組成，纖芯完成信號(hào)的傳輸，包

層與纖芯的折射率不同，將光信號(hào)封閉在纖芯中傳輸并起到保護(hù)纖芯的作用。閱讀課本第

工程中一般將多條光纖固定在一起構(gòu)成光纜。185頁(yè),討論回

答什么是光導(dǎo)

纖維，光導(dǎo)纖

維傳光的原

理。

（2）光導(dǎo)纖維傳光原理

①演示實(shí)驗(yàn)一《水流導(dǎo)光》。如圖所示，在塑料瓶的一側(cè)開(kāi)個(gè)小孔，塑料

瓶?jī)?nèi)盛水，讓激光從另一側(cè)水平射向小孔。當(dāng)水從小孔流出時(shí)，你會(huì)看到光隨

著彎彎的水流照到地面，在地面產(chǎn)生一個(gè)光斑。

圖21.3-6水流導(dǎo)光

【實(shí)驗(yàn)結(jié)論】光不但能沿直線傳播，也可以沿著直面的水流傳播。

【播放視頻】一一《水流導(dǎo)光》

②光導(dǎo)纖維傳光原理：光導(dǎo)纖維傳播激光的原理是光的全反射。攜帶信息

的激光從光導(dǎo)纖維的一端射入，在光纖內(nèi)部傳播時(shí)，發(fā)生的是全反射，在內(nèi)壁

觀看視頻并回

答光導(dǎo)纖維傳

光原理.

（1）傳輸頻帶極寬，通信容量很大；

（2）光纖衰減小，無(wú)中繼設(shè)備，傳輸距離遠(yuǎn)；

（3）不受電磁干擾，通信質(zhì)量高，保密性好。

4.光纖通訊技術(shù)的發(fā)展

光纖通訊技術(shù)是近幾十年才發(fā)展起來(lái)的。I960年，美國(guó)物理學(xué)家西奧多?梅

曼在佛羅里達(dá)州邁阿密的研究實(shí)驗(yàn)室里，制成了世界上第一臺(tái)紅寶石激光器。

1966年，華裔物理學(xué)家高銀提出用光纖通信的構(gòu)想，并得以實(shí)現(xiàn)，高銀被譽(yù)為

“光纖之父”。

【例題2］光纖通信已成為現(xiàn)代通信的主要支柱之一，關(guān)于光纖以下說(shuō)法了解光纖通信

正確的是(D)的優(yōu)缺點(diǎn)。

A.光纖是超導(dǎo)體

B.光波在光纖中不斷折射向前傳播

C.光波在光纖中的傳播速度為3x|()8m/s

D.光纖不導(dǎo)電，不會(huì)受外界電磁場(chǎng)的干擾了解光纖通訊

【解析】AD.光纖的材料是二氧化硅，即玻璃絲，屬于絕緣體，不導(dǎo)電，技術(shù)的發(fā)展

不會(huì)受外界磁場(chǎng)的干擾，故A錯(cuò)誤，D正確；史。

R.光纖通信是利用光波在光纖中不斷反射向前傳播，故R錯(cuò)誤：

C.光波屬于電磁波，電磁波在真空中的傳播速度是3xlO8m/s,在玻璃中

的傳播速度小于傳播速度，故C錯(cuò)誤。故選D。

做例題2,了解

光纖通信。

學(xué)習(xí)新課三、激光的應(yīng)用

除了通信，激光還有許多其他應(yīng)用。

1.激光測(cè)距雷達(dá)

激光束的方向性特別好，在傳播很遠(yuǎn)的距離后仍能保持一定的強(qiáng)度。激光

的這個(gè)特點(diǎn)使它可以用來(lái)進(jìn)行精確的測(cè)距。對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)出一個(gè)極短的激光脈沖，

測(cè)量發(fā)射脈沖和收到反射脈沖的時(shí)間間隔，就可以求出與目標(biāo)的距離。激光測(cè)閱讀課本第

距雷達(dá)就是根據(jù)這個(gè)原理制成的。186頁(yè)，說(shuō)出激

2.激光的其他一些應(yīng)用光的一些應(yīng)

激光還有一個(gè)特點(diǎn)是亮度高，也就是說(shuō)它可以在很小的空間和很短的時(shí)間用。

內(nèi)集中很大的能量。如果把強(qiáng)大的激光束會(huì)聚起來(lái)照射到物體上，就可以使物

體的被照部分迅速上升到極高的溫度并熔化。

因此，我們可以利用激光束來(lái)切割各種物質(zhì)、焊接金屬以及在硬質(zhì)材料上

打孔。醫(yī)學(xué)上可以用激光作為“光刀〃切除腫瘤，還可以用激光“焊接”脫落的視網(wǎng)

膜。強(qiáng)激光可以在瞬間破壞敵人的飛行器，這是軍事研究的重要方向。

此外，利用幾十阿秒（10心）的激光脈沖可以，，捕捉”原子內(nèi)電子的運(yùn)動(dòng)，使

人類對(duì)微觀世界的觀察接近極致。

【例題3】】半導(dǎo)體芯片的發(fā)明是二十世紀(jì)的一項(xiàng)創(chuàng)舉，它開(kāi)創(chuàng)了信息時(shí)代O

的先河。光刻機(jī)是芯片制造的核心設(shè)備之%光刻機(jī)使用的是?種非線性光學(xué)

晶體材料，它能夠?qū)⒓す廪D(zhuǎn)化為史無(wú)前例的176納米波長(zhǎng)深紫外激光，從而制

造出深紫外固體激光器。激光的平行度特別好，在傳播很遠(yuǎn)的距離后仍能保持

一定的距離。激光在空氣中的傳播速度大約是________m/s。請(qǐng)你寫(xiě)出一條激光做例題3,了解

在生活中的應(yīng)用：__________。激光的一些應(yīng)

【答案】3xlO8m/s；通信。用。

【詳解】激光在空氣中的傳播速度非常接近在真空中的光速，大約是

光纖通信是利用激光在光導(dǎo)纖維中發(fā)生反射傳遞信息的0

1.如圖所示，降落在月球背面的嫦娥四號(hào)登月探測(cè)器，借助鵲橋中繼衛(wèi)星向地球傳

送信息。利用的是（）

....

?一?，/

A.次聲波B.無(wú)線電波C.紅外線D.超聲波

【答案】B

【詳解】衛(wèi)星是通過(guò)電磁波和地球進(jìn)行信息交流的，借助鵲橋中繼衛(wèi)星向地球傳送信

課

息，利用的是電磁波，即無(wú)線電波。故ACD不符合題意，B符合題意。

堂

故選B。

練

2.如圖是小明總結(jié)的思維圖的一部分，請(qǐng)你幫助小明補(bǔ)全空缺。

習(xí)

f衛(wèi)星通信—___________利用（1）▲遞信息__________

現(xiàn)代通信的_

兩種方式

->光纖通信—?利用光波在光導(dǎo)纖維中多次Q）_唉—來(lái)傳遞信息

【答案】（1）電磁波；（2）反射

【詳解】電磁波的傳播不需要介質(zhì)，衛(wèi)星通訊利用電磁波傳遞信息。

光纖通信是利用激光從光導(dǎo)纖維的一端射入，在內(nèi)壁上多次反射，從另一端射出傳遞

信息。

3.光纖通信主要利用波長(zhǎng)很（選填"短"或"長(zhǎng)"）的激光傳輸信息。如圖所示，

激光從光纖一端射入，在內(nèi)壁上多次，從另一端射出，把信息傳到遠(yuǎn)方，無(wú)線電廣

播的音頻信號(hào)在發(fā)射出去之前，必須加載到頻率更（選填"高”或"低〃）的電流信號(hào)

上。

【詳解】光纖是利用激光傳播信息的，作為載體的無(wú)線電波，頻率越高，相同時(shí)間內(nèi)

傳輸?shù)男畔⒘吭蕉啵す獾念l率比較高，波長(zhǎng)較短，相同的時(shí)間內(nèi)就可以傳遞大量的信息。

光纖通信是利用激光傳輸信息的，從光纖的一端射入，在內(nèi)壁上多次反射后在另一端

放射出來(lái)，然后在接收端，檢測(cè)器收到光信號(hào)后把它變換成電信號(hào)，經(jīng)解調(diào)后恢復(fù)原信息;

無(wú)線電廣播的音頻信號(hào)在發(fā)射出去之前，必須加載到頻率更高的電流信號(hào)上。

4.如圖所示的“智軌”電車采用激光雷達(dá)感知技術(shù)、毫米波雷達(dá)感知技術(shù)等環(huán)境感知

手段，獲得安全防護(hù)信息。雷達(dá)感知技術(shù)是通過(guò)信號(hào)發(fā)射系統(tǒng)向環(huán)境發(fā)射信號(hào)，然后信號(hào)

接收系統(tǒng)接收到來(lái)自環(huán)境反射回來(lái)的信號(hào)而獲得周邊環(huán)境的信息。下列說(shuō)法正確的是（）

A.亳米波雷達(dá)感知技術(shù)利用超聲波傳遞信息

B.激光雷達(dá)感知技術(shù)利用電磁波傳遞信息

C.亳米波的傳播需要介質(zhì)，激光的傳播不需要介質(zhì)

D.亳米波傳播的速度比激光小

【答案】B

課

【詳解】A.超聲波是頻率高于20000Hz的聲波，屬于聲波的一種。而亳米波是電磁

堂

波的一種，亳米波雷達(dá)感知技術(shù)是利用亳米波來(lái)傳遞信息的，并非超聲波，故A錯(cuò)誤；

練

B.激光屬于電磁波的一種。激光雷達(dá)感知技術(shù)是通過(guò)發(fā)射激光信號(hào)，然后接收反射

習(xí)

回來(lái)的激光信號(hào)來(lái)獲得周邊環(huán)境的信息，故B正確；

C.亳米波是由磁波，中磁波的傳播不需要介質(zhì)，它可以在真空中傳播：激光同樣屬

于電磁波，其傳播也不需要介質(zhì)，在真空中也能以光速傳播。故C錯(cuò)誤;

D.在真空中，所有電磁波的傳播速度都相同，都等于光速c=3xlO8m/s。亳米波和激

光都屬于電磁波，它們?cè)谡婵罩械膫鞑ニ俣认嗟?；在其他介質(zhì)中，雖然傳播速度會(huì)小于真

空中的速度，但二者在相同介質(zhì)中的傳播速度仍然是相等的，故D錯(cuò)誤。

故選Bo

5.關(guān)于光纖通信，下列說(shuō)法中正確的是()

A.載有信息的激光在光纜的內(nèi)壁上不斷地發(fā)生光的折射，把信息從一端傳到了光纜

的另一端

B.用于通信的激光是在空中傳播的

C.光在光導(dǎo)纖維中的傳播是直線傳播

D.光纖通信要比短波、微波通信容量更寬

【答案】D

【詳解】A.激光在光纜中傳播發(fā)生的是全反射，不是光的折射，故A錯(cuò)誤；

B.用于通信的激光在光纖中傳播，而不是在空中傳播的，故B錯(cuò)誤；

C.由于光在光導(dǎo)纖維中全反射傳播，傳播軌跡是折線，，故C錯(cuò)誤；

D.光纖通信一般利用是紅外線要比短波、微波通信使用電磁波頻率高，波長(zhǎng)短，所

以容量更大，故D正確。

故選D。

6.在?個(gè)無(wú)色大塑料瓶的側(cè)壁靠底部的位置，鉆?個(gè)小孔，在瓶中裝滿水，用膠帶

粘住小孔，在瓶的另一側(cè)放一只激光電筒，調(diào)節(jié)光束的方向，讓光束正好能射中對(duì)面的小

孔。如圖所示，揭下膠帶，讓水流到下面盆里，你會(huì)看到光隨著彎彎的水流照到盆底，在

盆底產(chǎn)生一個(gè)光斑。

激

光

電

M

(1)在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，激光電筒的光束沿水流的內(nèi)壁經(jīng)過(guò)多次(填“反”或“折”)

射，最后射到盆底的;

(2)實(shí)驗(yàn)中從瓶中流出的水柱相當(dāng)于激光通信中的—，由此說(shuō)明用來(lái)講行激光通

信的導(dǎo)管―（填“能”或“不能”）彎曲；

（3）猜想：在激光通信中，同一根導(dǎo)管能不能同時(shí)傳導(dǎo)多束激光束而不致相互干

擾？一。

【答案】反光纖能能

【詳解】（1）由圖可知，激光電筒的光束是沿水流的內(nèi)壁，多次反射后，射到盆底。