15.3 现代通信技术及其发展前景 教案【核心素养目标】（2022新课标）

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第十五章 怎样传递信息——通信技术简介
15.3 现代通信技术及其发展前景
教学目标：
1.物理观念：
（1）了解移动通信、网络通信、光纤通信、卫星通信。
（2）了解光纤通信的特点。
（3）了解卫星通信的特点。
（4）了解通信技术的发展前景。
2.科学思维：
通过多媒体图片、影视画面使学生掌握和了解移动通信、网络通信、光纤通信和卫星通信的特点和粗略的原理。
3.科学探究：
了解我国北斗卫星导航系统的作用和优势。
4.科学态度与责任：
通过学习现代通信知识，了解科技为人类带来的便利，提高学生学习科学的兴趣，使学生养成关注科学发展前沿的习惯，树立正确的科学观，培养振兴中华、用科学服务于人类的使命感和责任感。
教学重点：了解移动通信、网络通信、光纤通和信卫星通信。
教学难点：了解移动、网络、光纤、卫星通信的特点。
教学课时：1课时
教学用具：多媒体、电源插座、光纤灯、手机。
教学互动设计：
1、 创设情景，导入新课
北斗卫星导航系统（简称BDS）是中国自行研制的全球卫星导航系统。北斗卫星导航系统（BDS）和美国GPS、俄罗斯GLONASS、欧盟GALILEO，是联合国卫星导航委员会已认定的供应商。
北斗卫星导航系统（以下简称北斗系统）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。
2022年11月4日，国务院新闻办公室发布《新时代的中国北斗》白皮书，介绍新时代中国北斗发展成就和未来愿景，分享中国北斗发展理念和实践经验。
北斗系统是世界上首个具备全球短报文通信服务能力的卫星导航系统；是世界上首个面向授权用户提供区域短报文通信服务的卫星导航系统；建成地面站全国一张网，向行业和大众用户提供实时米级、分米级、厘米级和事后毫米级高精度定位增强服务。
现在北斗一共有45颗卫星在轨提供服务，系统的性能很好。2023年计划要发射3到5颗卫星，预计的目标是2035年全面建成这个时空体系，到时，我们希望无论是在水下、地面、室内、空中、深空甚至遥远的太空，都有北斗，都有中国的时空体系。北斗地基增强系统，实测的水平到2厘米，高程可以到5厘米，这是实时的定位精度。事后处理精度可以达到水平2毫米、高程5毫米。已经从传统的测量测绘向精准农业、变形监测、自动驾驶、电力巡检、智慧港口、共享单车等多个领域拓展应用。
二、新课讲授，师生互动
问题与思考
现代的政治、经济、军事、科研、生活等方面，对通信有哪些更高的要求 现代通信运用了哪些高技术
你能够从手机的变化、网络功能的变化中感受到通信技术日新月异的发展吗
（一）移动通信
电话座机必须用电话线连接到电信局的交换机上，依靠导线中的音频电流传送话音，只能在固定的地点使用。移动电话(通常称为手机)由电磁波传递信息，可以在信号覆盖的任何地方使用。手机既是发射机又是接收机，但是它的发射功率很小，又不具有交换能力，必须依靠一组大功率的固定电台(基地台)和交换中心来转接。
如图所示，手机1发射的信号被离它最近的基地台1接收，然后由光缆把信号传到交换中心，寻找到选定的通话对象，再由光缆把信号传到离对象最近的基地台2，最终由这个基地台把信号传给对象，手机2。
这些基地台由提供移动通信的专业公司来建设和运营，遍布于全国各地。初期的移动电话使用模拟信号，现在已经完全被数字信号代替，不仅可以通话，还可以发送、接收文字短信息和其他服务性信息(如气象预报、股市行情)，还能无线上网。最新型的手机还能够拍摄军用电台和传送彩色的数码照片，接收电视节目，开通可视电话等。
还有其他一些移动通信设备，例如警察用的对讲机、供业余无线电爱好者使用的手持和车载小型电台、军队和地质工作者使用的小型电台等，如图所示。
（二）网络通信
把许多计算机通过一定的硬件和软件连接起来，就成为网络。在一所学校或一个居民小区内，若干台计算机接到交换机和服务器(提供网络控制和服务的专用计算机)上，就组成了局域网，再进而实现全世界的连接， 就成为互联网(internet) ， 如图所示。
由于计算机能够高速处理多媒体信息，并且有交互性，所以在网上传送的电子邮件不仅有文字，还有图像和声音，这是传统的通信手段难以同时做到的。人们向往已久的可视电话，也依靠网络实现了。
在一所学校或一个居民小区内，若干台计算机接到交换机和服务器(提供网络控制和服务的专用计算机)上，就组成了局域网。
网络还有许多功能，你可以在信息技术课上继续了解并进行实习。
（三）光纤通信
光也是电磁波，可见光的波长只有几百纳米，比无线电波短得多。从理论上讲，被调制的光能够携带比无线电波多得多的信息，但是这个设想直到发明了激光器后才得以实现。
激光(laser) 是一种颜色非常纯、方向高度集中的光。它的强度可以超过太阳光，不能让它直接射人眼中，以免伤害视网膜。
如图所示的就是科学研究中使用的激光器。
为了避免干扰和减少能量的损失，通信用的激光要在用专门材料制造的一种纤维中传播， 这种纤维称为光导纤维(optical fiber) ， 简称光纤。某些小工艺品上装设了一些光纤，它们的一端插在封闭的盒子中，用彩色灯泡照亮，露出的另一端就会闪耀美丽的点点“星光”，如图所示。
某些小工艺品上装设了一些光纤，它们的一端插在封闭的盒子中，用彩色灯泡照亮，露出的另一端就会闪耀美丽的点点“星光”，如图所示。
把若干条光纤集成束，外面包上保护层，就成为光缆。光缆一般都铺设在地下的管道中，特别适合于远距离通信用。
光纤通信用途广泛，如长途电话、有线电视、电视会议、互联网等。一根光缆上可以同时传递50万路电话或5000多路电视，可以大大降低成本，减少维护的工作量。可以说，光纤的应用是社会信息化程度提高的重要标志。
1966年，33岁的华人高锟首次提出，直径仅几微米的透明玻璃纤维可以作为传输光信号的有效手段，成为光导纤维的先驱。43年后，高锟获得了2009年诺贝尔物理学奖。
（四）卫星中继通信
现在越洋通信大都使用通信卫星。通信卫星相对于地面应当是静止的，这就要把它发射到赤道上空约36000km高度的圆形轨道上，使它绕地球转动一周的时间恰好为24h，与地球自转的周期相同，并且转动的方向与地球自转的
方向相同，所以称为同步卫星。如图是我国的“东方红-3”号通信卫星。
同步通信卫星绕地球转动的周期跟地球自转周期相同，所以叫做“同步”卫星。
在上述轨道上均匀地布置三颗同步卫星，就能使通信范围几乎覆盖地球上各个角落。卫星通信使用微波，例如，使用X频段时，上行(地球到卫星)电磁波频率为8GHz， 下行(卫星到地球) 电磁波频率为7GHz， 其特点是容易像光波那样集束和沿着直线传播。如图所示，从地面站向卫星1发送微波，卫星1收到后经过放大用微波向地面和卫星2转发，卫星2收到后经过放大再用微波向地面和卫星3发送，卫星3再向地面发射。
这样从地球一侧发出的信号就被地球另一侧的地面站接收。这种方法类似于接力赛跑，所以被称为中继通信。
2018年5月21日发射的“鹊桥”是“嫦娥”四号月球探测器的中继卫星，其作用是解决地面于在月球背面登录的“嫦娥”四号探测器之间的通信问题。2019年1月3日，“嫦娥”四号探测器在“鹊桥”提供的地月中继通信的支持下，开创了人类航天史上的新篇章；首次月球背面着陆；首次在月球背面上与地球通信；传来了首张近距离拍摄的月背表面影像图······“嫦娥”四号与“鹊桥”中继星完美配合，是我国由航天大国向航天强国迈进的重要标志之一，是新时代中国人民攀登科技高峰的新标杆、新高度，是中华民族为人类探索宇宙奥秘做出的又一卓越贡献。
（五）通信技术的发展前景
21世纪人类将全面进入信息化社会，通信技术也在飞速地发展。目前我国已经建成以光缆为主体的主干通信网，卫星电视也覆盖了全部国土，计算机技术将在通信领域得到更加广泛和深入的应用。
随着4G技术的发展和普及，优质的数据传输效率和速度使人们享受到互联网时代移动通信技术发展带来的便利，人们的学习、工作和生活方式也发生了重大变化。物联网、云计算、人工智能的兴起，正推动着社会的数字化演进。
卫星通信的应用也进一步扩展，例如我国自主研制，独立运行的北斗星导航系统可在全球范围内全天候、全天时为各地用户提供高精度、高可靠的定位、导航、授时等服务。北斗卫星导航系统在我国国家安全领域发挥重大作用。北斗卫星导航系统不仅在我国国家安全领域发挥重大作用，还服务于国家经济建设重要基设施，广泛应用于交通运输、农林渔业、水文监测、气象预报、通信授时、电力调度、救灾减灾、公共安全等领域。此外，北斗导航服务进人大众消费、共享经济和民生领域，深刻改变着人们的生产生活方式。
量子保密通信技术正在从实验室演示走向产业化，当前量子通信的实用化和产业化已经成为各个大国争相追逐的目标，我国在量子通信技术方面已经走世界前列。我国自主研发的世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”在国际上首次成功实现数百万米的星地双向量子通信，并已具备实现洲际量子保密通信能力。
未来的通信发展趋势是移动通信和互联网技术的高度融合。当前全球多个国家已竞相开展5G网络技术的开发，我国在5G技术开发方面居于世界领先地位。作为21世纪的公民，我们在享受通信技术提供的各种服务的同时，还要自觉遵守信息社会中的道德准则和法律法规，树立信息安全意识。
三、总结反思，超越自我
1. 移动通信：移动电话由电磁波传递信息，既是发射机又是接收机，它靠大功率的基地台和交换中心来转接。
2.光纤通信：激光的颜色非常纯、方向高度集中，在光纤中传播，抗干扰、适合远距离通信。华裔高琨提出光纤通信。光纤的应用是社会信息化程度提高的重要标志。
3.卫星中继通信：三颗同步卫星做中继站、覆盖全球。
4.网络通信：计算机高速处理各种信息。未来通信发展趋势是移动通信和互联网技术的高度融合。
四、板书设计，整合提升
1. 移动通信：移动电话由电磁波传递信息，既是发射机又是接收机，它靠大功率的基地台和交换中心来转接。
2.光纤通信：激光的颜色非常纯、方向高度集中，在光纤中传播，抗干扰、适合远距离通信。华裔高琨提出光纤通信。光纤的应用是社会信息化程度提高的重要标志。
3.卫星中继通信：三颗同步卫星做中继站、覆盖全球。
4.网络通信：计算机高速处理各种信息。未来通信发展趋势是移动通信和互联网技术的高度融合。
五、大海扬帆，尝试远航
1. 下列说法不正确的是（ ）
A. 固定电话用电话线连接到电信局交换机上，依靠导线中的音频电流传递话音
B. 手机依靠电磁波传递信息
C. 手机既是发射机又是接收机
D. 基地台与交换中心之间不需要光缆
2．下列说法不正确的是（ ）
A. 把计算机通过一定的硬件和软件连接起来，就成为网络
B. 在一个小区内，若干台计算机接到交换机和服务器上，就组成局域网
C.可视电话不需要网络就能实现
D.光是电磁波
3．关光纤通信说法不正确的是（ ）
A.激光是一种颜色非常纯、方向高度集中的光
B.通信激光在光导纤维中传播
C. 把若干纤维集成束，外面包上保护层就成为光缆，特别适合近距离通信用
D. 华人高琨首次提出，直径几微米的透明玻璃纤维可以作为传输光信号的有效手段，成为光导纤维的先驱
4．关于卫星中继通信说法不正确的是（ ）
A. 在赤道上空约36000km高度的圆形轨道上的通信卫星，与地球自转周期相同称为同步卫星
B. 在赤道上空约36000km的圆形轨道上均匀布置三颗同步卫星就能使通信范围几乎覆盖地球
C. 卫星通信称为中继通信
D. 卫星通信使用中波
5．下列说法不正确的是（ ）
A. 我国的北斗定位系统可供全天候即时定位
B. 北斗系统是世界上首个具备全球短报文通信服务能力的卫星导航系统
C. 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
D. 未来通信发展趋势是卫星通信和互联网技术的高度融合
参考答案1.D；2.C；3.C；4.D；5.D。
六、作业：P189.T2
课外作业P189.T1、T3、T4。
P190 阅读材料 电磁污染
教学反思：
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