20.3 跨学科：电磁波与信息技术学案--沪科版新版9全册物理

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【学习目标】
1.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；
2.能体会电磁技术应用对人类生活和社会发展带来的影响。
3.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，能体会信息技术给人类生产生活方式带来的影响。
重点：通过实验观察，理解光在光纤中的传播原理，结合实例，掌握光纤通信的传输特点及其优势。
难点：理解光在光纤中传播时不会跑到外层的原理。分析光纤通信在信息传输中的实际应用及其重要性。
【自主学习】
1.光纤是______的简称，由______、______和保护套组成，核心是利用______传递信息；
2.现代电信网络主要包括_________、_________和________三类，其中________需通过通信卫星作为中继站实现全球覆盖；
3.微波通信的工作方式类似 “接力赛”，需要每隔______修建______放大信号，否则信号会衰减；
4.移动通信的基地台按______构造布局，能增大无线电覆盖面积，5G 技术的突出特征是______、______、______；
5.互联网将世界各地的______连接起来，实现______，常见应用有___________、___________、___________等。
【合作探究】
1.光纤：光纤是________的简称，是由_______或________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。
细如发丝的光纤
2.光纤传送信息的容量大
一根光纤能同时传输相当于10 000根________所传输的______。随着科学技术的发展, 光纤能传送的信息容量还会更大。
拓展延伸
高锟与光导纤维
1966 年，33 岁的华裔科学家高锟提出：光通过直径仅几微米的玻璃纤维就可以用来传输大量信息。高锟因此获得 2009 年诺贝尔物理学奖。根据这一理论制造的光导纤维。
光导纤维 高锟（1933-2018）
迷你实验室
3.观察光在光纤中的传播
（1）实验器材
彩色透明纸、手电筒、一束光纤
（2）实验步骤
①先将彩色透明纸蒙在手电筒的玻璃上，再将一束光纤的一端垂直放置其上。观察不同颜色的光在光纤中传播的现象。
②把光纤弯曲成不同的角度，甚至成环状，重复上面的实验步骤。
③观察光在弯曲光纤中传播的现象，跟同学们一起讨论为什么会出现这些现象。
（3）实验视频
（4）结论：不同颜色的光都能________________传播，不管光纤怎样弯曲，从它的一端射入的光都会顺着它传播，再从它的________。
4.光在光导纤维中的传播原理
光发生多次全反射
光在光导纤维中的传播原理是光的________。光纤很细，由________和________两层组成，内芯的折射率比外套的大，光传播时在内芯与外套的界面上发生全反射。
5.光纤通信的优点
①传输________：单根光纤可同时传输数百万路电话或数千路电视信号。
②传输________：信号衰减极弱，无________传输距离可达数十公里，减少设备成本。
③抗电磁干扰能力________：光纤不导电、不辐射电磁波，不受雷电、工业干扰，信号稳定。
④保密性_______：光信号在光纤内传播，不易泄露，难以窃听。
6.光纤通信网络：由于光纤传输信号容量及______的优异特性，现已成为互联网地面信号传输的主要媒介，由其组建的网络又称为光纤通信网络。
通过光纤传送的若干电视频道信号
拓展延伸
光导纤维的应用：光纤通信、医学上的内窥镜。
如果把光导纤维聚集成束，使纤维在两端排列的相对位置一样，图像就可以从一端传到另一端。
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。
电话网络示意图
1.卫星通信
（1）卫星通信系统由通信卫星、地面站和传输系统三部分组成。卫星把地面站送来的信号_____下来，进行______，然后转发给另外的_______。
（2）卫星通信的优缺点
①卫星通信的优点
覆盖_________：可跨越海洋、沙漠等网络盲区，实现全球覆盖。
通信________：单颗卫星即可连接数千公里外的终端，无需大量地面中继站。
部署________：适用于应急通信、偏远地区通信，快速组网。
容量________：现代卫星可支持语音、数据、视频等多业务并发传输。
②卫星通信的缺点
时延______：信号往返卫星需0.25秒左右，实时性差。
受环境______：暴雨、暴雪等天气会干扰信号，导致通信质量下降。
成本______：卫星制造、发射及地面设备投入大，使用费用较高。
轨道资源有限：地球同步轨道容量稀缺，存在频率干扰风险。
2.微波通信
（1）微波通信像接力赛，每隔几十千米修建一座______接力站，接收并______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______。
（2）微波通信的优点和缺点
①优点：频率______，传播信息的容量______；质量好，可传送很远的距离；大致沿直线传播，受大气干扰小，收到的信号______。
②缺点：需要大量的____________进行信号处理，受地形限制较大。
3.移动通信
（1）移动电话用________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。
移动通信的基地台是参考________的构造布局的，大大增加了无线电覆盖的________，因此移动电话也被称为“蜂窝电话”。
蜂窝 移动通信的基站
学 科 综 合
视频：第五代移动通信技术
想一想
你知道国际电信联盟（ITU）定义了 5G 的八大关键性能指标是什么？
5G 移动通信概念图
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，另外还有移动性，频谱效率，流量密度，能量效率等性能都大大提高。
1.互联网
（1）互联网将分布于世界各地的_________连接起来，用来传送计算机信号。
（2）互联网使信息在全球范围内得到了________。
想一想
阅读课文并根据自己对互联网的认识说一说互联网有哪些应用？
2. 互联网的应用
（1）获取_______与______
人们通过计算机，进入互联网这个信息高速公路，足不出户就可获得世界各地的各种信息，也可通过社交软件、自媒体分享内容。
（2）__________
即时通讯（微信、QQ）、视频通话（Zoom、腾讯会议）、社交网络（微博、抖音），实现跨时空人际、群体互动。网络让我们即使远隔千山万水，也仿佛近在咫尺。
（3）_________与学习
互联网为我们提供了崭新的学习方式— 网络学校。互联网让图书馆和实验室都能“进入”你的家里，随时随地打开计算机，你就可开始学习。
在线课程（网易云课堂、Coursera）、远程教育、题库工具、虚拟实验室，打破教育时空限制。
（4）___________医院
网上医院使医生与患者能通过互联网及时传递信息，患者无需和医生面对面，就能获得专业咨询和诊断。
（5）__________服务
在线购物（淘宝、京东）、外卖点餐（美团、饿了么）、出行预订（滴滴、携程）、政务办理（电子税务局、政务APP），简化日常事务。
（6）___________与休闲：流媒体（腾讯视频、Netflix）、网络游戏、在线音乐、直播互动，丰富精神生活。
（7）_________与生产
远程办公（钉钉、飞书）、云存储（百度网盘、阿里云）、在线协作（石墨文档、腾讯文档）、企业数字化管理（ERP系统），提升工作效率。
（8）__________与商务：网上银行、移动支付（支付宝、微信支付）、数字货币、跨境电商、在线投融资，革新金融交易模式。
学 科 综 合
跨越千年：从烽火台到“5G + 北斗”导航
烽火传递信息 卫星导航示意图
阅读课文了解从烽火台到 “5G + 北斗”导航的内容。
【归纳整理】
【课堂练习】
1．关于电磁波和现代通信，下列说法错误的是（ ）
A．光纤通信具有传输信息量大、抗干扰能力强、损耗小等优点
B．微波、超声波、无线电波都属于电磁波
C．卫星通信是利用人造地球卫星作为中继站进行通信的
D．卫星通信、光纤通信都可以用来传递信息
2．2024年春运期间，我国自主生产的C919飞机首次投入春运，深受国人的喜爱。此飞机在空中飞行时，跟地面上联系用的是（ ）
A．光纤通信 B．超声波 C．广播和电视 D．电磁波
3.光纤通信是利用________从光导纤维的一端射入，在内壁上多次_____ ，从另一端射出来传递信息的；它传播信息的速度_____ （选填“大于”“小于”或“等于”）3×108 m/s。
【课后巩固】
1.（课本192页第1题）光纤通信有哪些特点？
2.（课本192页第2题）手机是人们常用的通信工具之一，手机之间通话和收发信息利用了（ ）。
A.微波传送 B.超声波传送 C.光纤传送 D.空气传送
3.（课本192页第3题） 21 世纪是信息时代。关于信息的传递，下列说法中错误的是（ ）。
A. 烽火、旗语、电报传递信息都是数字通信
B. 微波可传递信息，还可加热食物
C. 声波不是电磁波
D. 汽车的倒车雷达，既可用超声波也可用电磁波
4.（课本192页第4题） 汽车导航仪与通信卫星之间通过 _______来传递信息，其在真空中的传播速度为 _______m/s；图20-21（a）是表示音频、视频和射频三种信号的波形示意图，频率最高的是 _______ 信号。如图 20-21（b）所示，光纤通信是利用了激光在纤维中经过多次 _______从一端传到另一端。
1．光纤通信技术作为现代通信的前沿技术，在现代社会的发展中占据重要地位。其优势是抗干扰能力强，信号衰减少，适用于远距离、大容量传输信息。光纤通信传输信息依靠的是（　　）
A．微波 B．超声波 C．光波 D．无线电波
2．如图所示的现象中，利用光的折射现象的是（ ）
A．日晷计时 B．光导纤维
C．海市蜃楼 D．潜望镜
3．信鸽能从2000km以外的地方准确地飞回“家中”，研究表明，原来信鸽是利用________（选填“地磁场”或“电磁波”）来导航的。光纤是信息传递的一种重要工具，光可以从任意弯曲的光纤一端传向另一端，似乎光在其中能随意“转弯”，其实这是光在光纤内壁多次________（选填“反射”或“折射”）而实现的。光纤利用激光传递信息，大幅提高了信息传输量，是因为激光具有较高的________（选填“速度”或“频率”）。
4．“烽火连三月，家书抵万金”描写了诗人在战乱时期对家人的思念。诗句中的“烽火”属于________（选填“数字通信”或“模拟通信”），请你再说出一种与此通信类别相同的信息传递方式________。
5．手机是现代人离不开的通信工具。手机信号________（选填“能”或“不能”）在真空中传播；手机的发射频率低，需要有设备转接，在同一区域手机间的通信方式是手机甲→________→手机乙。
6．3月12日凌晨，长征八号遥六运载火箭以“一箭十八星”的方式，在海南商业航天发射场将千帆星座第五批组网卫星送入预定轨道，发射任务取得圆满成功。如图，点火后燃气向后高速喷出，推动运载火箭腾空而起，这个能量转化过程和四冲程汽油机一个工作循环中的________冲程相同。地面监控通信系统通过________波监控火箭发射过程。
7.科普阅读题：阅读短文，回答问题。
综合实践活动一一电动汽车储能的项目化学习活动
【项目分解】
认识电动汽车及快充原理：了解电动汽车的充电性能
【项目实施】
（1）认识电动汽车及快充原理；
电动汽车因噪音小、智能化程度高、加速快，而备受人们青睐，如图甲，直流充电桩是一种为电动汽车补给能量的装置，它能够将电网中的交流电转化为直流电，再将电能充入汽车动力电池。通常，直流充电桩比交流充电桩的充电电压更高、电流更大，因而可实现快速充电。
①电动汽车行驶时极为安静，它是在________（选填“声源处”或“传播途中”）减弱噪声。北斗卫星利用________与电动汽车传递导航信息。电动汽车需紧急出行而电量不足时，应选择________（选填“直流”或“交流”）充电方式。
②下列关于电动汽车的说法中，不正确的是
A．电动车快充时，使用的导线要比慢充时粗
B．电动车在充电时，动力电池相当于用电器
C．人眼不能够看见电动车钥匙发射的红外线
D．高速行驶时，地面的支持力和其重力平衡
（2）了解电动车的充电性能。设汽车动力电池当前储能占充满状态储能的百分比为D。充电时，充电桩的充电功率P会随着D的变化而变化，同时用户还可以通过充电桩显示屏了解充电过程中的其他相关信息。现在测试一个直流充电桩对某辆电动汽车的充电性能，假定测试中充电桩输出的电能全部转化为动力电池的储能。充电前，D为30%，充电桩显示屏中充电时长、充电度数、充电费用示数均为0。开始充电后，P与D的关系如图乙（为方便计算，图像已作近似处理），充满后，立即停止充电。当D达到65%时充电桩显示屏的部分即时信息如下表所示：
充电电压/V 充电电流/A 充电时长/min 充电度数/kW·h 充电费用/元
______ 100 35 21.0 31.20
①D从30%增至65%的过程中，充电功率大致的变化规律是________。当D为65%时，充电电压为 V。若充电过程中充电电费单价不变，则测试全过程的充电费用为________②D从70%增至80%所需时间为t1，从80%增至100%所需时间为t2，且t1∶t2=1∶3，则测试全过程的充电总时长为________min。
【项目拓展】
若某电动汽车百公里耗电量为12kW·h/100km，某燃油车与该电动汽车用来做有用功的能量相同，则每行驶100km燃油车需要燃烧________kg的燃油。（已知电动汽车的效率为90%，燃油车的效率为36%，q燃油=5.0×107/kg）
【课后评价】
这节课我给自己☆☆☆☆☆颗星。
【参考答案】
【课前预习】
答案：1.光导纤维 纤芯 包层 光波 2.卫星通信 微波通信 移动通信 卫星通信 3.几十千米 中继站 4.蜂窝 高速率 低时延 大连接 5.计算机网络 信息高速共享 在线学习 远程医疗 网络购物
【合作探究】
探究点一：
答案：1. 光导纤维 玻璃 塑料 2. 电线 信息量 3.(4) 沿着光纤 另一端射出 4. 全反射 内芯 外套 5. ①容量大 距离远 中继 ③强 ④好6. 抗干扰能力
探究点二：
答案：1（1）接收 放大 地面站 （2）①范围广 距离远 灵活 较大②较高 影响大 高昂
2. （1）接力站 放大 远方（2）①高 大 强且稳定 ②中继站 3.（1）微波 蜂窝 有效面积
探究点三：
答案：1.（1）计算机网络 （2）高速共享2.（1）信息 传播（2）沟通与社交（3）教育（4）网上（5）生活（6）娱乐（7）工作（8）金融
【课堂练习】
1.【答案】B
【详解】A．光纤通信的优点是传输信息量大、抗干扰能力强及光能损耗小等，故A正确，不符合题意；
B．微波、无线电波都属于电磁波，超声波不属于电磁波，故B错误，符合题意。
C．卫星通信是利用人造地球卫星作为中继站进行通信的，故C正确，不符合题意。
D．卫星通信、光纤通信都可以用来传递信息，故D正确，不符合题意。
故选B。
2.【答案】D
【详解】飞机在空中飞行时，与地面联系是利用电磁波。因为电磁波可以在真空中和空气中传播，而超声波不能在真空中传播且传输距离有限，光纤通信需要铺设光缆，广播和电视本质也是电磁波，但属于单向传播的民用信号，非专用航空通信手段。故D符合题意，ABC不符合题意。
故选D。
3.【答案】激光 反射 小于
【详解】[1][2][3]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。光在光导纤维中传播的速度小于 ,因为光在真空中速度最快，在介质中速度会变慢。
【课后巩固】
基础练习
1.答案：光纤通信的特点:传输速度快、传输距离远、抗电磁干扰能力强、信息容量大、保密性好等。
2.答案：A
解析:手机通过微波进行信息传输，微波信号在空气中传播，实现通话和信息的发送与接收。因此，手机间通话和收发信息是利用微波传送。
3.答案：D
解析：A、烽火(用烟火的有无等传递信息)、旗语(用旗帜的不同动作组合传递信息)、电报(用电码的不同组合传递信息)， 都属于用特定符号.组合传递信息，属于数字通信，故A正确;
B、微波是电磁波的一种，既能用来传递信息(如微波通信)，又因为微波能使食物中的水分子剧烈振动，从而加热食物(如微波炉) ，故B正确;
C、声波是由物体振动产生的机械波，需要介质传播;而电磁波是由变化的电场和变化的磁场相互激发产生的，不需要介质也能传播。所以声波不是电磁波，故C正确;
D、汽车的倒车雷达是利用超声波来工作的，因为超声波具有方向性好、穿透能力强等特点，适合用于距离探测;而电磁波不适合用于倒车雷达这种短距离、需要精准反射探测的场景，故D错.误。
4.答案：电磁波 3x108 射频 全反射
解析：汽车导航仪与通讯卫星之间通过电磁波来传递信息的;电磁波在真空中的传播速度和光的传播速度相等，都是3.0×108m/s；频率是指物体在1s内振动的次数，即是描述振动快慢的物理量，即分析题目所提示的图象，不难看出，音频信号的振动最慢，射频信号振动最快，故可判断振动最快的是射频信号；光纤通信是利用了激光在纤维中经过多次全反射从一端传到另一端。
能力提升
1.【答案】C
【详解】光纤通信主要是利用激光在光导纤维中传输信息的通信方式，这种通信方式是依靠光波在光纤中传输信息的，故A、B、D不符合题意，C符合题意。
故选C。
2.【答案】C
【详解】A．日晷计时是利用光沿直线传播形成的影子来计时的，故A不符合题意；
B．光导纤维是利用光的反射原理，故B不符合题意；
C．海市蜃楼是由于空气密度不均匀，发生光的折射形成的虚像，故C符合题意；
D．潜望镜使用的是平面镜，利用的是光的反射，故D不符合题意。
故选C。
3.【答案】地磁场 反射 频率
【详解】[1]地球相当于一个巨大的磁体，鸽子在飞行时是靠地磁场来导航的。
[2]光纤通信利用的就是全反射的原理，光纤在结构上有中心和外皮两种不同介质，光从中心传播时遇到光纤弯曲处，会发生全反射现象，而保证光线不会泄漏到光纤外。
[3]光纤是信息传递的一种重要工具，由于激光的频率很高，在光导纤维中利用激光传递信息大幅提高了信息传输量。
4.【答案】数字通信 计算机网络通信
【详解】[1]用变化的物理量（如声音、电流等）的连续变化来传递信息的通信方式，叫做模拟通信。
用不同符号的不同组合来传递信息的通信方式，叫做数字通信。
“烽火”是通过点燃烽火台产生的烟雾来传递信号，烟雾的有无（或多少）代表不同的信息，其信号是不连续的，属于数字通信。
[2]计算机网络通信：像我们日常使用的互联网，计算机之间通过网线、无线网络等传输由 “0” 和 “1” 组成的数字信号，进行数据交互，比如浏览网页、发送电子邮件等。
5.【答案】能 基站
【详解】[1]手机本身既是无线发射台也是无线接收台， 手机信号是电磁波，能在真空中传播；
[2]手机发射频率较低，信号覆盖范围有限，无法直接实现远距离或同一区域内的直接通信。需通过 “基站”（又称信号塔）作为中间转接设备，先接收手机甲的信号，再放大并转发给手机乙。
6.【答案】做功 电磁
【解析】【小题1】[1]火箭点火后，燃料燃烧产生高温高压燃气向后高速喷出，对外做功，推动运载火箭腾空而起，内能转化为机械能，与四冲程汽油机的做功冲程能量转化相同。
[2]火箭在高空飞行时，地面与火箭之间的监控通信需要跨越真空或大气层。电磁波（如无线电波）的传播不需要介质，可在真空中快速传递信息，且具有抗干扰能力强、传播距离远的特点，因此成为航天监控通信的首选；而声波等机械波需要介质传播，无法在真空中传递，无法满足航天监控需求。
7.【答案】.声源处 电磁波 直流 D 先增大后不变 400 62.40 103.5 2.16
【详解】（1）[1]电动汽车行驶时极为安静，说明其产生的噪声较小，这是在声源处减弱噪声。
[2]北斗卫星利用电磁波与电动汽车传递导航信息，因为电磁波可以在真空中传播，且传播速度快，适合用于卫星通信。
[3]电动汽车需紧急出行而电量不足时，应选择直流充电方式，因为直流充电桩的充电电压更高、电流更大，可实现快速充电。
[4]A．快充时电流大，为了减小电流通过导线而发热，由焦耳定律可知，应减小导线的电阻，因此导线需要更粗。故A正确，不符合题意；
B．电动车在充电时，动力电池相当于用电器，消耗电能。故B正确，不符合题意；
C．人眼看不见红外线。故C正确，不符合题意；
D．高速行驶时，由于电动汽车的弧形结构，导致上方空气流速快，压强小，下方空气流速慢，压强大，使汽车在高速行驶时获得一个向上的升力，此时地面对电动汽车的支持力小于汽车的重力，这两个力不平衡。故D错误，符合题意。
故选D。
（2）[5]根据图乙可知，D从30%增至65%的过程中，充电功率大致的变化规律是先增大后不变。
[6]当D为65%时，由图乙可知，充电功率为40kW，由表格数据可知充电电流为100A，则充电电压为
[7]设测试全过程的充电费用为x，充电过程中充电电费单价不变，则有
解得x=62.40元。
[8]由题意可知，充满电时储存的电能为
由图乙知，D从80%至100%时，即D增加20%，消耗电能
此过程中充电功率P2=15kW保持不变，此时充电的时间
由题知，t1∶t2=1∶3， 所以D从70%增至80%所需时间
从、D从65%增至70%所需时间
由表中数据知，D从30%增至65%的过程中充电时长35min，所以测试全过程的充电总时长t=35min+4.5min+16min+48min=103.5min
[9]电动汽车的有用功为W有=12kW·h×90%=10.8kW h
燃油车需要消耗的总能量为
燃油车需要燃烧的燃油量为
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