第二十一章 信息的传递
第1节 现代顺风耳——电话
◇教学目标◇
【知识与技能】
1.了解电话是如何把声音传递到远方的。
2.了解电话交换机的用处。
3.了解模拟通信和数字通信的基本区别。
【过程与方法】
1.通过看录像、老师讲解,了解电话是如何传递信息的,提高学生观察、分析、概括的能力。
2.通过学生讨论和活动,说明电话交换机的作用和展示什么是数字通信,增强学生运用物理知识解决实际的问题的观念和能力。
【情感·态度·价值观】
通过讲述贝尔发明电话的过程,激发学生不怕困难、积极探索的精神,了解技术改革对人类社会发展的作用,提高学生的学习兴趣。
◇教学重难点◇
【教学重点】
1.电话是怎样把信息传递到远方的及电话交换机的用处。
2.模拟通信和数字通信的基本区别。
【教学难点】
电话交换机的应用。
◇教学过程◇
一、新课导入
当你想起远方的亲朋好友,你会采用什么方式问候呢?是写信,还是打电话呢?我想很多人都会选择打电话。电话给我们的生活带来了很多便利,可你知道最早的电话是谁发明的吗?
二、教学步骤
探究点1 电流把信息传到远方
[阅读课本]P145“电流把信息传到远方”
[思考]你知道最早的电话是谁发明的吗?它主要由哪些部分组成?
[提示]1876年贝尔发明了电话;最简单的电话机主要是由话筒、听筒组成的。
[思考]最简单的电话是怎样传递信息的呢?
[提示]话筒把声音转换成变化的电流,电流通过导线传到对方的听筒再转换成声音。
[思考]老式电话的话筒由哪些部分组成?它是如何把声音信号转换成变化的电流的?
[提示]话筒由金属盒、炭粒、膜片构成;人对着话筒说话时,声波使膜片振动,膜片忽松忽紧地挤压炭粒,使金属盒的整体电阻忽大忽小,在电路里就产生了按声音振动而变化的电流,使声音转换成变化的电流。
[归纳提升]话筒的工作过程:声波振动→膜片相应振动→炭粒忽松忽紧→电阻忽大忽小→电流忽弱忽强。
[思考]听筒由哪些部分组成?它是如何把电流转换成声音的?
[提示]听筒由电磁铁和薄铁片(膜片)组成;当电路中忽强忽弱的电流通过听筒里的螺线管的时候,电磁铁对听筒薄铁片的吸力就发生忽大忽小的变化,薄铁片在这种忽大忽小的力的作用下就振动起来从而将电信号转换成声音。
[归纳提升]听筒的工作过程:电流忽强忽弱→电磁铁磁性忽强忽弱→薄铁片(膜片)受忽大忽小的磁力而振动→还原成声音。
探究点2 电话交换机
[阅读课本]P146“电话刚问世的时候……再将线路断开。”
[思考]一个地区有5部电话,要使这5部话机中的任意两部都能互相通话,要架设多少对电话线?
[提示]大家可用笔连接一下,再数一数需要10根导线。
[思考]有什么办法既能减少线路的数量,又能保证5部电话中的任意两部可以相互通话?
[提示]为了提高线路的利用率,人们发明了电话交换机。
[归纳提升]电话交换机的工作过程:一个地区的电话都接到同一台交换机上,每部电话都编上号码。使用时,交换机把需要通话的两部电话接通,通话完毕再将线路断开。
[阅读课本]P147“如果在一台交换机……快捷地满足人们通话的需要。”
[思考]使用不同交换机的用户可以互相通话吗?
[提示]使用不同交换机的用户,一般都是不同地区的用户,就是我们所说的长途电话;不同的交换机之间也有若干对电话线,这样,两个不同交换机的用户就能通话了。
[思考]你遇到过“占线”现象吗?
[提示]这个现象在长途电话中容易遇到,因为两电话交换机间的线路数量是有限的,如果两交换机间有太多的用户要打电话,它们间的电话线不够用,就会出现占线现象。
[思考]你了解电话交换机的发展历程吗?
[提示]早期的电话交换机需要一个负责接线的人,我们称之为话务员;现代的电话交换机是利用电子计算机技术,事先输入所需的程序,让电脑“见机行事”;现在的程控交换机的功能有很多,如呼叫转移、来电显示、语音信箱等。
探究点3 模拟通信和数字通信
[阅读课本]P148“模拟通信和数字通信”
[思考]什么叫模拟信号?老式电话使用的是什么信号通信的呢?
[提示]话筒将声音转换成信号电流时,这种信号电流的频率、振幅变化的情况跟声音的频率、振幅变化的情况完全一样,“模仿”着声信号的“一举一动”。这种电流传递的信号叫作模拟信号。使用模拟信号的通信方式叫模拟通信。
[思考]什么叫数字信号?
[提示]用不同符号的不同组合来表示的信号,叫做数字信号。
[思考]你看过谍战电影吗?你知道电报是如何编成又是如何解密的吗?
[提示]电报是将所需传递的内容转换为不同符号的组合,收到电报的一方再按照双方规定的符号含义解读出内容,因此电报码就是给信息进行数字化处理。
[思考]模拟通信和数字通信各有哪些优缺点?
[归纳提升]模拟通信:优点是信号占用的频谱较窄,信道利用率高;缺点是抗干扰能力弱,耗能多。数字通信:优点是抗干扰能力强,信息处理方便,安全性高;缺点是成本较高、信息利用率低。
三、板书设计
第1节 现代顺风耳——电话
1.电流把信息传到远方
(1)听筒
(2)话筒
(3)信息传递
2.电话交换机
(1)交换机
(2)占线
(3)发展历程
3.模拟通信和数字通信
(1)模拟信号
(2)数字信号
(3)两种通信方式的优缺点
◇教学反思◇
交换机的应用是本节的一个难点。通过问题设置可以帮助学生理解交换机应用的必要性,如:两台电话需要一根电话线,三台电话相互通话,五台、十台、一百台呢?从生活实际出发,为了解决问题,学生能积极思考并愿意参与交流讨论,从而突破难点,提高课堂效率。
第2节 电磁波的海洋
◇教学目标◇
【知识与技能】
1.了解电磁波的产生和传播。
2.知道光是电磁波、电磁波在真空中的传播速度。
3.知道波长、频率和波速的关系。
【过程与方法】
1.通过演示了解电磁波的存在、电磁波在真空中的传播。
2.通过观察图表,认识电磁波在不同波段有不同的作用。
【情感·态度·价值观】
通过学习电磁波的知识,了解科技为人类带来的便利,养成主动学习科学的习惯。
◇教学重难点◇
【教学重点】
电磁波的传播。
【教学难点】
电磁波的波长、波速和频率。
◇教学过程◇
一、新课导入
2013年6月20日,女航天员王亚平在中国首个目标飞行器天宫一号上为青少年授课,讲授失重环境中的物理现象等,成为中国首位“太空教师”。可你知道王亚平是靠什么与地面建立联系,实现信息传递的呢?
二、教学步骤
探究点1 电磁波是怎样产生的
[阅读课本]P150“电磁波是怎样产生的”
[思考]演示电磁波的产生实验时,你认为有哪些注意事项?
[提示]让电池的负极与一根导线连接,将导线的另一端与正极摩擦,同时将附近的收音机打开。
[思考]为什么旁边的收音机会发出“喀喀”声?
[提示]导线在实验中产生的电磁波被收音机的天线接收到了。
[思考]通过这个实验,你知道电磁波是怎样产生的吗?
[提示]与水波、声波的形成类似,导线中电流的迅速变化会在空间激起电磁波。
[归纳提升]电磁波的产生:当导体或电路中的某处有迅速变化的电流时,在周围空间就会产生向外传播的电磁波。
[思考]电磁波在我们的生活中有哪些应用?
[提示]电磁波就像一艘飞船,可以把声音和图像信息传输到远方。广播电台、电视台及移动电话都是靠它们内部复杂的电子线路产生迅速变化的电流产生电磁波、实现信息传输的。
探究点2 电磁波是怎样传播的
[阅读课本]P151“在一列水波的传播中……电磁波也有自己的频率、波长和波速。”
[思考]木棍在水面上振动,通过使水振动向外传播形成水波。你知道水波在传播的过程中有哪些特征吗?
[提示]有的地方凸起,有的地方凹下,且呈周期性变化。
[归纳提升]凸起的最高处叫做波峰,凹下的最低处叫做波谷,邻近的两个波峰(或波谷)的距离叫做波长,1 s内有多少次波峰或波谷通过,波的频率就是多少。
[思考]水波的传播有快慢之分吗?该怎样描述?
[提示]水波的传播也有快有慢,用来描述波传播快慢的物理量叫做波速。
[思考]电磁波也有水波这些特征吗?
[提示]电磁波也有自己的频率、波长和波速。
[阅读课本]P151“声音的传播需要靠……目前公认的数值是c=2.99792458×108 m/s”
[思考]还记得“声音不能在真空中传播”的实验吗?当我们听不到瓶内手机的声音时,我们还能看到手机在闪烁,这说明了什么呢?
[提示]手机依然能接收到信号,说明电磁波可以在真空中传播。
[思考]你能列举电磁波可以在真空中传播的事例吗?
[提示]王亚平在太空授课,太空中没有空气,信息是通过电磁波传播的。
[思考]你知道电磁波在真空中的波速是多少吗?
[归纳提升]科学测量表明,真空中电磁波的波速c=2.99792458×108 m/s≈3×105 km/s。
[思考]电磁波的波速、波长与频率三者之间存在什么关系?
[提示]波速相当于人行走的速度,波长相当于人走一步的距离,频率相当于人每秒钟迈出多少步。
[小结]用λ表示波长,用v表示波速,用f表示频率,则三者间的关系式为v=λf。
[归纳提升]在真空中电磁波的波速一定,所以电磁波的频率与波长成反比关系。波长越长,频率越低;反之,波长越短,频率越高。
[阅读课本]P152“电磁波频率的单位……电磁波的海洋中。”
[思考]电磁波频率的单位是什么?
[提示]电磁波频率的国际单位是赫兹,另外还有两个常用单位,即千赫和兆赫。
[思考]光是不是一种电磁波呢?
[提示]电磁波是一个大家族,可见光只是其中的一小部分。
[思考]观察P152“图21.2—4”,指出无线电波是电磁波的哪一部分?
[提示]用于广播、电视和移动电话的是频率为数百千赫到数百兆赫的那一部分,叫做无线电波。
[思考]观察P152“图21.2—4”你知道电磁波还有哪些应用吗?
[提示]用于通信的无线电波只是电磁波的一部分。除此之外,还可利用γ射线做手术、X射线拍片、紫外线消毒等。
[归纳提升]电磁波是一个大家族,不同的波长就有不同的作用。
[阅读课本]P152“微波炉”
[思考]你知道微波炉是怎么加热食物的吗?
[提示]微波炉内有很强的电磁波,它的波长很短。食物的分子在微波的作用下剧烈振动,使得实物的表面和内部同时加热(水分子共振),从而将电磁波的能量转化为食物的内能。
[思考]我们知道微波炉的外壳是金属的,玻璃上有屏蔽网,可以减小电磁波的泄漏,这能否说明电磁波对人体也有一定的危害呢?
[提示]人体长时间处在电磁波辐射下,容易产生失眠或嗜睡等自主神经功能紊乱症状,还可能会导致视力下降、免疫力降低等症状。
三、板书设计
第2节 电磁波的海洋
1.电磁波的产生
2.电磁波的传播
(1)波峰、波谷、波长、频率、波速
(2)电磁波可以在真空中传播
(3)波长、频率与波速的关系式
3.电磁波的应用
◇教学反思◇
学生很难理解波速、波长与频率三者间的关系,采用类比的方法,通过步速、步长和每秒钟迈出的步数进行类比,可很好地帮助学生理解这一关系。
第3节 广播、电视和移动通信
◇教学目标◇
【知识与技能】
1.了解无线电广播的工作过程。
2.了解电视的工作过程。
3.了解移动电话的工作过程。
【过程与方法】
通过了解广播、电视和移动电话的工作过程,初步认识科技对现代生活的影响。
【情感·态度·价值观】
通过学习广播、电视和移动通信,体会现代科技在实际生活中的应用价值。
◇教学重难点◇
【教学重点】
无线电信号的发射和接收过程。
【教学难点】
移动电话的工作过程。
◇教学过程◇
一、新课导入
我们几乎每天都要听收音机、看电视,还要使用手机通话等。大家知道这些都是利用电磁波传输信息的,可你知道它们是怎样利用电磁波来传递声音和图像信号的吗?
二、教学步骤
探究点1 无线电广播信号的发射和接收
[阅读课本]P154“无线电广播信号的发射和接收”
[思考]播音室里的话筒有什么作用?
[提示]话筒可以把声音信号转换为电信号。
[思考]调制信号是怎样形成的呢?
[提示]调制解调器把音频信号加载到高频电流上。
[思考]声音信号是如何发射到空中的?
[提示]通过天线发射到空中,传向各地。这就如同将信缚到了鸽子身上,飞鸽携带信息飞向各地。
[归纳提升]信号的发射:首先用话筒把声音信号转换成音频电信号,由载波发生器产生高频电磁波,通过调制器把音频电信号加载到高频电磁波上,最后通过天线把载有音频电信号的电磁波发射出去。
[思考]信号是如何被接收的呢?
[提示]信号的接收由收音机完成,收音机的天线接收到各种各样的电磁波,转动收音机调谐器的旋钮,可以从中选出特定频率的信号。
[思考]收音机是怎样把接收到的电磁波转换成声音的呢?
[提示]收音机内的电子线路把“声音信号”从电磁波中取出,如同摘下飞鸽身上的信件,然后进行放大,送到扬声器里,扬声器把音频电信号转换成声音。
[归纳提升]信号接收:收音机的天线接收到电磁波,利用调谐器选出我们所需频率的电磁波,从高频信号中取出音频信号,放大后送到扬声器,利用扬声器把电信号转化成声音。
[习题]转动收音机调谐器的旋钮是为了 ( )
A.选定某一频率的电台信号
B.调节收音机的音量
C.把音频信号转换成声音
D.把声音信号从高频调制信号中检出来
[分析]转动收音机调谐器的旋钮是为了从接收的电磁波中,选出需要的某一频率的电磁波。
[答案]A
探究点2 电视的发射和接收
[阅读课本]P155“电视的发射和接收”
[思考]图像信号是怎样变成电信号的呢?
[提示]话筒可以将声音信号转换为电信号,而摄像机可以将图像信号转换为电信号。
[思考]电视中图像信号和声音信号是如何发射的?
[提示]发射机把电信号加载到频率很高的电流上,通过发射天线发射到空中。
[思考]载有图像信号和声信号的高频电磁波是怎样被接收的呢?
[提示]电视机的接收天线把高频信号接收下来,通过电视机把图像信号和声音信号取出来放大,由显示器显示图像,由喇叭发出声音。
探究点3 移动电话
[阅读课本]P156“移动电话”
[思考]移动电话是如何把信号传递给另一部电话的?又是如何接收到另一部电话的信号的呢?
[提示]移动电话既是信号发射台又是信号接收台。它将用户的声音转变为高频电信号发射到空中,同时它又捕获空中的电磁波,使用户接收到通话对方送来的信息。
[思考]你生活的周边是不是也有类似P156“图21.3—6”基地台的天线?这些天线有什么作用?
[提示]手持电话由于体积很小,发射及接收的功率不大,它的天线也很简单,灵敏度不高。因此,它跟其他用户的通话要靠较大的固定无线电台转接。这种固定的电台叫做基地台,跟电话交换机相连。靠基地台的帮助能把移动电话的微弱的信号放大,从而再与外界进行联系。
[思考]你见过无绳电话吗?它是怎样工作的呢?
[提示]无绳电话是普通电话和移动电话结合的产物,它的主机和手机(子机)上各有一个天线,它们之间通过无线电波来沟通。主机相当于一个小型基地台,手机如同移动电话,但基地台功率太小,所以离的不能太远,只能在主机附近大约几十米到几百米的范围内工作。
[习题]下列有关移动电话机的说法正确的是 ( )
A.移动电话机只是一个无线电发射台
B.移动电话机只是一个无线电接收台
C.移动电话机既能发射信号,又能接收信号
D.两个移动电话机之间可以直接通话,不需要通过基地台
[分析]移动电话机既是无线电发射台,又是无线电接受台;移动电话机是通过发射和接收电磁波来实现通信的;两个移动电话机之间通话时,每个移动电话机都需要通过基地台。
[答案]C
三、板书设计
第3节 广播、电视和移动通信
1.无线电广播信号的发射和接收
(1)发射
(2)接收
2.电视的发射和接收
(1)发射
(2)接收
3.移动电话
(1)基地台
(2)无绳电话
◇教学反思◇
本节很多概念比较抽象,需要借助类比的方法帮助学生理解。如低频电流、高频电流、调制、解调等名词专业性较强,可利用类比成信鸽、信件、放飞、接收等,把信号的发射和接收转换为形象的情景,从而很好地帮助学生理解。
第4节 越来越宽的信息之路
◇教学目标◇
【知识与技能】
1.常识性了解卫星通信、光纤通信、网络通信。
2.了解光纤通信的原理和优点。
3.了解网络通信的发展过程和优点。
4.知道发电子邮件的方法。
【过程与方法】
通过了解卫星通信、光纤通信、网络通信的知识,提高学生应用物理知识解决实际问题的能力。
【情感·态度·价值观】
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。
◇教学重难点◇
【教学重点】
了解现代通信知识。
【教学难点】
了解各种通信方式的优缺点。
◇教学过程◇
一、新课导入
现代科技的飞速发展,通信技术的愈加发达,使世界变得越来越小,我们每个人都可以足不出户了解天下大事了。很多信息都能得到了便捷、广泛地传播,可以说信息之路越来越宽了,你了解的通信方式有哪些呢?
二、教学步骤
探究点1 微波通信
[阅读课本]P158“微波通信”
[思考]你了解微波的波长和频率吗?
[提示]微波的波长为10 m~1 mm,频率为30 MHz~3×105 MHz。
[思考]人们为什么要选择微波通信呢?
[提示]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。一条微波线路可以同时开通几千、几万路电话。
[思考]微波通信是怎样传播的呢?
[提示]微波的性质接近于光波,大致沿直线传播。传播时微波通信就像接力赛,每隔50 km左右修一座接力站(微波中继站),接收并放大信号,继续传送。
[思考]能否用月亮作为中继站,实现微波通信?
[提示]月亮可以反射微波,但是离我们太远了,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。
探究点2 卫星通信
[阅读课本]P159“卫星通信”
[思考]卫星通信系统是由哪几个部分组成的呢?
[提示]卫星通信系统由通信卫星、地面站和传输系统组成。
[思考]卫星中继站会随便移动吗?
[提示]卫星与地球同步,相对地面静止。
[思考]要想实现全球通信至少需要多少颗卫星呢?
[提示]大家可以通过作图方法了解。在地球的周围均匀地配置三颗同步通信卫星,就覆盖了几乎全部地球表面。
[归纳提升]通信卫星可以从一个地面站接收发射来的信号,经过处理后,再发送到另一个或几个地面站。
[思考]你知道卫星通信的应用吗?
[提示]卫星通信的应用非常广泛,如北斗卫星定位系统可提供全天候的即时定位服务。
探究点3 光纤通信
[阅读课本]P160“光纤通信”
[思考]有了微波通信,人们为什么还要发展光纤通信呢?
[提示]与微波相比,光的频率更高,能够传递的信息量更多。
[思考]普通光源可以用来加载信息,实现通信吗?
[提示]普通的光源夹杂许多不同频率的光,如果用它作为载体,接收端就像收音机同时接收到了许多频率信号一样,杂乱得让人无法分辨;激光具有频率单一、方向高度集中的优点,使得用光通信成为现实。
[思考]观察P160“图21.4—6”这个实验能够说明光不沿直线传播吗?
[提示]光波在水柱中不断地反射,并不是不沿直线传播。
[思考]光通信是在什么材料中传播的呢?你知道谁发明了这种材料吗?
[提示]通信用的激光一般在特殊的管道——光导纤维里传播;1966年,华裔物理学家高锟发明了光纤通信,它是与电报、电话有同样重要地位的划时代发明。
[思考]为什么光射不到光纤以外的地方?
[提示]光波在光纤的两种材料间发生全反射,所以无法射出光纤。
[思考]光纤通信的优点有哪些?
[归纳提升]光在光导纤维中传输损耗小,可长距离传输。光纤通信,通信容量大,通信质量高,保密性好,光能沿弯曲的玻璃丝传播。
探究点4 网络通信
[阅读课本]P161“网络通信”
[思考]你了解网络通信吗?它的优点是什么?
[提示]把计算机连在一起,就叫做网络通信,网络通信的优点是计算机可以处理大量的信息,而且处理速度快。
[思考]电子邮件是如何传送的呢?
[提示]电子邮件是网络通信形式的一种。当甲给乙发送一封邮件,他的服务器A把邮件送到与乙相连的服务器B,当乙上网就能从B服务器上得到这个邮件。
[思考]书写你的电子信箱,并解释其意义?
[提示]如邮件地址:zhangming@sever.com.cn中的“cn”是“China”的简写。
[思考]我们平时所说的“上网”是什么意义?
[提示]每人的计算机分别跟一个叫做服务器的大计算机相连,这就是平时所说的上网。
[思考]你知道计算机之间是通过什么连接的吗?
[提示]计算机之间除了用金属导线外,还会使用光缆、通信卫星等各种通信手段。
[归纳提升]网络通信可以用于传递语音、文字、图像信息。如今,互联网已经遍布生活的各个领域,人们可以通过网络了解全球新闻,查阅各种资料,进行网络购物、视频会议、网络教育等。
三、板书设计
第4节 越来越宽的信息之路
1.微波通信
(1)微波
(2)中继站
2.卫星通信
(1)组成
(2)全球通信
3.光纤通信
(1)激光特点
(2)光纤
4.网络通信
(1)上网
(2)电子邮件
◇教学反思◇
生活中学生比较关注网络通信,学生参与积极,双向互动效果非常明显。可利用多媒体网络教室上课,学生可以对计算机进行操作,加深了对理论的理解,课堂的知识容量相对较大。但学生对网络的过于热衷致使自主讨论问题的范围较广,课堂节奏需要注意把控。学生对光导纤维、微波的知识了解相对较少,需借助一些媒体录像剪辑,播放给学生了解,也可让学生查阅相关资料,采用讨论、探究会更好些。
