九年级下册物理：第17章 电磁波与现代通信

苏科版9下物理，第17章：电磁波与现代通信详细知识点梳理，包含：①信息与信息传播②电磁波及其传播③现代通信等相关知识，使用其他版本教材的同学也可正常使用。

电磁波与现代通信

• 信息与信息传播
  • 信息与信息传播
    • 信息的概念
      • 各种事物发出的有意义的消息
      • • 消息中包含的内容越多，信息量就越大
    • 信息的特点
      • 不灭性
        • 信息的不灭性是一条信息产生后,其载体可以变换,可以被毁掉,如一本书、一张光盘被烧毁,但信息本身并没有被消灭,所以,信息的不灭性是信息的一个很大的特点
      • 无限复制性
        • 信息可被大量复制,广泛地传播
      • 信息具有时效性
        • 某些信息的价值有很强烈的时效性
        • 一条信息在某一时刻价值非常高,但过了这一时刻,可能一点价值也没有了
    • 人类特有的三种信息
      • 语言
      • 符号
      • 图像
    • 信息传播
      • 信息必须通过传播才有实际意义,以特定手段和方式进行的信息传播活动称为通信
      • 信息传播五次巨大变革
        • ①语言的诞生
        • ②文字的诞生
        • ③印刷术的诞生
        • ④电磁波的应用
          • 电报、电话、广播、电视等
        • ⑤计算机与网络技术的应用（信息革命）
        • • 意义
            • 每一次变革都推动了生产力的巨大发展，加速了人类文明的进程
    • 早期的信息传播工具
      • 烽火台
      • 古代军队采用的擂鼓、鸣金
      • 驿马
      • 信鸽
      • 莫尔斯发明的电报机
      • 贝尔制作的早期电话
      • 海军常用的手旗、灯光等
    • 古今信息传播的特点
      • 早期的信息传播速度慢,距离近,并且信息量小
      • 随着交通的发展,用汽车、火车等传递信息,速度、信息量上都有很大的提高
      • 由于电的使用,人们又制造出了电话、电报来传递信息,信息的传递又上了一个很大的台阶
      • 现在随着电磁波和互联网的出现,人类信息的传播进入了新时代,其传递速度快,传递距离远,信息量大
    • 信息记录的5种方式
      • 利用物体的不同形状进行记录
        • 如古人用绳结、刮痕、贝壳的不同组合等记录生活中的大事
      • 文字记录
        • 创造文字以后,人们开始用文字进行记录
      • 磁带、磁盘
        • 磁带或磁盘上附着一层有磁性的物质，把信号通过转换,变为磁信号存储在磁带或磁盘上
      • 硬盘记录
        • 硬盘是一种采用磁介质的数据存储设备，数据存储于密封洁净的硬盘驱动器内腔的若干个磁盘片上
      • 光盘记录
        • CD光盘采用聚碳酸酯制成,这种材料的寿命很长而且不容易磨损,光盘记录的最小单元是比特
        • 光盘的读取过程是基于物理学的“光的反射”原理
  • 电报与电话
    • 电报
      • 美国发明家莫尔斯根据电磁铁的原理制成了电报机,同时发明了莫尔斯电码,揭开了通信史新纪元
      • 莫尔斯电码
        • 莫尔斯用“点”“画”和“空白”的组合代表各种数字和字母。一定数字组合代表一个汉字。于是,一系列“点”“画”和“空白”组成的信号就可以代表一个完整的句子。"电报”信号就是这样组成的,如图所示
    • 电话
      • 发明
        • 1876年由美国人贝尔发明
      • 构造
        • 最简单的电话由话筒和听简组成
          • 话筒
            • 由炭粒盒、炭粒、金属膜片构成
            • 将声信号转换为电信号
          • 听筒
            • 由电磁铁、金属膜片构成
            • 将电信号转换为声信号
          • • 在老式话筒中有炭粒和膜片，两者的作用相当于滑动变阻器,将说话时声音产生的振动转换为又化的电流
            • 听筒则利用电磁铁将变化的电流转换成变化的磁场，从而引起听筒中膜片的振动,产生声音
      • 连接
        • 通话双方的话筒和听筒是互相串联的，自己的话筒和听筒是互相独立的
      • 电话的基本原理
        • 话筒将声音转变为变化的电流,电流沿着导线把信息传到远处
        • 在另一端,电流使听筒的膜片振动,携带信息的电流又变成了声音。
        • • 可表示如下
      • 话筒的工作原理
        • 人对着话筒说话时,声波使金属膜片振动,膜片忽松忽紧地挤压炭粒,使炭粒盒的整体电阻忽大忽小,在电路中就产生了强弱按声音振动而变化的电流,使声音转换为变化的电流,把声信号转换为电信号
      • 听筒的工作原理
        • 当电路中忽强忽弱的电流通过听筒里电磁铁的时候,电磁铁对听筒金属膜片的吸引力就发生忽大忽小的变化,膜片在这种忽大忽小的吸引力的作用下就振动起来,听筒膜片的振动情形跟话筒膜片的振动情形是一样的,就听到与讲话者相同的声音
        • 它是使变化的电流转换为声音,即把电信号转换为声信号
      • 电话的工作过程总结
        • 说话引起话筒内炭粒时松时紧→电路中电阻时大时小→电路中电流时小时大→听筒内电磁铁磁性时弱时强→膜片受到的吸引力时小时大→引起膜片的振动而发声
  • 模拟通信与数字通信
    • 模拟信号与模拟通信
      • 定义
        • 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,就好像“模仿”声信号“一举一动”。这种电流传递的信号叫模拟信号。使用模拟信号的通信方式叫模拟通信
      • 特点
        • 模拟信号在长距离传输和多次加工、放大的过程中,信号电流的波形会改变,从而使信号丢失一些信息,表现为声音、图像的失真,严重时会使通信中断
    • 数字信号与数字通信
      • 定义
        • 利用不同符号的不同组合表示的信号,叫数字信号。这种通信方式叫数字通信
      • 特点
        • 通常的数字信号只包含两种不同的形态,形式简单,所以抗干扰能力特别强。由于电子计算机是以数字形式工作的,数字信号可以很方便地用电子计算机加工处理
        • 数字信号还可以通过不同的编码进行加密
• 电磁波及其传播
  • 波的基本特征
    • 机械波
      • 水波、弹簧中的疏密波和声音都是波,它们都是振动形态在介质中的传播,属于机械波
      • • 既有传播凹凸相间的运动形态的波(例如绳波),又有传播疏密相间的运动形态的波(例如声波)
        • 波能传递能量
        • 波能传递信息
    • 描述波的基本特征的物理量
      • 振幅
        • 定义
          • 振动的幅度
          • • 波源偏离平衡位置的最大距离
        • 表示符号
          • A
        • 单位
          • 米（m）
        • 物理意义
          • 反映波源振动的强弱
      • 周期
        • 定义
          • 波源振动一次所需要的时间
        • 表示符号
          • T
        • 单位
          • 秒（s）
        • 物理意义
          • 反映波源振动的快慢
      • 频率
        • 定义
          • 数值等于波源每秒内振动的次数
        • 表示符号
        • 单位
          • 赫兹（Hz）
        • 物理意义
          • 反映波源振动的快慢
        • • 周期与频率互为倒数的关系
      • 周期和频率反映了振动的快慢
      • 波长
        • 定义
          • 波在一个周期内传播的距离
        • 表示符号
        • 单位
          • 米（m）
        • 物理意义
          • 反映波的周期性
      • 波速
        • 定义
          • 波传播的速度
        • 表示符号
          • v
        • 单位
          • 米/秒（m/s）
        • 物理意义
          • 反映波传播的快慢
    • • 波在不同介质中传播时，波的频率、周期不会改变,但波长、波速会发生变化,如声波由空气进入水中时,频率不变,波速变快
      • 同种类型但不同频率的波在同一介质中,传播速度相同，如不同频率的声波在同种介质中传播速度相同
      • 波长、频率、周期、波速之间的关系
        • 根据关系式可知,波速不变,波长越长,频率越低。
  • 了解电磁波
    • 实验探究：验证电磁波的存在
      • 设计并进行实验
        • 步骤
          • ①打开收音机的开关并将音量调大,将调谐旋钮调到没有电台的位置
          • ②如图所示,取一节旧的干电池和一根导线,靠近收音机
          • ③将导线的一端与电池的一极相连,用另一端与电池的另一极时断时续地接触
      • 实验现象
        • 从收音机里听到“咔咔”的杂音
      • 实验现象分析
        • 这是因为在导线与电池组成的电路中产生了迅速变化的电流，变化的电流产生了电磁波,收音机接收到了这一电磁波,并把它放大转换成声音,这就是我们听到的“咔咔”声
      • 探究归纳
        • 导线中电流的迅速变化会在周围空间激起电磁波,即迅速变化的电流能产生电磁波
        • 我们周围的空间充满了电磁波,电视机、收音机能接收到许多电视台和广播电台发射的电磁波
      • • 电磁波是在空间传播的周期性变化的电磁场,从地球的表面到遥远的太空,到处都充满了电磁波
        • 当导体中有迅速变化的电流时,导体会向周围发射电磁波
        • 1864年,英国物理学家麦克斯韦建立了电磁场理论,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
    • 电磁波与声波的异同
    • 探究电磁波的传播特性
      • 提出问题
        • (1)电磁波能在真空中传播吗?
        • (2)金属材料对电磁波的接收有影响吗?
      • 进行实验
        • 实验一
          • 步骤
            • 如图所示,将手机的“背景灯光提示”功能(手机接收到信号后有灯光显示)打开后放在真空罩中,用抽气机抽去罩中的空气。打电话呼叫罩中的手机,这时,手机能接收到呼叫信号
          • 实验结论
            • 电磁波能在真空中传播,或者说电磁波的传播不需要介质
        • 实验二
          • 步骤
            • ①将手机设置为响铃状态放在塑料容器或纸容器中,打电话呼叫容器中的手机。这时,手机能接收到呼叫信号
            • ②如图所示,将手机设置为响铃状态放在金属容器(如饼干桶、茶叶盒)中,打电话呼叫金属容器中的手机。这时,手机接收不到呼叫信号
          • 实验结论
            • 电磁波不能穿过封闭的金属盒,但可穿过封闭的非金属盒。
      • • 电磁波可以在真空中传播,即电磁波的传播不需要介质
        • 电磁波在真空中的传播速度为3x10(8)m/s,等于光速,光波属于电磁波。电磁波在其他物质中的传播速度都要小于这个数值
        • 密闭的金属容器能屏蔽电磁波
    • • 电台中电磁波的产生方式
        • 在电台中,采用专门的电子器件和电路来产生变化得非常快的电流,这种电流称为振荡电流。将振荡电流送入电台的发射天线,就会在天线周围的空间中激起电磁波,并传向远方
        • 振荡电流是一种周期性变化的电流,变化的快慢用频率表示。频率的国际单位是赫兹(Hz)。物理学的研究表明，只有频率很高的电流产生的电磁波才能传到远方,因此表示电磁波的频率要用到较大的单位,如千赫( kHz）、兆赫(MHz)、吉赫( GHz)
        • 频率换算关系
        • • 通常用于广播、电视和移动电话的电磁波叫无线电波,它包括长波、中波、短波和微波
      • 电磁波运载信息
        • 电磁波运载信息量的多少与电磁波的频率高低有关,电磁波的频率越高,运载的信息量会越多
    • 电视广播的工作过程
      • 发射
        • 电视广播利用摄像机获取图像信号,利用话筒获取声音信号（把图像信号和声音信号都变成电信号）,发射机把两种电信号加载到频率很高的电磁波上,通过天线发射到空中
      • 传播
        • 发射出的电磁波加载着声音和图像信号在空中传播。
      • 接收
        • 电视机是电磁波接收机,电视机的接收天线接收到空中传播的高频信号后,把图像信号和音频信号取出并放大。通过显像管将图像信号还原成图像,通过音频放大器和扬声器将声音信号还原成声音
  • 电磁波谱
    • 电磁波谱
      • 电磁波谱是按波长(或频率)连续排列的电磁波序列
      • • 电磁波谱是一个“”大家族
          • γ射线
          • X射线
          • 紫外线
          • 可见光
          • 红外线
          • 微波
          • 无线电波
        • 不同的电磁波,用途不同
    • 电磁波的用途
      • 医生用γ射线做脑手术
      • 用X光片判断是否骨折
      • 电视机、空调等设备的遥控器都是红外线遥控
      • 微波在通信领域大显身手
      • 无线电波,收音机、电视机以及飞机和舰船上的雷达都少不了它
    • 电磁波污染及预防
      • 电磁波污染
        • 电磁污染指的是天然的和人为的各种电磁波干扰和有害的电磁辐射
        • 电磁技术给人类带来了巨大的物质文明的进步,同时也造成了电磁污染
      • 预防电磁污染
        • ①尽可能远离人造电磁辐射源,如不要随便靠近电视发射装置、高频电缆等
        • ②安装屏蔽设备
        • ③要正确使用带有电磁辐射的生活器具等
• 现代通信——走进信息时代
  • 卫星通信
    • 微波中继站
      • 微波
        • 特点
          • 波长
            • 1mm~1m
          • 频率
          • • 微波比中波和短波的频率更高，可以同时传递更多的信息
        • 性质
          • 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
          • 特点
            • 信息理论表明,作为载体的无线电波,频率越高,相同时间内可以传输的信息就越多
            • 微波的波长较短,频率较高,所以采用微波通信可以增大信息的传输量，一条微波线路可以同时开通几千、几万路电话
          • 缺点
            • 微波通信需要大量的中继站进行信号处理,如遇到雪山和大洋无法建设中继站时，微波通信就无法继续
        • 微波的应用
          • ①微波能传递信息,人们将这一原理应用于广播电视、移动通信
          • ②微波遇到障碍物会发生反射,人们根据这一原理制成了雷达
          • ③某些频率的微波还能加剧水和脂肪分子的热运动,使物体温度升高,微波炉就是根据这一原理工作的
      • 微波中继站
        • 电视广播、移动通信等主要是利用微波传递信号的。但是微波大致沿直线传播,不能沿地球表面绕射，因此必须每隔50km左右就建一个微波中继站,用来传递微波信号。微波中继通信示意图如图
    • 卫星通信
      • 概念
        • 用通信卫星作微波中继站来传输信息的—种通信方式
      • 组成
        • 卫星通信系统由通信卫星(空间部分)和通信地面站(地面部分)两大部分组成
      • 工作原理
        • 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再向地面发送。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
      • 定位设置
        • 通信卫星大多是相对地球“静止”的同步卫星(示意图如图所示),从地球上看，地球同步卫星好像悬挂在空中静止,它绕地球一周的时间与地球自转的周期相同。在赤道上空均匀布置3颗地球同步通信卫星,就能使通信范围几乎覆盖地球上的各个角落,实现全球通信
        • • 同步卫星
            • 用于通信的卫星相对地面是静止的，又叫同步卫星，利用这些卫星作微波通信的中继站
      • 优缺点
        • 优点
          • 覆盖面大、通信距离长、不受地理环境限制
        • 缺点
          • 造价较高、信号有零点几秒的时间延迟、保密性不好
      • 应用
        • 全球性的电话、电报、电视广播，全球定位、导航等
      • 移动通信
        • 手机工作原理
          • 手机(移动电话)既是无线电发射台,又是无线电接收台,手机之间通话时,将要传递的信息加载到电磁波上发射出去,同时接收对方手机加载到电磁波上的信息
          • 手机之间的通话要靠无线基站转接
        • • 移动电话和固定电话的工作原理基本上是相同的,只是固定电话的信号是由导线中的电流来传递,而移动电话的信号是由空间的电磁波(微波)来传递
  • 光纤通信
    • 实验探究：光纤是怎样传输光信号的
      • 提出问题
        • 光在同一种均匀介质中是沿直线传播的,那么,光能不能沿弯曲的光纤传播呢?如果能,又是怎样传播的呢?
      • 猜想假设
        • 光能沿弯曲的光纤传播,可能是由于光的反射
      • 实验器材
        • 激光手电筒、一段光导纤维、—张白纸
      • 实验探究
        • 如图所示,用激光手电筒对着弯曲的光纤一端照射,将白纸放在另一端
      • 实验现象
        • 白纸上出现了亮点
        • • 在另一端要用白纸接收后再观察，而不能直接用眼睛看，否则会对眼睛造成伤害
      • 实验结论
        • 光能够在弯曲的光纤中通过光的反射传播
      • 探究说明
        • 光导纤维一般是非常细的特制玻璃丝,直径只有几微米到几十微米,由内芯和包层两层组成,光进入光导纤维后在内芯与包层的界面上发生反射,这就使从一端射进去的光经过多次反射到达另一端
    • 基本概念
      • 光纤通信
        • 利用光波在光导纤维中传输信息的一种通信方式
        • • 这里的光波是激光
          • 激光的特点
            • 频率单一、方向高度集中
      • 光导纤维
        • 能够传输光信号的极其纤细的材料，简称光纤
        • • 光纤是用玻璃制成的圆柱形纤维,光在纤维中传播需通过多次反射,它是利用了光的全反射原理工作的,因全反射能长距离传输并且携带的信息不衰减(本部分知识高中会学到)。
      • 光缆
        • 由多根光导纤维制成的激光信号的传输线
    • 光纤通信原理
      • 首先利用电光转换技术把电信号转变成光信号
      • 其次将携带信息的光从光导纤维的一端射入,在内芯多次反射,从另一端射出,最后在接收端把光信号转变成电信号。这样就把它所携带的信息传到了远方,从而实现信息的传递
    • 特点
      • 光纤通信可长距离传输信息,容量大,不怕潮湿,耐腐蚀,能量损耗低,不受电磁干扰,通信质量高,保密性好
    • 光纤通信的三点说明
      • ①光纤通信使用的光是激光,激光具有亮度高、方向性好和颜色纯(即单色性好)的特点。实际上激光也是电磁波的一种，与微波相比,激光的频率更高。如果用激光来通信,这条“高速公路”要比短波、微波的“公路”宽出百万倍，甚至千万倍。普通的光源发出的光夹杂了许多不同波长的光,难以用它来携带信息
      • ②激光用于实际的通信并不像手电筒照亮房间那么简单。通信用的激光一般在特殊的通道——光导纤维中传播。光纤的两端还要有光电转换装置才能应用
      • ③激光通信还有容量大的优点。一对头发丝那样细的光纤可以同时传送上百万路电话信号。而用电缆来传送电信号，一根电缆只能传送几十路电话信号
  • 互联网与信息高速公路
    • 互联网
      • 互联网是一个由计算机通信网络及其附属设备连接起来的全球通信网络
      • 互联网拥有极其丰富的信息资源,而且信息传递快,因此参与互联网通信的人越来越多
    • 互联网的功能
      • 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
      • 人们向往已久的可视电话也依靠网络实现了
      • 我们还可以从网上看到不断更新的新闻,查到所需的各种资料,足不出户就可以获得世界各地的各种信息
      • 网络让我们即使远隔千山万水,却仿佛近在咫尺
      • 网络还有其他许多功能,比如说网上学习、网上医疗会诊等
      • 互联网在全球范围内使信息得到高速共享
    • 信息高速公路
      • 集卫星通信、光纤通信、数据通信、移动通信等技术于一身,利用光缆和各级计算机把所有的通信系统连接在一起,组成了一个高速传递信息的网络,这种国家信息基础设施被称为“信息高速公路”