高二物理校本课程 物理照耀世界.pdf
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1、高二物理校本课程一 物理照耀世界目录1.天涯若比邻一一物理与通讯2.知人者智,自知者明一一物理与生命科学3.好风凭借力,送我上青天一一物理与飞行器4.不辩风云色,安知天地心一一物理与天文5.更快、更高、更强一一物理与计算机6.海阔凭鱼跃,天高任飞一一物理与现代农牧业 第一节 天涯若比邻一一物理与通讯第一讲:微波通讯1931年,在英国多佛与法国加莱之间建起了世界上第一条微波通信电路,使无线电通 信技术进入了一个新时代。此后,迅速发展的微波接力通信系统遍及全球,它的应用与发展 促进了诸多领域的科技进步。收音机收到的声音,电视机屏幕上的图像,都是由电台、电视台通过电磁波送来的。电 磁波有长波短波,而
2、波长在1米至0.1毫米之间的电磁波,称为微波。使用微波进行的通信 被称为微波通信。微波通信具有可用频带宽、通信容量大、传输损伤小、抗干扰能力强等特点,可用于点 对点、一点对多点或广播等通信方式。19世纪末,意大利人马可尼和俄国人波波夫成功地完成了用电磁波进行的无线电通信 实验,开创了人类通信的新纪元。1931年,随着微波技术的形成和发展,微波通信使人类 的无线电通信进入了一个新的时代。这一年,在英国多佛与法国加莱之间建起了世界上第一 条微波通信电路。此后,迅速发展的微波接力通信系统遍及全球,它的应用与发展促进了诸 多领域的科技进步,像传送电报、电话、传真、图像、数据以及广播和电视节目等通信业务
3、,还有遥控遥测、报警以及雷达导航、海上救援等特种业务都有了巨大进步。第二次世界大战后,微波接力通信得到了迅速发展。1955年,对流层散射通信在北美 试验成功。20世纪50年代开始进行卫星通信试验,60年代中期投入使用。由于微波波段频 率资源极为丰富,而微波波段以下的频谱十分拥挤,于是移动通信等也向微波波段发展。此 1外数字技术及微电子技术的发展,也促进了微波通信向数字微波通信过渡。微波接力通信系统可用于传输电话、电报、数据、图像及新的电信业务。模拟微波接务 通信系统多用于传输多路电话及电视节目。微波接力通信可用于长途干线通信,并可采用车 载式微波站以供紧急通信用。微波接力通信与短波、米波通信相
4、比,具有通信频带宽、传输 容量大、传输质量好、外界干扰小等优点;与地下电缆通信相比,建设投资和维护费用较少,施工周期短,因此适用于中距离或远距离通信。从建立世界上第一条微波通信线路到今天,迅速发展的微波接力通信系统遍及全球,它 的应用与发展促进了诸多领域的科技进步。1丝米(频率为300兆赫3000吉赫)的无线电通信。微波的传播类似于光的传播,对障 碍物的绕射能力很弱,适于进行视距内的通信。在一定条件下,微波对刃形障碍有一定的绕 射能力,如果选择适当的地形也可以建立山峰绕射超视距通信。实现微波超视距通信普遍有 效的办法是,采用视距接力通信,多站接力全程可达数千公里(见无线电接力通信)。在 10吉
5、赫以下的微波频段,还可利用大气对流层不均匀体的散射传播进行超视距通信,称为 对流层散射通信。其通信距离平地单跳一般约300公里,多站接力可达数千公里(见散射 通信)。微波还广泛应用于空间通信,包括利用空间站(或通信卫星)转发信号的地球站之 间的通信,空间站之间的通信,地球站与空间站之间的通信。微波通信的主要优点是:频段宽,通信容量大,采用高增益天线,可实现强方向性通信。微波视距通信传输较稳定,设备轻小便于机动;微波对流层散射通信单跳传输距离远,适于 在边防、海岛、人烟稀少地区以及跨越敌占地区使用;卫星通信组网机动灵活,能迅速扩展 到任一地区。微波通信已成为许多国家民用和军事通信的主要手段。在军
6、事通信方面,除作 为国防通信网的干线外,车(或机)载微波通信系统还是战时军队各级司令部实施指挥的重 要手段,并可用来快速抢通被毁的电路或开通新的通信干线。微波信道代替电缆作为一种遥 控手段,可以提高移动通信枢纽的快速机动能力。微波通信还可广泛用于对车辆、飞机、舰 艇等的通信。但微波视距通信受地形的影响很大,当频率高于12吉赫时,受雨和大气中水 气的影响袁减很大;对流层散射通信的传输损耗大,设备较庞大;卫星通信(见通信卫星)也存在卫星寿命短、战时可能受破坏和干扰等缺点。1887年德国物理学家H.R.赫兹在分米波波段进行的实验,可以看作是微波技术的起点。1931年从英国多佛尔到法国加来建立了世界上
7、第一条微波通信线路。到20世纪40年代初,随着磁控管、速调管和行波管等微波器件相继发明以及电视和雷达广泛使用以后,微波通信 才迅速发展起来。第二次世界大战中,有些国家的军队除使用微波作移动通信外,还使用了 2长距离多路微波接力通信系统作为干线通信。1957年美国首次在微波频段开通了单跳长达 350公里的对流层散射电路。60年代频分多路宽带微波接力系统得到了广泛的应用。自1965 年世界上第一颗国际商用卫星“晨鸟”使用以来,卫星通信已成为国际通信的主要手段,在军 事上也得到了广泛的应用。70年代以来,随着数字通信以及微波元器件的迅速发展,新的 远距离大容量数字微波接力系统,数字卫星通信系统和对流
8、层散射通信系统日趋完善,小功 率的微波设备已实现了全固体化。目前许多国家大部分长途电话和电视都依靠微波信道传 输。第二讲:光纤通信光纤通讯是光导纤维传送信号的一种通讯手段。光纤通讯的特点是通讯容量大,比 电通讯容量大千万倍,在两根光纤上可以传递万路电话,或上千路电视;保密性能好,抗干扰性很强。1875年,世界上第一台电话问世。5年后,贝尔发明了一种利用光波 作载体的光电话,但是由于找不到理想的光源和传输媒介,因此光纤通讯长期得不到发 展。直到1966年,英籍华人高银博士首次利用无线电波传导信号的原理,提出了利用 光纤长距离传输光波的设想,并且还认为可以生产出一种有实用意义的低损耗光纤。这 一产
9、品问世后,在世界各国出现了一个研究光纤通讯的高潮。1975年,美国亚特兰大 实验系统的光纤通讯实验成功。1983年,美国贝尔实验室在美国东、西海岸铺设了长 度分别为600公里和270公里的两条光纤通讯的主干线。此后,世界其他国家也先后 建立了许多中短距离的光纤通讯系统。1972年,我国开始进行光纤通讯研究,而今已 广泛用于邮电、电视等部门。信息社会的到来使得人们对光纤通信厚爱有加。从理论上讲,一根头发丝粗细的光导纤维 可以同时传送1 000亿对电话通话。如果把全世界50亿人口分成两半同时进行通话,也只 占用了它的容量的四分之一。为什么纤巧的光导纤维具有如此神奇的功能呢?光导纤维由芯子和包层组成
10、。芯子直径在10 p m以下,主体材料为二氧化硅,为了提 高光的折射率可掺杂少量氧化铭或氧化磷;包层的直径一般在100 p m上下,由纯二氧化 硅构成,或者在其中加入少量氧化硼或氟元素,以减少光的折射率。这样可以使芯子和包层 的折光率不一致,从而保证光只能在芯子内传输。光导纤维在工作时,首先要有激光器为它 提供光源。光线在光纤的芯子与包层的交界处发生反射,经过反复反射呈“之”字形传播。但是一般的光并不带有信息。要让光带上信息,就要把电信号加以调制转换成光信号,传输 到接收端,再把光信号解调为电信号,进而把电信号还原成声音。由于光纤通信是利用光波传输信息的有线光通信,所以在信息容量上就表现出十分
11、显著 3的优越性。这是因为光波的频率比微波要高数千倍,相应地能容纳的信号频谱就更宽。同时,光纤通信具有极微的能量消耗,同样距离的光缆所需的中继站要比电缆少得多。这一点在远 距离通信中表现出明显的优势。光纤通信是目前世界上最先进的通信方式,在传输电话、电报、传真、数据和图像时具 有很好的稳定性和保密性,在军事通信领域有广泛应用光纤光纤光纤通信是以光波作为信息载体,运用光反射原理,用光信号取代电信号,以光导纤维 作为传输媒介的一种通信方式。1955年,英国伦敦帝国学院的卡帕尼(Narinder Kapany)博士根据光的折射原理,发 明了用玻璃制成了极细的光导纤维。1966年,华裔英国科学家高银(
12、1933)博士提出利用低吸收率的石英玻璃光学纤维 作为通信介质。高银奠定了光纤通信的基础,被称为“光纤通信之父”。1973年,第一个光纤通信实验系统在美国贝尔实验室建成。1977年,美国电报电话公 司在芝加哥市内开通了世界上第一条光纤通信线路。光纤通信系统现已经历了 5个发展阶段:70年代后期的85微米波段多模光纤为第一代,1981年出现的1.3微米多模光纤为第二代,1984年实现的1.3微米单模光纤为第三代,80 年代中后期实现的1.55微米单模光纤为第四代,用光波放大增长传输距离的光纤通信系统 为第五代。光纤通信传输信息量大、抗干扰性强,其使用成本也逐渐降低。它不仅成为今天 大容量、高速通
13、信线路的首选,并将在未来信息社会中承担主要传送工具的角色。第三讲:无线电通讯4好处利用无线电波传输信息的通信方式。能传输声音、文字、数据和图像等。与有线电 通信相比,不需要架设传输线路,不受通信距离限制,机动性好,建立迅速;但传输质 量不稳定,信号易受干扰或易被截获,保密性差。是谁发明的争论在英国,人们把麦克斯韦奉为无线电的开创人,认为他最先指出电磁波的存在。在美国,有人认为德福雷斯特是无线电之父,因为他发明了三极管,而三极管是无 线电通信器材的心脏。在俄国,只承认波波夫是无线电通信的创始人。在西方科学家的眼中,意大利人马可尼是无线电通信的发明人,他因此获得诺贝尔 物理奖。在德国,人们认为赫兹
14、才是无线电的开创者,因为他最早证明了电磁波的存在。电 磁波的振动频率的单位,就是以他的姓命名的。到底是谁发明了无线电通信呢?可以这么认为,无线电的发明是众多科学家共同研 究的成果,也是历史发展的产物。发明历史人类发明了电报和电话后,信息传播的速度不知比以往快了多少倍。电报、电话的 出现缩短了各大陆、各国家人民之间的距离感。但是,当初的电报、电话都是靠电流在 导线内传输信号的,这使通信受到很大的局限。譬如,要通信首先要有线路,而架设线 路受到客观条件的限制。高山、大河、海洋均给线路的建造和维护带来很大的困难。况 且,极需要通信联络的海上船舶,以及后来发明的飞机,因它们都是会移动的交通工具,所以是
15、无法用有线方式与地面人们联络。1 9世纪发明的无线电通讯技术,使通信摆脱 了依赖导线的方式,是通信技术上的一次飞跃,也是人类科技史上的一个重要成就。在科学的道路上获得成功的人总是那些永远孜孜不倦,善于总结前人经验,汲取前 5人教训的勇敢者。谁能坚持下来,谁的灵感突然迸发,他就能摘取胜利的果实。俄国人 波波夫和意大利人马可尼就是这样的人。波波夫于1 8 5 9年出生在俄国的一个牧师家庭中。1 8岁那年,他考进了彼得堡 大学数学物理系。不久转入森林学院学习。森林学院学术气氛活跃,使他打下了扎实的 基础,几年后波波夫以优异的成绩毕业了。1 8 8 8年,赫兹发现电磁波的消息传到了 俄国,2 9岁的波
16、波夫一下子改变先前要把电灯装遍俄国的主意,树立了要指挥电磁波 飞越全世界的理想。1 8 9 4年,波波夫做了一台磁波接收机。这台机器的原理与英国 科学家洛奇的那台相似,但灵敏度却远比洛奇那台要高得多。波波夫对无线电通信的杰出贡献,是他发现了天线的作用。在一次实验中,波波夫 发现金属屑检波器的灵敏度异常地高。接收电磁波的距离比起平时有明显的增加。他没 放过这个异常现象,仔细地观察了周围环境,也没发现什么变化。找了很多原因,但都-排除了。他感到很奇怪,再试一次,灵敏度还是异常的高。忽然,他瞥见有一根导 线搭在检波器上。很明显,这根导线增加了检波器的接收能力,增加了灵敏度。波波夫 真是喜出望外,提高
17、机器的灵敏度,增加传收距离的愿望竟在这无意中达到了。他使用 的这根导线是世界上的第一根天线。波波夫用这架机器首先去检测雷电。他把莫尔斯电 报机接在机器上,在一个雷电风雨交加的夏夜,他的接收机收到了空中的雷电,并用英 尔斯电报机上的纸条记录了下来。1 8 9 5年5月7日,波波夫带着他发明的无线电接收机来到彼得堡的俄罗斯物理 化学学会物理分会会场,在宣读论文后,当场进行演示。他让助手在演讲大厅的一头安 放好电磁波发生器,自己在讲台上调好接收机,装好天线,接收机连接了继电器和电铃。一切就绪后,助手接通电磁波发生器,接收机带动电铃响了起来。当助手把电磁波发生 器电源切断,电铃声嘎然而止。面对事实,过
18、去支持他的人,反对他的人,怀疑他的人,都上前握手祝贺他。此后波波夫又改进了他的机器,用电报机替换了电铃。这样,就形 成了一台完整的无线电收报机。1 8 9 6年3月2 4日,波波夫和助手又进行了一次正式的无线电传递莫尔斯电码 的表演。波波夫把接收机安放在物理学会会议大厅内,他的助手把发射机安装在森林学 院内,两地距离2 5。米左右。时间一到,助手沉着地把信号发射出去,波波夫这边的 接收机清晰地收到信号。此时俄罗斯物理学会分会长把接收到的字母一个个地写在黑板 o最后,黑板上出现一行字母:“海因里希赫兹”。这是世界上的第一份无线电报,内 容是纪念赫兹这位电磁波发现者。6马可尼1 8 7 4年出生在
19、意大利,父亲是意大利人,农庄主,母亲是爱尔兰人。1 8 9 4年,即赫兹去世的那年,马可尼刚满2 0岁,他在电气杂志上读到了赫兹的实验 和洛奇的报告。从小就喜欢摆弄线圈、电铃的他,便一头钻进了电磁波的研究中。他想 既然赫兹能在几米外测出电磁波,那么只要有足够灵敏的检波器,也一定能在更远的 地方测出电磁波。经过多次的失败,他终于迈出了可喜的第一步。他在家中的楼上安装 了发射电波的装置,楼下放置了检波器,检波器与电铃相接。他在楼上一接通电源,楼 下的电铃就响了起来。晚上,当父亲看到了这个新奇的装置,把以前憋在肚子里的火气 和不满都抛到九霄云外,再也不叫他“不切实际的空想家”了。并开始给儿子经济资助
20、,让他一心搞实验。马可尼初次告捷后,信心增强了。他大量收集资料和文章,木管这些 文章的作者是有名气的还是无名气的,只要对他有用,有所启发的文章,他都耐心阅读,仔细分析。他把各家的缺点分析清楚,把各人的长处集合起来,改进自己的机器。第二年夏天,马可尼又完成了一次非常成功的实验。到了秋天,实验又获得很大的 进步。他把一只煤油桶展开,变成一块大铁板,作为发射的天线。把接收机的天线高挂 在一棵大树上,用以增加接收的灵敏度。他还改进了洛奇的金属粉末检波器,在玻璃管 中加入少量的银粉,与银粉混合,再把玻璃管中的空气排除掉。这样一来,发射方增大 了功率,接收方也增加了灵敏度。他把发射机放在一座山岗的一侧,接
21、收机安放在山岗 另一侧的家中。当给他当助手的同伴发送信号时,他守候着的接收机接收到了信号,带 动电铃发出了清脆的响声。这响声对他来说比动人的交响乐更悦耳动听。这次实验的距 离达到2.7公里。1 9 3 7年,马可尼与世长辞,在意大利罗马有近万人为他送葬,同时,英国所有 无线电报和无线电话,以及大不列颠广播协会的广播电台停止工作2分钟,向这位无线 电领域的伟大人物致哀。马可尼、波波夫以及其他为无线电通信领域作出贡献的科学家 虽然离开了人间,可是他们发明的无线电通信留给了后人,并将造福于人类的子子孙孙。迅速和准确地传递信息,历来都是和社会生活“息息”相关的。用任何方法,通过任何媒介,将信息从一地传
22、到另一地,都称为通信。古代我国的烽火台便是一种“光通信”设施,统治者 借助它的缭绕烟和熊熊火焰来传递战事警报。至于那时平民百姓两地之间的信息往来,只有 靠托人“捎信”,辗转传递,中途往往要经过成年累月的时日。有时因为事情被传得走了样,还造成了不少历史悲欢离合的故事。由于通信关系重大,历史上各个国家的统治者无不 设立“御用邮政,在中国从汉朝开始,就有了官方传递信件和机构一驿站。为了快速传递信 件,当时的驿卒,头戴红色头巾,身穿红袖衣服;沿路的车马行人,远远看见飞马奔驰的驿 7卒,都要让路(邮政人员身着专门色彩服装的习惯,各国一直沿袭至今)。对一些十万火急 的公事,往往还采取“加急”的办法传递,但
23、即使“驿马如星流”,仍然是“日驰三百自嫌迟”。至于担负通信任务的劳力一一驿卒们的劳顿和辛苦,更是可想而知了。各式各样以人工传递 为主的通信方式,对于“老天爷”的捣乱都束手无策;面对高山恶水的阻拦,也都一筹莫展。随着资本主义生产方式的产生和发展,通信方式发生了巨大的变革,从“驿马邮政”发展 到“火车邮政 航空邮政”,出现了为社会公众服务的邮政业务。之后,由于电和磁的被认 识,人们开拓了通信方式的新途径一一有线电通信和无线电通信。从那时开始,人类社会就 进入现代通信一一电气通信的新纪元。所谓电气通信(简称电通信或电信),就是使用电或电子的设施传递信息的方式。按照 传输媒质的不同,电气通信分为有线电
24、通信和无线电通信。利用导线传输代表声音,文字,图象等信息的电信号的通信方式,称为有线电通信;利用无线电波在空间的传播来传送电信 号的通信方式,称为无线电通信。电通信技术自问世以来,便出人意料地得到飞速的发展,其发展速度之快和传递信息量 之大,最近的百年时间超过了以往的几千年。现代电通信,广泛应用在政治,经济,军事,生产,科研和社会生活的各个领域,和我们每个人都结下了不解之缘。让我们回顾一下现代通信史上几个激动人心的镜头吧!1837年莫尔斯(1791-1872)发明了电报以后,1844年5月24日,他用激动得发抖的 手,从华盛顿向40英里外的巴尔的摩城拍发了世界上第一份长途有线电报,电文是圣经
25、上的一句话:“上帝创造了何等奇迹!”奇迹当然并非上帝创造的,而是人类智慧的成果。人 类社会电通信的时代,便从此开始了。电话的发展更加说明问题。1876年美国人贝尔(184719222)发明了电话,过了 40 年美国建成第一条横贯国土东西的长途电话线。这条线路的修建,足足耗费了 2960吨铜和 13万根电线杆。但是,仅仅又过了 50多年的时间,电话这个当年的“科学玩具、就已发展 成为现代生活中不可缺少的通信工具了。现在,世界上拥有近5亿部电话机。人们可以通过 四通八达的电话网和远隔重洋的亲人互致问候,和异国的同行洽谈公务;可以通过可视电话“千里相会”,坐在屋子里到处“参观访问”。多功能的电话,将
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