“智造”低成本光通信演示實(shí)驗(yàn)及其教學(xué)應(yīng)用

摘 要：光通信作為現(xiàn)代通信技術(shù)領(lǐng)域的“佼佼者”，影響著人們生活的方方面面，它對中學(xué)生科學(xué)核心素養(yǎng)的發(fā)展具有極為重要的促進(jìn)作用?，F(xiàn)有中學(xué)物理教科書中光通信相關(guān)演示實(shí)驗(yàn)的缺陷在于只能演示光在彎曲水流柱中傳導(dǎo)而不能呈現(xiàn)光攜帶信息的過程。利用LED發(fā)光特性開發(fā)的低成本光通信演示實(shí)驗(yàn)裝置，可同時(shí)演示光在彎曲介質(zhì)中傳導(dǎo)和光攜帶聲音信號的雙重過程，便于中小學(xué)生深入理解光通信的本質(zhì)。該實(shí)驗(yàn)取材方便，成本低廉，教學(xué)效果顯著，彌補(bǔ)了現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)的不足，便于師生制作與體驗(yàn)的同時(shí)又不失科學(xué)性，極大地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、科學(xué)創(chuàng)新精神與實(shí)踐能力。

關(guān)鍵詞：自制教具；光通信；演示實(shí)驗(yàn)

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-6148（2018）6-0010-3

眾所周知，光波是一種電磁波，光通信（又稱“光通訊”）是以光波為載頻，以光導(dǎo)纖維（光纖）為傳輸媒介的通信方式。95%的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)傳輸信號采用光纖，移動(dòng)電話通訊網(wǎng)絡(luò)中也有一段信號傳輸要通過光纖通信網(wǎng)，有線電視的干線傳輸亦采用的是光纖。光纖通信使用的頻率為1014～1015 Hz數(shù)量級，比常用的微波頻率高104～105倍，由于光波載頻頻率極高，通信容量巨大，因此光通信目前已經(jīng)成為通訊技術(shù)中最重要的也是發(fā)展速度最快的部分之一[1]。光通信作為現(xiàn)代通信技術(shù)領(lǐng)域的“佼佼者”，影響著人們生活的方方面面，其教育價(jià)值是顯而易見的，讓學(xué)生學(xué)習(xí)、了解通信前沿技術(shù)，增強(qiáng)科學(xué)興趣和科學(xué)自信，將有利于學(xué)生科學(xué)核心素養(yǎng)的提升與發(fā)展。

在我國中小學(xué)課程中，光通信部分的教學(xué)內(nèi)容僅僅是描述性和介紹性的，缺少能真正讓學(xué)生深入理解光通信實(shí)質(zhì)的可操性實(shí)驗(yàn)。例如，在人民教育出版社出版的《義務(wù)教育教科書·物理九年級（全一冊） 》（下稱“教科書”）第二十一章第4節(jié)中有專題介紹“光纖通信”，其中安排了這樣一個(gè)演示實(shí)驗(yàn)：“把大塑料瓶用不透光的紙包上，瓶的側(cè)壁開個(gè)小孔。塑料瓶內(nèi)盛水，水面上方放一個(gè)發(fā)光小燈泡。當(dāng)水從小孔流出時(shí)，你會(huì)看到光隨著彎彎的水流照到地面，在地面產(chǎn)生一個(gè)光斑[2]”。教科書用該實(shí)驗(yàn)演示光在彎曲的水流柱中的傳導(dǎo)，用以形象地類比光在光導(dǎo)纖維中的傳導(dǎo)過程。但遺憾的是，該實(shí)驗(yàn)并不能展示光通信中“光能攜帶信息”的這一本質(zhì)特征，未能讓學(xué)生真切、直觀地體驗(yàn)光通信中的信息傳遞的實(shí)質(zhì)過程。

那么，能否在一個(gè)實(shí)驗(yàn)中同時(shí)直觀地呈現(xiàn)出光在彎曲介質(zhì)中傳導(dǎo)和光攜帶信息這兩個(gè)光通信的典型特征？目前中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中尚缺乏此類簡易可行的實(shí)驗(yàn)。為此，筆者經(jīng)過長時(shí)間的嘗試與實(shí)踐，在原教科書所提供的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上改進(jìn)與開發(fā)出基于LED的低成本光通信演示實(shí)驗(yàn)裝置，它以彎曲水流柱為導(dǎo)光介質(zhì)，借助可見光傳遞電聲信號，可直觀展示光通信中光在彎曲的水流柱中的傳導(dǎo)和光能攜帶聲音信息傳輸?shù)碾p重過程。

1 低成本光通信演示實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)

最簡單的可見光通信系統(tǒng)至少需要兩部分構(gòu)成，即用于調(diào)制信號光源的發(fā)射端和用于解調(diào)信號光波的接收端[3-5]。因此，根據(jù)本實(shí)驗(yàn)的需要，筆者將低成本光通信演示實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)為發(fā)射模塊、傳導(dǎo)媒介和接收模塊三個(gè)組成部分，如圖1所示。

1.1 發(fā)射模塊

與白熾燈泡鎢絲在熾熱狀態(tài)下發(fā)光的原理不同，LED發(fā)光原理是由PN結(jié)半導(dǎo)體晶片受激而發(fā)光，它具有功耗極低、響應(yīng)靈敏度高、調(diào)制性能好的顯著優(yōu)點(diǎn)[5-6]。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)發(fā)射模塊設(shè)計(jì)為二級放大電路（如圖2 所示），以實(shí)現(xiàn)LED光源所發(fā)出的光能夠攜帶聲電信號。

1.2 接收模塊

接收模塊是將光攜帶的聲電信號進(jìn)行解調(diào)、放大與還原。本實(shí)驗(yàn)采用硅光敏三極管來接收攜帶聲電信息的光信號，并將其轉(zhuǎn)化為聲電信號，再通過功率放大集成模塊之后驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)聲（如圖3所示），從而使得本實(shí)驗(yàn)中光通信接收模塊接收和還原的聲音具有較高的保真性。

1.3 光傳導(dǎo)媒介

本實(shí)驗(yàn)將透明塑料瓶側(cè)底端開一小圓孔（直徑不宜過大，5～8 mm為宜），將其盛滿清水后水流從瓶底孔流出形成水流柱，作為本實(shí)驗(yàn)中光的傳導(dǎo)介質(zhì)。根據(jù)光的全反射原理，全反射需具備兩個(gè)條件：（1）光必須由光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)；（2）入射角要大于發(fā)生全反射時(shí)的臨界角C。本實(shí)驗(yàn)中光密介質(zhì)為水，其折射率為1.333[7]；光疏介質(zhì)為空氣，其折射率為1；據(jù)全反射發(fā)生的條件則有sinC=1/1.333，故計(jì)算出臨界角C=arcsin（1/1.333）=48.6°。

本實(shí)驗(yàn)中使用的發(fā)光LED，所發(fā)出的可見白光平行特征性較好，如果水流與可見光同方向，入射角幾乎為90°，遠(yuǎn)比臨界角48.6°大，可見白光可以在水流柱內(nèi)發(fā)生全反射（如圖4所示），且能沿水流柱（水流柱未散碎前的透明部分）內(nèi)傳播較遠(yuǎn)。

2 低成本光通信演示實(shí)驗(yàn)裝置的制作與調(diào)試

2.1 所需材料

低成本光通信演示實(shí)驗(yàn)裝置的發(fā)射模塊、接收模塊所需要的主要電子元件材料如表1所示，其中各電子元件符號與圖2、圖3電路原理圖對應(yīng)。

相比于市面上光通信科技產(chǎn)品較為高昂的裝備成本，本文提供的光通信實(shí)驗(yàn)演示裝置的整套材料成本低廉，方便獲取，可操作性強(qiáng)。

2.2 組裝要求與調(diào)試效果

本實(shí)驗(yàn)裝置在制作過程中可能面臨的較大困難在組裝和調(diào)試環(huán)節(jié)。為方便拆卸和檢查故障，不妨先在萬用線路實(shí)驗(yàn)板（又稱“面包板”）上連接，待電路連接正確后再用焊錫固定。具體來講，主要有以下幾方面的步驟。

（1）組裝完成后通電試測。在將各電子元件連接組裝好后，首要任務(wù)是接通9 V直流電檢測發(fā)射模塊和接收模塊是否都正常工作；在輸入音頻信號后檢測發(fā)射模塊輸出端的LED能否正常發(fā)光。

（2）發(fā)射端光源對準(zhǔn)水流注。安裝步驟如下：首先，用不透光牛皮紙將塑料瓶完全包裹并粘牢，在其側(cè)底流水孔處和流水孔正對面處的牛皮紙上剪開適當(dāng)大小的孔位，這是為了減少外界光線對實(shí)驗(yàn)的影響；其次，在預(yù)留好的牛皮紙孔位上固定好發(fā)射端的發(fā)光LED。加水后可以調(diào)整LED的入射角度，盡可能讓LED發(fā)出的光平行入射到水流柱內(nèi)部。此外，可選擇較大容量的塑料瓶，以保證水流的時(shí)間足夠長，便于觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

（3）接收模塊增加防水措施。由于接收模塊的硅光敏三極管要接收來自水流柱中的光信號，為防止接收模塊被水流淋濕造成短路現(xiàn)象，需要給接收模塊加裝透明防水罩。一種方法是取適當(dāng)大小的玻璃杯倒置在水平桌面罩住整個(gè)接收模塊，但要注意預(yù)留好空隙，能使外界能清晰聽到罩內(nèi)接收模塊揚(yáng)聲器發(fā)出的聲音；另一種方法是將硅光敏三極管用較長導(dǎo)線連接至電路，用較小的玻璃瓶（如透明口服液瓶）只罩住光敏三極管，將接收模塊和揚(yáng)聲器遠(yuǎn)離水流柱。

（4）開始實(shí)驗(yàn)并觀察現(xiàn)象。調(diào)整好接收模塊硅光敏三極管探頭的位置，使得水流柱在空中未散碎流下之前與接收模塊硅光敏三極管的探頭垂直接觸。一切就緒后，各模塊通電，在發(fā)射模塊的音頻輸入端接入MP3播放的音頻信號，隨著塑料瓶中水流的流出，接收模塊揚(yáng)聲器發(fā)出MP3正在播放的音樂，在水流柱和接收模塊外罩接觸的地方可以清楚地看到一個(gè)圓形的光斑。此時(shí)如果用手擋住水流，在水流柱與手接觸處也會(huì)呈現(xiàn)一個(gè)圓形光斑，但接收模塊揚(yáng)聲器的音樂聲音會(huì)突然停止；移開手恢復(fù)水流柱流到光敏三極管頭后，接收模塊揚(yáng)聲器聲音則繼續(xù)出現(xiàn)。此過程將光通信的整個(gè)過程可視化、直觀地呈現(xiàn)出來。

3 教學(xué)實(shí)用效果及反思

本實(shí)驗(yàn)以彎曲的水流柱為導(dǎo)光載體，借助LED發(fā)出的可見光傳遞電聲信號，直觀、清晰地展現(xiàn)了光通信中光在彎曲的水流柱中的傳導(dǎo)和光能攜帶聲音信息傳輸?shù)碾p重過程，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象直觀明顯，貼近光通信原理且不失科學(xué)性，應(yīng)用效果明顯，在一定程度上彌補(bǔ)了當(dāng)前物理教學(xué)中的不足。

在本實(shí)驗(yàn)中將水流柱替換為光導(dǎo)纖維，實(shí)驗(yàn)效果會(huì)更佳，因?yàn)楣庠诠鈱?dǎo)纖維中的傳導(dǎo)效果更好；能量損耗比其在水流柱內(nèi)更小。在實(shí)際教學(xué)應(yīng)用中，建議先用水流柱來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，因?yàn)樗魇菍W(xué)生生活中非常熟悉的事物，便于觀察和理解。在此基礎(chǔ)上，可選擇適當(dāng)時(shí)機(jī)，引入光導(dǎo)纖維進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以便學(xué)生更直觀、深入地理解光纖通信的實(shí)質(zhì)。同時(shí)，本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)取材簡便，成本低廉，現(xiàn)象明顯，亦可作為初、高中學(xué)生的“STEAM”教育中科技實(shí)踐活動(dòng)的內(nèi)容，可以進(jìn)一步拓展改進(jìn)為利用可見光通信的臺燈（如圖5所示）、激光通信演示實(shí)驗(yàn)等[8]。這些實(shí)驗(yàn)將極大地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)的興趣，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力，促進(jìn)信息化時(shí)代背景下學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的有效提升。

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（欄目編輯 趙保鋼）