光全反射的應用——光纖通信模擬演示實驗

李悅 李剛

摘?要：設計并制作一種全程可視的光纖通信模擬演示裝置，應用于“光全反射的應用-光纖傳輸信息的基本原理”課堂教學中，通過光纖傳輸聲音信號和可視圖像信號的直觀演示，有效突破“光載體在光導纖維中是如何傳遞”的教學瓶頸，為學生搭建起物理與生活的科技之橋.

關(guān)鍵詞：光纖通信;光的全反射;自制教具

文章編號：1008-4134（2020）11-0052中圖分類號：G633.7文獻標識碼：B

1?光纖通信模擬演示實驗裝置設計

1.1?設計思想

基于將物理原理可視化的原則，教具應能清晰直觀地向?qū)W生重現(xiàn)在類似光導纖維的塑料絲和石英棒中進行遠距離高質(zhì)量傳遞音頻和圖像信息的現(xiàn)象，揭示光在光纖中全反射的傳輸方式和傳輸條件，應能激發(fā)學生對探究物理奧秘的欲望和對相關(guān)知識的深刻理解[1].

本實驗分為兩部分：第一部分選用塑料絲束和光源以及望遠鏡等組件實現(xiàn)視頻傳輸并將圖像呈現(xiàn)在學生面前;第二部分選用彎曲石英棒和紅外發(fā)射接收裝置實現(xiàn)以光信號為載體的音頻傳輸及聲音還原.比較塑料絲束或石英棒彎曲部位浸入在飽和糖溶液中前后的現(xiàn)象，突顯光全反射的發(fā)生條件.

1.2?相關(guān)原理介紹

本教具（圖1）最大特色在于運用了光纖視頻傳輸（視頻）技術(shù)和光纖音頻通訊技術(shù)，同時自制了能較高質(zhì)量傳輸光信號的模擬光纖.光纖視頻技術(shù)的主要原理為：將若干擁有良好光學絕緣特性的光導纖維制作成光纖束，其內(nèi)部呈幾何對稱分布的玻璃纖維會

接收入射光圖像并使其進行精準傳遞.光纖音頻技術(shù)工作原理框圖如圖2所示，發(fā)射端首先將接收到的音頻信號轉(zhuǎn)化為電信號，再通過光電轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)化為光信號.光信號依據(jù)全反射原理在光導纖維中傳輸，然后通過光電轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)化為電信號，通過揚聲器傳輸音頻信號[2].

1.3?材料準備

1.4?演示實驗裝置制作

1.4.1?無線圖傳裝置的制作

該裝置采用75度一體攝像頭和4.3寸的液晶屏以及5.8g接線對高性能低功率的處理器進行接線處理，選擇兩個750mA的電池和充電線對其裝置進行供電.如圖3所示，其中左側(cè)為攝像端，右側(cè)為接收顯示屏.

1.4.2?紅外發(fā)射模塊、紅外檢測模塊、紅外接收模塊的制作

紅外發(fā)射、接收和檢測的模塊實物圖和設計電路圖分別如圖4和圖5所示.發(fā)射模塊能將從音樂播放器中獲取的音頻信號進行調(diào)制發(fā)射紅外線;檢測模塊則通過指示燈點亮狀態(tài)顯示不可見紅外線的真實存在;接收模塊檢測并接收紅外光信息，經(jīng)解調(diào)放大由揚聲器還原聲音.

1.4.3?彎曲石英棒、塑料絲束的制作

配制折射率約為1.51的飽和蔗糖溶液，選用一根折射率約為1.46且直徑為1cm、長度為40cm的中間彎曲的石英玻璃棒，如圖6所示.

選折射率約為1.49由100根直徑為1mm、長為500mm導光良好的絕緣塑料絲，將其兩端嚴格按點對稱排布并固定，制成塑料絲束，如圖7所示.

2?相關(guān)配套實驗演示

2.1?“魔光桶”實驗

本實驗應用于課堂引入環(huán)節(jié)，其目的為向?qū)W生展示光可以在液體柱中傳播的現(xiàn)象.如圖8所示，其主要操作步驟為：擰開瓶蓋形成外噴水柱，打開安裝于另一側(cè)并瞄準出水孔的激光筆，可觀察到 “水流變綠”“光轉(zhuǎn)彎了”等光學現(xiàn)象.

2.2?光纖視頻傳輸實驗

本實驗的具體操作步驟如下：

（1）將光源固定于左端，望遠鏡和攝像頭安置在右端.打開開關(guān)讓學生觀察顯示屏的狀態(tài)（觀察到現(xiàn)象：顯示屏變亮，但未出現(xiàn)任何圖像）.

（2）將鏤空數(shù)字“2”的擋光片（被照物）放在光源前（觀察到現(xiàn)象：顯示屏仍未出現(xiàn)任何圖像）.

（3）當彎曲塑料絲束的兩端與光源和望遠鏡相連，可觀察到顯示屏上出現(xiàn)了數(shù)字“2”，此時光在絲束內(nèi)彎折處反射形成明亮區(qū)域.

（4）將絲束彎曲部位浸入到折射率較大的飽和蔗糖溶液中，可觀察到顯示屏上的數(shù)字“2”消失了，將絲束與蔗糖溶液分離，數(shù)字“2”不完全的呈現(xiàn).

（5）絲束浸入清水中經(jīng)毛筆對絲束進行清洗后數(shù)字“2”復現(xiàn).

2.3?光纖音頻通訊實驗

本實驗演示如下：

（1）發(fā)射紅外線的實證：紅外探測頭正對紅外發(fā)射頭放置，發(fā)射端不通電時檢測指示燈熄滅，通電則亮起，證明通電的發(fā)射器在連續(xù)發(fā)射不可見的紅外線.

（2）將紅外發(fā)射模塊與音樂播放器相連接，另一端的紅外接收模塊與揚聲器相連接，觀察實驗現(xiàn)象（可觀察到現(xiàn)象：揚聲器放出聲音）.

（3）移動亞克力板，改變紅外發(fā)射模塊與紅外接收模塊之間的距離（可觀察到現(xiàn)象：隨著紅外發(fā)射模塊與接收模塊的距離變化，揚聲器發(fā)出的聲音也發(fā)生改變;距離遠時，幾乎聽不到聲音）.

（4）將石英棒兩個端面以正對紅外發(fā)射頭和接收頭方式放置（可觀察到現(xiàn)象：放上石英棒后聲音明顯變大，變清晰了）.

（5）將棒彎曲部位浸入到飽和蔗糖溶液中（觀察到現(xiàn)象：彎曲部位浸入到蔗糖溶液中就幾乎聽不到聲音;棒與蔗糖溶液一旦分離，聲音明顯恢復）.

3?相關(guān)教學設計

本課題設計的“光全反射的應用——光纖通信模擬演示實驗”應用于物理選修3-4“光導纖維及其應用”的教學內(nèi)容，其部分教學設計見表2.

1.直觀演示光導纖維在遠距離傳遞圖像上的應用學生能解釋光經(jīng)彎曲塑料絲束后在顯示屏上顯現(xiàn)數(shù)字“2”圖形的光學原因;了解絲束的端面為數(shù)個獨立的像元概念;能大概畫出在拐角處的光路示意圖

2.有效驗證光在塑料絲（光導纖維）中發(fā)生全反射知道浸入折射率更大的蔗糖溶液中，是改變了光的傳播方式——由“光密介質(zhì)向光疏介質(zhì)”變?yōu)椤肮馐杞橘|(zhì)向光密介質(zhì)”，能利用全反射條件說明圖像消失的原因，鞏固全反射條件的理解和掌握

光纖音頻通訊

直觀演示紅外線在通訊方面的應用，再現(xiàn)全反射方式在光纖中傳輸紅外線的重要性知道不可見的紅外線同樣可以傳輸信息、發(fā)生全反射，遵循同樣的全反射條件.了解光通訊的基本技術(shù)環(huán)節(jié)以及信息時代應用光纖通訊的優(yōu)勢

4?實驗拓展和延伸

4.1?介紹醫(yī)療常用的光纖內(nèi)窺鏡的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

可類比引伸到內(nèi)窺鏡，其基本結(jié)構(gòu)及兩大功能“導光”和“接收圖像”原理與本實驗完全相同，能有效解除學生因看不到內(nèi)窺鏡結(jié)構(gòu)而引發(fā)的想象困惑.

4.2?了解“調(diào)制和解調(diào)”的基本作用

電磁波傳播的兩個基本環(huán)節(jié)“調(diào)制”和“解調(diào)”也是學習的困惑點，本實驗能以實物形式指明這兩個環(huán)節(jié)出現(xiàn)在電磁信息完整傳輸鏈上的具體節(jié)點，實驗還可進一步演示：若去掉兩個環(huán)節(jié)中的任一個環(huán)節(jié)，就不能接收或還原不到原有的信息，學生能從中體會到這兩個功能互為相反的信息處理環(huán)節(jié)在發(fā)送、接收過程中互不可缺的重要性.

4.3?認識“中繼通信”的原理

延長通信距離的主要方法“中繼通信”是學生所陌生的，實驗可以直觀展現(xiàn)傳輸中信號的衰減和接收端（中繼站）對信號的放大和轉(zhuǎn)換，簡介傳輸技術(shù)的基本概念.

參考文獻：

[1]吳銳芬，肖化.淺談趣味實驗在物理教學中的應用——以“全反射”為例[J].物理教學，2016，38（07）：43-45.

[2]徐梓洋，徐天佑，楊磊.光纖通信技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展前景研究[J].科技與創(chuàng)新，2018（01）：160-161.

（收稿日期：2020-04-01）