農村中學開展可視光通信的實驗探索*

夏章軍

(惠水縣擺金中學 貴州 黔南 550602)

1 引言

“光纖通信”是初中人教版九年級物理教科書下冊第二十一章“信息的傳遞”中第4節“越來越寬的信息之路”的重難點,同時也是現代物理學運用于生活、生產的重要章節,經過多年的教學實踐發現,學生對此部分物理知識的學習非常感興趣,教材中以如圖1所示的實驗裝置來向學生演示.

圖1 光沿著水流傳播

利用圖1實驗裝置,學生觀察到的實驗現象只是看到光沿著水流傳播和在地面上形成光斑,卻觀察不到信息是如何轉化的,加之本節知識點不是中考的重點考查內容,部分教師在教學過程中也很少給學生進行實驗演示,也不按照《義務教育物理課程標準(2022年版)》的要求向學生講解．這樣一來,教材中的原實驗不利于學生直觀地學習和掌握“越來越寬的信息之路”這節知識的重難點,長此以往也消減了學生對物理知識的深度探索．其實,我們可以低成本地利用生活中學生熟悉的生活資源對“光纖通信”實驗進行可視化設計,一方面能對學生學習“信息的傳遞”知識有幫助,另一方面能對農村中學一線物理教師在開發和利用教學資源方面有參考價值．

2 光纖通信的基本原理

光纖通信的基本原理是:在發射端首先要把傳送的信息(如話音)變成電信號,然后調制到激光器發出的激光束上,使光的強度隨電信號的幅度(頻率)變化而變化,并通過光纖發送出去,從而形成傳輸端;在接收端,檢測器收到光信號后把它變換成電信號,經解調后恢復原信息[1]．根據光纖通信的基本原理,光纖通信系統的組成如圖2所示．

圖2 光纖通信系統的組成

3 可視光纖通信的實驗制作

3.1 實驗器材

手機、數據線、小型功放機、導線若干、大功率LED手電、高亮激光指示筆、多晶太陽能電磁板、教學用小蜜蜂、茶色玻璃板、玻璃膠、黑色膠布、廢舊手機的耳機線等．

3.2 實驗制作的方法

(1)發射端制作方法:手機播放音樂產生音頻信號,用數據線把手機產生的音頻信號輸入功放機,目的是把音頻信號轉化為脈沖電流,相當于光纖通信系統中的電信號輸入．接著用導線將功放機產生的脈沖電流接入大功率LED手電產生脈沖光信號,相當于光纖通信系統中的光信號輸出．

(2)傳輸端制作方法:把茶色玻璃板切割并拼接成內徑為10 cm的Z字形箱體,并用玻璃膠密封好拼接處的縫隙,形成模擬光纖,接著用黑色膠布纏繞Z字形箱體的上、下、后三方,相當于模擬光纖的外套,留前方不纏繞,形成觀察面,便于學生觀察光信號在模擬光纖中的傳播路徑．

(3)接收端制作方法:把廢舊手機的耳機線去掉耳塞,將耳機線的紅線接多晶太陽能電磁板的正極、藍線接多晶太陽能電磁板的負極,相當于光纖通信系統中的光接收機．接下來將耳機線的另一端插入教學用小蜜蜂的音頻輸入口,相當于光纖通信系統中的電接收機．

根據實驗制作的方法,形成模擬可視化光纖通信的實驗原理圖如圖3所示．

圖3 模擬可視化光纖通信的實驗原理圖

根據模擬可視化光纖通信的實驗原理圖(圖3),形成模擬可視化光纖通信的實驗裝置實物圖,如圖4所示．

圖4 模擬可視化光纖通信的實驗裝置實物圖

4 實驗過程及現象

4.1 模擬光在光導纖維中的傳播

如圖4所示,將Z字形玻璃箱體放置于水平桌面上,同時在箱體內點燃蚊香產生煙霧,目的在于讓學生能夠直觀地觀察到激光束的傳播路徑,將高亮激光指示筆產生的激光束從Z字形箱體的下端口不斷地調整角度射入,學生能夠通過Z字形箱體的觀察面觀察到激光束不斷地發生反射現象,如圖5所示,激光束最終從Z字形箱體的上端口射出．通過此實驗現象可以模擬出光在光導纖維中的傳播樣式,有利于學生深層次地理解光導纖維的結構和基本原理．

圖5 光在Z字形箱體中發生反射現象的片段

4.2 可視光纖通信的模擬實驗

如圖4所示,將實驗裝置在水平桌面放置好,手機播放音樂,讓學生聽到,大功率LED手電不發光,當把連接功放機的數據線插入手機的音頻輸出接口時,音樂消失,但學生能夠觀察到大功率LED手電發出一閃一閃的光．此實驗現象可以說明手機播放的音樂通過功放機轉化為脈沖電流,脈沖電流通過導線輸入大功率LED手電,并使其工作,產生脈沖光,同時也說明該過程是聲信號轉化為電信號,電信號轉化為光信號的過程,從而讓學生直觀地理解和掌握光纖通信發射端的基本原理．

接下來將大功率LED手電發出的脈沖光從Z字形箱體的下端口射入,并將連接好小蜜蜂的多晶太陽能電磁板對準Z字形箱體的上端口,同時打開教學用小蜜蜂,學生就會聽到教學用小蜜蜂發出手機播放的音樂,此實驗現象可以說明大功率LED手電發出的脈沖光在Z字形箱體中不斷反射后,從Z字形箱體的上端口射出,照射在多晶太陽能電磁板上并發生光電轉化,把脈沖光轉化為脈沖電流,脈沖電流輸入教學用小蜜蜂,并將音樂播放出來,從而讓學生直觀地理解和掌握光纖通信接收端的基本原理．當用書或者其他不透明的物體擋住Z字形箱體的上端口時,學生將聽不到音樂,此實驗現象可以間接地說明教學用小蜜蜂發出的音樂是由大功率LED手電發出的脈沖光所產生．

當用其他光從Z字形箱體的觀察面射入時,教學用小蜜蜂發出的音樂受到干擾,出現失真現象,去除其他光的干擾后,教學用小蜜蜂發出的音樂恢復原來的效果．通過此實驗現象,可以讓學生理解光纖外套的作用,主要是能夠避免外界光對傳輸信息的干擾．

5 實驗的創新點

本實驗設計的過程,主要是利用了學生熟悉的生活資源設計并制作出低成本的“可視光通信”實驗裝置,相比起教材中“光沿著水流傳播”這一實驗,本實驗裝置呈現的實驗效果更加具有真實性和直觀性．通過教學實踐發現,利用本實驗裝置開展課堂教學,學生更容易學習和掌握“光纖通信”的基本原理,并能夠很好地突出和突破本節課的重難點,同時學生也能深刻地體會到物理科學對生活的影響,從而進一步激發學生學習物理知識的興趣[2]．“可視光通信”實驗的設計不論是從資源的選擇上,還是從課堂教學的實踐上,都充分地體現了物理新課程標準提出的“從生活走進物理,從物理走向社會”這一課程理念[3]．

6 結束語

實驗作為物理學的重要組成部分,對培養學生的物理學科核心素養意義重大,通過教學實踐表明,在農村中學中,特別是我國中西部的農村中學,實驗條件相對較差,開展“可視光通信”實驗,不僅能夠讓學生直觀地和深層次地掌握和理解光纖通信的基本原理,而且更能夠讓學生體會到現代物理技術的魅力,從而激發學生學習物理知識的興趣,給學生打好中學階段的基礎．