水透鏡光通信演示儀

郭 美 吳豪珊 李德安(華南師范大學物理與電信工程學院 廣東 廣州 510006)

水透鏡光通信演示儀

郭 美 吳豪珊 李德安
(華南師范大學物理與電信工程學院 廣東 廣州 510006)

水透鏡光通信演示儀既可有效幫助學生理解光通信的基本原理，又利用光、聲、電信號之間的轉(zhuǎn)換與放大輸出，為中學常規(guī)實驗透鏡焦距的測量提供新方法.實驗過程以視聽結(jié)合的趣味效果，調(diào)動學生實驗積極性.此外，本裝置的模塊化設計及部件可拆卸替換的實現(xiàn)，保證了實驗探究的開放性，充分激發(fā)了學生思維活躍性，培養(yǎng)了學生自主思考、動手操作的能力.

光通信 水透鏡 焦距測量 STS原則

利用水透鏡光通信演示儀可進行多項實驗探究，促進學生對知識的深入理解與靈活應用.結(jié)合人教版初中物理八年級上冊第五章第二、三節(jié)“生活中的透鏡”及“凸透鏡成像的規(guī)律”，水透鏡是生活中常見的透鏡，讓學生動手操作測量其焦距，有利于加深對透鏡相關(guān)知識的理解.并且，水透鏡光通信是對光纖通信原理的直觀展現(xiàn)與解釋.在人教版初中物理九年級全一冊第二十一章第四節(jié)“越來越寬的信息之路”與人教版高中《物理·選修3-4》，第十三章第二節(jié)“全反射”中均涉及光纖通信的相關(guān)知識，可以用本教具進行形象生動的原理解說展示，有效幫助學生理解光通信.

水透鏡光通信演示儀是通過透鏡成像對遠距離光信號傳輸?shù)膽茫瑫r可以較準確地測得焦距較長的厚凸透鏡的焦距.在光信號的傳輸過程中，通過元件位置調(diào)節(jié)和光路圖繪制可以使光信號傳輸效果達到最佳，幫助學生突破光信號測量焦距的難點.該演示儀供探究和替換的元素較多，可提升學生的創(chuàng)新實驗意識，有效地把物理知識與生活實際聯(lián)系起來，體現(xiàn)STS原則.

1 設計原理

類比遠距離物體成像法測焦距，水透鏡光通信演示儀利用兩個水透鏡(裝水的圓底燒瓶)將高亮LED燈發(fā)出的光信號傳遞，大幅減少光信號損失，用光電探測器(硅光電池)接收.而信號傳輸效果最優(yōu)的情況下，LED燈與水透鏡中心的距離、水透鏡中心與光電探測器間的距離大小就是水透鏡的焦距.原理圖如圖1所示.

①聲源(MP3)；②功率放大器；③LED電源；④LED燈；⑤水透鏡；⑥光電探測器；⑦揚聲器圖1 水透鏡光通信演示儀原理圖

整個裝置分為發(fā)射信號模塊、信號傳輸模塊和接收信號模塊.在發(fā)射信號模塊中，由麥克風或MP3發(fā)出聲音信號，通過音頻放大器，表現(xiàn)為高亮LED燈亮度隨音頻高低變化而變化.在信號傳輸模塊中，將高亮LED燈置于水透鏡1的焦點上，由類似點光源發(fā)出的發(fā)散的光信號經(jīng)過水透鏡后匯聚成平行光，方便信號快速無損失的遠距離傳輸，并在另一端由另一個水透鏡將平行光匯聚在焦點上.而在信號接收模塊中，位于焦點位置的光電探測器將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，通過功率放大器，最終由揚聲器發(fā)聲.各模塊間彼此獨立，距離可調(diào)，方便進行探究性實驗.

2 實驗裝置

實驗裝置實驗圖如圖2和圖3所示.

①LED電源；②功率放大器；③圓底燒瓶(水透鏡)；④高亮LED燈

圖2 水透鏡光通信演示儀信號發(fā)射模塊(俯視圖)

①功率放大器；②揚聲器；③小型硅光電池(光電探測器)；④圓底燒瓶(水透鏡)

圖3 水透鏡光通信演示儀信號接收模塊(俯視圖)

3 裝置用途

3.1測定水透鏡焦距大小

常規(guī)測透鏡焦距方法，即用平行光照射透鏡使其匯聚光線，對于表面彎曲程度大焦距小的水透鏡不適用，易造成較大測量誤差[1].而在水透鏡光通信演示儀中，則可根據(jù)接收端擴音效果進行各元件位置調(diào)節(jié)，從而確定焦點位置.

對于發(fā)射模塊的水透鏡1，測量其焦距大小的方法是借助一塊光屏，將高亮LED燈經(jīng)過水透鏡1后的光打在光屏上.前后移動光屏，若光斑大小變化則說明不是平行光，調(diào)節(jié)高亮LED位置再重復以上步驟，直到光斑大小不隨LED燈前后移動而改變[2]，則可認為此時水透鏡中心與高亮LED燈的距離為水透鏡1的焦距大小.

接收模塊的水透鏡2，則是借助光電探測器，前后移動光電探測器使其處于水透鏡2光線匯聚的點上，此時光信息最為集中，收音效果也最好.由此可測得水透鏡2中心與光電探測器的距離為水透鏡2的焦距大小.

3.2遠距離傳輸光信號

光信號在自然環(huán)境中極易受到干擾和損失，而由點光源發(fā)出的光在無外界條件的干預下?lián)p失極快.由于LED發(fā)光輝度高，且響應時間短至納秒量級，而普通光源如小燈泡響應時間為毫秒量級，相比之下LED比小燈泡更適用于光通信[3].利用實驗現(xiàn)象可驗證：沒有放入水透鏡的情況下，高亮LED燈與光電探測器距離大于50 cm時，光信號接收效果極差，甚至無法輸出音頻[4].

在水透鏡的作用下，原本在50 cm的距離下就會損失殆盡的光信號，可以在10 m的遠距離內(nèi)進行傳遞，且效果良好，受外界環(huán)境干擾不大.可以說，水透鏡的存在是遠距離傳遞光信號的必要條件.而水透鏡光通信也是光纖通信的基礎(chǔ)，在教學中可借助水透鏡光通信演示儀進一步向?qū)W生說明光纖通信的原理.

3.3擴展實驗

該演示教具各個部件均可簡單拆卸與替換，可用于師生進行不同難度與內(nèi)容的探究性實驗，從而啟發(fā)思考，解決認知困難.以下列出可供參考的擴展實驗.

實驗1：簡單探究發(fā)射模塊電路的接法，理解聲、電、光信號之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系.

實驗2：通過移動模塊整體，改變發(fā)射和接收模塊間距離，探究傳輸距離對光通信的影響.

實驗3：探究光電探測器位置改變對光通信的影響，加深對透鏡焦距意義的認識.

實驗4：將水透鏡替換為普通光學透鏡，利用裝置進行焦距測量.

實驗5：利用薄膜透鏡或不同大小的圓形燒瓶替代水透鏡，進行實驗探究，例如凸透鏡焦距長短與什么有關(guān)[5]、不同透鏡光信號傳輸效果，以達到趣味擴展的目的.

4 總結(jié)

該裝置引入實驗教學充分體現(xiàn)了STS教育原則，裝置的整體設計理念注重激發(fā)學生學習的主觀能動性，達到培養(yǎng)學生動手實驗、分析探究能力以及創(chuàng)新思維的實驗教學效果[6].

本裝置與教材聯(lián)系緊密，除了可用于常規(guī)的短透鏡焦距的測量，還可幫助學生理解光通信的基本原理及信號轉(zhuǎn)換技術(shù)，以聯(lián)系生活實際，進行應用延伸、知識擴展.可總結(jié)為如下兩個特點：

(1)美觀兼實用，實驗效果明顯，利于教師講解

演示儀外形美觀且功能實用，實驗效果明顯，以視聽結(jié)合的趣味效果，調(diào)動學生實驗積極性,便于教師講解,深化學生對于透鏡及光通信的理解.

(2)模塊化設置，獨立清晰可調(diào)，便于學生探究

本裝置根據(jù)功能分成3個獨立模塊,組成結(jié)構(gòu)清晰明了,可進行簡單拆卸與元件調(diào)節(jié)變換,便于學生進行擴展實驗探究,培養(yǎng)學生自主思考、動手操作的能力.

1 程明勇. 淺析凸透鏡焦距的確定. 中學生數(shù)理化(八年級物理)(配合人教社教材),2011(10):21～22

2 崔勝春. 認識凸透鏡焦距的測量方法.中學生數(shù)理化(八年級物理)(配合人教社教材),2015(11):16～24

3 胡國永. 基于LED的可見光無線通信關(guān)鍵技術(shù)研究:[學位論文].廣州：暨南大學,2007

4 李聯(lián)冠. 基于LED的室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)的研制:[學位論文].南京：南京郵電大學,2014

5 廖天生. 實驗探討影響凸透鏡焦距的因素. 中學生數(shù)理化(教與學),2013(01):77

6 滕燁平. 淺談初中物理實驗教學與STS教育. 文理導航(中旬),2015(08):22～23

7 曹蘊瑞.學生實驗用可變焦水透鏡的設計及制作.物理教學探討,2014(09):55～56，58

AnOptical-communicationDemonstratorwithWaterLens

Guo Mei Wu Haoshan Li De′an
(School of Physical and Telecommunication Engineering, South China Normal University, Guangzhou, Guangdong 510006)

The optical-communication demonstrator with Water lens can help students comprehend the basic principle of optical communication, and provide a new method to measure lens’s focal length through the transformation and magnification among optical, acoustic and electric signals. With the funny combination of audio and visual effects, the demonstrator can arouse students’ enthusiasm to explore physics experiments. In additions, the demonstrator is removable for its modularization design, ensuring the open experimental inquiry as well as stimulating students’ active learning, which develops the students’ ability of independent thinking and manual operation.

optical communication; water lens; measure of focal length; STS principle

2017-03-09)

郭美(1994- )，女，在讀研究生.

指導教師：李德安(1974- )，男，高級實驗師，主要從事物理實驗教學工作.