農(nóng)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(jié)“越來越寬的信息之路”的重難點,同時也是現(xiàn)代物理學運用于生活、生產(chǎn)的重要章節(jié),經(jīng)過多年的教學實踐發(fā)現(xiàn),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?qū)W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(xiàn)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(zhuǎn)化的,加之本節(jié)知識點不是中考的重點考查內(nèi)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?qū)W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(jié)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(nóng)村中學一線物理教師在開發(fā)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(fā)射端首先要把傳送的信息(如話音)變成電信號,然后調(diào)制到激光器發(fā)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(fā)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(jīng)解調(diào)后恢復原信息[1]．根據(jù)光纖通信的基本原理,光纖通信系統(tǒng)的組成如圖2所示．

圖2 光纖通信系統(tǒng)的組成

3 可視光纖通信的實驗制作

3.1 實驗器材

手機、數(shù)據(jù)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(fā)射端制作方法:手機播放音樂產(chǎn)生音頻信號,用數(shù)據(jù)線把手機產(chǎn)生的音頻信號輸入功放機,目的是把音頻信號轉(zhuǎn)化為脈沖電流,相當于光纖通信系統(tǒng)中的電信號輸入．接著用導線將功放機產(chǎn)生的脈沖電流接入大功率LED手電產(chǎn)生脈沖光信號,相當于光纖通信系統(tǒng)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(nèi)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(tǒng)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(tǒng)中的電接收機．

根據(jù)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(jù)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(xiàn)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(nèi)點燃蚊香產(chǎn)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(chǎn)生的激光束從Z字形箱體的下端口不斷地調(diào)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(fā)生反射現(xiàn)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(xiàn)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(jié)構(gòu)和基本原理．

圖5 光在Z字形箱體中發(fā)生反射現(xiàn)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(fā)光,當把連接功放機的數(shù)據(jù)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(fā)出一閃一閃的光．此實驗現(xiàn)象可以說明手機播放的音樂通過功放機轉(zhuǎn)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(chǎn)生脈沖光,同時也說明該過程是聲信號轉(zhuǎn)化為電信號,電信號轉(zhuǎn)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(fā)射端的基本原理．

接下來將大功率LED手電發(fā)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(fā)出手機播放的音樂,此實驗現(xiàn)象可以說明大功率LED手電發(fā)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(fā)生光電轉(zhuǎn)化,把脈沖光轉(zhuǎn)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(xiàn)象可以間接地說明教學用小蜜蜂發(fā)出的音樂是由大功率LED手電發(fā)出的脈沖光所產(chǎn)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(fā)出的音樂受到干擾,出現(xiàn)失真現(xiàn)象,去除其他光的干擾后,教學用小蜜蜂發(fā)出的音樂恢復原來的效果．通過此實驗現(xiàn)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(chuàng)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(xiàn)的實驗效果更加具有真實性和直觀性．通過教學實踐發(fā)現(xiàn),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(jié)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(fā)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(xiàn)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(jié)束語

實驗作為物理學的重要組成部分,對培養(yǎng)學生的物理學科核心素養(yǎng)意義重大,通過教學實踐表明,在農(nóng)村中學中,特別是我國中西部的農(nóng)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(xiàn)代物理技術的魅力,從而激發(fā)學生學習物理知識的興趣,給學生打好中學階段的基礎．