農(nóng)村中學(xué)開(kāi)展可視光通信的實(shí)驗(yàn)探索*

夏章軍

(惠水縣擺金中學(xué) 貴州 黔南 550602)

1 引言

“光纖通信”是初中人教版九年級(jí)物理教科書(shū)下冊(cè)第二十一章“信息的傳遞”中第4節(jié)“越來(lái)越寬的信息之路”的重難點(diǎn),同時(shí)也是現(xiàn)代物理學(xué)運(yùn)用于生活、生產(chǎn)的重要章節(jié),經(jīng)過(guò)多年的教學(xué)實(shí)踐發(fā)現(xiàn),學(xué)生對(duì)此部分物理知識(shí)的學(xué)習(xí)非常感興趣,教材中以如圖1所示的實(shí)驗(yàn)裝置來(lái)向?qū)W生演示.

圖1 光沿著水流傳播

利用圖1實(shí)驗(yàn)裝置,學(xué)生觀察到的實(shí)驗(yàn)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(shí)點(diǎn)不是中考的重點(diǎn)考查內(nèi)容,部分教師在教學(xué)過(guò)程中也很少給學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示,也不按照《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2022年版)》的要求向?qū)W生講解．這樣一來(lái),教材中的原實(shí)驗(yàn)不利于學(xué)生直觀地學(xué)習(xí)和掌握“越來(lái)越寬的信息之路”這節(jié)知識(shí)的重難點(diǎn),長(zhǎng)此以往也消減了學(xué)生對(duì)物理知識(shí)的深度探索．其實(shí),我們可以低成本地利用生活中學(xué)生熟悉的生活資源對(duì)“光纖通信”實(shí)驗(yàn)進(jìn)行可視化設(shè)計(jì),一方面能對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)“信息的傳遞”知識(shí)有幫助,另一方面能對(duì)農(nóng)村中學(xué)一線物理教師在開(kāi)發(fā)和利用教學(xué)資源方面有參考價(jià)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(hào),然后調(diào)制到激光器發(fā)出的激光束上,使光的強(qiáng)度隨電信號(hào)的幅度(頻率)變化而變化,并通過(guò)光纖發(fā)送出去,從而形成傳輸端;在接收端,檢測(cè)器收到光信號(hào)后把它變換成電信號(hào),經(jīng)解調(diào)后恢復(fù)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(shí)驗(yàn)制作

3.1 實(shí)驗(yàn)器材

手機(jī)、數(shù)據(jù)線、小型功放機(jī)、導(dǎo)線若干、大功率LED手電、高亮激光指示筆、多晶太陽(yáng)能電磁板、教學(xué)用小蜜蜂、茶色玻璃板、玻璃膠、黑色膠布、廢舊手機(jī)的耳機(jī)線等．

3.2 實(shí)驗(yàn)制作的方法

(1)發(fā)射端制作方法:手機(jī)播放音樂(lè)產(chǎn)生音頻信號(hào),用數(shù)據(jù)線把手機(jī)產(chǎn)生的音頻信號(hào)輸入功放機(jī),目的是把音頻信號(hào)轉(zhuǎn)化為脈沖電流,相當(dāng)于光纖通信系統(tǒng)中的電信號(hào)輸入．接著用導(dǎo)線將功放機(jī)產(chǎn)生的脈沖電流接入大功率LED手電產(chǎn)生脈沖光信號(hào),相當(dāng)于光纖通信系統(tǒng)中的光信號(hào)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(dāng)于模擬光纖的外套,留前方不纏繞,形成觀察面,便于學(xué)生觀察光信號(hào)在模擬光纖中的傳播路徑．

(3)接收端制作方法:把廢舊手機(jī)的耳機(jī)線去掉耳塞,將耳機(jī)線的紅線接多晶太陽(yáng)能電磁板的正極、藍(lán)線接多晶太陽(yáng)能電磁板的負(fù)極,相當(dāng)于光纖通信系統(tǒng)中的光接收機(jī)．接下來(lái)將耳機(jī)線的另一端插入教學(xué)用小蜜蜂的音頻輸入口,相當(dāng)于光纖通信系統(tǒng)中的電接收機(jī)．

根據(jù)實(shí)驗(yàn)制作的方法,形成模擬可視化光纖通信的實(shí)驗(yàn)原理圖如圖3所示．

圖3 模擬可視化光纖通信的實(shí)驗(yàn)原理圖

根據(jù)模擬可視化光纖通信的實(shí)驗(yàn)原理圖(圖3),形成模擬可視化光纖通信的實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖,如圖4所示．

圖4 模擬可視化光纖通信的實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖

4 實(shí)驗(yàn)過(guò)程及現(xiàn)象

4.1 模擬光在光導(dǎo)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(shí)在箱體內(nèi)點(diǎn)燃蚊香產(chǎn)生煙霧,目的在于讓學(xué)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(xué)生能夠通過(guò)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(guò)此實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可以模擬出光在光導(dǎo)纖維中的傳播樣式,有利于學(xué)生深層次地理解光導(dǎo)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(shí)驗(yàn)

如圖4所示,將實(shí)驗(yàn)裝置在水平桌面放置好,手機(jī)播放音樂(lè),讓學(xué)生聽(tīng)到,大功率LED手電不發(fā)光,當(dāng)把連接功放機(jī)的數(shù)據(jù)線插入手機(jī)的音頻輸出接口時(shí),音樂(lè)消失,但學(xué)生能夠觀察到大功率LED手電發(fā)出一閃一閃的光．此實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可以說(shuō)明手機(jī)播放的音樂(lè)通過(guò)功放機(jī)轉(zhuǎn)化為脈沖電流,脈沖電流通過(guò)導(dǎo)線輸入大功率LED手電,并使其工作,產(chǎn)生脈沖光,同時(shí)也說(shuō)明該過(guò)程是聲信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào),電信號(hào)轉(zhuǎn)化為光信號(hào)的過(guò)程,從而讓學(xué)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(lái)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(yáng)能電磁板對(duì)準(zhǔn)Z字形箱體的上端口,同時(shí)打開(kāi)教學(xué)用小蜜蜂,學(xué)生就會(huì)聽(tīng)到教學(xué)用小蜜蜂發(fā)出手機(jī)播放的音樂(lè),此實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可以說(shuō)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(yáng)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(xué)用小蜜蜂,并將音樂(lè)播放出來(lái),從而讓學(xué)生直觀地理解和掌握光纖通信接收端的基本原理．當(dāng)用書(shū)或者其他不透明的物體擋住Z字形箱體的上端口時(shí),學(xué)生將聽(tīng)不到音樂(lè),此實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可以間接地說(shuō)明教學(xué)用小蜜蜂發(fā)出的音樂(lè)是由大功率LED手電發(fā)出的脈沖光所產(chǎn)生．

當(dāng)用其他光從Z字形箱體的觀察面射入時(shí),教學(xué)用小蜜蜂發(fā)出的音樂(lè)受到干擾,出現(xiàn)失真現(xiàn)象,去除其他光的干擾后,教學(xué)用小蜜蜂發(fā)出的音樂(lè)恢復(fù)原來(lái)的效果．通過(guò)此實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,可以讓學(xué)生理解光纖外套的作用,主要是能夠避免外界光對(duì)傳輸信息的干擾．

5 實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新點(diǎn)

本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的過(guò)程,主要是利用了學(xué)生熟悉的生活資源設(shè)計(jì)并制作出低成本的“可視光通信”實(shí)驗(yàn)裝置,相比起教材中“光沿著水流傳播”這一實(shí)驗(yàn),本實(shí)驗(yàn)裝置呈現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)效果更加具有真實(shí)性和直觀性．通過(guò)教學(xué)實(shí)踐發(fā)現(xiàn),利用本實(shí)驗(yàn)裝置開(kāi)展課堂教學(xué),學(xué)生更容易學(xué)習(xí)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(diǎn),同時(shí)學(xué)生也能深刻地體會(huì)到物理科學(xué)對(duì)生活的影響,從而進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理知識(shí)的興趣[2]．“可視光通信”實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)不論是從資源的選擇上,還是從課堂教學(xué)的實(shí)踐上,都充分地體現(xiàn)了物理新課程標(biāo)準(zhǔn)提出的“從生活走進(jìn)物理,從物理走向社會(huì)”這一課程理念[3]．

6 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)作為物理學(xué)的重要組成部分,對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)意義重大,通過(guò)教學(xué)實(shí)踐表明,在農(nóng)村中學(xué)中,特別是我國(guó)中西部的農(nóng)村中學(xué),實(shí)驗(yàn)條件相對(duì)較差,開(kāi)展“可視光通信”實(shí)驗(yàn),不僅能夠讓學(xué)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(xué)生體會(huì)到現(xiàn)代物理技術(shù)的魅力,從而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理知識(shí)的興趣,給學(xué)生打好中學(xué)階段的基礎(chǔ)．