光全反射的应用——光纤通信模拟演示实验
时间：2021-02-08 20:07:09 来源：达达文档网 本文已影响 人 
李悦 李刚
摘 要：设计并制作一种全程可视的光纤通信模拟演示装置，应用于“光全反射的应用-光纤传输信息的基本原理”课堂教学中，通过光纤传输声音信号和可视图像信号的直观演示，有效突破“光载体在光导纤维中是如何传递”的教学瓶颈，为学生搭建起物理与生活的科技之桥.
关键词：光纤通信;光的全反射;自制教具
文章编号：1008-4134（2020）11-0052中图分类号：G633.7文献标识码：B
1 光纤通信模拟演示实验装置设计
1.1 设计思想
基于将物理原理可视化的原则，教具应能清晰直观地向学生重现在类似光导纤维的塑料丝和石英棒中进行远距离高质量传递音频和图像信息的现象，揭示光在光纤中全反射的传输方式和传输条件，应能激发学生对探究物理奥秘的欲望和对相关知识的深刻理解[1].
本实验分为两部分：第一部分选用塑料丝束和光源以及望远镜等组件实现视频传输并将图像呈现在学生面前;第二部分选用弯曲石英棒和红外发射接收装置实现以光信号为载体的音频传输及声音还原.比较塑料丝束或石英棒弯曲部位浸入在饱和糖溶液中前后的现象，突显光全反射的发生条件.
1.2 相关原理介绍
本教具（图1）最大特色在于运用了光纤视频传输（视频）技术和光纤音频通讯技术，同时自制了能较高质量传输光信号的模拟光纤.光纤视频技术的主要原理为：将若干拥有良好光学绝缘特性的光导纤维制作成光纤束，其内部呈几何对称分布的玻璃纤维会
接收入射光图像并使其进行精准传递.光纤音频技术工作原理框图如图2所示，发射端首先将接收到的音频信号转化为电信号，再通过光电转换器将其转化为光信号.光信号依据全反射原理在光导纤维中传输，然后通过光电转换器将其转化为电信号，通过扬声器传输音频信号[2].
1.3 材料准备
1.4 演示实验装置制作
1.4.1 无线图传装置的制作
该装置采用75度一体摄像头和4.3寸的液晶屏以及5.8g接线对高性能低功率的处理器进行接线处理，选择两个750mA的电池和充电线对其装置进行供电.如图3所示，其中左侧为摄像端，右侧为接收显示屏.
1.4.2 红外发射模块、红外检测模块、红外接收模块的制作
红外发射、接收和检测的模块实物图和设计电路图分别如图4和图5所示.发射模块能将从音乐播放器中获取的音频信号进行调制发射红外线;检测模块则通过指示灯点亮状态显示不可见红外线的真实存在;接收模块检测并接收红外光信息，经解调放大由扬声器还原声音.
1.4.3 弯曲石英棒、塑料丝束的制作
配制折射率约为1.51的饱和蔗糖溶液，选用一根折射率约为1.46且直径为1cm、长度为40cm的中间弯曲的石英玻璃棒，如图6所示.
选折射率约为1.49由100根直径为1mm、长为500mm导光良好的绝缘塑料丝，将其两端严格按点对称排布并固定，制成塑料丝束，如图7所示.
2 相关配套实验演示
2.1 “魔光桶”实验
本实验应用于课堂引入环节，其目的为向学生展示光可以在液体柱中传播的现象.如图8所示，其主要操作步骤为：拧开瓶盖形成外喷水柱，打开安装于另一侧并瞄准出水孔的激光笔，可观察到 “水流变绿”“光转弯了”等光学现象.
2.2 光纤视频传输实验
本实验的具体操作步骤如下：
（1）将光源固定于左端，望远镜和摄像头安置在右端.打开开关让学生观察显示屏的状态（观察到现象：显示屏变亮，但未出现任何图像）.
（2）将镂空数字“2”的挡光片（被照物）放在光源前（观察到现象：显示屏仍未出现任何图像）.
（3）当弯曲塑料丝束的两端与光源和望远镜相连，可观察到显示屏上出现了数字“2”，此时光在丝束内弯折处反射形成明亮区域.
（4）将丝束弯曲部位浸入到折射率较大的饱和蔗糖溶液中，可观察到显示屏上的数字“2”消失了，将丝束与蔗糖溶液分离，数字“2”不完全的呈现.
（5）丝束浸入清水中经毛笔对丝束进行清洗后数字“2”复现.
2.3 光纤音频通讯实验
本实验演示如下：
（1）发射红外线的实证：红外探测头正对红外发射头放置，发射端不通电时检测指示灯熄灭，通电则亮起，证明通电的发射器在连续发射不可见的红外線.
（2）将红外发射模块与音乐播放器相连接，另一端的红外接收模块与扬声器相连接，观察实验现象（可观察到现象：扬声器放出声音）.
（3）移动亚克力板，改变红外发射模块与红外接收模块之间的距离（可观察到现象：随着红外发射模块与接收模块的距离变化，扬声器发出的声音也发生改变;距离远时，几乎听不到声音）.
（4）将石英棒两个端面以正对红外发射头和接收头方式放置（可观察到现象：放上石英棒后声音明显变大，变清晰了）.
（5）将棒弯曲部位浸入到饱和蔗糖溶液中（观察到现象：弯曲部位浸入到蔗糖溶液中就几乎听不到声音;棒与蔗糖溶液一旦分离，声音明显恢复）.
3 相关教学设计
本课题设计的“光全反射的应用——光纤通信模拟演示实验”应用于物理选修3-4“光导纤维及其应用”的教学内容，其部分教学设计见表2.
1.直观演示光导纤维在远距离传递图像上的应用学生能解释光经弯曲塑料丝束后在显示屏上显现数字“2”图形的光学原因;了解丝束的端面为数个独立的像元概念;能大概画出在拐角处的光路示意图
2.有效验证光在塑料丝（光导纤维）中发生全反射知道浸入折射率更大的蔗糖溶液中，是改变了光的传播方式——由“光密介质向光疏介质”变为“光疏介质向光密介质”，能利用全反射条件说明图像消失的原因，巩固全反射条件的理解和掌握
光纤音频通讯
直观演示红外线在通讯方面的应用，再现全反射方式在光纤中传输红外线的重要性知道不可见的红外线同样可以传输信息、发生全反射，遵循同样的全反射条件.了解光通讯的基本技术环节以及信息时代应用光纤通讯的优势
4 实验拓展和延伸
4.1 介绍医疗常用的光纤内窥镜的内部结构
可类比引伸到内窥镜，其基本结构及两大功能“导光”和“接收图像”原理与本实验完全相同，能有效解除学生因看不到内窥镜结构而引发的想象困惑.
4.2 了解“调制和解调”的基本作用
电磁波传播的两个基本环节“调制”和“解调”也是学习的困惑点，本实验能以实物形式指明这两个环节出现在电磁信息完整传输链上的具体节点，实验还可进一步演示：若去掉两个环节中的任一个环节，就不能接收或还原不到原有的信息，学生能从中体会到这两个功能互为相反的信息处理环节在发送、接收过程中互不可缺的重要性.
4.3 认识“中继通信”的原理
延长通信距离的主要方法“中继通信”是学生所陌生的，实验可以直观展现传输中信号的衰减和接收端（中继站）对信号的放大和转换，简介传输技术的基本概念.
参考文献：
[1]吴锐芬，肖化.浅谈趣味实验在物理教学中的应用——以“全反射”为例[J].物理教学，2016，38（07）：43-45.
[2]徐梓洋，徐天佑，杨磊.光纤通信技术的现状与发展前景研究[J].科技与创新，2018（01）：160-161.
（收稿日期：2020-04-01）
