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

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

光通信 水透鏡 焦距測(cè)量 STS原則

利用水透鏡光通信演示儀可進(jìn)行多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)探究，促進(jìn)學(xué)生對(duì)知識(shí)的深入理解與靈活應(yīng)用.結(jié)合人教版初中物理八年級(jí)上冊(cè)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(xué)生動(dòng)手操作測(cè)量其焦距，有利于加深對(duì)透鏡相關(guān)知識(shí)的理解.并且，水透鏡光通信是對(duì)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(jí)全一冊(cè)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(shí)，可以用本教具進(jìn)行形象生動(dòng)的原理解說展示，有效幫助學(xué)生理解光通信.

水透鏡光通信演示儀是通過透鏡成像對(duì)遠(yuǎn)距離光信號(hào)傳輸?shù)膽?yīng)用，同時(shí)可以較準(zhǔn)確地測(cè)得焦距較長(zhǎng)的厚凸透鏡的焦距.在光信號(hào)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(hào)傳輸效果達(dá)到最佳，幫助學(xué)生突破光信號(hào)測(cè)量焦距的難點(diǎn).該演示儀供探究和替換的元素較多，可提升學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)意識(shí)，有效地把物理知識(shí)與生活實(shí)際聯(lián)系起來，體現(xiàn)STS原則.

1 設(shè)計(jì)原理

類比遠(yuǎn)距離物體成像法測(cè)焦距，水透鏡光通信演示儀利用兩個(gè)水透鏡(裝水的圓底燒瓶)將高亮LED燈發(fā)出的光信號(hào)傳遞，大幅減少光信號(hào)損失，用光電探測(cè)器(硅光電池)接收.而信號(hào)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(cè)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(cè)器；⑦揚(yáng)聲器圖1 水透鏡光通信演示儀原理圖

整個(gè)裝置分為發(fā)射信號(hào)模塊、信號(hào)傳輸模塊和接收信號(hào)模塊.在發(fā)射信號(hào)模塊中，由麥克風(fēng)或MP3發(fā)出聲音信號(hào)，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(hào)傳輸模塊中，將高亮LED燈置于水透鏡1的焦點(diǎn)上，由類似點(diǎn)光源發(fā)出的發(fā)散的光信號(hào)經(jīng)過水透鏡后匯聚成平行光，方便信號(hào)快速無損失的遠(yuǎn)距離傳輸，并在另一端由另一個(gè)水透鏡將平行光匯聚在焦點(diǎn)上.而在信號(hào)接收模塊中，位于焦點(diǎn)位置的光電探測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，通過功率放大器，最終由揚(yáng)聲器發(fā)聲.各模塊間彼此獨(dú)立，距離可調(diào)，方便進(jìn)行探究性實(shí)驗(yàn).

2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)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(hào)發(fā)射模塊(俯視圖)

①功率放大器；②揚(yáng)聲器；③小型硅光電池(光電探測(cè)器)；④圓底燒瓶(水透鏡)

圖3 水透鏡光通信演示儀信號(hào)接收模塊(俯視圖)

3 裝置用途

3.1測(cè)定水透鏡焦距大小

常規(guī)測(cè)透鏡焦距方法，即用平行光照射透鏡使其匯聚光線，對(duì)于表面彎曲程度大焦距小的水透鏡不適用，易造成較大測(cè)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(kuò)音效果進(jìn)行各元件位置調(diào)節(jié)，從而確定焦點(diǎn)位置.

對(duì)于發(fā)射模塊的水透鏡1，測(cè)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(dòng)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(fù)以上步驟，直到光斑大小不隨LED燈前后移動(dòng)而改變[2]，則可認(rèn)為此時(shí)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(cè)器，前后移動(dòng)光電探測(cè)器使其處于水透鏡2光線匯聚的點(diǎn)上，此時(shí)光信息最為集中，收音效果也最好.由此可測(cè)得水透鏡2中心與光電探測(cè)器的距離為水透鏡2的焦距大小.

3.2遠(yuǎn)距離傳輸光信號(hào)

光信號(hào)在自然環(huán)境中極易受到干擾和損失，而由點(diǎn)光源發(fā)出的光在無外界條件的干預(yù)下?lián)p失極快.由于LED發(fā)光輝度高，且響應(yīng)時(shí)間短至納秒量級(jí)，而普通光源如小燈泡響應(yīng)時(shí)間為毫秒量級(jí)，相比之下LED比小燈泡更適用于光通信[3].利用實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可驗(yàn)證：沒有放入水透鏡的情況下，高亮LED燈與光電探測(cè)器距離大于50 cm時(shí)，光信號(hào)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(huì)損失殆盡的光信號(hào)，可以在10 m的遠(yuǎn)距離內(nèi)進(jìn)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(yuǎn)距離傳遞光信號(hào)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(xué)中可借助水透鏡光通信演示儀進(jìn)一步向?qū)W生說明光纖通信的原理.

3.3擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)

該演示教具各個(gè)部件均可簡(jiǎn)單拆卸與替換，可用于師生進(jìn)行不同難度與內(nèi)容的探究性實(shí)驗(yàn)，從而啟發(fā)思考，解決認(rèn)知困難.以下列出可供參考的擴(kuò)展實(shí)驗(yàn).

實(shí)驗(yàn)1：簡(jiǎn)單探究發(fā)射模塊電路的接法，理解聲、電、光信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系.

實(shí)驗(yàn)2：通過移動(dòng)模塊整體，改變發(fā)射和接收模塊間距離，探究傳輸距離對(duì)光通信的影響.

實(shí)驗(yàn)3：探究光電探測(cè)器位置改變對(duì)光通信的影響，加深對(duì)透鏡焦距意義的認(rèn)識(shí).

實(shí)驗(yàn)4：將水透鏡替換為普通光學(xué)透鏡，利用裝置進(jìn)行焦距測(cè)量.

實(shí)驗(yàn)5：利用薄膜透鏡或不同大小的圓形燒瓶替代水透鏡，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，例如凸透鏡焦距長(zhǎng)短與什么有關(guān)[5]、不同透鏡光信號(hào)傳輸效果，以達(dá)到趣味擴(kuò)展的目的.

4 總結(jié)

該裝置引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)充分體現(xiàn)了STS教育原則，裝置的整體設(shè)計(jì)理念注重激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性，達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手實(shí)驗(yàn)、分析探究能力以及創(chuàng)新思維的實(shí)驗(yàn)教學(xué)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(cè)量，還可幫助學(xué)生理解光通信的基本原理及信號(hào)轉(zhuǎn)換技術(shù)，以聯(lián)系生活實(shí)際，進(jìn)行應(yīng)用延伸、知識(shí)擴(kuò)展.可總結(jié)為如下兩個(gè)特點(diǎn)：

(1)美觀兼實(shí)用，實(shí)驗(yàn)效果明顯，利于教師講解

演示儀外形美觀且功能實(shí)用，實(shí)驗(yàn)效果明顯，以視聽結(jié)合的趣味效果，調(diào)動(dòng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)積極性,便于教師講解,深化學(xué)生對(duì)于透鏡及光通信的理解.

(2)模塊化設(shè)置，獨(dú)立清晰可調(diào)，便于學(xué)生探究

本裝置根據(jù)功能分成3個(gè)獨(dú)立模塊,組成結(jié)構(gòu)清晰明了,可進(jìn)行簡(jiǎn)單拆卸與元件調(diào)節(jié)變換,便于學(xué)生進(jìn)行擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)探究,培養(yǎng)學(xué)生自主思考、動(dòng)手操作的能力.

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

2 崔勝春. 認(rèn)識(shí)凸透鏡焦距的測(cè)量方法.中學(xué)生數(shù)理化(八年級(jí)物理)(配合人教社教材),2015(11):16～24

3 胡國(guó)永. 基于LED的可見光無線通信關(guān)鍵技術(shù)研究:[學(xué)位論文].廣州：暨南大學(xué),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(xué)位論文].南京：南京郵電大學(xué),2014

5 廖天生. 實(shí)驗(yàn)探討影響凸透鏡焦距的因素. 中學(xué)生數(shù)理化(教與學(xué)),2013(01):77

6 滕燁平. 淺談初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)與STS教育. 文理導(dǎo)航(中旬),2015(08):22～23

7 曹蘊(yùn)瑞.學(xué)生實(shí)驗(yàn)用可變焦水透鏡的設(shè)計(jì)及制作.物理教學(xué)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(dǎo)教師：李德安(1974- )，男，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，主要從事物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作.