楊國平 王金娜

(嘉峪關(guān)市第五中學(xué) 甘肅 嘉峪關(guān) 735100)

1 制作背景

激光通信技術(shù)是近年來快速發(fā)展的高新技術(shù)，是現(xiàn)代通信的主要方式之一.目前，常見的激光通信有兩類:一類是以光波為載頻，光導(dǎo)纖維(簡稱光纖)作為有線傳輸信號的通信方式，這種方式應(yīng)用最為廣泛；另一類是針對大氣的無線激光通信，利用激光束作為信道在空間[1](陸地或外太空)直接進(jìn)行語音、數(shù)據(jù)、圖像信息雙向傳送的一種技術(shù)，無線激光通信以激光作為信息載體,不使用光纖等有線信道的傳輸介質(zhì).

為了讓學(xué)生更好地理解激光、光纖通信的相關(guān)知識，人教版初中物理第二十一章第4節(jié)“越來越寬的信息之路”[2]在講到激光通信時設(shè)計了一個演示實驗，用來模擬光纖通信的原理，課本實驗如圖1所示.

圖1 課本實驗

這個模擬光纖傳輸信息原理的演示實驗，筆者認(rèn)為有如下缺陷：其一，該實驗只能觀察到光沿著細(xì)水流傳播后在地面上產(chǎn)生的光斑,不方便全班學(xué)生觀察，實驗效果不好.其二，實驗用到了水、照明用電，在教室里操作不方便也不安全.其三，這是一個類比實驗，不能直觀地演示出光纖通信的過程與原理.

為了克服此演示實驗的不足,筆者設(shè)計制作了激光、光纖傳遞信息的簡易裝置，實現(xiàn)了激光信號傳播路徑的可視化，能直觀地演示出激光通信的過程與原理，取得了理想的實驗效果，而且學(xué)生也能夠輕松上手制作.

2 實驗裝置設(shè)計原理

激光、光纖通信演示儀由激光信號發(fā)射器和激光信號接收器兩部分組成.發(fā)射器把音頻電信號放大后，調(diào)制到激光器發(fā)射，完成電光轉(zhuǎn)換.光信號通過空氣或光導(dǎo)纖維傳到接收端，光敏電阻把接收到的光信號轉(zhuǎn)換為電信號電流,完成光電轉(zhuǎn)換，經(jīng)放大后輸入蜂鳴片，還原成聲音.激光、光纖通訊過程如圖2所示.

圖2 激光、光纖通信過程

2.1 激光信號發(fā)射器設(shè)計原理

激光發(fā)射器主要由音樂芯片、三極管、激光頭和電源等組成.音樂三極管輸出的音頻電信號經(jīng)三極管放大后調(diào)制到激光器，完成電光轉(zhuǎn)換，激光器把加載有音頻信號的激光發(fā)射出去，其原理如圖3所示.

圖3 激光信號發(fā)射器原理圖

2.2 激光信號接收器設(shè)計原理

激光信號接收器主要由光敏二極管、三極管、升壓電感、壓電蜂鳴片、電阻、電源等組成.光敏二極管接收到激光器發(fā)射的光信號后，將攜帶有音頻信息的光信號轉(zhuǎn)換為帶有音頻信息的電流，完成光電轉(zhuǎn)換，此過程為解調(diào)，音頻信號經(jīng)過三極管放大后，再經(jīng)過升壓電感升壓后驅(qū)動蜂鳴片發(fā)聲，完成電聲轉(zhuǎn)換，還原出音樂芯片的歌曲，其原理如圖4所示.

圖4 激光信號接收器原理圖

3 制作材料及說明

三極管：兩裝置均采用SS8050型三極管.

激光頭：選用波長為671 nm的DPSS紅光激光頭，直徑5 mm，工作電壓為3～6 V.可以從舊的激光筆上拆卸，也可以網(wǎng)上采購，價格便宜.

導(dǎo)光光纖(POF)：采用直徑5.0 mm的PS塑料光纖,長度隨意.

音樂芯片：本裝置使用的型號是BJ1562，有3個腳，又叫音樂三極管，當(dāng)有字面朝上時，三腳從上到下的順序依次是信號輸出2腳、正極1腳、負(fù)極3腳.

三腳升壓電感：采用的型號是PK3W0912-172-763，圖5是其針腳端的俯視圖，1腳為長針，具體參數(shù)如圖所示.

圖5 針腳端視圖

光敏二極管：采用2DUB型的普通光敏二極管，光通有效直徑為2.5 mm.

壓電蜂鳴片：本裝置采用陶瓷壓電蜂鳴片，直徑35 mm,頻率3 kHz,工作電壓為3～24 V，所加電壓越高，音量越高.

其他元器件：本裝置還用到1 kΩ電阻1個，長約8 cm、寬約7 cm的萬洞板2塊，紅黑細(xì)導(dǎo)線若干，飽和蔗糖水溶液， 7號3 V帶開關(guān)電池盒2個，7號干電池4節(jié)等.

以上材料可以利用身邊的廢舊物品，也可以采購新品，價格都比較低廉.

4 實驗裝置制作

首先，根據(jù)電路圖把元器件分別插到兩個萬洞板上，位置要合適，分布要均勻，便于焊接，需要穿線的地方用電鉆打洞.

其次，把上述元器件按照原理圖用導(dǎo)線和電烙鐵焊接起來.焊接時要注意三極管、音樂芯片、升壓電感的針腳順序，以及光敏二極管、激光頭、壓電蜂鳴片的電流方向，接反了無法工作或者會被燒壞.

最后，焊接好后，再次檢查各元器件的連接方向是否正確，焊接是否牢固，然后再裝電池開始實驗，裝電池時開關(guān)要斷開.

焊接好的實物裝置如圖6所示，分別叫做激光信號發(fā)射器和激光信號接收器.

圖6 激光、光纖演示儀實物圖

5 演示儀的應(yīng)用

5.1 激光無線通信實驗

閉合兩裝置的開關(guān)，蜂鳴片發(fā)出微弱的電流聲，激光器發(fā)出紅光，說明兩裝置工作正常.將激光器發(fā)出的紅光對準(zhǔn)光敏二極管，距離由幾厘米到幾十厘米都可以，蜂鳴片就會播放音樂，一般情況下對的越準(zhǔn)距離越近聲音越大，實現(xiàn)了激光的無線通信.

5.2 光纖通信實驗

繼上述實驗，用塑料光纖的兩頭分別對準(zhǔn)激光器和光敏二極管，就會聽到蜂鳴片播放音樂，從而實現(xiàn)了光纖傳輸音頻信號.塑料光纖可以任意彎曲，但不能折.

5.3 光纖全反射實驗

閉合激光信號發(fā)射器的開關(guān)，激光器發(fā)出紅光，用塑料光纖的一端對準(zhǔn)激光器，另一端對著任意位置，如桌面、墻壁、黑板等，就會看到紅色的光斑，驗證了塑料光纖對光線的全反射.如果此時將塑料光纖的彎曲部分放入飽和的蔗糖溶液中，就會發(fā)現(xiàn)光纖另一端的紅色光斑會消失，由此，在學(xué)生心中留一懸念，光在什么條件下才會發(fā)生全反射？引導(dǎo)學(xué)生開展更深一步的實驗探究.

以上實驗過程可掃描圖7的二維碼觀看筆者錄制的實驗視頻，觀看密碼：123456.

圖7 實驗視頻碼

6 演示儀的特色

目前，文獻(xiàn)介紹的激光通信模擬實驗演示儀都是大中專院校通信及相關(guān)專業(yè)的實驗設(shè)備,價格昂貴，結(jié)構(gòu)復(fù)雜,無法作為初中物理教學(xué)的教具.在初中物理課堂上,還沒有能夠直觀清晰地展現(xiàn)激光通信的實驗儀[3].而筆者制作的激光、光線通信演示儀，正好填補(bǔ)了這一空白.

6.1 能拓展完成多個實驗有助于學(xué)生完成知識遷移

本演示儀在實驗過程中性能穩(wěn)定，實驗前無需調(diào)試，能直觀地展現(xiàn)激光、光纖通信、光的全反射等多個常見的物理現(xiàn)象,并將激光通信與電學(xué)，以及無線電廣播的發(fā)射和接收等多方面的知識融會貫通，既豐富了學(xué)生知識,又?jǐn)U展了學(xué)生的思維，同時實現(xiàn)了激光通信到無線電廣播知識的遷移.

6.2 結(jié)構(gòu)簡單取材方便成本低廉便于學(xué)生動手制作

本演示儀由于結(jié)構(gòu)簡單、取材方便、制作容易、現(xiàn)象明顯,非常適合學(xué)生課外科技實踐活動.學(xué)生可以在電路板上焊接，也可以在多孔位的接線端子上進(jìn)行連接，以低成本的實驗裝置體驗了先進(jìn)的通信技術(shù)，在活動中加深理解電光、光電轉(zhuǎn)換、光的全反射現(xiàn)象,是一項有趣又有效的科技創(chuàng)新活動.

6.3 引導(dǎo)學(xué)生開展探究性的實驗促進(jìn)物理學(xué)科的深度學(xué)習(xí)

例如：在演示光的全反射實驗時，引導(dǎo)學(xué)生思考，如果把飽和蔗糖水溶液換成飽和食鹽水溶液或者其他溶液，此時會不會發(fā)生全反射呢？也可以改變蔗糖水溶液的濃度進(jìn)一步探究；在演示激光無線通信實驗時，兩裝置距離越近聲音越大，距離越遠(yuǎn)聲音越小，亦可引導(dǎo)學(xué)生思考，是不是激光信號在空氣中發(fā)生了衰減？如果兩裝置之間用紙張、玻璃或者塑料等物體隔開，還能不能接收到信號？教師應(yīng)順勢引導(dǎo)學(xué)生收集整理這些疑問，以疑問為契機(jī)，化被動為主動，激勵學(xué)生認(rèn)真鉆研教材,查閱資料，制作器材，不斷探究，在反復(fù)、螺旋式的創(chuàng)新實驗探究中，加強(qiáng)對學(xué)生的培養(yǎng)，提升物理學(xué)科素養(yǎng)，促進(jìn)物理學(xué)科的深度學(xué)習(xí).