“智造”低成本光通信演示实验及其教学应用

摘 要：光通信作为现代通信技术领域的“佼佼者”，影响着人们生活的方方面面，它对中学生科学核心素养的发展具有极为重要的促进作用。现有中学物理教科书中光通信相关演示实验的缺陷在于只能演示光在弯曲水流柱中传导而不能呈现光携带信息的过程。利用LED发光特性开发的低成本光通信演示实验装置，可同时演示光在弯曲介质中传导和光携带声音信号的双重过程，便于中小学生深入理解光通信的本质。该实验取材方便，成本低廉，教学效果显著，弥补了现有实验的不足，便于师生制作与体验的同时又不失科学性，极大地提高了学生的学习兴趣、科学创新精神与实践能力。

关键词：自制教具；光通信；演示实验

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2018）6-0010-3

众所周知，光波是一种电磁波，光通信（又称“光通讯”）是以光波为载频，以光导纤维（光纤）为传输媒介的通信方式。95%的互联网络传输信号采用光纤，移动电话通讯网络中也有一段信号传输要通过光纤通信网，有线电视的干线传输亦采用的是光纤。光纤通信使用的频率为1014～1015 Hz数量级，比常用的微波频率高104～105倍，由于光波载频频率极高，通信容量巨大，因此光通信目前已经成为通讯技术中最重要的也是发展速度最快的部分之一[1]。光通信作为现代通信技术领域的“佼佼者”，影响着人们生活的方方面面，其教育价值是显而易见的，让学生学习、了解通信前沿技术，增强科学兴趣和科学自信，将有利于学生科学核心素养的提升与发展。

在我国中小学课程中，光通信部分的教学内容仅仅是描述性和介绍性的，缺少能真正让学生深入理解光通信实质的可操性实验。例如，在人民教育出版社出版的《义务教育教科书·物理九年级（全一册） 》（下称“教科书”）第二十一章第4节中有专题介绍“光纤通信”，其中安排了这样一个演示实验：“把大塑料瓶用不透光的纸包上，瓶的侧壁开个小孔。塑料瓶内盛水，水面上方放一个发光小灯泡。当水从小孔流出时，你会看到光随着弯弯的水流照到地面，在地面产生一个光斑[2]”。教科书用该实验演示光在弯曲的水流柱中的传导，用以形象地类比光在光导纤维中的传导过程。但遗憾的是，该实验并不能展示光通信中“光能携带信息”的这一本质特征，未能让学生真切、直观地体验光通信中的信息传递的实质过程。

那么，能否在一个实验中同时直观地呈现出光在弯曲介质中传导和光携带信息这两个光通信的典型特征？目前中学物理实验中尚缺乏此类简易可行的实验。为此，笔者经过长时间的尝试与实践，在原教科书所提供的实验基础上改进与开发出基于LED的低成本光通信演示实验装置，它以弯曲水流柱为导光介质，借助可见光传递电声信号，可直观展示光通信中光在弯曲的水流柱中的传导和光能携带声音信息传输的双重过程。

1 低成本光通信演示实验装置结构

最简单的可见光通信系统至少需要两部分构成，即用于调制信号光源的发射端和用于解调信号光波的接收端[3-5]。因此，根据本实验的需要，笔者将低成本光通信演示实验装置设计为发射模块、传导媒介和接收模块三个组成部分，如图1所示。

1.1 发射模块

与白炽灯泡钨丝在炽热状态下发光的原理不同，LED发光原理是由PN结半导体晶片受激而发光，它具有功耗极低、响应灵敏度高、调制性能好的显著优点[5-6]。本实验系统发射模块设计为二级放大电路（如图2 所示），以实现LED光源所发出的光能够携带声电信号。

1.2 接收模块

接收模块是将光携带的声电信号进行解调、放大与还原。本实验采用硅光敏三极管来接收携带声电信息的光信号，并将其转化为声电信号，再通过功率放大集成模块之后驱动扬声器发声（如图3所示），从而使得本实验中光通信接收模块接收和还原的声音具有较高的保真性。

1.3 光传导媒介

本实验将透明塑料瓶侧底端开一小圆孔（直径不宜过大，5～8 mm为宜），将其盛满清水后水流从瓶底孔流出形成水流柱，作为本实验中光的传导介质。根据光的全反射原理，全反射需具备两个条件：（1）光必须由光密介质射向光疏介质；（2）入射角要大于发生全反射时的临界角C。本实验中光密介质为水，其折射率为1.333[7]；光疏介质为空气，其折射率为1；据全反射发生的条件则有sinC=1/1.333，故计算出临界角C=arcsin（1/1.333）=48.6°。

本实验中使用的发光LED，所发出的可见白光平行特征性较好，如果水流与可见光同方向，入射角几乎为90°，远比临界角48.6°大，可见白光可以在水流柱内发生全反射（如图4所示），且能沿水流柱（水流柱未散碎前的透明部分）内传播较远。

2 低成本光通信演示实验装置的制作与调试

2.1 所需材料

低成本光通信演示实验装置的发射模块、接收模块所需要的主要电子元件材料如表1所示，其中各电子元件符号与图2、图3电路原理图对应。

相比于市面上光通信科技产品较为高昂的装备成本，本文提供的光通信实验演示装置的整套材料成本低廉，方便获取，可操作性强。

2.2 组装要求与调试效果

本实验装置在制作过程中可能面临的较大困难在组装和调试环节。为方便拆卸和检查故障，不妨先在万用线路实验板（又称“面包板”）上连接，待电路连接正确后再用焊锡固定。具体来讲，主要有以下几方面的步骤。

（1）组装完成后通电试测。在将各电子元件连接组装好后，首要任务是接通9 V直流电检测发射模块和接收模块是否都正常工作；在输入音频信号后检测发射模块输出端的LED能否正常发光。

（2）发射端光源对准水流注。安装步骤如下：首先，用不透光牛皮纸将塑料瓶完全包裹并粘牢，在其侧底流水孔处和流水孔正对面处的牛皮纸上剪开适当大小的孔位，这是为了减少外界光线对实验的影响；其次，在预留好的牛皮纸孔位上固定好发射端的发光LED。加水后可以调整LED的入射角度，盡可能让LED发出的光平行入射到水流柱内部。此外，可选择较大容量的塑料瓶，以保证水流的时间足够长，便于观察实验现象。

（3）接收模块增加防水措施。由于接收模块的硅光敏三极管要接收来自水流柱中的光信号，为防止接收模块被水流淋湿造成短路现象，需要给接收模块加装透明防水罩。一种方法是取适当大小的玻璃杯倒置在水平桌面罩住整个接收模块，但要注意预留好空隙，能使外界能清晰听到罩内接收模块扬声器发出的声音；另一种方法是将硅光敏三极管用较长导线连接至电路，用较小的玻璃瓶（如透明口服液瓶）只罩住光敏三极管，将接收模块和扬声器远离水流柱。

（4）开始实验并观察现象。调整好接收模块硅光敏三极管探头的位置，使得水流柱在空中未散碎流下之前与接收模块硅光敏三极管的探头垂直接触。一切就绪后，各模块通电，在发射模块的音频输入端接入MP3播放的音频信号，随着塑料瓶中水流的流出，接收模块扬声器发出MP3正在播放的音乐，在水流柱和接收模块外罩接触的地方可以清楚地看到一个圆形的光斑。此时如果用手挡住水流，在水流柱与手接触处也会呈现一个圆形光斑，但接收模块扬声器的音乐声音会突然停止；移开手恢复水流柱流到光敏三极管头后，接收模块扬声器声音则继续出现。此过程将光通信的整个过程可视化、直观地呈现出来。

3 教学实用效果及反思

本实验以弯曲的水流柱为导光载体，借助LED发出的可见光传递电声信号，直观、清晰地展现了光通信中光在弯曲的水流柱中的传导和光能携带声音信息传输的双重过程，实验现象直观明显，贴近光通信原理且不失科学性，应用效果明显，在一定程度上弥补了当前物理教学中的不足。

在本实验中将水流柱替换为光导纤维，实验效果会更佳，因为光在光导纤维中的传导效果更好；能量损耗比其在水流柱内更小。在实际教学应用中，建议先用水流柱来进行实验，因为水流是学生生活中非常熟悉的事物，便于观察和理解。在此基础上，可选择适当时机，引入光导纤维进行实验，以便学生更直观、深入地理解光纤通信的实质。同时，本实验系统取材简便，成本低廉，现象明显，亦可作为初、高中学生的“STEAM”教育中科技实践活动的内容，可以进一步拓展改进为利用可见光通信的台灯（如图5所示）、激光通信演示实验等[8]。这些实验将极大地激发学生学习科学的兴趣，培养学生的科学创新精神和实践能力，促进信息化时代背景下学生物理学科核心素养的有效提升。

参考文献：

[1]黄海清，李维民.光通信的发展历程[J].自然辩证法通讯，2010，32（1）：59-64，129.

[2]人民教育出版社课程教材研究所物理课程教材研究开发中心.义务教育教科书物理九年级（全一册）[M].北京：人民教育出版社，2013.

[3]王云，蓝天，倪国强.室内可见光通信复合光学接收端设计与分析[J].物理学报，2017，66（8）：125-133.

[4]薛家豪，李琪，徐胜男，等. 室内LED可见光通信的分集接收系统[J].物理实验，2016，（9）：15-18，22.

[5]骆宏图，陈长缨，傅倩，等.白光LED室内可见光通信的关键技术[J].光通信技术，2011（2）：56-59.

[6]刘宏展，吕晓旭，王发强，等.白光LED照明的可见光通信的现状及发展[J].光通信技术，2009（7）：56-59.

[7]赵凯华.新概念物理教程光学[M].北京：高等教育出版社，2004.

[8]王太军.多功能光通讯演示仪[P].中国专利：ZL201520786293.0， 2016-2-17.

（欄目编辑 赵保钢）