巧用強光手電筒演示“光纖通信”原理

江蘇省南京市育英第二外國語學校(210044) 沈孝兵

光纖通信是人類20世紀最偉大的技術發(fā)明之一，也是今天互聯(lián)網、無線通信、物聯(lián)網、大數據等幾乎所有網絡業(yè)務和應用的根基。光纖通信具有傳輸容量大、保密性好等優(yōu)點，現(xiàn)已成為當今最主要的有線通信方式。沒有光纖通信作為基礎和支撐，人類可能還處于網絡的“石器時代”。最基本的光纖通信系統(tǒng)由光發(fā)信機、光收信機、光纖線路、中繼器以及無源器件組成。其中光發(fā)信機負責將信號轉變成適合于在光纖上傳輸的光信號，光纖線路負責傳輸信號，而光收信機負責接收光信號，并從中提取信息，然后轉變成電信號，最后得到對應的話音、圖象、數據等信息。筆者用強光手電筒制作了一個自制教具，可以演示“光纖通信”的原理，制作及演示過程如下。

1 所需器材

光纖(直徑10 mm,長度1 m),強光手電筒，太陽能電池板，小蜜蜂擴音機，小功放，手機(或收音機)。

2 制作方法

教具實物圖如圖1所示。將光導纖維彎成半圓形，再將強光手電筒對準光導纖維的一端，手電筒發(fā)光后，光會沿彎曲的光纖傳到另一端，在光纖另一端的下方放一塊太陽能電池板接收由光纖傳過來的光信號。用音頻線將太陽能電池板的正負極與小蜜蜂擴音機的音頻輸入端相連，再將手機(或收音機)的音頻信號與小功放相連，并將功放的輸出端用強光手電筒的充電線與強光手電筒的充電接口相連。

圖1 實物圖

3 實驗原理

強光手電筒和功放相當于光發(fā)信機，手機(或收音機)的音頻信號經功放放大后被加在強光手電筒的發(fā)光二極管上，使手電筒發(fā)出光的亮度隨音頻信號的變化而變化。光導纖維將強光手電筒發(fā)出的光傳到另一端照在太陽能電池板上。

太陽能電池板和小蜜蜂擴音機相當于光收信機，太陽能電池板收到亮度隨音頻信號的變化而變化的光，太陽能電池板將變化的光信號變成變化的電信號，小蜜蜂擴音機將電信號放大后還原成聲音。

4 演示方法

4.1 用電壓傳感器演示數字信號的傳播過程

不開手機的聲音和功放，將太陽能電池板的輸出端接電壓傳感器，再將強光手電筒打開成閃光模式，電壓傳感器在電腦上自動記錄了太陽能電池板的輸出電壓大小隨光的亮度變化而變化的圖像，如圖2所示。好像一串“0101”的數字信號通過光纖被傳到了電腦上。

圖2 輸出電壓變化圖像

4.2 用小蜜蜂擴音機演示數字信號的傳播過程

不開手機的聲音和功放，將太陽能電池板的輸出端接小蜜蜂擴音機的音頻輸入端，再將強光手電筒打開成閃光模式，在強光手電筒一閃一閃的同時，我們會聽到小蜜蜂擴音機發(fā)出與光信號頻率相同的“滴滴”聲。

4.3 用小蜜蜂擴音機演示模擬信號的傳播過程

打開手機和功放，將太陽能電池板的輸出端接小蜜蜂擴音機的音頻輸入端，再將強光手電筒打開成常亮模式，用手機播放一首歌，我們會看到強光手電發(fā)出的光隨音樂的節(jié)奏閃動，同時我們會聽到音樂聲從小蜜蜂擴音機發(fā)出，這樣就演示了模擬信號的傳播過程。

本實驗裝置不僅可以用電壓傳感器或小蜜蜂擴音機兩種方式生動形象地演示數字信號傳播過程，還可以利用手機方便地演示模擬信號的傳播過程；演示過程中可以讓學生認識到光不僅具有能量，還能傳遞信息；還可以讓學生從能量轉化的角度來理解光纖通信過程。讓學生在理解光纖通信原理的同時感受到物理學中的重大發(fā)現(xiàn)對人類文明進程所產生的巨大的推動作用。