光纤通讯模拟实验演示仪的研制摘要：物理与日常生活息息相关，因此课堂上物理知识的教学应与实际生活相结合.光导纤维被广泛应用在生活中的通信、军事、医疗等多个领域，是人们日常生活中不可缺失的一种技术，但光纤传输的过程却是人们不能直接观测到的，并且很难用语言进行描述和解释.设计和制作光纤实验仪，可以将不可见的光的传输转化为人们可以感受到的声音信号，清晰地向学生展现光纤传输的过程和应用的光的全反射原理.有助于学生更直观地学习光学知识，并通过光纤实验仪向学生展现物理之美、科学之美、简约之美.关键词：光纤实验仪;光的全反射：1008-4134〔2021〕21-0043：G633.7文献标识码：B赵振宇〔1968-〕，女，黑龙江哈尔滨人，本科，副教授，硕导，研究方向：教材教法.光纤通讯技术是近年来快速开展的高新技术.光纤通信是以光波为载频、光导纤维为传输媒介的通讯方式【1】.為了便于高中学生学习人教版“光导纤维及其应用〞一节的知识，笔者设计制作了光纤通讯模拟实验演示仪.该仪器在2021年第11届“格致杯〞全国大学生、研究生物理教学技能实验设计展示活动中荣获研究生组一等奖.1光纤实验仪的研制1.1设计思想高中生对光纤通讯知识充满好奇，学生只能从理论上学习光的全反射原理及了解光通讯原理，加之无相应的模拟实验仪器演示，使得原理抽象又难以理解.因此，笔者选用红外发射模块与接收模块将眼睛看不到的光的传递转化成声音的传递，通过音箱展现出来，通过将弯曲玻璃棒放在空气中与饱和蔗糖溶液中的比照实验，强化学生对光的全反射原理的掌握，使学生能够直观地、清晰地理解光导纤维的原理及其在通讯方面的应用.1.2光导纤维的传输光束原理光导纤维由内芯、包层、涂覆层三局部组成，其中内芯的折射率n1较高，包层的折射率n2较低〔空气的折射率为n0，且n1>n2>n0〕.光束在光纤中的传输过程如图1所示.依据光的全反射原理，以一定角度射入光纤界面的光，在内芯和包层的界面之间发生屡次全反射，沿着光导纤维的方向传输，不从周围射出，到达传输光束的目的.1.3光纤通讯原理光纤通讯分为发射端和接收端两局部，发射端把音频信号转换为电信号，由其中的电光转换器把电信号电流变为光信号功率，以此完成电光转换【2】.光信号通过光导纤维传进接收端，由其中的光电转换器把光信号转换为电信号电流，以此完成光电转换，然后经发射端将电信号复原为音频信号，完成信号传输.光纤通讯模拟实验仪原理框图如图2所示.2光纤通讯模拟实验演示仪的制作2.1材料准备根据设计思路，为了实现可视化的功能，所需的材料有MP3、音响〔以代替〕、弯曲石英棒、红外发射模块、红外接收模块、玻璃板、饱和蔗糖溶液、音频线、9V电池等.2.2光纤实验仪结构设计及制作光纤实验仪主体局部由红外发射〔或接收〕模块、光导纤维〔石英棒〕、水平直线移动玻璃架三局部组成.2.2.1红外发射接收模块的制作图3和图4分别为红外发射模块和接收模块的电路图.图3为红外发射模块，经AUDIO传入的信号经三极管Q1放大后使红外发射管D1和D2发光.由于发射管的发射强度与其通过的电流成正比，所以D1和D2所发出的红外光受到音频信号的调制.图4为红外接收模块，其中D2为红外接收管，当被音频信号调制的红外光照射到D2时，在其两端产生一个随音频信号变化的电信号，经C1耦合至Q1，放大，传送出信号【3】.元件的选择与制作：三极管Q1选用8050功率管，PCM=300W，ICM=500MA，R1的功率不小于1/4W，D2为红外线接收管，不用光电二极管，是为了防止受可见光的干扰而影响实验结果.根据电路图制作PCB图，按照PCB图对元件进行摆放，如图5所示.红外发射模块通过3.5mm音频数据线与MP3相连，将MP3中波动的声音转换成红外光，进行声光转换，由直径为0.5cm的红外发射头发出红外振动信息.红外接收模块上的直径为0.5cm的红外接收模块检测和接收信息，并将该信息解调，以到达声音复原的目的，信号放大后由与红外接收模块相连的音响将声音复原出来.2.2.2光导纤维〔石英棒〕的制作高温特制的直径为0.6cm、长度为40cm中间弯曲两端直的石英玻璃棒.选材石英的原因：石英的折射率比空气的折射率大，以一定角度入射的光在玻璃棒中实现全反射.2.2.3水平直...