时间：2023-02-21 02:10:22
诞生源于做实验
1870年初春的一天，英国著名的物理学家丁铎尔在暗室里做试验，一股水流从容器的侧壁孔中向外流㈩。当人们从侧壁给水照明，惊奇地发现，本来直线传播的光，现在竟沿着这股弯曲的水流在耀动，变得弯曲了。这个有趣的实验，给大家留下了深刻的印象，并因此而产生人们难以估量的社会影响。
后来，人们用玻璃纤维模拟这股水流，制成了玻璃光导纤维。玻璃纤维的一端截面对准某一物体，不管它弯曲成什么样的角度和形状，都能从另一端的截面上清楚地看出射入的图像。
光是沿直线传播的，而光导纤维则是弯弯曲曲的，光是怎样从这一端传送到那一端呢?原来，光由折射率大的物质进入折射率小的物质时，在两种物质的交界面上会产生全反射，使光不进入折射率小的物质，而全部返回到折射率大的物质中。光导纤维一般由两层组成，里面一层称为内芯，直径几十微米，但折射率较高：外面一层称包层，折射率较低。从光导纤维一端入射的光线，经内芯反复折射而传到末端，由于两层折射率的差别，使进入内芯的光始终保持在内芯中传输。
结构新奇有特性
光纤按传递光的波长分为可见光、红外线、紫外线和激光传导纤维。根据其纤维结构的不同，又有芯皮型和自聚集型两大类。取下一截芯皮型结构光导纤维放在显微镜下观察，会看到断面中央有一根芯、直径只有几十微米，芯的四周是一圈包皮。芯是用折别率高的透明玻璃材料做成，包皮则用折射串低的玻璃或塑料做成。另一类自聚焦光导纤维传导光线的工作原理和芯皮型结构光导纤维有很大不同。这类光导纤维由许多微型透镜组成，能迫使入射光线逐渐自动向纤维的中心轴方向靠拢，进行聚焦，由此保证入射光线不会从纤维材料中漏出去。 光纤根据其芯材的不同，有石英系光纤、多组分玻璃光纤和塑料光纤之分。二氧化硅是制造前两种光导纤维的重要原料，从高纯度的二氧化硅或称石英玻璃熔融体中，拉出直径约100微米的细丝，称为石英玻璃纤维。普通玻璃虽然可以透光，但在传输过程中损耗大，用石英玻璃纤维光损耗则可大为降低。塑料光纤直径大、弯曲特性好、不易破断、重量轻、色散小、成本低，具有更多的优点。光的传输距离与光导纤维的光损耗大小有关，光损耗小，传输距离就长，否则就需要用中继器把衰减的信号放火。用最新的氟玻璃制成的光导纤维，可以把光信号传输到太平洋彼岸而不需任何中继站。
在实际使用时，常把千百根光导纤维组合在一起并加以增强处理，制成像电缆一样的光缆，这样既提高了光导纤维的强度，又大大增加了通信容量。同样100米长的铜电缆和光缆，若传递信息的频带宽同为40000兆赫兹，铜电缆需直径58毫米的铜缆656股，总重量近220吨，电缆外部的直径为1458毫米，耗资131万美元。而光缆只要一根直径为8.7毫米的光纤，其总重量仅为6.6千克，费用只需680美元。
电信领域显身手
光也是一种电磁波，它可以像无线电波那样，作为一种载体来传递息。载有声音、图像以及各种数字信号的激光从光纤的一端输入，就可以沿着光纤传到千里以外的另一端，实现光纤通信。光纤通信的优点是容量大、衰减小、抗干扰性强，
法国专门从事计算机、电子设备、信号处理和图像技术的波根实验室，利用光的孤波子和短脉冲，可在光纤内实现无失真传输。这一技术可解决色散和非线性效应问题，无需沿光缆设置多个再生装置。工作时只需在每100千米左右的地方设置一个放大器。孤波子波就可以相互穿越，互不干扰。
用光缆代替通信电缆，可以节省大量有色金属，每千米可节省铜1.1吨、铅2～3吨。光缆有质量轻、体积小、结构紧凑、绝缘性能好、寿命长、输送距离长、保密性好、成本低等优点。光纤通信与数字技术及计算机结合起来，可以用于传送电话、图像、数据、控制电子设备和智能终端等，起到部分取代通信卫星的作用。
近年来，由于光纤通信的异军突起，以海底光缆代替海底电缆已成为发展趋势。目前，全世界已经铺设海底光缆达40万千米，这个长度可以绕地球10圈。而且，由于两端采用了激光器，在传输中已经不再需要放大信号的中继器，这样，就会使成本大大降低，通话费用相应减少。在现代化的全球通信网络中，最长的海底光缆达3万多千米，能够把32个国家和地区连通在一起。现在，连接全世界的海底通信光纤电缆正在铺设之中。这是现今通信领域最宏伟的工程，得到全世界30个国际电信组织的支持。它横跨大西洋、穿越地中海、经红海和印度洋，穿过马六甲海峡进入太平洋，连接175个国家和地区，能够同时使240万部电话通话或同时传输几十万幅压缩的画面。
应用涵盖各方面
随着时光的变迁、技术的发展，光纤的应用领域在日益扩展，现已涉及人类社会的各个方面。
光导纤维在医学上可以用于食道、直肠、膀胱、子宫、胃等深部探查内窥镜，还可以用于不必切开皮肉直接插入身体内部的手术激光刀；在国防军事上用光导纤维制成纤维光学潜望镜，装备在潜艇坦克和飞机上，能够准确地侦察复杂地形或深层屏蔽的敌情：光导纤维可以传输激光进行机械加工，制成各种传感器用于测量压力、温度、流量、位移、光泽、颜色、产品缺陷等；在照明和光能传送方面，利用光导纤维可以实现一个光源多点照明和光缆照明。利用塑料光纤光缆传输太阳光，可以为水下地下照明。与太阳能利用结合起来，将成为最经济实用的光源。
现在，美国拉里安公司成功地运用光纤完成了输电功能，在电力领域中开拓出一条崭新的途径。他们在发送端利用半导体激光二极管，把电能转变为激光在光纤中传送，在接收端采用太阳能电池。当由光纤传来的激光照射到太阳能电池时，光能立即变成电能。如果把激光二极管的功率继续提高，再配上整套的电能传送系统，光纤输电就可以广泛地使用于各个方面。
美国通信保密专家研制的一种无规律载波信号光纤技术，专门用以对付当今日益猖獗、手段高明的窃听高手。该技术首先将话音之类的有用信息转换为数字脉冲信号，然后再将这些数字脉冲信号编码，调制到无规律变化的随机微波载体上。发送时，激光发射装置将载有信息的无规律载波信号经光纤通信系统发射至接收方。接收方的激光接收机以专用技术与发送激光装置同步动态协调工作，最终完成将有用信号从无规律载体上解调的任务。使用该技术，窃听高手们只会听到杂乱无章的噪音，再也没有他们的用武之地。
澳大利亚研制出一种光纤秤，利用一根光纤和一个激光器就可以给卡车称重。由于光纤是由玻璃制作的，它具有耐湿、耐辐射的性能，更重要的是，它易于安装和保养，适用于安装在城区的主干道、工厂周围、机场和跑道、仓库以及港口等地，进行24小时的连续工作。除了可以进行称重之外，还能够起到监控作用，精确程度远远超过现有的电子装置。
关键词：光导纤维；紫外分光光度计；六价铬；纺织品
纺织品种的纺织纤维是微量物证的一个重要组成部分，而如何快速、准确、高效的对纺织纤维中的有毒有害物质将能够对相似的纺织纤维进行同一认定。纺织品中有毒有害物质，主要有六价铬、铅、镉、铜等可萃取重金属、甲醛、PVC增塑剂、致癌致敏染料等物质[1]。六价铬是污染环境影响人类健康的主要重金属元素之一，由于其强氧化性和对皮肤的高渗透性，很容易被人体吸收，它可通过消化、呼吸道、皮肤及粘膜侵入人体。长期或短期接触或吸入时有致癌危险[2]。文章通过对六价铬的分析对纺织纤维进行检验分析。
由于六价铬的危害性大，其检测方法已被广泛关注，主要有原子发射光谱法[3]、原子吸收光谱法[4]、荧光法[5]、极谱法[6]、化学发光法[7]、质谱法[8]、直接光度法[9]和色谱法[10]等。中华人民共和国国家标准GB/T17593.3-2006规定了测定纺织品中六价铬的分光光度法，需要将处理好的溶液倒入比色皿后才能进行测定，如果比色皿清洗不干净易造成二次污染，影响检测结果。文章提出一种将光导纤维用于紫外分光光度计中测定纺织品中六价铬含量的新方法，并考察了萃取温度、萃取时间和显色时间都对六价溶出量的影响，建立了相关的动力学方程，为六价铬的测定提供了方法参考。
1 材料与方法
1.1 主要试剂
重铬酸钾储备液：准确称取2.829g在105℃干燥至恒重的重铬酸钾基准试剂溶解于三级蒸馏水中，然后稀释至1L，将此溶液转移至棕色瓶中储存于冰箱中备用；显色剂1，5-二苯碳酰二肼（分析纯）；丙酮、冰醋酸、L-组氨酸盐酸盐一水合物、氯化钠、磷酸二氢钠二水合物、氢氧化钠和磷酸，均为分析纯。
1.2 仪器与设备
用于六价铬测定的紫外可见分光光度计（包括光导纤维探头和1cm常规玻璃比色皿），为安捷伦公司生产，其型号为Cary-60。
1.3 实验方法与步骤
1.3.1 重铬酸钾标准溶液的配制
根据重铬酸钾储备液，分别配制多个已知浓度的重铬酸钾溶液，浓度范围1？滋g/L-100？滋g/L。
1.3.2 显色剂的配制
准确称取0.5g（精确到0.001g）的1，5-二苯碳酰二肼溶解于50mL丙酮中，滴加一滴冰醋酸，将此溶液转移至棕色瓶中储存于4℃冰箱中，有效期为2w。
1.3.3 酸性汗液的配制
称取L-组氨酸盐酸盐一水合物0.5g（精确到0.01g），氯化钠5.0g，磷酸二氢钠二水合物2.2g，加水定容至1L，用0.1mol/L氢氧化钠溶液调至pH值至5.5。
1.3.4 磷酸溶液的配制
将磷酸（H3PO4，ρ=1.69g/mL）与水等体积混合。
1.3.5 实验步骤
（1）标准溶液的测定
各取不同浓度的重铬酸钾标准溶液20mL，向其中分别加入1mL显色剂，1mL磷酸溶液，摇匀后静置，显色35min，测试其在540nm处的吸光度值。
（2）纺织品样品的测定
取纺织品样品，剪碎后混匀，称取4.0g试样（精确至0.01g），置于具塞三角瓶中。加入80mL酸性汗液，放入恒温水域振荡器中38℃震荡30min后取出，静置冷却至室温，过滤后作为样液供分析用。取20mL样液，向其中分别加入1mL显色剂，1mL磷酸溶液，摇匀后静置，显色35min，测试其在540nm处的吸光度值。每个实验重复3次，每个处理3个平行样。
2 结果与讨论
2.1 光导纤维的定义及其传光原理
不同的物质对相同波长光的折射角度是不同的（即不同的物质有不同的光折射率），相同的物质对不同波长光的折射角度也是不同。利用这个原理，将一些导光物质，如玻璃纤维、透明塑料等做成圆丝状光导线，即光导纤维，这种光导线里面的芯线与外层的材料的折射率不同，调整其折射率，让光线射入这个光导线时，让光线在光导线内部不停地全反射，直至让光线从光导线的这一端传到光导线的那一端，这样就可将光信息从一个地方传输到了另一地方[11]。
2.2 显色时间的选择
移取20mL质量浓度为100？滋g/L的标准溶液，加入1mL显色剂和1mL磷酸溶液，摇匀后立刻由光导纤维探头测定其吸光度值，采用实时监测的方法，测定90min内样液的吸光度，其结果如图1所示。
2.4 萃取时间的选择
选取合适的纺织品原料，加入50？滋g/L标准溶液后烘干，按照1.3.5.2的实验步骤，在震荡时间0～70min，每10min测定一次吸光度值，其结果见图3。由图3可知，0～30min范围内，随着萃取时间的增加，吸光度值也逐渐增加，萃取逐渐完全，30min后吸光度增加不明显，说明萃取已经完全。因此，选择30min为较佳的萃取时间。
2.5 工作曲线
分别移取不同浓度的铬（VI）溶液20mL，其中分别加入1mL显色剂，1mL磷酸溶液，摇匀后静置，显色35min，测试其在540nm处的吸光度值。以吸光度值对铬（VI）质量浓度作图，绘制标准曲线，如图4所示。由图4可知，铬（VI）的质量浓度在10～100？滋g/L范围内呈良好的线性关系，回归方程为A=8.5×10-4C，线性相关系数R=0.9992。
2.6 样品测试
分别取涤纶、棉布、化纤样品，剪碎后混匀，称取4.0g试样两份（精确至0.01g），置于具塞三角瓶中，一份当做空白，一份加入2？滋g/mL标准溶液2mL，按照1.3.5.2处理试样，测得空白试样和加标试样中铬（VI）的含量并计算加标回收率，结果见表1。涤纶、棉布和化纤三种纺织品中铬（VI）的加标回收率在88.6%～105.0%之间，相对标准偏差（RSD）为1.59%～2.68%。
3 结束语
利用光导纤维紫外分光光度法测定纺织品中的铬（VI），具有灵敏度高、操作简单、避免二次污染等优点，适用于纺织品中铬（VI）的测定。对其动力学的研究，确定了样品中提取铬（VI）的最优条件：最佳萃取温度38℃，最佳萃取时间30min，最佳显示时间35min。该方法的建立对纺织品中铬（VI）测定具有一定的指导意义。
参考文献
[1]郭雅妮，郁翠华，姜山，等.纺织品中有毒有害物质检测技术的研究[J].环境科学与管理，2009，34（10）：163-165.
[2]刘斌，郁翠华，文娇利，等.纺织品中铬（VI）的催化动力学分光光度法测定[J].印染，2012，3：42-45.
[3]范哲锋.活性氧化铝微柱分离富集-电感耦合等离子体原子发射光谱法在线测定水中铬III和铬VI[J].分析化学，2003，31（9）：1073-1075.
[4]叶军.火焰原子吸收分光光度法测定废水中总铬[J].环境工程，2005，23（1）：61-62.
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[10]茅文良，汪磊，张克和，等.HPLC法测定纺织品中可萃取六价铬[J].印染，2011，37（14）：37-39.
关键词：全反射与光导纤维；教学设计；教材
中图分类号：G633.7 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2012）12-0188-02
【教材分析】
《全反射与光导纤维》是上海科技教育出版社普通高中课程标准实验教科书物理选修3-4第四章第六节。“全反射”是学生在学习光的反射和光的折射定律的基础上研究的一种重要的光的现象。它在日常生活和科学研究方面都有广泛的应用。
【教学目标】
1.知识与技能：认识光的全反射现象，掌握临界角的计算公式，能够解释由于全反射而产生的一些现象。
2.过程与方法：观察光的全反射现象，分析产生全反射现象的条件，从理论上推导临界角的计算公式，并且能够用它解决一些问题。
3.情感态度与价值观：进一步体会科学理论与社会、生产、生活的联系。
【教学重点】掌握临界角的概念和发生全反射的条件。
【教学难点】解释生活中的全反射现象，处理与全反射现象有关的物理问题。
【教学方法】实验探究法 启发诱导法
【教学过程】
一、引入新课
同学们见过海市蜃楼吗？海市蜃楼是怎样形成的？（播放海市蜃楼的视频）
再请同学们看一个奇怪的现象，实验演示：拿一个底部带有小孔的盛水玻璃杯，让激光笔在底部小孔处发出光，可看见光居然沿着弯曲的水柱传出。
这两种现象都与全反射现象有关。我们今天就来学习第四章第六节全反射与光导纤维。
二、新课教学
（一）研究光的全反射现象
1.实验探究：探究光的全反射现象。
器材：装一半水的圆底玻璃烧瓶，烧瓶内水面上方充满烟雾，用木塞封住烧瓶口，激光笔若干。
进行实验：用激光笔发出的光从烧瓶底部照射进去，让光由水射向空气，注意要让光线沿着圆的半径方向射入。请仔细观察：
（1）当入射角增大时，折射角如何变化？
（2）反射光和折射光的强度如何变化？
（3）有没有看到折射光线紧贴水面（沿玻璃砖直边传播），即折射角等于90°的情况？此时，再增大入射角，你看到什么现象？
（拉上窗帘，安排10min左右的时间，学生进行探究，教师巡回指导）
2.交流。先让学生交流一下，再以小组为单位汇报观察情况。学生汇报，教师要引导并帮助归纳，达到共识：（1）光在水和空气（玻璃）界面先是既有反射又有折射。（2）入射角增加时折射角随着增加，这个过程中反射光强度增大而折射光变暗。（3）出现折射角为90°的情况但不明显，再增加入射角时，就只有反射光了。
各位同学，你们刚才看到的折射光完全消失，只剩反射光，这叫做全反射。
3.继续探究，了解产生全反射现象的条件。请思考一个问题：根据在刚才的探究过程中观察到的情况，你认为全反射现象的产生有什么条件？假如光从空气射入水，会不会发生全反射现象？用实验来验证你的结论。（给学生5min时间进行讨论和实验探究）
师生一起归纳、小结，达到一下共识：（1）必须是光从光密介质射向光疏介质。（2）入射角要大于某一个数值。
入射角要大于某个值，这是个什么概念呢？原来，从我们做的探究中可以看出，当入射角增大到一定程度时，折射角就会增大到90°，这时的入射角叫做临界角。
现在，我们就将光产生全反射现象的条件完整地叙述为：当光线从光密介质射入光疏介质时，如果入射角大于临界角，就会发生全反射现象。（板书）
4.分析论证：得出临界角的计算公式。要讨论全反射现象，知道临界角的数值显然很重要，怎样确定临界角呢？我们来论证一个简单的情况——光从折射率为n的光密介质进入■折射率为1的空气（或真空），请根据光的折射定律，推导临界角的计算公式。
学生独立推导，教师巡回指导。
通过汇报，得到临界角的计算公式：C=arcsin
（二）全反射现象的应用
1.水或玻璃中的气泡，从侧面看起来为何特别明亮？
（投影题目，让学生讨论，回答结果）
强调要阐述清楚两点：（1）光的全反射发生在什么地方？光线的走向如何？（2）因为是全反射，光的能量几乎没有损失。
2.假如有光线射入石英玻璃做的直角三棱镜（叫做全反射棱镜），光路的进行情况如何？
（投影题目，学生讨论，汇报结果）
每个实验桌上都有直角三棱镜和激光笔，同学们可以通过实验验证一下上述结论是否正确。（学生做实验验证）
全反射现象在实际生活中有不少应用。大家有没有注意到如自行车的尾灯，当晚上有光线照射上去时，它变得十分明亮醒目。它的剖面图如图所示，它其实就是一组角锥棱镜，由于全反射，它能够把入射光线充分反射回来。
3.海市蜃楼的解释（答略）。
4.已知石英玻璃的折射率是1.46，光从它射入空气时的临界角是多少？
（投影题目，学生用计算器计算，得出结果是43°）
三、家庭作业与活动
1.完成本节课学案。
2.教材97页“家庭作业与活动”1，2，3题。
3.留心观察周围生活中的情况，收集1-2个应用全反射棱镜和光导纤维的事例，下节课大家来交流。
四、教学反思
光导纤维是光通信的传输材料,是由香港中文大学前任校长高锟发明的。在玻璃纤维中传导的不是电信号,而是光信号,故称其为光导纤维。光导纤维是一种利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反射原理而达成的光传导工具。
1870年,英国科学家丁达尔做了一个有趣的实验:让一股水流从玻璃容器的侧壁细口自由流出,以一束细光束沿水平方向从开口处的正对面射入水中。丁达尔发现,细光束不是穿出这股水流射向空气,而是沿着水流弯弯曲曲地传播。这是光的全反射造成的结果。
光导纤维正是利用光的全反射原理制造的。1966年,高锟发表了“光通讯”基础理论,提出以一条比头发丝还要细的光纤代替体积庞大的千百万条铜线,用以传送容量几近无限的信息,他计算出如何使光在光导纤维中进行远距离传输。这项成果最终促使光纤通信系统问世,为当今互联网的发展铺平了道路。它的基本原料是廉价的石英玻璃,科学家将它们拉成直径只有几微米到几十微米的丝,然后再包上一层折射率比它小的材料。只要入射角满足一定的条件,光束就可以在这样制成的光导纤维中弯弯曲曲地从一端传到另一端,而不会在中途漏射。科学家将光导纤维的这一特性首先用于光通信。一根光导纤维只能传送一个很小的光点,如果把数以万计的光导纤维整齐地排成一束,并使每根光导纤维在两端的位置上一一对应,就可做成光缆。用光缆代替电缆通信具有不可比拟的优越性,比如20根光纤组成的像铅笔粗细的光缆,每天可通话7.6万人次,而1800根铜线组成的像碗口粗细的电缆,每天只能通话几千人次。
光纤传导光的能力非常强,利用光缆通讯,能同时传播大量信息。例如一条光缆通路同时可容纳10亿人通话,也可同时传送多套电视节目;光纤的抗干扰性能好,不发生电辐射,通信质量高,能防窃听。光缆的质量小,不怕腐蚀,铺设也很方便,因此是非常好的通信材料。
光纤通信的诞生和发展是电信史上的一次重要革命,与卫星通信、移动通信并列为20世纪90年代的三大通信技术。进入21世纪后,由于因特网的迅速发展和音频、视频、数据、多媒体应用的增长,对大容量(超高速和超长距离)光波传输系统和网络有了更为迫切的需求,现在美、日、英、法等20多个国家已宣布不再建设电缆通信线路,而致力于发展光纤通信。最新报告数据显示,2009年全球光纤用户数增长率将超过32%,今后几年,光纤用户还将继续以接近30%的速度增长,到2013年,全球光纤连接家庭将达到1.3亿户。我国光纤通信也已进入实用阶段。我国自行研制、生产、建设的世界最长的京汉广(北京、武汉、广州)通信光缆,全长3047公里,已于1993年10月15日开通,标志我国已进入全面应用光通信的时代。2009年上半年,国内光纤需求量首次超越美国,成为全球最大的光纤需求国。
光纤已成为信息社会的基础,正改变着我们的生活。光纤技术除了在通信方面的应用外,在医学检测领域、工业生产现场监视和调度、交通监视控制指挥、大型建筑物的结构检测、航天航空领域光纤陀螺技术、超高压输电线电流检测、潜艇声呐制造、火炮的激光控制等方面还有广泛应用,因此光导纤维被人们誉为信息时代的神经。
关键词：建筑采光 新技术 应用研究
一、导光管原理的介绍
用导光管将太阳集光器收集的光线传送到室内需要采光的地方，如中国建筑科学院已通过鉴定的无窗厂房和地下建筑天然采光研究成果，就是用此法进行天然采光。导光管，自然采光的一种新的健康、节能、环保型照明产品。
该产品无需用电，它的工作原理是将室外的自然光线通过采光罩进入系统风，经特殊制作的光导管道传输和强化后由系统的底部的漫射装置把自然光均匀漫射到室内每一个角落。超级反光的光导管，集中自然光，并可调节弯头，使光导管能够自然弯曲和转动，将自然光准确的导入你所需要的地方，从黎明到黄昏，甚至是阴雨天气，让无法从窗户透进光线的地方明亮起来。传统的天窗、侧窗等采光手段已远远不能满足这种新规格、大型、景深的建筑物内部环境采光的要求，人工照明虽然具有价格低廉、发光效率高、使用方便等诸多优点，但毕竟增加了建筑物的能耗。
二、建筑采光技术发展的必要性
国际照明委员会调查统计显示，全世界照明用电约占总发电量的11%，而建筑室内照明用电约为总发电量的5%，是一次性能源消耗的4~6%。据我国相关部门统计，2009年我国发电总量约为13680亿度，其中总发电量的11.7%为照明用电，即将近1600亿度。2010年，我国的照明用电量已经达到2000亿度。调查显示，如果这些建筑采用合理的采光技术和照明用电措施，节约照明用电的10%不是大问题，那么节电量将是200亿度，若将这些电用到工业生产的发展中，保守估计将会创造出约为100亿元生产产值。
2.1发展建筑采光技术能够创造经济效益
阳光是用之不竭、取之不尽的巨大洁净能源，充分利用自然光是人们节约用电的重要措施之一，具有重大经济和现实意义。
2.2发展建筑采光技术更有利于人们健康
众所周知建筑采用天然光比人工照明具有许多优点，人们更习惯在天然光下面生活、工作和休息。多变的自然光相对于人工光照明更有利于改善室内环境气氛，天然光更容易使建筑艺术造型表现出材料质感和立体感，提高的艺术品的视觉功效。太阳光是全波段光辐射，人们在自然光下活动能够提高自身的生理和心理舒适程度，从而更有利于身心健康。
三、最新建筑采光设计应用
长期以来人们在建筑实践中，也更愿意把天然光作为建筑采光的主要来源之一，并发展了建筑采光技术，同时积累了不少的采光经验。为顺应保护环境、节约能源和以人为本的发展主题，注定会出现一系列新的采光方法和采光技术。
3.1导光管法的应用
导光管照明系统是不同于传统照明设备的新型照明装置，这种装置可以从一个地方把自然光收集，然后传输到另一个地方并对光进行再分配，以达到对某一特定区域的照明效果。一般情况下，导光管照明系统由聚光器、导光管、光扩散元件等三部分组成。
导光管照明系统首先由聚光器采集尽可能多的太阳光，并将太阳光聚集到导光管的一端，新型采光器能够自动跟踪太阳光，这样就能最大限度地采集太阳光，但装置造价也会相应提高。光扩散元件则是通过漫反射等以及扩散附件来调节太阳光在房间释放的形式和方向，通常光扩散元件的直径会大于100mm，从而保证房间获得足够的通光量。由于在夜晚等条件下，太阳光不存在或十分微弱，所以，导光管照明系统往往需要装有后备的人工光源，以便在太阳光不足的时候作为辅助照明。
3.2光导纤维法的应用
光导纤维照明系统是另一种不同于传统采光技术的新型照明系统，该系统与导光管照明系统的最大区别就是光传输元件，本系统采用光导纤维传输光束。光导纤维传输光束能够减少光在传输过程中的能量损失，大大提高提高输出端的辐射光的能量，同时光导纤维更有利安装和维护。
光导纤维照明系统的应用研究开始于上个世纪90年代初，最早的太阳能光导纤维采光照明系统的玻璃纤维传导光束，仅把太阳光传到室内1m处的地方。2008年11月由我国某玻璃研究所研制的全自动跟踪太阳光光导纤维采光照明装置项目顺利通过鉴定验收，该系统能够满足十层高楼下地下室的采光需要，指标达到了国外同类产品先进水平，在性价比方面更是处于世界领先水平。
以某办公大楼使用光导纤维照明系统前后的耗能量对比为例，在这栋大楼中改造前虽然使用了各式各样的设备和各种措施，如使用节能照明灯具、加镇流器、使用反光装置和多次照明等，但照明系统的耗能量仍占总能耗量的37%左右，大约12万度。使用光导纤维照明系统对这栋进行整改后，照明系统的效率得到大大提高，平均每月能够减少7.5%的能源消耗量，特别在夏季能源消耗量能够减少12.5%。这样每年大概能节约用电1万度。
3.3其它采光技术的应用
聚光反射法是利用几何光学原理，通过镜面反射将直射的太阳光直接反射到需要照明的地方，同时利用镜面反射法可以提高房间深处的亮度和均匀度。反光装置通过计算机预先设计的程序，一般带有能自动跟踪太阳光的辅助装置，自动调整反光装置的旋转角度，始终保持反射直射的太阳光，提高太阳光的利用率。
四、结语
当前新型采光方法和采光技术的应用，尤其在工厂、办公建筑、商店以及住宅等大型建筑物中的应用，有效的节约了电能。随着节约能源、保护环境以及可持续发展等生活理念的提出，建筑采光技术会越来越受到建筑行业以及照明行业的关注。相信，随着经济发展和科技进步，崭新的建筑采光设计理念会不断在工业建筑、展览建筑以及商业建筑中得到广泛应用，真正做到新技术与传统技术的有效结合，从而为人们的工作、生活创造出舒适、健康的建筑光环境。
参考文献：
[1]李伟 王爱英 导光管在天然光照明中的应用前景探讨 灯与照明 2005
【关键词】 通信工程施工 质量控制 措施
随着我国科技行业的不断发展，通信行业规模也不断扩充，但在通信工程快速发展的过程中，也出现了一系列的问题，且由于通信工程与人们的日常生活紧密联系，若是不能很好的控制住通信工程施工质量，不仅会阻碍通信行业的发展，更会影响到人们的正常生活、工作状态。所以，在通信工程建设过程中，对其施工质量、进度等都应进行严格控制，如此，才能真正的确保通信工程的健康发展，并推动我国通信行业的可持续发展。
一、影响通信工程施工质量的主要原因
1.1施工材料设备
作为通信工程的基础物质条件，若是材料和设备本身就存在质量问题，势必会影响到整个工程的施工质量。在通信工程中最常见的材料便是光导纤维，若是选择不当或是采用了劣质的光导纤维，整个工程项目竣工完成后其使用寿命与效果将会大打折扣，且无法达到标准要求。而仪器仪表作为通信工程不可或缺的设备，根据实际的工程项目要求，所采用的仪器仪表的精度等级和规格等也都不一致，若是操作不当或是将其混淆使用只会为工程施工质量带来严重的损害。
1.2施工工艺方法
施工质量的关键在于施工工艺和方法是否选择恰当。一般来讲，在施工前就应当确定好通信工程的施工工艺方法，除非有特殊情况，否则不可擅自更改。尤其是当前的各种新材料和新技术都已逐渐融入到通信工程建设当中，若是无法协调材料、设备及其技术间的相互联系，使其充分发挥自身的优势，就会造成施工质量受损，所以说，施工工艺方法的合理选择直接决定着施工质量及其工程进度。
1.3人为因素
人为因素的影响包含了整个通信工程建设中的人员，例如施工人员、设计人员及其管理人员等。在实际的工程建设当中，作为施工的主要参与者，其思想观念、专业技术技能、身心素质等都会给通信工程施工质量带来一定的影响。
二、通信工程施工质量控制的有效措施
2.1前期施工质量控制
一方面，应做好施工现场环境检查的准备。明确其设备设施及其配套工具是否符合工程施工要求，并在货物进入工地前检查其外包装等是否完好无损，进场后还应做好相应的验货清点工作及其基本的安全性措施，以便减少安全隐患；另一方面，应做好技术交底准备。根据不同的工程项目复杂度、专业技术水平等展开相应的交底工作，使各专业的配合度都相对明确，且工程设计资料皆具有合理性和科学性。
2.2控制好光导纤维
在通信工程建设中，光导纤维的架设尤其重要，更直接影响到施工的下一环节，所以应该制定好科学的质量控制策略。一方面在线路架设阶段中应尽量减少其移动，主要是由于温度变化和荷载等本就会导致光导纤维移动，继而造成机械设备受损，传输性能也会遭受影响；另一方面，为了防止光导纤维下垂致使应变现象发生，还应恰当的选择强度较大的钢绞线，并做好三方拉线或四方拉线的处置，以保障光导纤维能够与地面进行垂直型的契合。此外，施工人员在进行光导纤维涂覆层时，应当采取握平且快速稳定的方式，来保障光导纤维的完好不受损，在切割过程中，也应把握好力度，尽量避免断纤或是毛刺不完好的断面现象发生。
2.3竣工验收控制
在通信工程竣工之后，应该进行试运营阶段。因此，施工单位应当与相关的维护部门进行配合协作，以保障光导纤维的传输系统能够正常进行运转。一方面对于可能导致通信故障的问题应做好严格监控及其防护措施，避免出现不良机械应力作用而致使通信故障的现象；另一方面，在验收阶段，尤其要做好质量控制，并事先做好相关材料检验准备，以便单位的检验核查。而在做完相应的准备工作后，还要将验收报告移交到维护应用部门。最后，还要细致登记好通信工程施工的隐蔽性资料，并对其进行合理的分类归档，登记完毕再交付具体的部门予以保存。如此，才能有效保障通信工程施工质量的安全可靠。
结束语：通信工程是一项较为复杂且系统性较强的工作，在施工过程中受多方面因素的影响，使施工质量控制的难度性增大。因此，为了促进通信行业的发展好全面提高工程质量，施工单位必须掌握好相关的安全建设规范及其工作原则，并制定出科学合理的施工质量管理策略，控制好施工的每一个环节，真正促进通信工程的健康发展。
参 考 文 献
[1]高嵩，任浩，试论通信工程施工中质量控制有效对策[J].科研，2015（26）.
1.1通信工程建设过程中，人为因素的影响
所谓的人为因素，可以从人为因素这个名字中直接了解，就是在通信工程施工建设的过程中，所有有关于通信工程建设的施工人员、设计人员以及有关部门的负责人员等等。换句话说，也就是为什们人为因素会对通信工程施工质量带来影响，通信工程施工质量的好坏，主要原因就是因为在通信工程建设的过程中，都是由施工人员、设计人员以及有关部门负责人的思维观念、工艺技能、思维模式、个人道德、心理素质以及身体素质决定的，他们的决定会对通信工程的施工质量，带来直接或者是间接的影响。
1.2通信工程建设过程中，施工材料与施工设备因素的影响
每个工程建设最基本的物质基础就是工程建设的过程中，用到的施工材料以及施工的设备。当然，通信工程建设的物质基础也是施工材料与施工设备。如果通信工程施工过程中，用到的施工材料和施工设备自身的质量就有着明显的缺陷，那么一定会对整个通信工程施工质量的好坏有影响，例如，通信工程建设的过程中，最常用到的一种施工材料是光导纤维，即人们常说的光缆，如果对光导纤维的选择或者是都用的劣质光导纤维，就会给通信工程以后的使用年限带来影响，是的通信工程的建设不能达到相关标准。在通信工程建设的过程中，还有施工的设备也会给通信工程的施工质量带来影响，那就是施工的设备，而在通信工程建设的过程中，最常会被用到的施工设备就是仪器仪表，使用仪器仪表的精度等级、功能等级以及规格等级，都是根据通信工程建设时的具体情况决定的，因为通信工程在建设的过程中，会有很多特殊的施工要求。如果在通信工程施工的过程中，将仪器仪表的使用打乱或者是操作人员操作不正确，就会给局部的通信工程的施工质量造成严重危害，最终会导致给整体的通信工程的施工质量带来严重的影响。
1.3通信工程建设的过程中，施工的工艺和方法因素的影响
在整个通信工程建设的过程中，决定通信工程施工质量好坏的关键，那就是施工的工艺以及施工的方法。在大多数情况下，通信工程施工的工艺以及施工的方法都会在通信工程建设之前，就做好了有关的确定工作，若是没有特殊原因的干扰，就不会再在通信工程建设的过程中进行随意的更改，只有选择好施工的工艺，才能将各类的新技术以及各类的新材料，逐步的渗透到通信工程建设工作的里面，并将好技术、好材料以及设备间的关系与联系协调好，尽可能的发挥出各类的新技术以及各类的新材料的优越性能，也就是说在实际生活中，通信工程施工质量的好坏，很大程度上是由施工的工艺与施工的方法选择是否正确决定的[1]。
2通信工程施工质量的控制对策
2.1施工前准备工作的质量控制
首先是技术准备工作，在通信工程设计人员将设计的图纸完成后，施工人员应认真的对其进行分析研究，如果真的出现疑问，应立即与设计人员进行交流，核实确定之后，再开始制定技术有效实施的方案，并要对其进行复测，然后再进行技术交底工作。要制定正确的施工计划，结合施工质量的验收标准，并对施工过程中，用到的材料进行复查检验，做好通信工程施工前的准备工作的质量。
2.2光导纤维的单盘检验
在对施工前的准备工作进行各方面的控制后，也要对光导纤维的性能进行检验控制，可以对光导纤维的衰减度、色散情况以及光导纤维的长度进行检验，看是否光导纤维的标准都已合格，还要对光导纤维的订购清单进行复查，确定光导纤维质量合格，也能方便以后工作的交接,为光导纤维的性能提供保障。
2.3加强对通信工程有关人员的管理控制
在通信工程建设的过程中，人为因素对通信工程施工质量有非常重要的影响。可以定期举办培训活动，对施工人员的技术进行考核，也应该注意通信工程建设所有的有关人员道德素质的培养，引导他们树立良好的思想观念，将通信工程的施工质量放在第一位，同时也要加强管理人员专业能力的培训，促进他们的专业能力有所提高，这样就可以让他们更好的选择通信工程施工的工艺与施工的方法。提高施工人员与管理人员的积极性，还可以制定奖惩制度，对人员的不规范的操作加以约束，对工作较好的人员给以鼓励，更好的保证通信工程的施工质量[2]。
3结束语
根据上文所述，因为通信工程的建设涉及到多种方面，所以可以影响通信施工质量的因素有很多，必须要加强对这些影响通信工程施工质量因素的控制，才能更好的完成通信工程的建设工作。为了良好的发展通信工程，在施工建设之前，要加强施工材料的检验，还要加强施工设计图纸的核实工作，为通信工程的建设做好充分的准备。而且对人员的培训工作也要落实到位。
关键词：光纤传输；演示教具；设计；制作
中图分类号：G482 文献标识码：B 文章编号：1673－8454(2012)06－0065－03
一、光纤简介
1.光纤、光纤的优点及用途
光纤是光导纤维的简写，是一种利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反射原理而达成的光传导工具，微细的光纤封装在塑料护套中，使得它能够弯曲而不至于断裂。通常，光纤一端的发射装置使用发光二极管(light emitting diode，LED)或一束激光将光脉冲传送至光纤，光纤另一端的接收装置使用光敏元件检测脉冲。
光纤的优点有：频带宽、损耗低、重量轻、抗干扰能力强、保真度高、工作性能可靠、成本不断下降。
光纤的用途：多股光导纤维做成的光缆可用于通信，它的传导性能良好，传输信息容量大。一条通路可同时容纳数十人通话：可以同时传送数十套电视节目，供自由选看。光导纤维内窥镜可导人心脏和脑室，测量心脏中的血压、血液中氧的饱和度、体温等。用光导纤维连接的激光手术刀已在临床应用，并可用作光敏法治癌。光导纤维可以把阳光送到各个角落，还可以进行机械加工。计算机、机器人、汽车配电盘等也已成功地用光导纤维传输光源或图像。光纤在生活中应用非常广泛，已经成为人们日常生活不可或缺的一种技术。
2.光纤传输系统的分类
按传输类型分类，光纤传输可以分为模拟光纤传输系统和数字光纤传输系统。按光波长和光类别可以分为短波长多膜光纤通信系统和长波长光纤通信系统，其中长波长光纤通信系统又可以分为1.31um的多膜光纤通信系统、1.31um的单膜光纤通信系统和1.55um单膜光纤通信系统。
3.光纤传输的原理
光纤传输的原理是在发送端首先要把传送的信息(如声音或图像1变成电信号，然后由光发射机把电信号调制到激光器发出的激光束上，使光的强度随电信号的幅度(频率)变化而变化，并通过光纤发送出去：在接收端，光接收机检测到光信号把它变换成电信号，然后再通过放大器放大后，进行解调再恢复成原始信号。模拟光纤传输系统原理见图1。
二、光纤传输演示教具的设计
通过网络调查，我们发现关于光纤通信原理的试验箱有很多，但都是大中专院校通信及相关专业进行实验的设备，对于中小学生及大众来说都过于专业，作为光纤传输原理通识教育的教具都不合适，而且价格过于昂贵。基于此，笔者利用身边的废旧物品，再加上一点电路知识和技术，设计制作了一个能够直观演示光纤传输过程的教具。
1.光纤传输演示教具设计思路
该演示教具为了方便演示，选择常见的MP3播放器和手机作为音源，通过3.5毫米耳机接口与发射端相连接。接收端连接一个小喇叭。主体部分由发射端、接收端、光导纤维三个部分组成(见图2)，发射端是对声音信号进行声光转换，接收端是对光信号进行检测和接收并且进行信号放大后再送到扬声器。发射端和接收端之间由光导纤维(一截干净的输液管)连接。为了获得较好的信号传输效果，在输液管里装满水(注：因为输液管中装满水不能有气泡，因此此步骤应在水中操作)，并将发光二极管和光敏二极管套装在输液管的两头。当音源接通发光二极管发光后，就通过输液管将光信号传送到另一头，光敏二极管接收到光信号后将信号传送到接收电路进行处理，然后送到音箱，还原出声音信号，完成整个传输过程。
2.发射端的电路图
由于3.5毫米耳机接口发送的电信号较弱，故在发射端使用了一个放大电路，电路原理如图3所示，当音乐开始后将音频信号发送到LM386，信号放大后驱动发光二极管LED，发光二极管发小的光信号随着音频的强弱发生闪烁。发射端的放大电路与接收端的放大部分电路一致，这样可以减少设计的时间。因此：1端悬空，2端接耳机的一端，3端接耳机另一端并接地。
3.接收端的电路图
接收端电路原理如图4所示，发光二极管发出的光信号经光导纤维传送到接收部分的光敏二极管D.D将光信号转换为电信号经C1送到前置放大极，经0(9014)放大，滑动变阻器RK控制送到LM386，经功率放大后，推动喇叭发出声音。
4.元件的选择
LED采用高亮度的红色发光二极管，光敏二极管D选择亮阻尽量小、暗阻尽量大的，因为发射端设计了放大电路，因此声音源可以是MP3、手机等。其他元件包括：
10u电解电容9个：
22000电容2个：
电阻200K 1个，330K 1个，2.2K 1个：
滑动变阻器10K 2个：
三极管90141个。LM386集成块2个：
电池3节，开关、喇叭各1个。
三、光纤传输演示教具的制作和演示
1.制作
依据前面的设计思路，按以下步骤进行制作(见图5)：
(1)考虑到简易、方便操作，实验结果能够直观反应光纤传输的原理，进行教具的整体设计。
(2)在仿真软件(EWB或PRO，TEL)中画出各部分的电路图。并对其封装进行修改。
(3)将电路图转化为PCB图，根据电路图将PCB图中的元件进行摆放，这也是在制作电路板前最重要的一步。一般情况下。电路板的大小因与元件成正比，但考虑到我们做的是教具，因此可以将电路板适当地放大，方便操作和观察。
(4)将布好的PCB图打印到转印纸上，再用热转印机将图转印到覆铜板上，再将覆铜板放在三氯化铁溶液中进行腐蚀。
(5)将腐蚀好的电路板打孔，取一段20cm-30cm的医用输液管，注满水，两端分别用直径为5ram的发光二极管和光敏二极管直接封住，为了不使管内留有气泡，整个过程可在水中完成。最后将元器件安插焊接好。
2.演示
将声音源打开，发光二极管就开始闪烁，同时接收部分的喇叭发出悦耳的音乐(如果有杂音，可以调节滑动变阻器减少杂音)。因为信息是靠光传输的，所以这时只要将输液管捏扁，声音就会消失或因受到阻塞而减弱，但在弯折输液管时，只要曲率不太大，便能保证光传导的全反射，却感觉不到声音的任何变化。通过实验也可以告诉人们保护光纤的常识。
结束语
高锟被誉为“光纤之父”. 高锟1933年出生于中国上海,曾任香港中文大学校长,1996年当选为中国科学院外籍院士. 早在1966年,高锟首次提出用玻璃纤维作为光波导用于通讯的理论,以玻璃制造比头发丝更细的光纤,取代铜导线作为长距离的通讯线路,这个理论引起了世界通信技术的一次革命. 高锟还开发了实现光纤通讯所需的辅子系统,他在单模纤维的构造、纤维的强度和耐久性、纤维连接器和耦合器以及扩散均衡特性等多个领域都做了大量的研究,使信号在无放大的情况下,以每秒亿兆比特传送至距离以万米为单位的远方.
博伊尔和史密斯在1969年第一次成功地发明了数字成像技术. 他们设计了一种影像传感器,可以将光在短时间内转化为像素,为摄影技术带来了革命性变革. 没有CCD,数码相机的发展将更为缓慢;没有CCD,我们就看不到哈勃太空望远镜拍摄的令人诧异的图片,看不到火星上的红色沙漠图像.
2009年诺贝尔物理学奖中的核心内容――光纤通信和CCD图像传感器――涉及高中物理众多知识考点,很可能成为今年高考物理的一个命题热点.
考点一:光在光导纤维中的全反射
随着第一个光纤系统于1981年成功问世,华人科学家高锟“光纤之父”的美誉传遍世界. 他的发明为人类连通了信息时代,在互联网上欣赏高清晰电视节目,与千里之外的友人通话,这些都要归功于高锟发明的“光纤”.
例1 光纤可以用极少能量、极高速度远距离传输信号,当今信息社会以通信技术为基础,光纤传输彻底改变了人们的日常生活. 如右图所示,AB为一长L=30 km的光导纤维,一束光线从端面A射入,在侧面发生全反射,最后从B端面射出. 已知光导纤维的折射率n=1.35,光线从纤维内侧面向外射出时,临界角的正弦值为0.9,光线在光导纤维内从A端传播到B端所需时间为t,求t的最小值和最大值.
解析 光线在光导纤维中传播的时间取决于光沿AB方向的分速度大小,这与入射角θ有关.
设光在光导纤维中传播速度为v,则当入射角θ=0时,光在光导纤维中沿AB方向直线传播,此时所需时间最短:tmin=■. 又v=■,可得tmin=■=■=1.35×10-4 s.
当入射角恰能使光线在光导纤维侧面发生全反射时,光在沿AB方向分速度最小,对应时间最长:tmax=■. 又v=■,sinα=0.9,可得tmax=1.5×10-4 s.
点评 《考试大纲》要求考生:“了解自然科学发展的最新成就和成果及其对社会发展的影响,能读懂一般性的科普类文章,理解有关文字、图表的主要内容及特征,并能与已学的知识结合起来解决问题.”在新课程大背景下,近年高考试题注重理论联系实际. 应用所学知识解决生产、生活和高新科技中的实际问题,已成为新高考的亮点. 本题以“光纤传输”为背景,考查了折射率、临界角、全反射规律、光在介质中的传播速度等知识,综合程度较高,考查考生将物理知识进行融合和迁移的能力.
考点二:CCD图像传感器的原理
在数码相机、摄像机和拍照手机等电子设备风靡全球的今天,带领人们进入数码影像时代的,正是美国科学家博伊尔和史密斯发明的电荷耦合器件――CCD图像传感器. CCD图像传感器就好像是数码照相机的电子眼,通过用电子捕获光线来替代以往的胶片成像,从而使摄影技术得到彻底革新. 这一发明还推动了医学和天文学的发展,在疾病诊断、人体透视、显微外科等领域都有着广泛用途.
例2 两位美国科学家以“发明成像半导体电路――电荷耦合器件(CCD)图像传感器”获得2009年度诺贝尔物理学奖,他们发明的数码成像装置有着广泛用途. 下列有关说法中,正确的是( )
A. CCD图像传感器中的半导体是热敏电阻
B. CCD图像传感器中的半导体是光敏电阻
C. CCD图像传感器中的光敏电阻是一种光电传感器
D. 数码成像本质上是将光信号转变为电信号,再由电信号转变为光信号
解析 由所学知识可判断,CCD图像传感器中的半导体是光敏电阻,起着光电传感器作用,将光信号转变为电信号,再由电信号复原为光信号,由光信号还原成像. 故选项A错误,选项B、C、D正确.
点评 本题以“CCD图像传感器”为背景命题,综合考查了热敏电阻、光敏电阻、光电传感器等知识. 本题是一条新信息题,考生必须通过阅读分析,筛选相关信息,然后利用所学知识结合题中信息解题. 同学们在学习中要多关注科技热点,进行相关训练,提升运用新信息解题的能力.
【相关训练】
1. 高锟在1966年着手研究以光纤作为通信媒介这一新技术,光纤可以大幅提高信息传输速度,使人们可以在刹那间把文本、音乐、图像和视频传输到世界各地. 目前,我国正在大力建设高质量的宽带光纤通信网络. 下列说法正确的是( )
A. 光纤通信利用光作为载体来传递信息
B. 光导纤维传递光信号是利用光的衍射原理
C. 光导纤维传递光信号是利用光的色散原理
D. 目前广泛应用的光导纤维是一种非常细的特制玻璃丝
2. 电荷耦合器件(CCD)图像传感器使数码相机得以普及,下图所示为图像传感器中的部分电路,R3是光敏电阻,当开关S闭合后,在没有光照射时,a、b两点等电势,当用光照射电阻R3时,则()
A. R3的电阻变小,a点电势高于b点电势
B. R3的电阻变小,a点电势低于b点电势
C. R3的电阻变大,a点电势高于b点电势
D. R3的电阻变大,a点电势低于b点电势
3. 电荷耦合器件图像传感器把光转换成电信号,从而引发摄影变革,令小巧便捷的数码相机走入千家万户. 电荷耦合器件技术还可应用于医学诊断和显微外科,例如人体内成像. 下列器件中应用了光电传感原理的是()
A. CCD图像传感器 B. 医学诊断使用的人体成像仪
C. 电脑上使用的光电鼠标 D. 大型称重使用的电子秤
4. 数码成像对光亮度有一定的要求,如下图所示,D为数码相机的闪光灯,RG为光敏电阻. B是具有特殊功能的“非门”,当加在它的输入端A的电压逐渐上升到某个值时,输出端Y会突然从高电平跳到低电平,而当输入端A的电压下降到另一个值时,Y会从低电平跳到高电平. 使用数码相机时,在光亮度较小时,闪光灯会点亮. 下列说法中,正确的是()
A. 光亮度较小时,Y处于低电平
B. 光亮度较小时,Y处于高电平
C. 当R1调大时,A端的电势降低,闪光灯点亮
D. 当R1调大时,A端的电势降低,闪光灯熄灭
【相关训练解析】
1. 解析:光纤通信是利用光的全反射原理传递信息,选项A正确,B、C错误.
光导纤维是一种非常细的特制玻璃丝,选项D正确.
故选A、D.
2. 解析:R3是光敏电阻,有光照射时,光敏电阻中的载流子增多,R3的电阻变小,则选项C、D错误.
由于R3的电阻变小,R4电阻不变,据串联分压原理,R3的电压变小,R4的电压变大,a点电势增高,b点电势不变,a点电势高于b点电势,则选项A正确,B错误.
故选A.
3. 解析:CCD图像传感器、医学诊断的人体成像仪、电脑上的光电鼠标都是把光信号的强弱通过光电传感器转变为电信号的大小,然后通过光电传感器把电信号转变为光信号,都应用了光电传感原理.
大型称重使用的电子秤是把力的大小通过压电传感器转变为电信号(电压或电流)的大小,应用的是力光传感原理.
故选A、B、C.
4. 解析:光亮度较小时,光敏电阻RG的电阻变大,由于R1电阻不变,据串联分压原理,RG的电压变大,R1的电压变小,A端的电势增大,A处于高电平,由于B是“非门”,因此Y处于低电平,则选项A正确,B错误.
关键词：折射；全反射；运动分解
中图分类号：G633.7 文献标识码：A文章编号：1003-6148(2008)3(S)-0046-2
以下四道题是从高二强化班使用的几份练习中归纳整理出来的。在此过程中笔者发现学生的解答中有一个共同性错误，在此整理出来，与大家共同交流。
题1 用折射率为n的透明物质做成内外半径分别为a、b的空心球壳，如图1所示。不考虑透明物体的吸收和外表面的反射，内表面涂有完全能吸收光的物质。有一束平行光射向此球，则能被内表面吸收的光束在射进表面前的横截面积是多大？
析与解 先求射到外表面的光刚好被内表全部吸收的内半径的临界值a0，此时入射角为90°，如图2所示，则有sinγ=1/n，又因为sinγ=a0/b，所以a0=b/n。
显然当a≥a0=b/n时，所有射到外表面的光将全部被内表面吸收，所求面积是S=πb2。
当a≤a0=b/n时，所有射到外表面的光只有一部分被吸收，如图3所示，所求的面积是
S=πR2。
因为R=bsini，sini=nsinγ，
而sinγ=a/b，所以S=πR2=n2πa2。
因此本题应该有上面两种情形解。
学生练习分析 （1）这是一道光的折射和全反射临界问题的综合题，题目起点不高，知识点较为清楚，略加分析就知道怎样求解，所以绝大多数同学都能做。但有近一半同学，没有对a、b、n之间的关系进行讨论，只有一个结果S=n2πa2（好多复习资料上也只有这一解）。这说明这部分同学全面考虑问题的能力尚欠缺，有待提高。（2）有少数同学没有牢记几何光学的重要学习方法之一是要作光路图，无法作出此题。因此掌握学习方法尤为重要。
题2 如图4所示，用折射率为n的透明介质做成内、外半径分别为a和b的空心球，当一束平行光射向此球壳，经球壳外、内表面两次折射，而能进入空心球壳的入射平行光束的横截面积是多大？
析与解 根据对称性可知所求光束的横截面应是一个圆，而关键在于求出此圆的半径R。
如图4所示，设入射光线AB为所求光束的临界光线，即光线EF与内表面相切。若入射角为i，经球壳外表面折射后折射角为γ。因为AB为临界入射线，所以射向内表面的光线的入射角应正好等于临界角C。在OEB中，由正弦定理得
asinγ=bsin(180°-C)=bsinC。
由于sinC=1n，n=sinisinγ，
所以b=asini。
由几何关系可得
R=bsini=a，
故所求平行光束的横截面积为
S=πR2=πa2。
学生练习分析 题2与题1由于图形完全相同，学生拿到题2很容易联想到题1，甚至很快就按照题1的解题思路作出入射光线在外球壳的折射光线与内圆面相切，求得结果S=n2πa2。根据统计，班上57人，有50人是这样做的。这就反映了学生很容易根据已有的知识形成思维定势。其实此题与题1形同而实质不同，审题必须仔细。不难发现该题中有关键词“经球壳内外表面两次折射”，使得该题与题1发生了实质性变化。另外有些学生即使画出了正确的光路图，找到了临界条件，但想不到应用正弦定理求解，还是无法求出结果。
教学反思 （1）加强学法指导，如几何光学严格作光路图；临界问题的分析方法等，可谓授人以鱼，不如授人以渔。（2）克服思维定势和培养学生发散思维的有效方法之一是一题多变，一题多解法。这就要求教师要有较强的教学基本功和归纳能力，能把这些相似的题目归在一起，有意识让学生辨析地去练习。（3）教学中要注意提高学生应用数学解决问题的能力，如第2题有学生作出了光路图，但想不到正弦定理。
题3 如图5所示，一块折射率为n、长为L的光导纤维，若从左端面射入的光在透明体中恰能发生全反射，则经过多次全反射由左端到右端，所需的时间为多少？
析与解 全反射条件是入射角大于等于临界角。题中给出条件是恰好全反射，即α=ic（临界角）。光在光纤中传播速度v=c/n，将v分解为沿光纤方向上的速度vx=vsinα=c/n2所以传播时间t=L/vx=n2L/c。
学生练习分析 这是一道把全反射知识和光导纤维联系在一起的实际应用题，问题关键是有一部分学生不能灵活应用运动的分解，这是造成不能求解的根本原因。
题4 如图7所示是一根长为L的医用光导纤维的示意图，该光导纤维所用材料的折射率为n(n>2)。一细束单色光从左端面上的中心点入射，经光导纤维内部侧面的多次反射从右端射出。由于此单色光的入射角i是可调的，所以光束通过该光导纤维所用时间各不相同。真空中的光速为c，那么该光束通过这条光导纤维所用的最短时间和最长时间分别是多少？
学生练习分析 题中最短时间易得是垂直左端而进入光导纤维，光的传播方向不变，需时tmin=nL/c。关键是最长时间的求解。典型的错误是最长时间与题3中相同，即tmax=n2L/c。造成错误的原因是没有仔细分析出题中所给条件，而是凭借题3中已获得的经验解题，忽视了过程分析。这是典型的思维定势。如图7所示，本题中
vx=vsinα=cncosγ
=cn1-sin2γ
=cn2n2-sin2i。
当i=90°时vx达最小，为：
vxmin=cn2n2-1，
因此tmax=n2Lcn2-1，
而不是tmax=n2L/c。
教学反思 学生在不同的练习中，遇到这样题面相似的题目出错率比较高，这与我们的教学有直接的关系。客观上新课程受学时和学生的认知水平的限制，不可能拓展的太多，并且教师也不可能穷尽各种类型的题目。如何才能提高课堂教学质量呢？
首先，教师必须使学生养成良好的学习习惯，掌握分析问题的方法，培养学生分析问题的能力，而不是靠题海战术。其次，我们应该改变传统教学观念，把课堂时间还给学生，教师少讲，学生多探，真正体现教师主导和学生主体作用的现代教学模式。再次，教师备课也应该充实，应该积极研究高考，密切关注新课程改革，不断学习更新旧有知识结构，善于归纳、总结、反思和积累。
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。