光学原理范例(12篇)
时间：2024-03-17
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关键词：光纤通信；理论教学；实验教学
中图分类号：G642.41文献标志码：A文章编号：1674-9324（2017）08-0167-03
当代信息高速公路的骨干网络是由光纤通信网络构成的，若没有光纤的发明及相关有源和无源光纤器件的发明和发展，当今的高速信息网络是无法想象的。但是当今信息产业的高速发展得益于微电子学、光电子学、计算机技术及通信工程等多门学科的快速发展及它们之间的交叉融合。因此，要想成为一名信息技术领域的电子信息工程师、计算机工程师或通信工程师，除了需要掌握本专业的课程知识以外，也应该熟悉现代信息技g的其他相关主要知识，比如光纤通信网络及其相关器件等。本文从光纤通信技术的研究内容、应用及发展等方面说明其在电子信息工程专业教育中的重要性，并研讨电子信息工程专业中的光纤通信课程的理论和实验教学方法。
一、光纤通信技术简介
1960年，美国人梅曼（Maiman）发明了第一台红宝石激光器[1]，给光通信带来了新的希望。和普通光相比，激光具有波谱宽度窄，方向性极好，亮度极高，以及频率和相位较一致的良好特性。激光是一种高度相干光，它的特性和无线电波相似，是一种理想的光载波。继红宝石激光器之后，氦―氖（He-Ne）激光器、二氧化碳（CO2）激光器先后出现，并投入实际应用。激光器的发明和应用，使沉睡了80年的光通信进入一个崭新的阶段。
1966年，英籍华裔学者高锟（C.K.Kao）和霍克哈姆（C.A.Hockham）发表了关于传输介质新概念的论文，指出了利用光纤（OpticalFiber）进行信息传输的可能性和技术途径，奠定了现代光通信――光纤通信的基础[2]。在以后的10年中，波长为1.55μm的光纤损耗：1979年是0.20dB/km，1984年是0.157dB/km，1986年是0.154dB/km，接近了光纤最低损耗的理论极限。1970年，作为光纤通信用的光源也取得了实质性的进展。1977年，贝尔实验室研制的半导体激光器寿命达到10万小时（约11.4年），外推寿命达到100万小时，完全满足实用化的要求。由于光纤和半导体激光器的技术进步，使1970年成为光纤通信发展的一个重要里程碑之年。在今后的几十年中，光纤通信网络的逐步商用化带动了相关信息产业链的蓬勃发展[3]。
由于在光纤通信系统中，作为载波的光波频率比电波频率高得多，而作为传输介质的光纤又比同轴电缆或波导管的损耗低得多[4]，因此相对于电缆通信或微波通信，光纤通信具有许多独特的优点。综上所述，可见光纤通信技术在现代信息产业技术中的重要地位，因此，光纤通信技术这门课程不仅是光学工程专业的基础必修课程[5]，也应该作为电子信息工程专业的专业选修课程来开设。
二、光纤通信课程教学研究
（一）光纤通信课程的理论教学
电子信息工程专业的光纤通信课程的理论知识可以分为四个相互关联的层次和内容，它们分别是：第一部分，光纤技术的基础；第二部分，光纤通信器件技术基础；第三部分，光纤通信系统和网络；第四部分，光纤与光纤通信系统测量。这四个部分的关系层层递进，逐渐深入。理论学时总共32学时。
第一部分，光纤技术的基础。可以先讲解光纤通信技术的一些概念性和历史性的知识，比如：电信技术的发展，光通信的必要性及技术基础，光纤通信技术的历史、现状与未来。此处，可详细介绍人类对光通信探索的历史及现代光纤通信技术从学术研究到商业应用的发展里程，并附带介绍微波通信的发展里程，然后通过比较使用光波进行通信和使用微波进行通信的优缺点及使用光纤材料和使用同轴电缆进行通信的优缺点，让学生了解光纤通信的巨大优势。然后可以简单介绍光纤传输的基础理论――电磁场与电磁波理论中的一些基本概念和现象，重点介绍麦克斯韦方程。最后介绍光纤的模式理论、光纤的结构和类型、光纤的传输特性、光纤制造技术与光缆等知识。其中，光纤传输特性包括光纤的损耗特性和色散特性，这是该部分的重点知识。总之，笔者认为，第一部分内容的讲解方法和手段是非常重要的，不宜讲得深奥，而应该结合动画或者视频讲解光纤的传光原理，使学生易于接受，才能提高学生对这门课程的兴趣，从而继续学习往后部分的相对枯燥的知识。该部分学时安排为6H。
第二部分，光纤通信器件技术基础。这部分讲述光纤通信系统中的有源和无源光通信器件，这些器件是构成一个完成的光纤通信系统必不可少的部件，学好这部分内容有利于理解后面学习的光纤通信网络的内容。这部分内容包括：基本光纤器件、光学滤波器、光纤放大器和半导体光电子器件。基本光纤器件包括分波/合波器、光纤活动连接器、光隔离器、环形器和衰减器等；光学滤波器的内容包括Fabry-Perot滤波器、介质膜滤波器、HiBi光纤Sagnac滤波器、Mach-Zender型滤波器、光纤光栅等；光纤放大器的内容包括：掺饵光纤放大器（EDFA）、光纤Raman放大器等。半导体光电子器件的内容包括：普通的半导体激光器（LD）和发光二极管（LED）、FP型双异质结构激光器、动态单纵模激光器、半导体光放大器（OSA）、PN结光电二极管、PIN光电二极管、APD雪崩光电二极管等。对于每一个光纤器件，讲解内容包括这些光纤器件的结构、工作原理、具体参数、应用场合等，应结合动画或者视频讲解，甚至如果有条件的话，可以在课题上带上一些体积很小的光纤器件实物给学生讲解，比如光纤活动连接器、LD、LED、光纤光栅、PIN光电二极管价格便宜、体积小的光纤器件。该部分学时安排为10H。
第三部分，光纤通信系统和网络。这部分是本门课程的核心和精华部分，包括光纤传输系统、光纤通信网、全光网技术及其发展三大部分。其中，光纤传输系统的内容包含：光纤传输系统的基本组成、光发送机组件、光接收机组件、光放大噪声及其级联、色散调节技术、光纤传输系统设计、光纤传输系统性能评估。光通信网络的内容包含：通信网的拓扑结构和分类、准同步数字系统（PDH）、同步数字系统（SDH）、异步传输模式（ATM）、互联网协议、光纤通信网的管理/保护/恢复。全光网技术及其发展的内容包含：通信网络的发展过程、全光网络中的传输技术（WDM、OTDM、OCDMA和分组交换技术）、无源光网络（G-PON、E-PON、WDM-PON）、光传送网（G.709OTN）、自动交换光网络、全光网的网络管理、全光网的安全问题。对于每一种光纤网络技术，讲解内容包括这些光纤网络结构、功能、应用场合等，应尽量使用PPT的图片、动画进行讲解，PPT上要尽量避免文字上描述。该部分学时安排为12H。
第四部分，光纤与光纤通信系统测量。该部分主要介绍光纤通信工程实施、检测中一些常用的设备和仪器，在本门课程的实验教学中都要使用到这些设备，是培养光纤通信工程师的基础技能知识部分。该部分的内容包括：光功率计的使用、光纤几何参数的测量、光纤衰减测量、光纤色散测量、光纤偏正特性测量、光纤的机械特性和强度测量、光时域反射计（OTDR）的使用；光接收机灵敏度和动态范围的测量、光纤通信系统误码率和功率代价的测量、眼图及其测量、光谱分析仪、光纤通信系统的在线监测技术。其中，重点讲解光功率计、OTDR、眼图示波器、光谱分析仪等仪器设备的功能和使用方法。该部分学时安排为4H。
（二）光纤通信课程的实验教学
对于电子信息工程本科专业而言，毕竟培养的学生不属于光学工程或光电子技术领域的人才，而且电子信息工程专业本身都有很多属于自己专业的实验课程及课程设计，因此，笔者认为光纤通信技术课程的实验教学应根据该专业学生的理论基础和将来他们最可能需要的工程能力而设置。因而，笔者建议光纤通信课程的总学时设置为48学时，理论教学学时为32学时，7个实验的教学学时为16学r。
根据笔者10年来给电子信息工程专业本科学生讲授这门课的经验，认为具体的实验课程设置如下。
1.插入法测光纤的平均损耗系数。采用插入法测量待测光纤在1310nm和1550nm处的平均损耗系数。掌握插入法测量光纤损耗系数的原理，熟悉光纤多用表的使用方法。学时设置为2个课时。
2.光时域反射计（OTDR）测光纤链路特性。用光时域反射计测量光纤链路的平均损耗、接头损耗、光纤长度和故障点位置。了解光时域反射计工作原理及操作方法，学习用光时域反射计测量光纤平均损耗、接头损耗、光纤长度和故障点位置。学时设置为2个课时。
3.光波分复用（WDM）系统实验及其误码率测量构建1310nm/1550nm光纤波分复用系统并测试其误码率，了解光波分复用传输系统的工作原理和系统组成熟悉误码、误码率的概念及其测量方法。学时设置为2个课时。
4.数字光纤通信系统信号眼图测试。构建数字光纤通信系统并且用数字示波器观测系统的信号眼图，并从眼图中确定数字光纤通信系统的性能。了解眼图产生的基础，根据眼图测量数字通信系统性能的原理；学习通过数字示波器调试、观测眼图；掌握判别眼图质量的指标；熟练使用数字示波器和误码仪。学时设置为3个课时。
5.光纤切割与焊接技术演示实验。利用全自动熔接机向学生演示光纤熔接的全过程，了解光纤的结构和光纤电弧放电焊接原理；了解全自动焊接光纤的过程和使用方法。学时设置为2个课时。
6.光纤光栅光谱特性测试系统的设计实验。测量光环行器的插入损耗、隔离度、方向性、回波损耗参数；利用PC光谱仪、光环行器和光纤光栅设计光纤光栅光谱特性的测试系统；了解光环行器的工作原理和主要功能；了解光环行器性能参数的测试原理；了解光纤光栅的光谱特性；学习PC光谱仪的使用方法。学时设置为3个课时。
7.光带通滤波器的设计。测量光耦合器的插入损耗、分光比和附加损耗等参数；利用光耦合器或者光环行器和光纤光栅设计光带通滤波器。了解2X2光耦合器的工作原理，了解光耦合器各项参数的测试方法。学时设置为2个课时。
通过以上实验课程，能够使电子信息工程本科学生对光纤通信系统的基本器件、基本测量系统等有一个比较感观的认识，而且能够更加深刻地掌握它们工作的基本原理和基本特性，为将来在具体的工程设计及进一步深造中奠定基础。
三、结束语
光纤通信技术在国家的信息产业、国防工业中具有举足轻重的地位，电子信息技术与光学信息技术的结合也越来越紧密。对于当今的电子信息工程专业的学生而言，除了需要掌握本专业牢固的知识和技能以外，了解和掌握光纤通信技术的基础知识和相关的技术发展趋势也是必不可缺的。本文通过对电子信息工程专业特点和光纤通信课程内容的分析，讨论了该门课程与该专业的内在联系，分析其重要性，并根据笔者10年来在重庆理工大学电子信息工程专业讲授该门课程的经验，提出了本门课程在电子信息工程专业中的理论及实验的教学内容、教学重点、教学方法及课程设置等方面的一些意见和建议。
参考文献：
[1]高D.激光技术应用现状与分析[J].物理通报，2007，（11）：50-52.
[2]龙泉.光通信发展的回顾与展望电信网技术[J].2008，（2）：30-32.
[3]曲鹏.光纤通信技术的应用及展望[J].硅谷，2014，7（24）：2-2.
关键词：传感器演示仪；实践能力
人教版普通物理课程标准实验教科书《物理选修3-2》中第六章第三节是研究传感器的应用.传感器与现代科技和现实生活有着非常密切的联系，结合国家创新创业教育，培养学生创新能力和实践能力.因此，传感器的应用是重要课程内容之一.光敏电阻、热敏电阻等传感器一方面在实际生活中应用非常多，另一方面直接讲授这些物理概念比较抽象、生硬和枯燥，而学生又缺少感性认识，理解困难.为了深化教育教学改革，努力培养青少年的动手能力和创新意识，笔者研制了“光传感器应用演示仪”，通过展示传感器在实际中的应用，调动学生的好奇心，既能见“物”，又能明“理”，激发科学探究的兴趣，努力培养学生理论联系实际的能力和动手能力，为成为具有创新能力的人才打下坚实的基础.
1研制光传感器应用演示仪
1.1实验原理图
本实验演示仪是综合前两节光传感器的原理以及调研光传感器在生活中的应用的基础上设计的，整个系统分为三个部分：供电模块；中央控制模块和用电模块.仪器原理框图如图1所示.
1.2实验材料
电木板1块、太阳能电池板1块、二极管（1N4001）1个、充电电池（1.5V）4块、变压器220V转直流5V电源1个、红外光电传感器1个、MSP430单片机1块、220欧姆电阻2个、光敏电阻1个、LED灯2个、三向开关1个、NE555芯片1个、1M电位器1个、实验板2块、烙铁1把、焊锡1卷、导线若干.
1.3实验原理
当太阳能电池板接受到一定的光照，会通过二极管将太阳光能转化为电能，储存在充电电池中，以备使用.当充电电池中有电时，三向开关拨向充电电池，利用此电能给整个系统供电，节能环保.当充电电池电压不足，三向开关拨向市电供电，利用变压器220V转直流5V给系统供电.
红外光电传感器，由于有无遮挡其光信号转换成电信号的电压输出值不同，当有遮挡时，输出电压是5V，无遮挡时，输出电压为零.根据此原理判断是否有人存在，并将电信号的输出值送给单片机.
光强度检测模块的电路原理图如图2所示，光敏电阻在光照强度不同时，其电阻值不同，所以通过光敏电阻把光学量转换为电学量.当光强度很强时，光敏电阻阻值较小，NE555芯片3脚输出低电平；当光强度很弱时，光敏电阻阻值较大，555芯片3脚输出高电平，并将电信号送至单片机.
中央控制单元的核心是单片机，根据接收红外光电传感器和光强度检测模块的电信号，控制用电系统的指示灯.只有光强度很暗同时红外线传感器检测有人，指示灯才会亮起.
2制作方法
2.1电路连接方式
制作的电路板是把导线直接固定在电木板上，教师演示时学生能够清晰地看到与实验原理图相对应的实物图如图3所示.这样的电路板要比经过转印、腐蚀等工序的现代制版工艺制成的电路板更直观、清晰，学生容易理解.
2.2焊接电路
光强度检测模块以及供电模块需要焊接电路.在焊接过程中应该注意一定要共地，明确元器件的正负极，NE555的引脚图，电阻和电位器的值等.在焊接过程中：焊接前蘸涂助焊剂使烙铁头无氧化物，并在表面镀有一层焊锡，送入烙铁，送入焊锡，移开焊锡，移开烙铁的方向应该是大致45°的方向.焊接电路避免虚焊等问题.
3光传感器演示仪实验过程与实际应用
演示实验时，引导学生首先要选择供电方式，介绍太阳能电池板，回顾光电效应.当充电电池电压满足供电需求时，本着节能的原则，要优先选用电池供电.否则使用市电供电.接下来要监测红外光电传感器的输出信号，此时可以让同学用手或身子挡在红外光电传感器前面，观测红外光电传感器输出信号情况.最后，监测光强度检测模块输出信号，在此复习光敏电阻的工作原理，并可以再一次测量光敏电阻有无光照时电阻的变化.然后请同学拉上窗帘使屋子变暗，或者直接用手捂住光敏电阻，使其接受外面的光强变弱，观测光强度检测模块输出信号情况.光传感器演示仪实验现象展示，经检测充电电池电压满足用电需求，将三向开关拨向充电电池供电，一位同学站在外光电传感器前面，用手遮住光敏电阻，此时灯泡发光，然后改变其中一个传感器的信号实验，观察灯泡的明暗，用作对比实验.
上述过程就是光控灯的原理.在光线较强的白天，不管楼道里有没有人经过，楼道里的灯都是不亮的，在夜里或阴雨天气时，楼道内的光线较弱，当有人经过时，走廊内的灯就会自动亮起来，为我们照明，节约能源.光传感器应用演示仪是居民楼楼道中智能灯的简易电路装置，贴近生活的实验，可以使学生更直观地理解知识，同时将课本上学到的知识运用到生活中，培养学生的创新能力、动手能力和实践能力.该电路中小灯泡的亮暗是由单片机进行控制，即单片机在这个电路中充当开关的角色.只有当红外光电传感器和光敏电阻传感器同时向单片机输入高电平时，单片机才能正常工作，即开关闭合，小灯泡才会发光.
4实验装置的优缺点
关键词：物理学知识；生物学解题；应用
众所周知，生物科学的迅速发展，与物理、化学等学科的发展有着密不可分的联系，特别是罗伯特.胡克发明的显微镜，揭开了微生物学发展的序幕，带领人们探索着微观世界的奥秘。
物理学科和生物学科紧密联系的特点，也时常体现在生物学的解题过程中，解题的方法和技巧方面无不闪耀着物理学智慧的光芒，现就“物理学知识”在生物学解题过程的应用，通过例题解析的方法分析如下：
例1叶绿素溶液在透射光下和反射光下分别呈（D）
A.红色，红色B.绿色，绿色
C.红色，绿色D.绿色，红色
【解析】本题考查了叶绿素对光吸收的相关知识。对着光源观察叶绿素提取液时，看到的是叶绿素的吸收光谱。由于叶绿素提取液吸收的绿光部分最少，故用肉眼观察到的为绿色透射光。背着光源观察叶绿素提取液时，看到的是叶绿素分子受激发后所产生的发射光谱。当叶绿素分子吸收光子后，就有最稳定的、能量最低的基态提高到一个不稳定的、高能量的激发态。由于激发态不稳定，因此发射光波（此光波即为荧光），消耗能量，迅速由激发态回到基态。反射出的光波波长比入射光波的波长长，叶绿素溶液在反射光下呈红色。叶绿素溶液在透射光下呈绿色，在反射光下呈红色的现象叫做荧光现象。
【反思】这个题目的正确解析，不单单要掌握有关生物学的知识，更要理解和掌握有关物理学方面的光学知识，否则是不可能找到正确的解题思路的。
例2结合你所学过的“蒸腾作用”的相关知识，谈一谈炎热夏季在树荫下乘凉的原因。
【解析】蒸腾作用就是植物通过根系吸收的水，经导管运输，最后以水蒸气的形式经叶片气孔散失的过程，由于水由液态到气态的汽化变化需要吸收热量，热量来自周围环境，因此可以起到降温的作用。这就是大树底下好乘凉的原因。
【反思】蒸腾作用，是植物的一种生命现象，但其中渗透着物理学的相关知识，也就是“水的三态变化”中液态到气态的变化是个吸热过程。
例3如图所示的渗透装置中，半透膜袋（鸡蛋卵壳膜）中蔗糖溶液浓度与时间的关系，正确的是（B）
【解析】渗透作用产生的两个必备条件是：一是具有半透膜，二是半透膜两侧溶液具有浓度差。水分子能透过半透膜，从低浓度向高浓度扩散。将盛有一定浓度的蔗糖溶液的半透膜袋放在蒸馏水中后，蒸馏水将不断向半透膜袋中扩散，蔗糖溶液浓度不断下降，但受到半透膜袋容积的限制，到一定时间水分子进出达到动态平衡，此时蔗糖溶液浓度下降到一定程度便保持相对稳定。
【反思】本题考查的是渗透作用的有关内容，实验现象的最终结果是长颈漏斗中蔗糖液的液面不再上升，蔗糖液的浓度达到最小值。蔗糖液的液面之所以不再上升，与物理学上的液体压强和气体压强知识有着必然的联系。另外，渗透作用是一种特殊方式的扩散作用，扩散作用又是物理知识的基本内容，只有正确理解了扩散作用，才能对渗透作用有一个全面、正确的理解。
例4将栽有刚发芽玉米幼苗的小盆固定于如图所示的以一定速度匀速旋转的转盘上（小盆不透光），并给予左侧光照。一段时间后，玉米的顶芽和根的生长方向分别为（假定观察时小盆也处于如图位置）（D）
A顶芽根B顶芽根
C顶芽根D顶芽根
【解析】由于转盘旋转，单侧光不影响生长素的分布，应首先排除此干扰因素。在离心力的作用下，图示状态的幼苗的根、茎左侧生长素浓度高。茎左侧生长快，向右弯曲生长；根左侧浓度高抑制生长，右侧生长快，向左弯曲生长。
【反思】该题的突破口和上题类似，也就是要正确分析导致根、茎部位生长素分布不均匀的原因。其次再分析生长素作用的二重性及植物的不同器官对生长素作用的敏感程度的不同（根敏感，其次是芽，茎比较迟钝）。本题中致使生长素分布不均匀的主要原因不是单侧光，而是与物理学上圆周运动知识密切相关的离心力。由此看来，导致生长素分布不均匀的原因除了单侧光外，还有重力和离心力等。
1投影机基本原理、光路结构及特点
LCD(LiquidCrystalDisplay)投影机的显示器件是液晶板，现在教学上常用的是三片液晶板投影机。此类投影机的基本原理是用信号控制液晶板的透光率实现成像，属于透射式。它的光源一般采用超高压汞灯，需要光学镜组消除红外光和紫外光对液晶板的影响，灯泡工作时间一般为2000小时。它的分光系统是分光板(特定的波长光反射，特定波长光透射)，光路较复杂(如图1所示)。
图13LCD投影机光路示意图
DLP(DigitalLightProcessor)投影机的显示器件是DMD(DigitalMicromirrorDevice)，它分一片DMD投影机和三片DMD投影机，由于价格原因，在教学领域一般使用一片DMD投影机。本文测试的是一片DMD投影机，其光路如图2所示；三片DMD投影机的光路如图3所示。此类投影机的基本原理是用信号控制DMD微反射镜转换角度实现光线是否参与成像的，因而属于反射式。它的光源与LCD基本相同，分光系统是色轮(特定的波长光透射，其他光被吸收)。
图21DLP投影机光路示意图[2]图33DLP投影机光路示意图[3]
LED激光混合光源投影机的显示器件也是DMD芯片，它的工作原理与DLP基本相同，其最大特点是使用了激光混合光源和色轮(如图4所示)。激光混合光源是一种利用激光激发荧光色轮发光的光源技术，基本原理是根据需要的光波波长，在荧光色轮上镀上相应的荧光粉膜层，用激光二极管发出的激光轰击荧光粉，激发出相应波长的光。DLP的色轮是透过与色轮镀膜相对应波长的光，而LED激光混合光源的色轮是激光束轰击荧光粉，使荧光粉发出所需要的波长的光(这部分色轮面积相当于光源)和透过蓝色激光(色轮上没有荧光粉部分)。LED激光二极管工作时是低压直流，所以产生的热量很少且可以随时通断电，它发出的光波段很窄，没有红外光和紫外光，不需要光学组件消除红外光和紫外光；由于光的波段窄，不需要分光镜，光路相对简单，彩色还原好，LED工作寿命长，一般2万小时以上且发光特性平稳。
图4LED激光混合光源投影机示意图
由于LED激光混合光源投影机是新技术，笔者对单列LED激光混合光源投影机工作原理做简要介绍。
激光二极管发出蓝色激光，经反射镜和准直镜后，再经分光镜反射和透镜组射到荧光色轮上，荧光色轮受到激光束的轰击，不同的荧光粉激发出不同波长的光，此光按原路返回，经分光镜投射到投影镜头，色轮上没有荧光粉的部分透过蓝色激光，再经相应的反射镜和透镜，射到分光镜的另一面，并经它反射到投影镜头，在投影幕布上形成图像。此投影机激光光源是一列激光二极管，为了提高亮度，卡西欧公司推出蓝色激光+红LED+蓝LED三路光源投影机(如图5所示)投影机的亮度达到4000lm(XJ-H1750)。
图5LED激光混合光源投影机示意图[3]
2性能比较
2.1理论分析比较
通过对以上三类投影机基本原理、光路结构及特点的分析、研究可知。在光源方面：LCD和DLP投影机的光源都采用超高压汞灯，热量高，开机时需要预热时间，并且产生红外光和紫外光，需要光学系统消除，使光学系统复杂，一般灯泡寿命2000小时。而LED激光混合光源置于投影机内，发光时产生的热量很少，没有红外光和紫外光，不需要消除红外光和紫外光的光学系统，结构相对简单，并且开机不需预热(如图6所示)，灯泡寿命一般2万小时(如图7所示)。
图6LED混合光源投影机开机时间示意图
图7两种光源工作时间示意图
在光束分光方面：LCD投影机分光系统采用分光板，在分光板各工作面镀上与反射光或透射光相对应的金属膜，光源的光射到分光板上，按需要将特定的光进行反射和投射，达到分光的目的。但这种分光板波段宽，彩色还原相对差。DLP投影机分光是靠色轮，光源光经光学组件均化后投射到色轮上，色轮使特定的光透过，其余的光被阻拦，达到分色的目的。有些投影机为了提高亮度，在色轮的一定区域上不镀任何滤光膜，使光源的白光通过，这虽然提高了亮度，但牺牲了色彩的纯度，由于它靠色轮旋转分色，并且色轮离光源较近，由于温度高，色轮镀膜层容易脱落，也影响色彩还原。LED激光混合光源，没有分光系统，所以没有上述问题，彩色还原效果较好。
在成像器件方面：LCD投影机是采用透射式原理，光线要穿过液晶板，在经过液晶板时要有一定的光能转化成热能，加速了液晶板老化，使液晶板透光率下降，影响图像亮度和对比度，又因红、绿、蓝衰减不一致，使图像偏色。DLP投影机采用反射式原理，核心器件是DMD，由上百万个微反射镜组成，控制反射镜旋转角度来决定光线参与成像与否。DLP的性能不受工作时间影响，对比度和亮度比LCD好，由于色轮分光不如LCD分光镜效果好，色彩还原较差(见表1)。
表1三种投影机性能比较
注：***—不同品牌的1DLP投影机；*—厂家未提供
测量环境：亮度和对比度在办公室、晚上测量(要求暗室)，投影机各项指标调到正常状态，图像最大[4]，投影面积1平方米(长1.2米，高0.9米)。
亮度测量：测量图8中9点的照度，取平均值。
对比度测量：测量图9中白、黑各点照度，取白、黑平均值之比。色度在教室测量，被测投影机用同一幕布和计算机，被测图像为色域图(如图10所示)，由于没有色度计，采用目测，被测投影机的色域图中的红、绿、蓝、白、黄区域进行细致比较，比较3个循环，对投影机彩色还原给予定性评价。
照度仪：型号HCJYETHT-8318。
图8亮度测试点示意图图9测试对比度示意图
图10色域图
通过以上理论和实际比较可知，在投影图像效果方面：DLP灰度等级要好于LCD，适合于显示图表、文字；在彩色还原方面，LCD要优于DLP，适合于彩色图形、图像，在快速移动图像时，DLP会出现彩虹效应，即出现红、绿、蓝单色现象，不适合动态视频，LCD优于DLP；LED激光混合投影机属于反射式，但它没有色轮，它发挥DLP的优点，在彩色还原和动态图像方面又优于LCD和DLP，不足之处是价格高，亮度不理想。
在防尘和寿命方面：LCD最差，DLP略好，LED激光混合光源最好。
3结束语
通过对LCD，DLP及LED激光混合光源投影机的基本原理、结构、光源、分光系统、显示器件的分析、对比可知，在价位基本相同的情况下，在亮度方面，对于新投影机，LCD与DLP两者区别不大，但随使用时间延长，LCD的亮度下降明显快于DLP；在对比度方面，DLP优于LCD，对于图表、文字的显示，DLP较适合；在色度还原方面，LCD好于DLP，对于彩色要求高，图形、图像多的使用情景，LCD较适合；LED激光混合光源投影机集LCD和DLP的优点，并有独特的超长寿命、超宽色域、瞬间开关、节能环保特点。LED激光混合光源将取代超高压汞灯光源，是投影机光源的发展方向。
参考文献
[1]谢观平,石燕飞.液晶投影机工作原理及除尘方法浅析[J].科技创新与应用,2012(8):6-7.
着名的费马大定理是费马提出的至今尚未解决的问题。1637年费马提出:“不可能把一个整数的立方表示成两个立方的和,把一个四次方幂表示成两个四次方幂的和,一般地,不可能把任一个次数大于2的方幂表示成两个同方幂的和。”1665年这一定理提出后,引起了许多着名数学家的关注,至今尚在研究如何证明它的成立,但始终毫无结果。
费马在光学方面,确立了几何光学的重要原理,命名为费马原理。这一原理是几何光学的最重要基本理论之一,对于笛卡儿的“光在密媒质中比在疏媒质中传播要快”的观点给予了有力的反驳,把几何光学的发展推向了新的阶段。
几何光学已有悠久的发展历史。公元前400年,我国《墨经》中便有光的直线传播和各种面镜对光的反射的记载。公元100年亚历山大里亚的希罗(Hero)曾提出过光在两点之间走最短路程的看法。托勒密在公元130年对光的折射进行过研究。公元1611年开普勒对光学的研究达到了较高的定量程度。最后,1621年斯涅尔总结出了光的折射定律。费马则是用数学方法证明了折射定律的主要学者之一。
费马原理是根据经济原则提出的,它指出:光沿着所需时间为极值的路径传播。可以理解为,光在空间沿着光程为极值的路传播,即沿光程为最小、最大或常量路径传播。
关键词：激光物理；受激辐射；离子束反转
中国分类号：G633.7
20世纪中叶以后由于量子电子学的发展而出现了一个新的分支，以研究激光物理机制，探索新型激光器而形成了专门的科学，即激光物理。激光物理是20世纪量子理论、无线电电子学、微波波谱学以及固体物理学的综合产物，也是科学技术、理论与实践紧密结合的灿烂成果。激光物理的发展已经半个世纪有余，在这短短的时间里，激光物理不仅推动了近代物理的快速发展，同时也大大加快了各个学科的发展进程。
一、光量子理论的提出
光量子理论是爱因斯坦为了解释光电效应现象，受普朗克能量子理论启发而提出的。
l895年。德国实验物理学家维恩（W.Wien.1864-l928）在研究黑体辐射时，假设电磁辐射遵循麦克斯韦（J.C.Maxwell.l83l-l879）气体分子分布规律，推导出一个著名的辐射能量分布公式。但此式在频率较高、温度较低时，理论值与实验值比较符合，但在频率较低的长波区域，则理论值与实验值出现较大偏差。1900年，英国人瑞利（Rayleig.1842-1919）在研究黑体辐射时，利用麦克斯韦的能量均分定律及电磁波辐射可能形成驻波理论提出另一个热辐射分布律，后经金斯（J.H.Jeans.l877-l946）修正成为瑞利-金斯公式，当频率较低时，瑞利一金斯公式理论值与实验结果比较符合。但当频率较高时，就与实验结果表现出很大的差异。为了解决这个问题，从1894年就把注意力转向黑体辐射的德国物理学家普朗克（M.Planck.1858-1947）在维恩与瑞利-金斯定律相应的热力学表达式之间进行内插，得到了新的辐射公式，与实验符合的很好。于是他提出一个以频率v振动的谐振子只能取v、2v、3v…这样分离的能级，他引入E=hv的能量子概念，这是谐振子能够吸收和发射的最小能量值，即谐振子的能量取不连续hv的整数倍的定值，不像经典理论所描述的连续任意的能量值。这样就圆满的解释了黑体辐射。
二、爱因斯坦受激辐射理论的提出
在普朗克的启发下，爱因斯坦在光量子概念的基础上解释了光电效应实验。所谓“光电效应”是指在光的照射下金属表面发射电子的现象。最早观察到光电效应的是德国物理学家赫兹（H.N.Hertz.1857-1894），1887年，他在进行电磁波实验时，注意到电极之间的放电，会受到光辐射影响。经过极其细致的观察和分析后，赫兹发表了题为《紫外光对放电的影响》一文，这是发现光电效应的最早记录。
爱因斯坦认为分子的分立能态的稳定分布是靠分子与辐射不断进行能量交换来维持的，即使在平衡条件下也会有分子与辐射场之间的能量交换所引起的涨落。并假定气体分子（普朗克谐振子）能态之间的跃迁是以三种基本作用进行的：（1）自发辐射，（2）受激吸收，（3）受激辐射。
自发辐射是指处于上能级的原子按一定的辐射跃迁定则向下能级跃迁并伴随着辐射出一个能量为的光子。物质的这种发光过程是在没有任何外界作用的情况下完全自发和独立进行的。
受激吸收不是自发产生的，必须吸收外来光子才会发生，该过程的发生不仅与原子本身的性质有关，还与趋近它的光场和原子密度有关。
受激辐射是指处于上能级E2的原子，若有一频率满足的外来光子趋近它，入射光子就能以一定得几率驱使原子从能级E2到能级E1，并释放出能量为的光辐射，叠加到入射光场上。受激辐射产生的光子与引起这种辐射的原来光子的性质与状态完全相同，同属一个光子态，即具有相同的频率、方向和偏振态，对大量的光子而言，还可以证明他们的相位也是几乎相同的。
所以，由受激吸收与受激辐射的特点可以看出，当同样的光辐射作用在同一个原子体系时，受激吸收使原来的光辐射有所减弱，而受激辐射则使得原来的光辐射有所增强，两种过程同时存在，彼此互相竞争。当原子受激辐射过程占主导地位时，光通过原子体系后呈现放大现象。由此可见，受激辐射是产生激光的最基本过程。
三、离子束反转-产生激光的必要条件
爱因斯坦靠思维的洞察力，肯定了观测仪器尚未发现的受激辐射现象的存在。遗憾的是，对这个大胆的科学构想，并没有引起物理界的广泛注意，甚至还遭到了一些怀疑和批评。因为激光必须产生在激发的原子与辐射的相互过程中，产生的速率正比于光源中高能态的密度。然而，正常的能态分布是由玻耳兹曼分布决定的，在热平衡的条件下，处于两个能级E1和E2上的原子密度（单位体积中的原子数）N1和N2按能级分布的玻耳兹曼公式是：，其中，T是热平衡时气体的绝对温度。所以，从上式可得，上能级的原子密度总是小于下能级的原子密度，上下能级间的能量差（E2-E1）越大，或者气体的温度越低，上能级的原子密度就越小。因此受激态E2原子在受激发射中所产生的光子未来得及辐射出去就已被大量基态E1原子吸收了，受激发射过程被同时发生的大量吸收过程完全淹没。要使受激发射压倒受激吸收，即使受激态E2能量原子密度大于基态能量E1，就必须使式子反过来，即温度T就要取负值，实现离子束反转。
对科学结论如果没有科学的态度，一味盲目的听从、偏听偏信、不加分析、固执己见，则一切结论都将成为传统的偏见和顽固的保守主义，这对科学发展，和会进步都是有害无益的。所以，在科研工作中要始终保持冷静的头脑，相信科学、相信真理、不盲从权威和接受指导、学习别人的辩证关系，以充分发挥自己的特长。
参考文献
[1]王较过，郑荣平.光量子理论的确立和发展[J].咸阳师范学院报，2005.
本书介绍现代振动光谱学和微光谱学的基本理论、仪器及其在生物医学上的应用。首先介绍了它们应用于小分子领域的基本原理，随后拓展到本书的主题――大分子，并着重介绍了实验，最后介绍了在医学诊断方面的应用。本书的特色是把微光谱学原理与传统的振动光谱学原理和背景相结合。本书共分2部分，15章。第1部分涵盖了传统的振动光谱学，红外光谱学和拉曼光谱学的基本理论和仪器，以及振动光谱学的一些新领域例如共振和非线性拉曼效应、振动旋光性、时间分辨光谱学和计算方法，含第1-9章：1.分子振动的传统模型和量子力学描述；2.振动光谱的对称性理论和群论，拉曼散射的选择定则，以及几种小分子的振动模型；3.红外辐射与分子间相互作用原理，观测红外光谱的不同仪器，并对搜集数据的方法进行了讨论；4.拉曼光谱学，包括拉曼光谱的极化，拉曼光谱和荧光光谱的区别等；5.深入介绍振动光谱学的细节；6.一些专门的拉曼方法，包括共振、表面加强和非线性拉曼技术；7.振动光谱学中的时间分辨方法；8.振动光学活性；9.讨论振动频率和强度的计算。第2部分振动光谱学和微光谱学在生物物理学和医学中的应用，含第10-15章：10.振动光谱学在生物物理学中的应用；11.振动微光谱学；12.微光谱中的数据预处理和数据处理问题；13.医学诊断细胞和组织的红外微光谱；14.医学诊断中细胞和组织的拉曼微光谱；15.对全书的总结。
振动光谱学和微光谱学开辟了生物医学应用的新方法，并且开拓了光谱细胞病理学和光谱组织病理学这些全新的领域。
本书面向具有一定化学和物理知识背景的读者，如研究生一年级学生。
关键词：光学三维测量；三维激光扫描；面结构光
光学三维测量是指运用光学方法获取物体表面的三维立体坐标的技术。光学三维测量利用现代光学技术成就，结合光电子学、计算机图像处理等学科成就发展起来的一种先进测量技术。
1光学三维测量的分类
图1光学三维测量技术分类图
光学三维测量技术按测量原理可以分为摄影测量方法、结构光技术和光学干涉方法。摄影测量法是基于多视角的非主动式测量方法。在普通照明（阳光、日光灯）情况下，由摄像头获取多视角物体图像，利用计算机查找多幅图像的同态标记点，进而获得物体的表面形貌。结构光技术通过不同宽度且明暗相间的结构光照射被测物体表面，获取到的经物体调制的图像，再经过计算获取物体的立体形貌信息。光学干涉法是利用干涉原理进行测量，具有高精度、高分辨率等优点。以下介绍几种常见的光学三维测量方法。
图2三维激光扫描工作原理图
三维激光扫描技术根据光学三角形测量原理，以激光作为光源，光电探测器接收反射光，通过对采集到数据进行计算得到物体的深度信息。三维激光扫描仪包括发射器和接收器。发射器射出一束脉冲激光，激光经过物体表面漫反射，沿相同路线射入接收器。由脉冲激光发射到反射被接收的时间tL可计算出扫描点到扫描仪的距离值S。扫描仪内精密测量系统获取每个激光脉冲的水平方向角α和垂直方向角度β。依据上述数据计算出扫描点的三维空间坐标（XP、YP、ZP）[1]。
双目视觉技术属于摄影测量方法，是通过视差原理被动测量三维数据的技术。双目视觉技术测量物体三维形貌的原理是，从两个或以上的视角去观察一个物体，获得多张不同视角下物体的二维图片，根据三角测量原理得出同一个像素点的坐标偏差，以此获得测量物体的三维形态。此过程与人眼的立体视觉原理相类似[2]。
面结构光系统由投影仪和数码相机组成。投影仪将明暗相间光栅条纹投影到待测物体上。物体高度的变化引起光栅条纹的形变。条纹形变可认为是载波信号相位和振幅被空间物体调制。数码相机拍摄调制后的图像，对其进行解调制，获得物体的整个高度信息值，依照三角法原理，形成物体的三维立体影像[3]。
2光学三维测量的应用
光学三维测量技术具有诸多优势，如非接触式测量、高精确度、快速获得结果等。光学三维测量技术主要应用在虚拟现实、逆向工程、医学工程等领域。
2.1虚拟现实
利用光学三维测量技术对实物外形进行三维形貌扫描，经过三维建模软件处理，在计算机内生成人物、场景的三维模型。由三维模型生成人物动作，实现动画制作，满足电脑游戏、CG特效等场合需要。
2.2逆向工程
逆向工程是利用光学三维测量设备获取物体表面上所有点的三维立体坐标，根据坐标点信息利用三维设计软件进行实物模型重建的过程。逆向工程获得的模型被用于改进、完善原有的产品，被广泛地应用到磨具开发、汽车制造等领域，是现代产品快速开发的重要技术手段。
2.3生物、医学工程
运用光学三维测量技术获得人体骨骼、肌肉的数据用于人体工程学研究。例如根据人体相关三维数据，制作出符合人体生理结构的防护头盔、防护服等。三维光学测量技术还可以测量伤口的尺寸、分析人的面部结构、设计牙齿矫形手术等。
参考文献
[1]潘建刚.基于激光扫描数据的三维重建关键技术研究[D].北京：首都师范大学，2005.
[2]隋婧，金伟其.双目立体视觉技术的实现及其进展[J].电子技术应用，2004，30（10）：4-7.
2013年第6期化学工程与装备2013年6月ChemicalEngineering&Equipment161论专述综FI-CL是将流动注射技术和化学发光分析法相结合而建立起来的一种新型的高灵敏度微量和痕量分析技术。两种技术结合在一起，克服了化学发光法选择性差、重现性低、稳定性差等缺点，将两者的优点有机结合，使得FI-CL被广泛的应用于分析化学中的药物分析、环境监测和生命科学等各个领域。
2FL-CL在环境监测上的应用
随着对FI-CL研究的深入，其适用范围已经越来越广，现在对其在环境监测中的应用研究也越来越多并日趋成熟。该方法已经广泛地应用于环境监测的各个方面，在对大气、水、土壤的监测中发挥着重要的作用，本文就将近几年来对其在这几个方面的应用作简单的综述。
2.1在水质监测中的应用
对流动注射化学发光法在水质监测中的应用是研究的最深入和最多的，在无机物和有机物方面的应用均很广泛。无机金属污染物的测定FI-CL技术在水质金属污染物监测分析方面发展快速，目前已有的文献报道主要集中在钴、铬、锰、铜、铁、汞、锑、锡等等。范顺利[4]等在碱性条件下，利用流动注射耦合化学发光法建立了水样中痕量锑的分析测定方法，线性范围为0.1~100μg/L，检出限达到了0.03μg/L，在对1.0μg/L的锑(Ⅲ)标准溶液连续11次测定的相对标准偏差为2.0%。其后，范顺利[5]等又成功地利用FI-CL技术，在HCl介质中，采用KMnO4-甲醛-Sn(Ⅱ)为强化学发光体系建立了锡的测定分析方法，线性范围为0.1~30μg/L,检出限为0.04μg/L，对1.0μg/L的Sn(Ⅱ)标准溶液连续11次测定的相对标准偏差为2.1%，这两种方法均适用于环境水样中痕量金属污染物的测定。庞雪华[6]等利用Co(II)对H2O2-鲁米诺发光体系具有强催化作用，建立了流动注射化学发光法测定Co(II)的新方法。方法用于水样中钴的分析，结果令人满意。胡涌刚[7]等基于Cu2+与铁氰化钾及鲁米诺在碱性条件下产生化学发光的原理，利用铁氰化钾代替KCN，建立了一种新的测定痕量铜的方法，该法不仅灵敏度高，且不使用剧毒药品，不会造成二次环境污染。FI-CL不仅可以测定单一金属污染物，而且还可以同时测定多个元素，李立华[8]等就建立了FI-CL测定硬度的新方法，为连续自动检测水中硬度提供了可能。无机非金属污染物的测定近年来FI-CL技术在无机非金属污染物监测方面发展迅猛，研究主要集中在无机氮、无机磷、无机硫、砷等等。龚正君[8,9]等采用H2O2-鲁米诺化学发光体系对亚硝酸盐和硝酸盐进行在线分析，建立了同时测定亚硝酸盐和硝酸盐的新方法。此法已用于环境水样中亚硝酸盐和硝酸盐同时监测，且结果表明，最大相对标准偏差不超过4%。杜建修[10]等基于硫离子对H2O2-鲁米诺化学发光反应的增敏作用，建立了测定痕量硫的FI-CL的新方法，方法简单、快速、灵敏，已用于环境水样中痕量硫的测定。刘杨[11]等基于酸性条件下高锰酸钾氧化As(Ⅲ)产生化学发光，六偏磷酸钠与甲醛对该体系有显著的增强作用这一原理，据此建立了FI-CL测定水中砷的新方法，将本法应用于水样中砷的测定，相对标准偏差为2.1%。有机污染物的测定FI-CL技术对水体环境中有机污染物的测定已经很成熟，对酚类、苯胺类、甲醛等一些主要的有机污染物研究较多。李丽清[12]等研究了高锰酸钾-过氧化氢-苯酚的化学发光行为，对各种影响化学发光强度的因素进行了试验，改进了实验条件，建立了FI-CL测定苯酚的方法。方法可用于废水中苯酚含量的测定，结果与国标的分光光度法测得值一致。王术皓[13]的研究发现，在碱性介质中，高碘酸钾氧化鲁米诺产生化学发光，对苯二酚对此反应具有极强的增敏作用，并据此建立了测定对苯二酚的方法。方法检出限为8.5×10-9mol.L-1，用于河水中对苯二酚的测定并测得其回收率在93.4%~104.4%之间，并且探讨了对苯二酚的增敏机理。杜凌云[14]等在碱性介质中，铁氰化钾直接氧化邻苯三酚产生化学发光信号，结合流动注射技术建立了测定邻苯三酚的新方法。应用于湖水中的邻苯三酚的测定，结果较好。李莉[15]等的研究找到了测定苯胺的分析方法，发现以多聚磷酸作为介质时效果最为理想。而有一些研究[16,17]发现FI-CL技术不仅可以用于测定单一的有机污染物，还可以用于测定衡量有机物污染综合指数--COD。
2.2在大气监测中的应用
FI-CL技术也同样可用于大气环境监测，鲁米诺化学发光体系可用于测定空气中的CO2、CO、NO，而FI-CL技术在测定空气中的甲醛、二氧化硫都有不错的表现。邵晓东[18]等基于甲醛对Luminol-H2O2化学发光体系的增敏作用，建立了流动注射-化学发光测定快速测定甲醛的新方法；谢成根[19]等则利用反相流动注射化学发光法建立了新的空气中痕量甲醛分析方法。李世凤[20]等研究了利用Na2CO3作为吸收液测定空气中的二氧化硫含量的新方法，并且对影响该反应的化学发光因素进行了分析和探讨。
2.3在土壤监测中的应用
目前对FI-CL技术在土壤监测中的应用研究还主要集中在对土壤中微量金属元素方面。高向阳[21]等首次利用FI-CL对土壤中的铬进行了分析测定，成功地建立了相应的分析方法；吉爱军[22]等利用锑(Ⅲ)对鲁米诺-双氧水化学发光体系的催化作用,建立了一种直接测定土壤中锑(Ⅲ)的新方法。将该法应用于土壤样品中锑(Ⅲ)的检测，加标回收率为90%~105%；方卢秋[23]的研究发现在碱性条件下，NBS氧化腐殖酸可以产生强烈的化学发光信号，结合流动注射技术，建立了测定土壤中腐殖酸含量的流动注射化学发光分析法。
3展望
一、光纤通信课程特点分析
《光纤通信》是高等学校通信专业的必修课，是一门理论与实践结合性较强的课程。理论部分主要介绍光纤通信系统的组成、光纤光缆的结构、通信用光器件的结构及特性，光端机的构成及工作原理等。除了繁杂的理论教学，该门课程还需要配上相应的实验课，让学生多接触光纤通信领域中的先进仪器和设备，多动手操作，才能达到好的教学效果。实验教学主要包括常用光纤通信设备的使用、光纤衰减及光纤长度的测试、光纤的熔接与冷接、接收灵敏度和动态范围的测试，光纤通信系统误码性能的测试等。从上面论述的课程内容中可以发现，该课程的研究对象和性质决定了其课程具有如下特点：第一，内容复杂，主要表现为理论多、公式多、表格多、图形多；第二，涉及的科目、知识较多，如场论、光学原理、模电、数电等；第三，与工程实际联系较为紧密；第四，应用定性理论的场合较多。此外，光纤通信还是一门飞速发展的学科。因此，该课程的教学还应该介绍该领域的新技术，同时注重教学的基础性、系统性。
二、光纤通信课程教学存在的问题
（一）教学过于理论化，启发性不足
受传统教学观念的影响，在《光纤通信》的授课上，许多教师采用的教学方式依然是单纯的书本教学法。课堂上，教师大多只是解释原理，讲解题目，演示现象，根据课本照本宣科地将知识讲授给学生，而没有让学生进行举一反三的发散思考，使学生完全处于一种被动接受前人研究成果的状态，严重遏制了学生的自主意识、创新能力和学习兴趣。
（二）教学形式单一，课堂气氛单调、沉闷
《光纤通信》课程包含大量的理论，如光的波导理论、激光器的激发原理、光电检测器工作原理、光放大器的放大原理等，对这些理论的讲解需要做大量的数学分析推导。因此，在授课过程中，许多教师进入了理论教学的误区，将整堂的光纤通信课程演变成了在黑板上做数学分析、定理证明、公式推导、手工绘图的过程，导致了课堂气氛沉闷。
（三）教学设备陈旧，难以激发学生学习兴趣
在实验教学环节中，由于条件制约，实验设备大多过于老旧，功能单一，实验室仅能做些简单的理论验证实验，这对学生自学能力的培养及设计能力的提高产生了很大的阻碍，也导致学生接触不到光纤通信的技术前沿，难以激发学生的学习兴趣。
三、光纤通信课程的教学改革思路
（一）引入新的教学方式，丰富教学形式
传统的教学方式主要有板书和多媒体PPT。板书的内容详尽、排版灵活，但形式单调、寡味枯燥；PPT的内容丰富、形式多样，但教学节奏过快，不利于学生理解。引入更多形式的教学方式有利于提高课程的趣味性。近年兴起的“微课”是一种新的教学方式，它能对二者作良好的补充[2]。在光纤通信的教学中，教师可以充分发挥“微课”的优势，将生涩难懂的重要理论以生动活泼的形式展示出来；将步骤繁杂的实验操作也以微课形式录制出来，一来增加学生的学习兴趣，二来可以让学生在课后反复观看，温习提高，既有利于理论知识的掌握，也能节约资源，促进实验教学的提高。
（二）理论结合实际，提高学生的创新能力
一、教材中的教学重点和难点
在人教版高中《生物》教材的第五章“细胞的能量供应和利用”的内容中，安排了“光合作用的原理和应用”[1]的教学内容，这一内容紧紧围绕第五章“细胞的能量供应和利用”为主题而设定，地位重要，又在教学中存在与其他学科之间联系多，高一又未开设有机化学，因而成为第五章的教学难点，同时也是高考命题的重点。现将对本节内容的教材结构进行解读，呈给广大读者。
根据教材的编著特点，分析该教学内容的重点有：光合作用的发现及研究历史；光合作用过程中光反应、暗反应的区别；光反应、暗反应的联系。难点有：光反应、暗反应的过程及联系；探究影响光合作用强度的环境因素（探究性实验）。根据对教材的重点和难点分析，确定教学中的三维目标。
二、确定三维目标
由于本节内容为2课时，根据教材的具体内容，结合重点和难点，教学中的三维目标如下：
1.知识目标
通过介绍多位科学家对光合作用的探究历程，体验科学家每项科研成果的取得都必须付出艰辛的劳动，强化对科学家科研成果的珍重，从而认识环境因素对光合作用的影响；通过人工控制环境因素中光照强度、温度、CO2浓度介绍，认识增加农作物产量应采取的措施；通过化能合成作用的学习，认识自养生物和异养生物的本质区别。
2.情感态度和价值观的目标
通过以科学家对光合作用先后研究的时间为序，认同科学与技术的相互支持；认同科学是在不断观察、多次实验探索中前进的，是科学家在继承前人科研成果的基础上开拓创新、践行科学精神和科学态度的结果；认同科学家是平凡而伟大的人；认同自己将来通过努力，也可以成为一名科学家。
3.能力目标
科学家对光合作用过程的探究实验，厘清对比实验和对照实验的区别；学会科学实验中，控制自变量来观察因变量的变化；学会提取和分离色素的方法，在本节内容的资料分析、思考与讨论、实验探究等问题讨论中，注重语言表达能力和分享信息能力的培养。为了达到以上的目标，建议采取以下教学策略。
三、课堂教学策略
“光合作用的原理和运应用”的教学策略定位：以科学家的实验设计思想，引领“光合作用的探究历程”教学，通过制作教材中的“图5-12普利斯特利的实验、图5-13证明光合作用产生淀粉的实验、图5-14卡尔文的肖像、图5-15光合作用过程的图解、图5-16电子显微镜下的一种硝化细菌”共计5张幻灯片，引导学生识图和释图，准确说出图中包含的生物学知识，有利于图文转换能力的培养，以此来实施“光合作用过程”的教学，使难点得到突破。
在“光合作用的原理和运用”的教学内容中，由于有2个教学难点，一课一难点，共安排2课时完成，第一课时：光合作用的探究历程（重点）光合作用的过程（难点）；第二课时：光合作用原理的应用（环境因素对光合作用的影响，难点）化能合成作用。
1.光合作用的探究历程
在介绍该内容之前，先处理好光合作用的概念，教学流程为：提问初中的光合作用相关知识再现初中文字描述的反应式教师板书（或学生板书）引导学生用反应式说出光合作用概念的不同描述与教材中光合作用的概念形成对比学生朗读教材中光合作用的概念（黑体字）教师要求学生记住反应式。
在“光合作用的探究历程”中，主要向学生介绍每位科学家对光合作用研究方法及其成果，尤其是每位科学家用科学实验思想及理性思维正确看待和分析不同时代背景（技术手段的应用）取得的成果，同样是一个伟大的成果，从而推动了光合作用研究的历史进程，研究方法呈现出由简单到复杂的趋势，体现了技术手段的进步对生命科学研究的支持，以时间为顺序，总结科学家的研究成果（见表1）。
表1不同年代科学家对光合作用的研究方法及其成果表
在表1中，同位素标记法的2个实验都是经典的。先进技术手段的应用，标志着科学研究能力的提升。鲁宾和卡门在科学研究中，在研究方法上得到了先进技术手段的支持。
2.光合作用的过程
由于高一未开设有机化学课，学生无法知道什么是C5，C3化合物，教师只能简要说明，它们分别是含有5个、3个碳原子的有机物。如熟悉C6H12O6，为六碳化合物，因为碳是有机化合物的骨架，其他原子未标出。这样的介绍，使该内容的教学难度降低了。
教学思路：教材展示图1所制作的幻灯片（该图让教学难点一目了然，光反应阶段和暗反应阶段的发生部位、条件定性更准确，更有利于难点的突破）引导学生发现，在叶绿体中，光反应阶段的发生部位、条件、物质和能量的变化引导学生发现，在叶绿体中，暗反应阶段的发生部位、条件、物质和能量的变化展示教材中P103页图5-15所制作的幻灯片（强化对光合作用过程的理解，进一步加强图文转换的教学，突破教学难点，也有利于光反应阶段和暗反应阶段的对比）学生找出光反应阶段和暗反应阶段的区别和联系教师引导，进一步形成表格，使知识更加具有系统性。
3.光合作用原理的应用
环境因素对光合作用强度的影响，是第二课时教学中的一个难点，教学策略为：展示本文中全部插图制作的幻灯片，引导学生思考，特别要注意逻辑推理，其一，如果光反应阶段没有光，将会带来什么样的后果（水不能光解[H]不能产生、ATP不能形成暗反应阶段C3不能还原（CH2O）不能生成光合作用停止）？其二，在图中，如果暗反应阶段停止CO2供应，又会带来什么样的后果（C3不能形成（CH2O）同样不能生成光合作用也会停止）？其三，光合作用整个过程中的化学反应，始终都有酶的催化，温度高低同样影响化学反应的进行，同样导致光合作用强度下降，甚至停止。从而认识环境因素对光合作用的影响，通过人工控制环境因素中光照强度、温度、CO2浓度，大棚蔬菜的栽培，要处理好这3个重要的外界因素，才能增加蔬菜的产量。
教材中“探究环境因素（光照强度）对光合作用强度的影响”实验，特别要注意自变量（光照强弱的控制方法）改变来观察因变量（单位时间内叶片浮起的数量）的变化，并对可能的实验结果作出预测。
4.化能合成作用
本内容较简单，根据教学时间，可安排学生自学，只提出要求：能区别自养生物与异养生物的异同、化能合成作用与光合作用的异同即可。
参考文献
[1]朱正威，赵占良.普通高中课程标准实验教科书：生物·必修1·分子与细胞[M].北京：人民教育出版社，2007.
收稿日期：2011-12-25
作者简介：周大刚，本科，中教一级。
教学目标
知识目标
1．了解光的色散现象．
2．了解透明体的颜色由它能通过的色光的颜色决定；不透明体由于它们对不同色光的反射和吸收情况不同，所以看上去有不同的颜色．
3．认识三原色，在此基础上明确颜料的三原色与色光的三原色不同，混合原理不同．
能力目标
培养学生观察生活现象，对立思考问题，解决问题的能力．
情感目标
本节涉及的生活实例比较多，在指导学生学习的过程中，注意培养学生发现美、认识美、创造美的乐观主义精神，由热爱生活出发，继而热爱科学探索．
教学建议
教材分析
本节是选学内容，教材通过光的散射实验，介绍白光的组成，进而由实验说明透明体和不透明体呈现不同颜色的道理，说明色光混合和颜料的情况．这些知识在日常生活和科学技术中经常见到用到，是科学常识，也是很有趣味的知识．
教法建议
本节是选学内容，介绍的知识都是日常生活和科学技术中经常见到用到的，是科学常识，有很强的趣味性，可用实验法将各种光的色散现象展示出来，在日常生活现象的分析上可采用启发式教学．为明确颜料的三原色与色光三原色的不同，教师可采用实验教学与讨论法相结合的方式．
教学设计示例
一、新课引入
方案一：教师可向学生讲述牛顿分解色光的小故事，激起学生的学习兴趣．继而引入新课．
方案二：学生实验：太阳光通过棱镜分解成色光．
这个实验学生在小学自然课中知道，对于这个实验，教师可稍加指导．在学生兴趣被激起后转入新课教学．
二、新课教学
1．学生实验：太阳光分解成的色光经棱镜混合成白光．这个实验学生是生疏的，为保证实验质量，教师在实际教学中应指导学生注意以下两点：
（1）两个棱镜要靠得很近
（2）承接混合成白色的屏不要离第二个棱镜太远，避免能量损失太大，亮度过弱，看不清楚．
2．物体的颜色教学应分为两部分．
（1）透明体的颜色
演示太阳光通过棱镜和红玻璃在白屏上得到一条红色光带，启发学生解释此实验现象的原因．如果此实验现象不明显，可适当增加几块红玻璃或多层红玻璃纸．
再用蓝玻璃重复上面的实验步骤，启发学生分析总结玻璃是蓝色的原因．
总结学生的发言，得出：透明体的颜色是由它能透过的色光的颜色决定的．
（2）不透明体的颜色
演示实验：在白屏上贴一张红纸，屏上只有被红光照射的地方是亮的，其他地方是暗的；换用一张绿纸，屏上只有被绿光照射的地方是亮的．
总结实验结论：有色的不透明体反射与它颜色相同的光．
3．色光的混合
首先说明彩色电视机的色彩是利用红、绿、蓝三种色光合成的．让三种色光各自所占比例不同，就合成形形的各种色光．
演示实验：用手摇转台装上红、绿、蓝三色盘进行演示．调整三色比例，旋转时就看到三色盘呈灰白色．对于红、绿色光的混合，可调整三个色盘，使其只露出红色和绿色部分，改变各色比例，旋转时就会观察到随着红、绿比例不同，会依次出现橙红、橙、黄和绿黄几种颜色．各种色光的混合不必都给学生演示，只演示其中几个即可，其余可由学生在课下完成．
4．颜料的混合
方案一：向学生展示课本彩图颜料的三原色，使学生明确颜料的三原色与色光的三原色不同，混合原理不同．
方案二：由学生用各种颜色的颜料画画，对比展示颜料的三原色与色光的三原色不同，并指出混合原理不同．
三、课堂总结
建议由学生发挥主动性，讨论总结本节课的内容．教师可在课前准备好板书演示，配合学生的总结发言．
由于本节是选学内容，可适当创造机会，发掘学生独立学习的能力．
探究活动
【课题】实验分析光的三原色
【组织形式】学生活动小组
【活动流程】
提出问题；猜想与假设；制订计划与设计实验；进行实验与收集证据；分析与论证；评估；交流与合作．
【参考方案】演示太阳光束经玻璃棱镜发生光的色散实验、色光合成实验．
【备注】
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