少數民族鄉鎮中學開展電磁波發射與接收實驗的探索*

夏章軍

(惠水縣擺金中學 貴州 黔南 550602)

羅仕武

(惠水縣鴨絨中學 貴州 黔南 550602 )

1 引言

“電磁波發射和接收”是初中人教版九年級物理教科書下冊第二十一章信息的傳遞中第2節“廣播電視和移動通信”的重難點,是物理運用于生活、生產的重要章節.經過多年的教學實踐發現,學生對此部分物理知識的學習非常感興趣,但教材中以拓展性實驗(仿真性實驗)來向學生演示,加之本節知識點不是中考的重點考查內容,很多少數民族地區的鄉鎮中學由于資源配置和教師自身因素等原因,在教學過程中很少給學生進行實驗演示,也不按照《課標》的要求向學生講解,不利于學生直觀地學習和掌握本節知識的重難點,消減了學生對物理知識的深度探索.其實,我們可以低成本利用生活中學生熟悉的生活資源對“電磁波發射與接收”進行實驗設計,一方面能對學生學習“信息傳遞”知識有幫助,另一方面能對少數民族地區鄉鎮中學教師在開發和利用教學資源方面有參考價值.

2 電磁波發射與接收原理

“現代通信——網絡”作為最快捷的通訊方式,成為越來越多人的生活必備工具,而現代通信的原理無非就是利用電磁波作為載體進行跨距離的信息傳遞,最本質的東西就是如何發射和接收電磁波.電磁波主要是指頻率為300 MHz到3 000 GHz,波長為0.1 mm到1 m之間的無線電微波,按頻譜來劃分主要有分米波、厘米波、毫米波和亞毫米波4個波段,從特性上來看,電磁波具有傳輸距離遠、大氣損耗小、功率密度低、波束強度和方向易于控制等特性[1].因為電磁波的這些特性,為“現代通信——網絡”的普及提供了有力保障.

電磁波的產生原理是:導線中電流的迅速變化導致導線周圍產生電磁波.接收原理是:利用導體接收電磁波產生感應電流.那么無線電廣播信號是如何發射和接收的呢?主要是:把需要發射的信息轉化成電信號,然后用調制器把電信號加載到高頻電磁波(載波)上,再通過天線發射到空中,傳向各地.如圖1所示是人教版九年級物理教材中無線電廣播信號發射過程的原理圖.無線電廣播信號的接收主要是通過接收機的天線,把發射臺所發出的電磁波信號接收下來轉化成電信號,把信息還原出來.如圖2所示是人教版九年級物理教材中無線電廣播信號接收過程的原理圖[2].

圖1 無線電廣播信號發射原理圖

圖2 無線電廣播信號接收原理圖

3 電磁波發射與接收實驗設計

3.1 實驗器材

學生電源,木塊,六平方銅芯導線,電子打火機,廢舊電蚊拍(拆下逆變器、電容器、整流二極管、發光二極管、2N5609三極管、開關等),導線若干.

3.2 實驗裝置制作

(1)發射基座的設計制作

制作方法1:利用廢舊電子打火機制作

取20 cm至30 cm長的六平方銅芯線去掉絕緣層平均分成2段,彎折并固定在木塊上制作發射天線(相當于發射基座),兩條發射天線之間的距離為1 cm至1.5 cm,取出打火機電子,用導線分別從打火機電子的正極和負極引出兩條線接到發射基座的兩條發射天線上,如圖3右邊所示.

圖3 實驗裝置實物圖

制作方法2:利用生活中廢舊用電器制作

發射基座電路設計:利用學生電源、廢舊電蚊拍(拆下開關、整流二極管、電容器、逆變器、三極管)設計電磁波發射電路,發射電路主要由高頻自激振蕩電路、三倍壓整流電路、放電電路、天線4部分組成,如圖4所示.

圖4 制作方法2發射基座電路圖

發射天線制作方法與制作方法1相同,取20 cm至30 cm長的六平方銅芯線去掉絕緣層平均分成2段,彎折并固定在木塊上制作發射基座,兩條天線之間的距離為1 cm至1.5 cm.根據發射基座電路圖4制作成發射基座.

(2)接收基座的制作

取20 cm至30cm長的六平方銅芯線去掉絕緣層平均分成2段,彎折并固定在木塊上制作接收射天線(相當于接收基座),兩條發射天線之間的距離為1 cm至1.5 cm,同時將電蚊拍拆下的(φ3 mm)紅色發光二極管的兩腳分別接到接收基座的兩條接收天線上構成接收基座.

圖3所示實物圖中的1是接收基座的接收天線,2是(φ3 mm)紅色發光二極管,3是發射基座的發射天線,4是依據圖4電路圖焊接的模塊,5是電子打火機的打火電子.

3.3 實驗過程及現象

將制作好的實驗裝置放在水平桌面上,發射基座和接收基座距離為1 cm至20 cm之間.

實驗一:按方法1制作的裝置進行實驗.按下電子打火機電子,由于壓電效應,瞬間產生15 000 V高壓加載到發射天線上,由于兩條發射天線之間的距離在1 cm至1.5 cm,間距較小,在高電壓的作用下,兩條天線之間產生電弧,同時產生電磁波發射到天線周圍,接收基座上的天線接收電磁波,產生感應電流使φ3 mm紅色發光二極管發光.方法1設計的優點是制作簡單,不足的地方是不能持續產生電磁波,不能使二極管持續發光,在實驗演示過程中學生觀察不便,建議在較暗的環境下進行實驗教學.

實驗二:按方法2制作的裝置進行實驗.按下電源開關SB,由三極管VT和逆變器TU采用共集電極接法構成的高頻振蕩器得電工作,把3 V直流電變成18 kHz左右的交流電,經逆變器TU升壓到約600 V(輸出兩端實測),再經二極管VD1、VD2、VD3及電容器C1、C2、C3構成的三倍壓整流電路把電壓提升并轉變為2 545 V的直流高壓,經過放電電路R2加到發射天線上,由于兩條發射天線之間的距離在1 cm至1.5 cm,間距較小,在高壓的作用下,兩條天線之間產生高壓電弧,同時瞬間在發射天線周圍產生電磁波并發射出去[3].當接收基座的接收天線接收到發射基座發射出來的電磁波時,產生感應電流使φ3 mm紅色發光二極管發光.方法2設計的優點是能持續產生電磁波,能持續讓φ3 mm紅色發光二極管發光,實驗效果較好,便于學生觀察,缺點是制作麻煩,需具備一定的模擬電路知識.

4 實驗的創新要點

電磁波發射與接收實驗設計的過程,低成本地利用生活中學生熟悉的電子產品設計實體實驗替代教材中的仿真實驗,使得實驗效果更加具有真實性和直觀性.同時在少數民族鄉鎮中學進行教學實踐,發現學生更容易學習和掌握廣播、電視和移動通信的基本原理,同時學生也能深刻地體會到物理科學對生活的影響,從而激發了學生學習物理知識的興趣,并進一步突出和突破了本節課的重難點.本實驗的設計不論是從資源的選擇上來看,還是從課堂教學的實踐上來看,都充分地體現了物理新課程標準提出“從生活走向物理,從物理走向社會”這一課程理念[4].

5 結束語

物理核心素養的培養離不開物理實驗的支撐,在物理教學過程中教師應該準確地把握教學目標,以新的課程理念武裝自己的教學觀念,并結合課堂教學的需要,充分地利用日常生活中的各種低成本資源,把它開發成教學資源并在物理課堂教學中進行實踐,有助于教師專業化的成長,有助于學生物理興趣的提高,有助于教學目標的達成,從而真正地實現“教學相長”.