制作簡易無線話筒理解電磁波發(fā)射過程

王震　徐洋　閆誠實

人教版普通物理課程標準實驗教科書《物理 選修3-4》中第十四章第三節(jié)介紹了有關電磁波發(fā)射和接收的知識.物理教師在講授該節(jié)內(nèi)容時，主要結(jié)合電路圖進行講解，讓學生理解電磁波發(fā)射和接收過程.教學中涉及到調(diào)制、調(diào)頻、振蕩頻率等物理概念都是抽象程度較高的知識，學生在生活中又缺少感性的認識，教師對概念的直接講授會顯得生硬和枯燥，學生理解困難.為此，我們制作了“簡易無線話筒演示實驗”演示電磁波的發(fā)射，通過真實的實驗讓學生感受電磁波的發(fā)射過程，理解相關物理概念，同時利用該演示實驗引出電磁波接收內(nèi)容的學習.

1 制作簡易無線話筒

1.1 實驗原理圖

無線話筒的制作來源于本節(jié)課物理教材內(nèi)容上的“做一做”欄目.“做一做”中提供了無線話筒的電路圖（圖1）.電路圖中的18PF半可變電容、CRZ-2型駐極體話筒，目前已經(jīng)不再使用.我們將電容器調(diào)整為5 PF～25 PF的高頻瓷介質(zhì)可變電容、話筒使用的是額定電壓為1.5 V的駐極體話筒.

1.2 需要的材料

絕緣薄木板一塊（40 cm×50 cm）、一號干電池一節(jié)（E，1.5 V）、單刀單擲開關一個（S）、PNP型高頻三極管9018一個（VT）、駐極體話筒一個（BM，額定電壓1.5V）、高頻瓷介質(zhì)可變電容一個（C1，5PF-25PF）、瓷片電容一個（C2，4.7PF）、1/8 W金屬膜電阻一個（R，1.8 kΩ）、自制線圈（L）、直徑為1 mm的漆包線40 cm、導線若干.

1.3 原理分析

高頻振蕩電路由三極管VT、電容器C1和線圈L組成.L與C1構(gòu)成LC諧振回路，具有選頻作用.高頻振蕩電路對音頻信號進行頻率調(diào)制后，經(jīng)電容器C2耦合，由發(fā)射天線向周圍空間發(fā)射出去.

音頻電路由駐極體話筒BM組成，電源E給話筒供電.BM能將聲音信號轉(zhuǎn)換成電信號，其內(nèi)部的場效應管把音頻信號進行放大，聲音信號的變化會引起場效應管漏極電流產(chǎn)生相應的變化，從而得到隨之變化的電壓信號，當其加到三極管的發(fā)射極時，發(fā)射極電流發(fā)生變化，振蕩頻率就隨著音頻信號變化，從而達到調(diào)頻的目的.

選擇長約30 cm、直徑為1 mm的銅質(zhì)漆包線作為發(fā)射天線.有一些實驗選擇軟導線作為發(fā)射天線，軟導線在使用過程中容易晃動，導致工作頻率發(fā)生偏移、不穩(wěn)定現(xiàn)象.銅質(zhì)漆包線很好地解決了頻偏問題，發(fā)射功率也略有增加，但是方向性會更強些.

2 制作方法

2.1 整個電路采用導線連接的方式

制作的電路板是把導線直接固定在薄木板上，教師演示時學生能夠清晰地看到同實驗原理圖相對應的實物電路板（圖2）.這樣的電路板要比經(jīng)過轉(zhuǎn)印、腐蝕等工序的現(xiàn)代制版工藝制成的電路板更加直觀、清晰，學生容易理解.

2.2 自制線圈L

裝置中的線圈L是用直徑為1 mm的漆包線在圓鉛筆上繞4匝制成.自制的線圈能更好地明確自感系數(shù)L的值，控制振蕩的中心頻率.鉛筆的使用也讓學生有新鮮感和親切感.

2.3 元器件引腳長度須符合規(guī)范要求

由于無線話筒工作頻率較高，電路結(jié)構(gòu)應盡量緊湊，元器件引腳長度須符合規(guī)范要求.駐極體話筒用兩根10 mm左右的元器件引腳從正、負接點引出，并在薄木板上固定，以方便送話.天線接在整個薄木板的邊緣，向外面伸出.

3 電磁波的發(fā)射

無線話筒電路采用的是頻率調(diào)制的工作方式，為了驗證實驗電路是否有電磁波發(fā)出，采用調(diào)頻收音機接收，也就是電磁波接收部分（圖3）.實驗前，首先計算出LC振蕩電路的中心頻率范圍.振蕩頻率f=12πLC，其中自制電感線圈的自感系數(shù)L=kμN2Sl，k為線圈幾何形狀參數(shù)，經(jīng)查表k=0.52；μ為磁導率，其數(shù)值為4π×10-7；N為線圈匝數(shù)；S為線圈面積；l=Nd為線圈長度，d為漆包線直徑，經(jīng)測量計算得L=2.1×10-13 H.電容器C1的取值范圍是5 PF～20 PF，計算得出振蕩的中心頻率范圍69 MHz～156M Hz之間.

實驗時，閉合開關，教師對著話筒播放音樂，話筒兩端的音頻電壓發(fā)生變化，變化的電壓加到三極管的發(fā)射極時，使得發(fā)射極的電流發(fā)生變化，引起振蕩頻率的改變，從而給出調(diào)頻的含義.通過與調(diào)頻對比，引伸出另外一種調(diào)制的方式——調(diào)幅，并介紹調(diào)幅概念.對著話筒播放音樂，經(jīng)過調(diào)制之后的電磁波就會通過天線發(fā)射出去，打開調(diào)頻收音機來接收電磁波信號，調(diào)頻收音機的調(diào)諧旋鈕要在69 MHz～156 MHz范圍之間調(diào)節(jié)，直至聽到清晰的音樂為止.

4 實驗裝置的優(yōu)缺點

簡易無線話筒裝置容易起振、靈敏度較高，在實際課堂教學中已經(jīng)較好地達到了演示的效果.但是從科技角度考慮該電路的發(fā)射功率較小，有效距離很難超過10米，發(fā)射頻率不太穩(wěn)定，略有聲音失真的現(xiàn)象.為此，可以在電路中增加一個三極管和電阻組成的功率放大電路，采用電壓負反饋的方式，這樣功率放大電路的工作點較為穩(wěn)定并且信號不容易失真.但是經(jīng)過改進之后的電路復雜、抽象，學生不容易理解.

簡易無線話筒制作方法簡單，實驗演示效果明顯，教師把抽象的物理過程用實物展示在學生面前，學生能親身感受到電磁波的發(fā)射過程以及調(diào)頻收音機能接收到電磁波信號，更有效地加強了學生對物理知識的學習與理解.