用音樂(lè)片設(shè)計(jì)微電流檢測(cè)器的實(shí)驗(yàn)研究

應(yīng)干和

摘 要：本文對(duì)音樂(lè)片（即音樂(lè)集成電路）的結(jié)構(gòu)及基本原理進(jìn)行學(xué)習(xí)和探究，并從生日卡片、廢舊的玩具、工藝品中收集各種音樂(lè)卡片，開展物理實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)和制作，根據(jù)音樂(lè)集成電路具有工作電壓低、耗電量極少的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)制作成“微弱電流檢測(cè)器”，可以用來(lái)驗(yàn)證“會(huì)產(chǎn)生微弱電流”的物理實(shí)驗(yàn)，將其用于物理實(shí)驗(yàn)，取代過(guò)去一些陳舊的方法，效果極佳，且頗為新穎有趣。

關(guān)鍵詞：音樂(lè)片；物理實(shí)驗(yàn)；微電流檢測(cè)

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2017）2-0013-3

筆者發(fā)現(xiàn)音樂(lè)卡片包含著不少物理知識(shí)，可以做很多物理實(shí)驗(yàn)，探索許多的物理現(xiàn)象。音樂(lè)片雖小，但它是一種音樂(lè)集成電路，音樂(lè)集成電路是一種樂(lè)曲發(fā)生電路，它可以向外輸出固定存儲(chǔ)的樂(lè)曲。音樂(lè)集成電路具有外接元件少、工作電壓低、耗電量極少、功能齊全和使用方便的特點(diǎn)。設(shè)計(jì)制作成“微弱電流檢測(cè)器”可以用來(lái)驗(yàn)證“會(huì)產(chǎn)生微弱電流”的物理實(shí)驗(yàn)?，F(xiàn)將其工作原理、設(shè)計(jì)、制作及在物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用總結(jié)如下。

1 音樂(lè)集成電路的結(jié)構(gòu)及基本工作原理

音樂(lè)集成電路的芯片面積僅半顆黃豆大小，屬大規(guī)模CMOS電路，它由音樂(lè)集成電路、聲光集成電路、模擬聲響集成電路三部分組成，總稱音樂(lè)集成電路。音樂(lè)集成電路具有以下特點(diǎn)：（1）品種多，規(guī)格齊全。它有三大系列、數(shù)百個(gè)品種規(guī)格可供選擇。（2）電路簡(jiǎn)單，制作容易，用途廣泛，售價(jià)便宜，特別適合于青少年課外業(yè)余電子制作活動(dòng)。（3）工作電壓為1.2～3 V，工作電流典型值為600 μA，靜態(tài)電流僅為0.5 μA，可采用紐扣電池供電，使用壽命長(zhǎng)達(dá)1～2年。

音樂(lè)集成電路有許多系列，且在控制功能上也各不相同，但它們的基本電路結(jié)構(gòu)和工作原理大都是相同的。

音樂(lè)集成電路的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，它由控制電路、振蕩電路、存儲(chǔ)器（ROM）、節(jié)拍發(fā)生器、音階發(fā)生器、調(diào)制器、音色發(fā)生器、音色和節(jié)拍選擇器及前置放大器等組成。

2 “微弱電流檢測(cè)器” 設(shè)計(jì)制作

筆者收集了很多型號(hào)的音樂(lè)卡片，有HY-100系列音樂(lè)集成電路、HY-1音樂(lè)集成電路、KD-930音樂(lè)集成電路、KD-152G音樂(lè)集成電路、HFC93音樂(lè)集成電路、TS-021音樂(lè)集成電路等。由于KD-930音樂(lè)集成電路，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、外接元件最少，所以筆者先用KD-930音樂(lè)集成電路制作物理實(shí)驗(yàn)儀器。

筆者根據(jù)音樂(lè)集成電路（音樂(lè)片）具有工作電壓低、耗電量極少的特點(diǎn)，利用音樂(lè)片設(shè)計(jì)制作了“微弱電流檢測(cè)器”，將其用于物理實(shí)驗(yàn)，取代過(guò)去一些陳舊的方法，效果極佳，且頗為新穎有趣。

筆者把KD-930音樂(lè)集成電路、開關(guān)、壓電晶片如圖2電路進(jìn)行焊接，觸發(fā)開關(guān)用熱熔膠粘在塑料盒邊，壓電晶片粘在塑料盒蓋上，整個(gè)原件組裝在一個(gè)塑料盒中，這樣就做成了一個(gè)多功能的“微弱電流檢測(cè)器”，實(shí)物如圖3所示。

圖中1腳接電源正極，2腳為正脈沖觸發(fā)電極，4腳為地接電源負(fù)極，3腳為輸出。3、4腳兩端可接壓電晶片（發(fā)音片），其耗電量極低。在外界有電源接A、B的情況下，當(dāng)2腳與1腳每接觸一次則觸發(fā)演奏一曲音樂(lè)，若兩者相接則反復(fù)演奏。

3 用“微弱電流檢測(cè)器”進(jìn)行以下物理實(shí)驗(yàn)

3.1 檢驗(yàn)電源電動(dòng)勢(shì)

將兩節(jié)電池串聯(lián)，其正、負(fù)極分別與電路圖2中的A、B相連。將 2與1開關(guān)閉合短接，則奏響音樂(lè)，斷開電源，音樂(lè)停止，說(shuō)明電路正常。然后去掉一節(jié)電池，再按上述方法接通。音樂(lè)又響，但音量比前者小，這說(shuō)明音樂(lè)片所發(fā)的聲音大小與電源電動(dòng)勢(shì)有關(guān)，在一定范圍內(nèi)電源電動(dòng)勢(shì)越高，加到電路上的電壓越大，聲音也越大。下面用此方法檢驗(yàn)伏打電池（或水果電池）其效果會(huì)更為顯著，因?yàn)檫@類電池產(chǎn)生的電流較弱。若用小燈泡演示，由于耗電量大，電池放電快，演示好似曇花一現(xiàn)，燈很快便暗淡下去，改用音樂(lè)片則時(shí)間延續(xù)很長(zhǎng)，效果極為明顯。

具體方法：將鋅（鎂）和銅電極分別插入稀硫酸溶液杯（或水果中）。鋅電極作為電源負(fù)極，銅電極作為正極，代替干電池分別與音樂(lè)片圖2中的A、B相接，此時(shí)音樂(lè)響起，當(dāng)把電極取出，音樂(lè)停止，重新插入，音樂(lè)又奏響，以此說(shuō)明伏打電池（水果電池）可以代替干電池產(chǎn)生電源電動(dòng)勢(shì)，為音樂(lè)片提供電壓和電流。

3.2 驗(yàn)證電容器能存儲(chǔ)電能

取200 μF以上的電解電容一只，用其代替電池接到電路圖2中的A、B端。此時(shí)音樂(lè)片不響，取下電容，用電池對(duì)其充電（注意極性）數(shù)分鐘后，再將電容正負(fù)極分別接到電路圖2中的A、B端。此時(shí)音樂(lè)會(huì)響起，并且聲音逐漸減弱。這說(shuō)明電容能夠存儲(chǔ)電能，并隨放電時(shí)間的延長(zhǎng)，電容兩端的電壓和輸出的電流會(huì)逐漸減小。

3.3 檢驗(yàn)電感線圈的自感電動(dòng)勢(shì)

實(shí)驗(yàn)電路如圖4所示，無(wú)電感時(shí)，電路一接通，音樂(lè)片馬上就響起，電路斷開，音樂(lè)戛然而止，但有電感線圈后，電路接通的瞬間，聲音并不馬上響起，而是逐漸變響，過(guò)一段時(shí)間后才達(dá)到穩(wěn)定的響度。當(dāng)電鍵扳到2時(shí)，音樂(lè)也不馬上停止，而是逐漸消失。這說(shuō)明當(dāng)電鍵閉合時(shí)，電感線圈有自感電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生。其方向與電源電動(dòng)勢(shì)相反，阻礙電流突變，因此音樂(lè)聲是漸大的。當(dāng)電路進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)后，電源電動(dòng)勢(shì)才全加到音樂(lè)片上。當(dāng)電鍵斷開，扳到2時(shí)，電感線圈也會(huì)產(chǎn)生自感電動(dòng)勢(shì)，方向與原電源電動(dòng)勢(shì)相同，阻礙電流變小。所以它將繼續(xù)為音樂(lè)片提供電壓、電流，使其發(fā)音，但隨著時(shí)間延長(zhǎng)，自感電動(dòng)勢(shì)減小，聲音也逐漸變小， 最后消失。

3.4 驗(yàn)證二極管的單向?qū)щ娦?/p>

在電池正極與音樂(lè)片圖4中的A腳之間串接一個(gè)二極管D，這時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)二極管極性與電路中電流方向一致時(shí)，音樂(lè)片便會(huì)響起，當(dāng)其極性與電流方向相反時(shí)，音樂(lè)便會(huì)停止。這說(shuō)明二極管具有單向?qū)щ娦?，?dāng)其極性與電流方向一致時(shí)，其兩端所加電壓為正向偏置，二極管導(dǎo)通，電阻極小，其兩端相當(dāng)于短路，因此電源電壓會(huì)加到音樂(lè)片上，使其奏響。當(dāng)二極管反接時(shí)，其兩端電壓為反向偏置，二極管截止，兩端相當(dāng)于開路，電源電壓不能加到音樂(lè)片上，因此不會(huì)使音樂(lè)響起。

3.5 演示電磁感應(yīng)現(xiàn)象

電路如圖5所示，音樂(lè)集成塊為KD-930，L為J2409型演示原、副線圈中的副線圈，二極管和電容器的型號(hào)、參數(shù)見圖5。把兩根條形磁鐵并在一起，插入（或拉出）線圈一次，音樂(lè)集成塊就能工作約8秒鐘。如果不緊不慢一次次地把磁鐵插入、拉出線圈，音樂(lè)就能一直演奏下去，比課本中介紹的用電流表顯示感應(yīng)電流，更加生動(dòng)有趣。

取一只錄音機(jī)機(jī)芯馬達(dá)，撬開后蓋，拆去穩(wěn)速板，從電樞的兩個(gè)端點(diǎn)引出兩根導(dǎo)線，如圖6所示連接線路，手捏轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)就變成了發(fā)電機(jī)，確定正確的旋轉(zhuǎn)方向后，只要不停地用手轉(zhuǎn)動(dòng)馬達(dá)，音樂(lè)集成塊就能不停地演奏下去。

3.6 顯示電磁波具有能量

取兩根長(zhǎng)度為30 cm左右的空心金屬棒，相距5 cm左右，置于同一直線上，各元件型號(hào)、參數(shù)如圖7所示。按圖連接線路，把整個(gè)裝置固定在木板、泡沫塑料等絕緣體上，打開J2435型電磁波發(fā)送、接收演示器，金屬棒距發(fā)射天線1.5 m以外，音樂(lè)集成塊已能奏出清晰的音樂(lè)，比用小燈泡顯示更靈敏，也更吸引學(xué)生。

4 結(jié) 語(yǔ)

物理是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科。在教學(xué)過(guò)程中，部分老師受到器材的限制，導(dǎo)致課堂缺少實(shí)驗(yàn)演示，影響課堂教學(xué)質(zhì)量。殊不知，身邊的小物體“變廢為寶”將會(huì)有大作用。一張小的音樂(lè)片給物理實(shí)驗(yàn)帶來(lái)創(chuàng)新的同時(shí)也為課堂注入活力，幫助教師提高課堂的教學(xué)質(zhì)量。同時(shí)，還能更加吸引學(xué)生，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣。此外，教師在準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)教具的過(guò)程中，必然會(huì)遇到許多需要克服的困難和需要學(xué)習(xí)的東西，這對(duì)教師自身能力的提升大有裨益。

參考文獻(xiàn)：

[1]林杼， 龔鎮(zhèn)雄. 普通物理實(shí)驗(yàn)[M].北京：北京高等教育出版社， 1981：275.

（欄目編輯 趙保鋼）