STEM教育理念下動圈式揚聲器原理教學(xué)及制作

何忠燕

(張家港市崇真中學(xué) 江蘇 蘇州 215600)

學(xué)生已經(jīng)學(xué)完了磁場，對安培力知識點已經(jīng)有了比較深入的理解，但安培力在生活中有哪些應(yīng)用呢？大部分學(xué)生實際上并不是很了解.物理是一門實驗科學(xué)，是在生活中有重大應(yīng)用的學(xué)科，學(xué)物理應(yīng)該是生動形象，充滿探究樂趣的.基于此，有必要讓學(xué)生通過動手探究安培力的一個重要應(yīng)用——揚聲器，來增強其科學(xué)素養(yǎng).

1 項目STEM目標體現(xiàn)

科學(xué)目標： 理解動圈式揚聲器的工作原理和內(nèi)部結(jié)構(gòu)、輻向磁場，了解音頻電流的特點.

技術(shù)目標： 了解漆包線、會繞揚聲器音圈(線圈)、會制作簡易揚聲器、會測試揚聲器.

工程目標： 能利用漆包線、木地板、圓柱形磁鐵、金屬螺桿、3D打印塑料圈、飲料瓶，組裝搭建一個能播放動聽音樂的揚聲器.

數(shù)學(xué)目標： 揚聲器原理中安培力計算、制作揚聲器時繞制線圈的匝數(shù)，自制揚聲器的功率估算、頻率特性等.

2 原理探究

引入課題：用揚聲器(俗稱“喇叭”)播放音樂，向?qū)W生說明這是動圈式揚聲器并提出以下兩個懸念：(1)“動圈式”是什么意思？(2)揚聲器應(yīng)用了什么物理知識？(這兩個問題暫時不回答，學(xué)生在接下來的探究中，自然會理解)

探究1：揚聲器為什么會發(fā)出聲音？

用電唱機播放音樂，引出問題，讓學(xué)生討論.在學(xué)生回答是因為振動引起聲音后，引導(dǎo)學(xué)生用實驗來驗證揚聲器的紙盆在振動(用手摸感受振動或放上乒乓球可以看到它在跳動).

探究2：揚聲器為什么會振動？

引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)揚聲器上有磁鐵，聯(lián)想到內(nèi)部有磁場；引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)揚聲器通過導(dǎo)線連接了電唱機，猜想到必須有電流才能工作.

學(xué)生： 是因為磁場對電流施加力，是我們學(xué)過的安培力.

教師： 受到安培力就會發(fā)生振動，那為什么我們在上物理課“安培力”知識點時，課上做的演示實驗，金屬桿只能擺動到某一位置，卻不能發(fā)生振動并發(fā)出聲音？

學(xué)生：……

教師演示實驗：用傳感器觀察通過喇叭的音頻電流的波形.實驗裝置及檢測的波形如圖1所示.

圖1 實驗裝置與檢測波形

實驗現(xiàn)象： 音頻電流的大小和方向都發(fā)生周期性變化.

教師小結(jié)：原來是磁場對周期性變化的音頻電流產(chǎn)生了周期性變化的安培力，從而讓喇叭發(fā)生了振動.

探究3：揚聲器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是怎樣的？

學(xué)生分組，拆解揚聲器，拆卸后如圖2所示，再讓學(xué)生觀察剖面圖如圖3所示.觀察討論，理解輻向磁場的特點及揚聲器的工作原理.

圖2 拆卸后的揚聲器

圖3 揚聲器結(jié)構(gòu)剖面圖

探究4：揚聲器內(nèi)部的磁場有什么特點？對線圈產(chǎn)生的安培力大小如何計算？方向如何？

設(shè)匝數(shù)為N，電流為I,線圈半徑為r,線圈處磁感應(yīng)強度為B，如圖4所示，判斷線圈的受力方向和大小.

圖4 輻向磁場

利用微元法，把導(dǎo)線分割成無數(shù)小段，每一段都能看成直導(dǎo)線，分別受力為BIL1，BIL2，BIL3，……,方向均為垂直紙面向外，因此，圓形導(dǎo)線受到的安培力為各段受力之和，大小為BI×2πr，N匝線圈受力大小為NBI×2πr，方向垂直紙面向外.

若電流反向呢？安培力方向變?yōu)榇怪奔埫嫦騼?nèi).因此，通以交變電流時，線圈受到了周期性變化的安培力，因而振動起來.

探究5：動態(tài)觀看揚聲器播放音樂時的工作過程.

此處采用自制的可拆卸揚聲器，其磁鐵與線圈的距離可以調(diào)節(jié)，這樣就可以邊聽音樂邊調(diào)節(jié)磁鐵與線圈的距離了，如圖5所示.把可拆卸揚聲器和電唱機的輸出連接，播放音樂，讓學(xué)生注意觀察磁鐵遠離和靠近線圈的過程中聲音的變化.

圖5 自制的可拆卸揚聲器

學(xué)生會發(fā)現(xiàn)：磁鐵遠離線圈時音量減小，靠近時音量增大.

3 方案設(shè)計

為確保學(xué)生能在課堂完成，對學(xué)生自制揚聲器進行了簡化設(shè)計，但也需要確保能正常播放音樂.此處主要進行了5點創(chuàng)新.

(1)教師自制簡易音頻信號源，便于各小組能測試他們的作品，如圖6所示.

該信號源直接利用電池盒改裝，在電池盒內(nèi)部固定了一片音樂集成電路和一個開關(guān)，按下開關(guān)，就能輸出音頻信號，從而讓學(xué)生自制的揚聲器發(fā)出音樂.該信號源共需制作12個，確保每個小組都能有一個.

圖6 自制簡易音頻發(fā)生器原理及實物圖

該音樂集成電路的型號是9300，工作電路非常簡單，只要外接一個9014三極管，就能帶動常見的小型揚聲器.實際制作中9014三極管直接焊接在集成電路基板上就可以了，供電采用2節(jié)5號電池.為了讓該音頻發(fā)生器使用更簡單，筆者把音樂集成電路和開關(guān)，都直接用熱熔膠固定在電池盒內(nèi)，學(xué)生只要按下開關(guān)，就能輸出音頻電流.

(2)采用圓柱形強磁鐵，確保學(xué)生作品有足夠的靈敏度播放音樂.

(3)采用透明可樂瓶做振動體，確保核心部件清晰可見.

(4)采用可調(diào)節(jié)金屬螺桿，不僅能把磁鐵直接吸附上去，還能旋轉(zhuǎn)螺桿來微調(diào)磁鐵與線圈的距離，從而便于學(xué)生動態(tài)觀察揚聲器工作過程.

(5)采用3D打印的塑料圈作為骨架，便于學(xué)生快速繞制線圈.

4 學(xué)生實踐

學(xué)生分成4人一組，每組下發(fā)一個整理箱，里面有制作需要的所有材料.在教師引導(dǎo)下，每組學(xué)生需要通過分工合作，自制一個能播放音樂的簡易透明揚聲器，并能播放音樂測試.學(xué)生具體制作步驟如下.

(1)安裝可調(diào)節(jié)距離的磁鐵部件，把螺桿穿過支架上的孔，磁鐵吸在螺桿上.

(2)一人把纏繞的漆包線解開，其他同學(xué)負責(zé)把漆包線拉直，長度大約3 m.漆包線是外表面裹了一層絕緣油漆的銅導(dǎo)線，常用來繞制線圈.線圈的兩端需要把絕緣漆處理掉才能接入電路.本課用的漆包線兩端已經(jīng)刮掉了2 cm左右的絕緣漆并上了一層焊錫.

(3)把漆包線一端先穿過塑料圈上的小孔，注意穿出長度15 cm，然后再開始順時針繞制線圈，把3 m長的漆包線全部繞完，最后留下15 cm左右從另一個小孔穿出，如圖7所示.

圖7 3D打印的塑料圈,用來繞制線圈并能方便固定在可樂瓶上

(4)線圈繞好后把塑料螺母旋下來，接下來要把線圈固定在飲料瓶上，飲料瓶就是振動單元，類似于揚聲器上的紙盆.

(5)把線圈上的塑料螺桿，穿過飲料瓶側(cè)面的小孔，再把塑料螺母從瓶內(nèi)部旋緊在塑料螺桿上，這樣，線圈就緊緊固定在飲料瓶上了.

(6)把底座上的螺絲取下，吸附在螺絲刀上，再把螺絲從瓶內(nèi)部穿過可樂瓶蓋上的小孔.

(7)把可樂瓶固定在底座上，轉(zhuǎn)動可樂瓶，確保線圈對準磁鐵.

(8)把漆包線兩端的導(dǎo)電部分，壓入兩個金屬圓片間，這樣，線圈就和輸入插頭相連了.

大功告成：做好后的揚聲器以及調(diào)節(jié)磁鐵的位置如圖8所示.

圖8 調(diào)節(jié)磁鐵的位置

(9) 學(xué)生測試自制揚聲器.

把音頻發(fā)生器和自制揚聲器連接，打開音頻發(fā)生器開關(guān)，調(diào)節(jié)磁鐵與線圈的距離，如圖9所示.結(jié)果學(xué)生會驚奇地發(fā)現(xiàn)，他們親手制作的全透明揚聲器，也可以播放動聽的音樂.

討論：可以發(fā)現(xiàn)，同學(xué)們自制的揚聲器，播放音樂的音質(zhì)還是可以的，但音量較小.如何增大音量呢？

答：換更強大的磁鐵，增加線圈的匝數(shù)，用功率更大的功率放大器帶動……

圖9 自制揚聲器的連接

再讓學(xué)生觸摸可樂瓶和線圈，可以發(fā)現(xiàn)它們都在輕微振動.至此，學(xué)生們就可以理解“動圈式揚聲器”中 “動圈”兩個字的含義了.

教師進一步演示： 用功率更大的電唱機帶動學(xué)生自制揚聲器，讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)自制的簡易揚聲器，是可以播放動聽音樂的，不僅好玩，還很實用，讓他們體會實踐成功的喜悅.

5 課后探究

(1)為什么需要把揚聲器放在木盒內(nèi)做成音箱？

實驗演示“揚聲器裸露播放音樂”和 “把揚聲器背部放入紙盒內(nèi)播放音樂”的差別，現(xiàn)象很明顯(組成音箱后低頻顯著增強)，帶給學(xué)生聽覺上的震撼.激發(fā)學(xué)生的求知欲.

提示：這涉及到聲波的干涉.

(2)為什么把揚聲器反過來也可以作為話筒使用？為什么對揚聲器說話，揚聲器會產(chǎn)生電流？

提示：其中的電磁感應(yīng)原理，我們很快就會學(xué)習(xí)到.

(3)安培力在生活中還有一個重要應(yīng)用——電動機.學(xué)生們課后可以拆解廢舊收錄機、玩具車等里面的小電動機，去研究電動機的結(jié)構(gòu)和工作原理.