少數(shù)民族鄉(xiāng)鎮(zhèn)中學開展電磁波發(fā)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(fā)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(jié)“廣播電視和移動通信”的重難點,是物理運用于生活、生產(chǎn)的重要章節(jié).經(jīng)過多年的教學實踐發(fā)現(xiàn),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?qū)W生演示,加之本節(jié)知識點不是中考的重點考查內(nèi)容,很多少數(shù)民族地區(qū)的鄉(xiāng)鎮(zhèn)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?qū)W生講解,不利于學生直觀地學習和掌握本節(jié)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(fā)射與接收”進行實驗設(shè)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(shù)民族地區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)中學教師在開發(fā)和利用教學資源方面有參考價值.

2 電磁波發(fā)射與接收原理

“現(xiàn)代通信——網(wǎng)絡(luò)”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(xiàn)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(zhì)的東西就是如何發(fā)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(xiàn)代通信——網(wǎng)絡(luò)”的普及提供了有力保障.

電磁波的產(chǎn)生原理是:導(dǎo)線中電流的迅速變化導(dǎo)致導(dǎo)線周圍產(chǎn)生電磁波.接收原理是:利用導(dǎo)體接收電磁波產(chǎn)生感應(yīng)電流.那么無線電廣播信號是如何發(fā)射和接收的呢?主要是:把需要發(fā)射的信息轉(zhuǎn)化成電信號,然后用調(diào)制器把電信號加載到高頻電磁波(載波)上,再通過天線發(fā)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(fā)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(fā)射臺所發(fā)出的電磁波信號接收下來轉(zhuǎn)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(fā)射原理圖

圖2 無線電廣播信號接收原理圖

3 電磁波發(fā)射與接收實驗設(shè)計

3.1 實驗器材

學生電源,木塊,六平方銅芯導(dǎo)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(fā)光二極管、2N5609三極管、開關(guān)等),導(dǎo)線若干.

3.2 實驗裝置制作

(1)發(fā)射基座的設(shè)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(fā)射天線(相當于發(fā)射基座),兩條發(fā)射天線之間的距離為1 cm至1.5 cm,取出打火機電子,用導(dǎo)線分別從打火機電子的正極和負極引出兩條線接到發(fā)射基座的兩條發(fā)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(fā)射基座電路設(shè)計:利用學生電源、廢舊電蚊拍(拆下開關(guān)、整流二極管、電容器、逆變器、三極管)設(shè)計電磁波發(fā)射電路,發(fā)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(fā)射基座電路圖

發(fā)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(fā)射基座,兩條天線之間的距離為1 cm至1.5 cm.根據(jù)發(fā)射基座電路圖4制作成發(fā)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(fā)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(fā)光二極管的兩腳分別接到接收基座的兩條接收天線上構(gòu)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(fā)光二極管,3是發(fā)射基座的發(fā)射天線,4是依據(jù)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(xiàn)象

將制作好的實驗裝置放在水平桌面上,發(fā)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(yīng),瞬間產(chǎn)生15 000 V高壓加載到發(fā)射天線上,由于兩條發(fā)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(chǎn)生電弧,同時產(chǎn)生電磁波發(fā)射到天線周圍,接收基座上的天線接收電磁波,產(chǎn)生感應(yīng)電流使φ3 mm紅色發(fā)光二極管發(fā)光.方法1設(shè)計的優(yōu)點是制作簡單,不足的地方是不能持續(xù)產(chǎn)生電磁波,不能使二極管持續(xù)發(fā)光,在實驗演示過程中學生觀察不便,建議在較暗的環(huán)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(guān)SB,由三極管VT和逆變器TU采用共集電極接法構(gòu)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(jīng)逆變器TU升壓到約600 V(輸出兩端實測),再經(jīng)二極管VD1、VD2、VD3及電容器C1、C2、C3構(gòu)成的三倍壓整流電路把電壓提升并轉(zhuǎn)變?yōu)? 545 V的直流高壓,經(jīng)過放電電路R2加到發(fā)射天線上,由于兩條發(fā)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(chǎn)生高壓電弧,同時瞬間在發(fā)射天線周圍產(chǎn)生電磁波并發(fā)射出去[3].當接收基座的接收天線接收到發(fā)射基座發(fā)射出來的電磁波時,產(chǎn)生感應(yīng)電流使φ3 mm紅色發(fā)光二極管發(fā)光.方法2設(shè)計的優(yōu)點是能持續(xù)產(chǎn)生電磁波,能持續(xù)讓φ3 mm紅色發(fā)光二極管發(fā)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(chuàng)新要點

電磁波發(fā)射與接收實驗設(shè)計的過程,低成本地利用生活中學生熟悉的電子產(chǎn)品設(shè)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(shù)民族鄉(xiāng)鎮(zhèn)中學進行教學實踐,發(fā)現(xiàn)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(fā)了學生學習物理知識的興趣,并進一步突出和突破了本節(jié)課的重難點.本實驗的設(shè)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(xiàn)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(jié)束語

物理核心素養(yǎng)的培養(yǎng)離不開物理實驗的支撐,在物理教學過程中教師應(yīng)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(jié)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(fā)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(yè)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(xiàn)“教學相長”.