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探究趣味性物理教学实验设计

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摘要:本文设计了一种关于电磁波幅度调制与解调的物理教学实验装置,采用正弦波振荡器产生调制信号,利用多组开关和可调电阻形成阵列,模拟电子琴产生音乐声,解调部分经过检波放大并驱动扬声器发声。利用该装置配合低成本的信号源和天线,在物理课程的电磁学实验教学中使用,有利于学生学习电磁波调制和解调的工作原理,理解信号变换的全部过程,使实验具有良好的趣味性。

关键词:调制与解调;物理教学;实验装置;电子琴;趣味性

在物理学课程教学内容中,一些教学知识点理论比较抽象,教师若在结合教学实际基础上,充分理解学生好奇心和求知欲,适当开展趣味性实验,能激发学生的探究式学习热情,获得意想不到的教学效果。[1]电磁波调制与解调是物理学重要知识点之一,开展实验需要用到示波器和信号发生器等贵重仪器,很多学校受经济条件所限,只能以低成本方案开设实验,而放弃了知识的完整性。[2-3]利用虚拟仪器也是节约实验成本的方法之一,[4-5]另一类方法是开设演示实验,[6-7]但这些方法使学生失去了动手体验的机会。本实验装置可以实现电磁波幅度调制和解调,既解决了实验开设的成本问题,又使学生在实验中体验到音乐信息传递的完整过程,保证了物理实验的知识性和趣味性。

1音频信号的产生与发射

电磁波作为载波发射,是为了搭载和传递信息,将声音或图像信息调制在高频等幅电磁波上发射出去,常用的调制方法有调频和调幅。这里主要介绍音频信号通过载波调幅发射的实现方法。

1.1音频信号发生器

幅度调制部分的音频正弦波产生电路如图1,其主体部分是由电阻、电容元件构成选频网络的正反馈放大器,也称为RC振荡器,用来产生30Hz-3000Hz的音频信号。可调电位器Wn串联开关Kn形成多个调节支路,通过设置和调节每个支路的Wn值,改变各通路开关Kn闭合时的振荡频率,可产生一组共n个音频振荡频率输出,提供给幅度调制电路作为调制信号。

1.2幅度调制器

调幅发射部分的实验框图如图2所示,使用易于购买的低成本射频信号源产生载波,[8]信号源的发射功率可达10mW,频率设置为1GHz左右,发射天线选用符合频率要求的普通天线。在信号源与发射天线之间插入信号调制器,获得受音频调制的载波幅度调制信号,并通过天线变成电磁波发射出去。信号调制器是实验装置的核心部分,利用音频信号发生器振荡,产生范围在30~3000Hz可调的音频调制信号,控制PIN二极管的正向电阻,形成幅度调制作用。普通二极管是由N型和P型杂质掺杂的半导体材料直接构成PN结,而PIN二极管是在N型和P型半导体材料之间加了一层薄的低掺杂本征半导体层。PIN二极管有多种不同偏置方式,分别呈现不同工作状态。在正向偏置方式时,即PIN二极管加正向电压时,P区和N区的多数载流子会注入到I区并复合。电流I达到平衡状态时注入载流子和复合载流子相等,本征半导体层因积累大量载流子而电阻下降,即PIN管正向偏置时呈低阻状态。正向偏置电压越高,注入I层的电流越大,载流子越多,其电阻越小,等效为一个0.1~10之间小电阻。由于PIN管偏置电压大小与电阻具有相关性,可以作为射频开关和衰减器使用。作为射频开关使用时,当二极管正偏则射频接通,当二极管零偏或反偏则射频断开。作为串联射频衰减器使用时,二极管正向偏置电压的不同大小,对应为不同射频衰减量。因此,将音频信号引入作为正偏电压,可以实现电磁波幅度调制。

2音频信号的接收与解调

搭载有音频信号的电磁波载波,可以实现远距离信息传播。到达用户端后,通过天线接收射频电磁波,并通过解调电路还原出音频信号。

2.1接收与检波电路

在电磁波接收部分,接收天线将电磁波变为高频电流,进入检波二极管接收电路。检波接收电路如图3所示,为提高检波效率并获得尽量多的有用信号,应选择与载波频率适合的检波二极管。搭载信息的高频载波信号经天线接收后,输入检波二极管D,因为二极管的单向导通特性,正向信号得以通过,反向信号被二极管阻隔。通过二极管的信号,再经过容量较大的电解电容C的旁路作用,滤除正向信号中的剩余载波,输出只包含音频信息成分的信号。

2.2音频放大电路

检波二极管输出的音频信号幅度微弱,不足以推动扬声器发声,甚至不能使功耗较小的耳机发声。为实验方便,采用了音频放大电路提升音频功率,直接驱动扬声器。放大电路如图4所示,使用音频集成功放电路LM386作为放大器,电位器W用以调节从检波二极管输出进入放大器的音频信号大小,从而达到控制扬声器音量的目的。调制信号的频率处于人耳听觉频率范围,声音尖锐或低沉直接反映调制信号的频率,声音的大小还可以反映调制信号的幅度等参数。当然,也可以用示波器监测音频信号,能准确测量出更多调制参数。

3趣味性实验设计本实验要求

学生预先设置音频信号发生器各个开关支路的音调频率,通过连续按动琴键开关变换音调,模拟电子琴演奏出简短音乐声。如表1所示,为以国际标准音A-la-440Hz为准的七个音的频率。实验教师利用图1正弦波振荡器的开放接口,将电位器的调整功能引出。学生用面包板制作电子琴,每个标准音对应一组可调电位器Wn和琴键开关Kn,形成至少七个标准音,其中琴键开关用回形针或铍青铜片制作,每一路开关串联一个电位器,调节各支路电位器的阻值,用图4的音频检测电路接收音乐声,使喇叭中产生表1的频率(可以配备价格低廉的乐器调音器以测量频率)。然后,通过电子琴演奏出规定的简单乐曲声音,如要求演奏:123112313453455654315654312。

4结束语

将电子琴电路产生的音乐声调制到高频载波上,再通过电磁波发射和接收解调,还原出音乐声。按此实验方法开展电磁波调制解调实验,实验装置对幅度调制和解调的原理表达非常清晰,用声音表达的实验现象特别明显,通过电磁波收发并成功传递乐曲声的过程富有趣味性,对学生学习和认知物理学知识十分有效。同时,利用成本低廉的器材制作音频调制器和检波放大装置,可以代替昂贵的信号发生器、示波器等仪器,降低了物理实验开设的门槛,有利于实验教学的推广和普及。

参考文献

[1]王佩祥,喻秋山,黄志洋,等.偏振光实验系统的趣味性改进[J].物理实验,2016.36(2):37-41.

[2]李建英.物理低成本实验的教学实践探讨[J].忻州师范学院学报,2012.28(2):96-98.

[3]谢桂英.自制低成本教具,提高初中物理演示实验教学的有效性[J].物理实验,2014.34(4):11-14.

[4]王学严,张茹,张虎,等.大学物理虚拟实验一体化设计与实例[J].实验技术与管理,2016.32(9):124-127.

[5]张秀敏.仿真实验室在初中物理虚拟实验中的应用[J].中国教育技术装备,2015.22(11):158-159.

[6]李海宝.基于共享网络空间的物理演示实验教学平台[J].实验室研究与探索,2015.34(5):177-181.

[7]祁国良,曲胜艳,谭晓春,等.物理演示实验改进之管见[J].物理实验,2015.35(7):19-22.

[8]薛军,潘高峰,谢勇.基于ADF4350的多频段信号源的设计与实现[J].无线电工程,2011.41(11):53-55.

作者:杨心妍 单位:成都七中八一学校

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