探究趣味性物理教學實驗設計范文

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摘要:本文設計了一種關(guān)于電磁波幅度調(diào)制與解調(diào)的物理教學實驗裝置，采用正弦波振蕩器產(chǎn)生調(diào)制信號，利用多組開關(guān)和可調(diào)電阻形成陣列，模擬電子琴產(chǎn)生音樂聲，解調(diào)部分經(jīng)過檢波放大并驅(qū)動揚聲器發(fā)聲。利用該裝置配合低成本的信號源和天線，在物理課程的電磁學實驗教學中使用，有利于學生學習電磁波調(diào)制和解調(diào)的工作原理，理解信號變換的全部過程，使實驗具有良好的趣味性。

關(guān)鍵詞:調(diào)制與解調(diào)；物理教學；實驗裝置；電子琴；趣味性

在物理學課程教學內(nèi)容中，一些教學知識點理論比較抽象，教師若在結(jié)合教學實際基礎上，充分理解學生好奇心和求知欲，適當開展趣味性實驗，能激發(fā)學生的探究式學習熱情，獲得意想不到的教學效果。[1]電磁波調(diào)制與解調(diào)是物理學重要知識點之一，開展實驗需要用到示波器和信號發(fā)生器等貴重儀器，很多學校受經(jīng)濟條件所限，只能以低成本方案開設實驗，而放棄了知識的完整性。[2-3]利用虛擬儀器也是節(jié)約實驗成本的方法之一，[4-5]另一類方法是開設演示實驗，[6-7]但這些方法使學生失去了動手體驗的機會。本實驗裝置可以實現(xiàn)電磁波幅度調(diào)制和解調(diào)，既解決了實驗開設的成本問題，又使學生在實驗中體驗到音樂信息傳遞的完整過程，保證了物理實驗的知識性和趣味性。

1音頻信號的產(chǎn)生與發(fā)射

電磁波作為載波發(fā)射，是為了搭載和傳遞信息，將聲音或圖像信息調(diào)制在高頻等幅電磁波上發(fā)射出去，常用的調(diào)制方法有調(diào)頻和調(diào)幅。這里主要介紹音頻信號通過載波調(diào)幅發(fā)射的實現(xiàn)方法。

1.1音頻信號發(fā)生器

幅度調(diào)制部分的音頻正弦波產(chǎn)生電路如圖1，其主體部分是由電阻、電容元件構(gòu)成選頻網(wǎng)絡的正反饋放大器，也稱為RC振蕩器，用來產(chǎn)生30Hz-3000Hz的音頻信號。可調(diào)電位器Wn串聯(lián)開關(guān)Kn形成多個調(diào)節(jié)支路，通過設置和調(diào)節(jié)每個支路的Wn值，改變各通路開關(guān)Kn閉合時的振蕩頻率，可產(chǎn)生一組共n個音頻振蕩頻率輸出，提供給幅度調(diào)制電路作為調(diào)制信號。

1.2幅度調(diào)制器

調(diào)幅發(fā)射部分的實驗框圖如圖2所示，使用易于購買的低成本射頻信號源產(chǎn)生載波，[8]信號源的發(fā)射功率可達10mW，頻率設置為1GHz左右，發(fā)射天線選用符合頻率要求的普通天線。在信號源與發(fā)射天線之間插入信號調(diào)制器，獲得受音頻調(diào)制的載波幅度調(diào)制信號，并通過天線變成電磁波發(fā)射出去。信號調(diào)制器是實驗裝置的核心部分，利用音頻信號發(fā)生器振蕩，產(chǎn)生范圍在30~3000Hz可調(diào)的音頻調(diào)制信號，控制PIN二極管的正向電阻，形成幅度調(diào)制作用。普通二極管是由N型和P型雜質(zhì)摻雜的半導體材料直接構(gòu)成PN結(jié)，而PIN二極管是在N型和P型半導體材料之間加了一層薄的低摻雜本征半導體層。PIN二極管有多種不同偏置方式，分別呈現(xiàn)不同工作狀態(tài)。在正向偏置方式時，即PIN二極管加正向電壓時，P區(qū)和N區(qū)的多數(shù)載流子會注入到I區(qū)并復合。電流I達到平衡狀態(tài)時注入載流子和復合載流子相等，本征半導體層因積累大量載流子而電阻下降，即PIN管正向偏置時呈低阻狀態(tài)。正向偏置電壓越高，注入I層的電流越大，載流子越多，其電阻越小，等效為一個0.1~10之間小電阻。由于PIN管偏置電壓大小與電阻具有相關(guān)性，可以作為射頻開關(guān)和衰減器使用。作為射頻開關(guān)使用時，當二極管正偏則射頻接通，當二極管零偏或反偏則射頻斷開。作為串聯(lián)射頻衰減器使用時，二極管正向偏置電壓的不同大小，對應為不同射頻衰減量。因此，將音頻信號引入作為正偏電壓，可以實現(xiàn)電磁波幅度調(diào)制。

2音頻信號的接收與解調(diào)

搭載有音頻信號的電磁波載波，可以實現(xiàn)遠距離信息傳播。到達用戶端后，通過天線接收射頻電磁波，并通過解調(diào)電路還原出音頻信號。

2.1接收與檢波電路

在電磁波接收部分，接收天線將電磁波變?yōu)楦哳l電流，進入檢波二極管接收電路。檢波接收電路如圖3所示，為提高檢波效率并獲得盡量多的有用信號，應選擇與載波頻率適合的檢波二極管。搭載信息的高頻載波信號經(jīng)天線接收后，輸入檢波二極管D，因為二極管的單向?qū)ㄌ匦裕蛐盘柕靡酝ㄟ^，反向信號被二極管阻隔。通過二極管的信號，再經(jīng)過容量較大的電解電容C的旁路作用，濾除正向信號中的剩余載波，輸出只包含音頻信息成分的信號。

2.2音頻放大電路

檢波二極管輸出的音頻信號幅度微弱，不足以推動揚聲器發(fā)聲，甚至不能使功耗較小的耳機發(fā)聲。為實驗方便，采用了音頻放大電路提升音頻功率，直接驅(qū)動揚聲器。放大電路如圖4所示，使用音頻集成功放電路LM386作為放大器，電位器W用以調(diào)節(jié)從檢波二極管輸出進入放大器的音頻信號大小，從而達到控制揚聲器音量的目的。調(diào)制信號的頻率處于人耳聽覺頻率范圍，聲音尖銳或低沉直接反映調(diào)制信號的頻率，聲音的大小還可以反映調(diào)制信號的幅度等參數(shù)。當然，也可以用示波器監(jiān)測音頻信號，能準確測量出更多調(diào)制參數(shù)。

3趣味性實驗設計本實驗要求

學生預先設置音頻信號發(fā)生器各個開關(guān)支路的音調(diào)頻率，通過連續(xù)按動琴鍵開關(guān)變換音調(diào)，模擬電子琴演奏出簡短音樂聲。如表1所示，為以國際標準音A-la-440Hz為準的七個音的頻率。實驗教師利用圖1正弦波振蕩器的開放接口，將電位器的調(diào)整功能引出。學生用面包板制作電子琴，每個標準音對應一組可調(diào)電位器Wn和琴鍵開關(guān)Kn，形成至少七個標準音，其中琴鍵開關(guān)用回形針或鈹青銅片制作，每一路開關(guān)串聯(lián)一個電位器，調(diào)節(jié)各支路電位器的阻值，用圖4的音頻檢測電路接收音樂聲，使喇叭中產(chǎn)生表1的頻率（可以配備價格低廉的樂器調(diào)音器以測量頻率）。然后，通過電子琴演奏出規(guī)定的簡單樂曲聲音，如要求演奏：123112313453455654315654312。

4結(jié)束語

將電子琴電路產(chǎn)生的音樂聲調(diào)制到高頻載波上，再通過電磁波發(fā)射和接收解調(diào)，還原出音樂聲。按此實驗方法開展電磁波調(diào)制解調(diào)實驗，實驗裝置對幅度調(diào)制和解調(diào)的原理表達非常清晰，用聲音表達的實驗現(xiàn)象特別明顯，通過電磁波收發(fā)并成功傳遞樂曲聲的過程富有趣味性，對學生學習和認知物理學知識十分有效。同時，利用成本低廉的器材制作音頻調(diào)制器和檢波放大裝置，可以代替昂貴的信號發(fā)生器、示波器等儀器，降低了物理實驗開設的門檻，有利于實驗教學的推廣和普及。

參考文獻

[1]王佩祥,喻秋山,黃志洋,等.偏振光實驗系統(tǒng)的趣味性改進[J].物理實驗,2016.36(2):37-41.

[2]李建英.物理低成本實驗的教學實踐探討[J].忻州師范學院學報,2012.28(2):96-98.

[3]謝桂英.自制低成本教具,提高初中物理演示實驗教學的有效性[J].物理實驗,2014.34(4):11-14.

[4]王學嚴,張茹,張虎,等.大學物理虛擬實驗一體化設計與實例[J].實驗技術(shù)與管理,2016.32(9):124-127.

[5]張秀敏.仿真實驗室在初中物理虛擬實驗中的應用[J].中國教育技術(shù)裝備,2015.22(11):158-159.

[6]李海寶.基于共享網(wǎng)絡空間的物理演示實驗教學平臺[J].實驗室研究與探索,2015.34(5):177-181.

[7]祁國良,曲勝艷,譚曉春,等.物理演示實驗改進之管見[J].物理實驗,2015.35(7):19-22.

[8]薛軍,潘高峰,謝勇.基于ADF4350的多頻段信號源的設計與實現(xiàn)[J].無線電工程,2011.41(11):53-55.

作者：楊心妍 單位：成都七中八一學校