用音乐片设计微电流检测器的实验研究

应干和

摘 要：本文对音乐片（即音乐集成电路）的结构及基本原理进行学习和探究，并从生日卡片、废旧的玩具、工艺品中收集各种音乐卡片，开展物理实验的创新设计和制作，根据音乐集成电路具有工作电压低、耗电量极少的特点，设计制作成“微弱电流检测器”，可以用来验证“会产生微弱电流”的物理实验，将其用于物理实验，取代过去一些陈旧的方法，效果极佳，且颇为新颖有趣。

关键词：音乐片；物理实验；微电流检测

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2017）2-0013-3

笔者发现音乐卡片包含着不少物理知识，可以做很多物理实验，探索许多的物理现象。音乐片虽小，但它是一种音乐集成电路，音乐集成电路是一种乐曲发生电路，它可以向外输出固定存储的乐曲。音乐集成电路具有外接元件少、工作电压低、耗电量极少、功能齐全和使用方便的特点。设计制作成“微弱电流检测器”可以用来验证“会产生微弱电流”的物理实验。现将其工作原理、设计、制作及在物理实验中的应用总结如下。

1 音乐集成电路的结构及基本工作原理

音乐集成电路的芯片面积仅半颗黄豆大小，属大规模CMOS电路，它由音乐集成电路、声光集成电路、模拟声响集成电路三部分组成，总称音乐集成电路。音乐集成电路具有以下特点：（1）品种多，规格齐全。它有三大系列、数百个品种规格可供选择。（2）电路简单，制作容易，用途广泛，售价便宜，特别适合于青少年课外业余电子制作活动。（3）工作电压为1.2～3 V，工作电流典型值为600 μA，静态电流仅为0.5 μA，可采用纽扣电池供电，使用寿命长达1～2年。

音乐集成电路有许多系列，且在控制功能上也各不相同，但它们的基本电路结构和工作原理大都是相同的。

音乐集成电路的内部电路结构如图1所示，它由控制电路、振荡电路、存储器（ROM）、节拍发生器、音阶发生器、调制器、音色发生器、音色和节拍选择器及前置放大器等组成。

2 “微弱电流检测器” 设计制作

笔者收集了很多型号的音乐卡片，有HY-100系列音乐集成电路、HY-1音乐集成电路、KD-930音乐集成电路、KD-152G音乐集成电路、HFC93音乐集成电路、TS-021音乐集成电路等。由于KD-930音乐集成电路，结构简单、外接元件最少，所以笔者先用KD-930音乐集成电路制作物理实验仪器。

笔者根据音乐集成电路（音乐片）具有工作电压低、耗电量极少的特点，利用音乐片设计制作了“微弱电流检测器”，将其用于物理实验，取代过去一些陈旧的方法，效果极佳，且颇为新颖有趣。

笔者把KD-930音乐集成电路、开关、压电晶片如图2电路进行焊接，触发开关用热熔胶粘在塑料盒边，压电晶片粘在塑料盒盖上，整个原件组装在一个塑料盒中，这样就做成了一个多功能的“微弱电流检测器”，实物如图3所示。

图中1脚接电源正极，2脚为正脉冲触发电极，4脚为地接电源负极，3脚为输出。3、4脚两端可接压电晶片（发音片），其耗电量极低。在外界有电源接A、B的情况下，当2脚与1脚每接触一次则触发演奏一曲音乐，若两者相接则反复演奏。

3 用“微弱电流检测器”进行以下物理实验

3.1 检验电源电动势

将两节电池串联，其正、负极分别与电路图2中的A、B相连。将 2与1开关闭合短接，则奏响音乐，断开电源，音乐停止，说明电路正常。然后去掉一节电池，再按上述方法接通。音乐又响，但音量比前者小，这说明音乐片所发的声音大小与电源电动势有关，在一定范围内电源电动势越高，加到电路上的电压越大，声音也越大。下面用此方法检验伏打电池（或水果电池）其效果会更为显著，因为这类电池产生的电流较弱。若用小灯泡演示，由于耗电量大，电池放电快，演示好似昙花一现，灯很快便暗淡下去，改用音乐片则时间延续很长，效果极为明显。

具体方法：将锌（镁）和铜电极分别插入稀硫酸溶液杯（或水果中）。锌电极作为电源负极，铜电极作为正极，代替干电池分别与音乐片图2中的A、B相接，此时音乐响起，当把电极取出，音乐停止，重新插入，音乐又奏响，以此说明伏打电池（水果电池）可以代替干电池产生电源电动势，为音乐片提供电压和电流。

3.2 验证电容器能存储电能

取200 μF以上的电解电容一只，用其代替电池接到电路图2中的A、B端。此时音乐片不响，取下电容，用电池对其充电（注意极性）数分钟后，再将电容正负极分别接到电路图2中的A、B端。此时音乐会响起，并且声音逐渐减弱。这说明电容能够存储电能，并随放电时间的延长，电容两端的电压和输出的电流会逐渐减小。

3.3 检验电感线圈的自感电动势

实验电路如图4所示，无电感时，电路一接通，音乐片马上就响起，电路断开，音乐戛然而止，但有电感线圈后，电路接通的瞬间，声音并不马上响起，而是逐渐变响，过一段时间后才达到稳定的响度。当电键扳到2时，音乐也不马上停止，而是逐渐消失。这说明当电键闭合时，电感线圈有自感电动势产生。其方向与电源电动势相反，阻碍电流突变，因此音乐声是渐大的。当电路进入稳定状态后，电源电动势才全加到音乐片上。当电键断开，扳到2时，电感线圈也会产生自感电动势，方向与原电源电动势相同，阻碍电流变小。所以它将继续为音乐片提供电压、电流，使其发音，但随着时间延长，自感电动势减小，声音也逐渐变小， 最后消失。

3.4 验证二极管的单向导电性

在电池正极与音乐片图4中的A脚之间串接一个二极管D，这时会发现，当二极管极性与电路中电流方向一致时，音乐片便会响起，当其极性与电流方向相反时，音乐便会停止。这说明二极管具有单向导电性，当其极性与电流方向一致时，其两端所加电压为正向偏置，二极管导通，电阻极小，其两端相当于短路，因此电源电压会加到音乐片上，使其奏响。当二极管反接时，其两端电压为反向偏置，二极管截止，两端相当于开路，电源电压不能加到音乐片上，因此不会使音乐响起。

3.5 演示电磁感应现象

电路如图5所示，音乐集成块为KD-930，L为J2409型演示原、副线圈中的副线圈，二极管和电容器的型号、参数见图5。把两根条形磁铁并在一起，插入（或拉出）线圈一次，音乐集成块就能工作约8秒钟。如果不紧不慢一次次地把磁铁插入、拉出线圈，音乐就能一直演奏下去，比课本中介绍的用电流表显示感应电流，更加生动有趣。

取一只錄音机机芯马达，撬开后盖，拆去稳速板，从电枢的两个端点引出两根导线，如图6所示连接线路，手捏转轴转动，电动机就变成了发电机，确定正确的旋转方向后，只要不停地用手转动马达，音乐集成块就能不停地演奏下去。

3.6 显示电磁波具有能量

取两根长度为30 cm左右的空心金属棒，相距5 cm左右，置于同一直线上，各元件型号、参数如图7所示。按图连接线路，把整个装置固定在木板、泡沫塑料等绝缘体上，打开J2435型电磁波发送、接收演示器，金属棒距发射天线1.5 m以外，音乐集成块已能奏出清晰的音乐，比用小灯泡显示更灵敏，也更吸引学生。

4 结 语

物理是一门以实验为基础的学科。在教学过程中，部分老师受到器材的限制，导致课堂缺少实验演示，影响课堂教学质量。殊不知，身边的小物体“变废为宝”将会有大作用。一张小的音乐片给物理实验带来创新的同时也为课堂注入活力，帮助教师提高课堂的教学质量。同时，还能更加吸引学生，培养学生学习物理的兴趣。此外，教师在准备实验教具的过程中，必然会遇到许多需要克服的困难和需要学习的东西，这对教师自身能力的提升大有裨益。

参考文献：

[1]林杼， 龚镇雄. 普通物理实验[M].北京：北京高等教育出版社， 1981：275.

（栏目编辑 赵保钢）