少数民族乡镇中学开展电磁波发射与接收实验的探索*

夏章军

(惠水县摆金中学 贵州 黔南 550602)

罗仕武

(惠水县鸭绒中学 贵州 黔南 550602 )

1 引言

“电磁波发射和接收”是初中人教版九年级物理教科书下册第二十一章信息的传递中第2节“广播电视和移动通信”的重难点,是物理运用于生活、生产的重要章节.经过多年的教学实践发现,学生对此部分物理知识的学习非常感兴趣,但教材中以拓展性实验(仿真性实验)来向学生演示,加之本节知识点不是中考的重点考查内容,很多少数民族地区的乡镇中学由于资源配置和教师自身因素等原因,在教学过程中很少给学生进行实验演示,也不按照《课标》的要求向学生讲解,不利于学生直观地学习和掌握本节知识的重难点,消减了学生对物理知识的深度探索.其实,我们可以低成本利用生活中学生熟悉的生活资源对“电磁波发射与接收”进行实验设计,一方面能对学生学习“信息传递”知识有帮助,另一方面能对少数民族地区乡镇中学教师在开发和利用教学资源方面有参考价值.

2 电磁波发射与接收原理

“现代通信——网络”作为最快捷的通讯方式,成为越来越多人的生活必备工具,而现代通信的原理无非就是利用电磁波作为载体进行跨距离的信息传递,最本质的东西就是如何发射和接收电磁波.电磁波主要是指频率为300 MHz到3 000 GHz,波长为0.1 mm到1 m之间的无线电微波,按频谱来划分主要有分米波、厘米波、毫米波和亚毫米波4个波段,从特性上来看,电磁波具有传输距离远、大气损耗小、功率密度低、波束强度和方向易于控制等特性[1].因为电磁波的这些特性,为“现代通信——网络”的普及提供了有力保障.

电磁波的产生原理是:导线中电流的迅速变化导致导线周围产生电磁波.接收原理是:利用导体接收电磁波产生感应电流.那么无线电广播信号是如何发射和接收的呢?主要是:把需要发射的信息转化成电信号,然后用调制器把电信号加载到高频电磁波(载波)上,再通过天线发射到空中,传向各地.如图1所示是人教版九年级物理教材中无线电广播信号发射过程的原理图.无线电广播信号的接收主要是通过接收机的天线,把发射台所发出的电磁波信号接收下来转化成电信号,把信息还原出来.如图2所示是人教版九年级物理教材中无线电广播信号接收过程的原理图[2].

图1 无线电广播信号发射原理图

图2 无线电广播信号接收原理图

3 电磁波发射与接收实验设计

3.1 实验器材

学生电源,木块,六平方铜芯导线,电子打火机,废旧电蚊拍(拆下逆变器、电容器、整流二极管、发光二极管、2N5609三极管、开关等),导线若干.

3.2 实验装置制作

(1)发射基座的设计制作

制作方法1:利用废旧电子打火机制作

取20 cm至30 cm长的六平方铜芯线去掉绝缘层平均分成2段,弯折并固定在木块上制作发射天线(相当于发射基座),两条发射天线之间的距离为1 cm至1.5 cm,取出打火机电子,用导线分别从打火机电子的正极和负极引出两条线接到发射基座的两条发射天线上,如图3右边所示.

图3 实验装置实物图

制作方法2:利用生活中废旧用电器制作

发射基座电路设计:利用学生电源、废旧电蚊拍(拆下开关、整流二极管、电容器、逆变器、三极管)设计电磁波发射电路,发射电路主要由高频自激振荡电路、三倍压整流电路、放电电路、天线4部分组成,如图4所示.

图4 制作方法2发射基座电路图

发射天线制作方法与制作方法1相同,取20 cm至30 cm长的六平方铜芯线去掉绝缘层平均分成2段,弯折并固定在木块上制作发射基座,两条天线之间的距离为1 cm至1.5 cm.根据发射基座电路图4制作成发射基座.

(2)接收基座的制作

取20 cm至30cm长的六平方铜芯线去掉绝缘层平均分成2段,弯折并固定在木块上制作接收射天线(相当于接收基座),两条发射天线之间的距离为1 cm至1.5 cm,同时将电蚊拍拆下的(φ3 mm)红色发光二极管的两脚分别接到接收基座的两条接收天线上构成接收基座.

图3所示实物图中的1是接收基座的接收天线,2是(φ3 mm)红色发光二极管,3是发射基座的发射天线,4是依据图4电路图焊接的模块,5是电子打火机的打火电子.

3.3 实验过程及现象

将制作好的实验装置放在水平桌面上,发射基座和接收基座距离为1 cm至20 cm之间.

实验一:按方法1制作的装置进行实验.按下电子打火机电子,由于压电效应,瞬间产生15 000 V高压加载到发射天线上,由于两条发射天线之间的距离在1 cm至1.5 cm,间距较小,在高电压的作用下,两条天线之间产生电弧,同时产生电磁波发射到天线周围,接收基座上的天线接收电磁波,产生感应电流使φ3 mm红色发光二极管发光.方法1设计的优点是制作简单,不足的地方是不能持续产生电磁波,不能使二极管持续发光,在实验演示过程中学生观察不便,建议在较暗的环境下进行实验教学.

实验二:按方法2制作的装置进行实验.按下电源开关SB,由三极管VT和逆变器TU采用共集电极接法构成的高频振荡器得电工作,把3 V直流电变成18 kHz左右的交流电,经逆变器TU升压到约600 V(输出两端实测),再经二极管VD1、VD2、VD3及电容器C1、C2、C3构成的三倍压整流电路把电压提升并转变为2 545 V的直流高压,经过放电电路R2加到发射天线上,由于两条发射天线之间的距离在1 cm至1.5 cm,间距较小,在高压的作用下,两条天线之间产生高压电弧,同时瞬间在发射天线周围产生电磁波并发射出去[3].当接收基座的接收天线接收到发射基座发射出来的电磁波时,产生感应电流使φ3 mm红色发光二极管发光.方法2设计的优点是能持续产生电磁波,能持续让φ3 mm红色发光二极管发光,实验效果较好,便于学生观察,缺点是制作麻烦,需具备一定的模拟电路知识.

4 实验的创新要点

电磁波发射与接收实验设计的过程,低成本地利用生活中学生熟悉的电子产品设计实体实验替代教材中的仿真实验,使得实验效果更加具有真实性和直观性.同时在少数民族乡镇中学进行教学实践,发现学生更容易学习和掌握广播、电视和移动通信的基本原理,同时学生也能深刻地体会到物理科学对生活的影响,从而激发了学生学习物理知识的兴趣,并进一步突出和突破了本节课的重难点.本实验的设计不论是从资源的选择上来看,还是从课堂教学的实践上来看,都充分地体现了物理新课程标准提出“从生活走向物理,从物理走向社会”这一课程理念[4].

5 结束语

物理核心素养的培养离不开物理实验的支撑,在物理教学过程中教师应该准确地把握教学目标,以新的课程理念武装自己的教学观念,并结合课堂教学的需要,充分地利用日常生活中的各种低成本资源,把它开发成教学资源并在物理课堂教学中进行实践,有助于教师专业化的成长,有助于学生物理兴趣的提高,有助于教学目标的达成,从而真正地实现“教学相长”.