李桂旺

(前黃高級中學，江蘇 常州 213161)

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利用低音炮和Audalyzer探究電感電容對交變電流的影響

李桂旺

(前黃高級中學，江蘇 常州 213161)

摘要：“探究電感、電容對交變電流的影響”的實驗現(xiàn)象相對抽象，難以理解. 利用低音炮和Audalyzer從不同的角度對電感、電容對交變電流的影響的幾種情況進行了研究，現(xiàn)象明顯、直觀，容易理解.

關鍵詞：交變電流；電感；電容；音頻頻譜分析；Audalyzer;低音炮

高中物理選修3-2中“探究電感、電容對交變電流的影響”[1]是一個教學難點，其中關于高頻、低頻信號通過電感或電容電路后的信息分析更是學習難點. 為了突破這個難點，通常借助于交流信號發(fā)生器、電流(壓)表和小燈泡，通過電流的變化判斷感抗或容抗的大小來分析不同電感或電容對交流電的影響，但關于電感、電容對混合信號的影響缺少直接感受. 另一方面，一般意義上的高頻、低頻信號都是電(磁)信號，理論上可以借助于多個信號發(fā)生器和示波器(或電流傳感器)進行實驗，但輸出信號的頻率呈現(xiàn)相對抽象而復雜.

為了得到直觀的信號變化情況，可借助智能手機應用(APP)軟件Audalyzer(聲音頻譜分析軟件)來呈現(xiàn)聲音的實時頻譜圖，從圖像上得出聲音頻率及其變化情況.

1Audalyzer和低音炮輸出信號分布

Audalyzer是一款安卓系統(tǒng)下的應用軟件，主界面如圖1所示，橫坐標表示頻率，縱坐標為信號強度. 可以檢測到聲音的頻率范圍0～4 kHz,圖像是實驗室內(nèi)自然安靜(相對)環(huán)境聲音信號分布情況，不難看出，各種頻率的成分相差不多.

圖1　實驗室內(nèi)聲音信號分布

2)在IOS(IPhone,IPAD等)系統(tǒng)下應用“音頻發(fā)生器”(如圖2所示)產(chǎn)生頻率可自由調(diào)節(jié)的聲音信號(可手動調(diào)節(jié))，實驗時將圖2中左側滑塊向上拖動，頻率由低到高調(diào)節(jié)，產(chǎn)生的聲音越來越尖銳，觀察Audalyzer圖中檢測信號變化情況. 逐漸增大頻率，Audalyzer圖像中尖端部分(即音頻發(fā)生器產(chǎn)生的信號)逐漸向頻率高的方向移動，如圖3所示.

圖2　音頻發(fā)生器

圖3　音頻圖像變化

2探究設計

實驗器材：筆記本電腦(提供音頻信號)、電鍵、多媒體音響(含低音炮)、多種規(guī)格電感線(學生用變壓器的線圈，含鐵芯)、多種規(guī)格電容(3 000 μF,470 μF,47 μF)、安卓系統(tǒng)手機、導線若干.

2.1電感與輸出串聯(lián)

如圖4所示電路，將電感(線圈600匝)串聯(lián)在信號輸出電路中，為方便對比，利用電鍵短路的方式實現(xiàn)瞬間狀態(tài)轉換. 當電鍵閉合時，音箱輸出的是原始信號(電腦播放信號)；當電鍵斷開時，電感串聯(lián)在電路中.

圖4　串聯(lián)電感電路

通過實驗發(fā)現(xiàn)，當電鍵由閉合轉為斷開時，聽到的聲音明顯變得低沉. Audalyzer圖像如圖5所示，圖像中呈現(xiàn)的高頻成分明顯減少而低頻成分幾乎不變.

(a)串聯(lián)電感前　　　　　(b)串聯(lián)電感后圖5　串聯(lián)電感后的音頻變化

利用這個實驗可以說明電感串聯(lián)時，電感起到通低頻阻高頻的作用.

2.2電容與輸出并聯(lián)

如圖6所示，將電容(47 μF)與輸出端并聯(lián)，利用電鍵短路的方式實現(xiàn)瞬間狀態(tài)轉換. 當電鍵斷開時，音箱輸出的是原始信號(電腦播放信號)；當電鍵閉合時，電容與輸出并聯(lián).

圖6　并聯(lián)電容電路

通過實驗發(fā)現(xiàn)，當電鍵由斷開到閉合時，音箱聲音也是變得低沉(與原始信號相比). Audalyzer圖像如圖7所示，圖像中呈現(xiàn)的高頻成分明顯減少而低頻成分幾乎不變.

(a)并聯(lián)電容前　　　　　(b)并聯(lián)電容后圖7　并聯(lián)電容后的音頻變化

利用這個實驗可以看出電容并聯(lián)時，電容起到通高頻阻低頻的作用，因此可稱之為旁路電容.

2.3電感與輸出并聯(lián)

在上述2個實驗中雖然音箱輸出的都得到了明顯的低音信號，但有著本質(zhì)的區(qū)別. 能否設計實驗使音箱輸出高頻信號呢？筆者嘗試了并聯(lián)電感的設計，如圖8所示.

圖8　并聯(lián)電感電路

實驗過程與電容操作方式相同，在實驗過程中，將電鍵由斷開到閉合時，輸出聲音變得尖銳. Audalyzer圖像如圖9所示，低頻成分略減少，高頻成分幾乎不變，從而聽到更多的高頻信號.

(a)并聯(lián)電感前　　　　　(b)并聯(lián)電感后圖9　并聯(lián)電感后音頻變化

4結束語

利用低音炮和手機軟件Audalyzer搭建實驗，探究了電感電容接入電路后信號中高頻和高頻成分的變化. 該實驗有助于物理教學過程的開展，提高了課堂效率，更重要的是實驗激發(fā)了學生的學習興趣和積極性，培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新精神和實踐能力，因此重視實驗的創(chuàng)新改進，可以提升學生綜合素養(yǎng)[3].

參考文獻：

[1]人民教育出版社課程教材研究所物理課程教材研究開發(fā)中心. 普通高中課程標準實驗教科書·物理(選修3-2)[M]. 北京：人民教育出版社,2010:37.

[2]歐劍雄. 智能手機在多普勒效應實驗中的應用[J]. 物理實驗,2015，35(11)：13-16.

[3]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.

[4]潘永祥. 演示電感和電容對交變電流影響的裝置[J]. 物理實驗，2016，36(1)：40-42.

[5]孫伏優(yōu). “電感和電容對交變電流的影響”演示實驗的改進[J]. 物理實驗，2008，28(2)：21-22.

[責任編輯：尹冬梅]

Using the subwoofer and Audalyzer to explore the impact of inductance and capacitance on alternating current

LI Gui-wang

(Qianhuang Senior Middle School, Changzhou 213161, China)

Abstract:The experiment of the impact of inductance and capacitance on alternating current were relatively complex to understand. The method of using the subwoofer and Audalyzer to explore the impact of inductance and capacitance on alternating current was present in this paper. The experimental phenomena became more obvious, visualized and easy to understand.

Key words:alternating current; inductance; capacitance; audio spectrum analysis; Audalyzer; subwoofer

中圖分類號：G633.7

文獻標識碼：A

文章編號：1005-4642(2016)06-0042-03

作者簡介：李桂旺(1974-)，男，江蘇常州人，江蘇省前黃高級中學高級教師，學士，從事高中物理教學及物理奧賽輔導工作.

收稿日期：2016-02-19

資助項目：江蘇省青年物理學家錦標賽(JSYPT)實驗資助項目