任淑紅 張軼炳

(寧夏大學(xué)物理與電子電氣工程學(xué)院,寧夏 銀川 750021)

物理課程標(biāo)準(zhǔn)中的內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)明確地表述了科學(xué)探究在物理教學(xué)當(dāng)中的重要地位,內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)包括:科學(xué)探究及物理實(shí)驗(yàn)?zāi)芰σ?即7個(gè)探究要素和探究能力的基本要求.[1]這已經(jīng)說(shuō)明科學(xué)探究的探究要素是學(xué)生在學(xué)習(xí)物理課程中重要的學(xué)習(xí)內(nèi)容;學(xué)生的學(xué)習(xí)重心將由強(qiáng)調(diào)知識(shí)的傳承和積累分化到培養(yǎng)學(xué)生的探究能力.不僅如此,科學(xué)探究作為一種重要而有效的學(xué)習(xí)方式,促使學(xué)生學(xué)習(xí)知識(shí)由被動(dòng)接受型轉(zhuǎn)移到主動(dòng)獲取型,它對(duì)發(fā)展學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)、創(chuàng)新精神等具有不可替代的作用.在探究電磁振蕩規(guī)律的教學(xué)中,筆者基于科學(xué)探究的理念,把探究過(guò)程分解為幾個(gè)小問(wèn)題,讓學(xué)生思考解決每個(gè)問(wèn)題的不同方法,并根據(jù)現(xiàn)實(shí)條件選擇適當(dāng)方法構(gòu)思探究計(jì)劃.除此之外,利用傳感器實(shí)驗(yàn)探究電磁振蕩的規(guī)律,讓學(xué)生學(xué)會(huì)從實(shí)驗(yàn)原理、器材、信息收集技術(shù)、信息處理方法等方面形成探究計(jì)劃,并通過(guò)查閱相關(guān)資料完善探究計(jì)劃,從而提高學(xué)生科學(xué)探究的能力.

1 探究流程

探究式教學(xué)強(qiáng)調(diào)問(wèn)題在學(xué)習(xí)活動(dòng)中的重要性.教師依據(jù)教學(xué)目標(biāo),圍繞課堂主題,合理把握物理問(wèn)題的深度和廣度,引領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)探究.本文將探究目標(biāo)分為知識(shí)與技能、過(guò)程與方法、情感態(tài)度與價(jià)值觀3個(gè)維度,針對(duì)每一維探究目標(biāo)設(shè)置對(duì)應(yīng)的問(wèn)題,而探究過(guò)程以實(shí)驗(yàn)為主,并結(jié)合相關(guān)概念和補(bǔ)充資料,讓學(xué)生在探究過(guò)程中學(xué)會(huì)用科學(xué)的方法解決問(wèn)題,以期更好地完成探究目標(biāo).探究流程圖如圖1所示.[2]

圖1 探究流程圖

2 探究目標(biāo)

(1) 知道振蕩電路和電磁振蕩的相關(guān)概念.

(2) 知道振蕩電流產(chǎn)生的原理,了解振蕩電流變化過(guò)程中電場(chǎng)能和磁場(chǎng)能相互轉(zhuǎn)化的規(guī)律,并會(huì)分析振蕩電流在一個(gè)周期變化過(guò)程中,電容器上電荷的變化情況及電感線(xiàn)圈中電流的大小和方向的變化情況.

(3) 通過(guò)實(shí)驗(yàn)會(huì)分析振蕩電路的結(jié)構(gòu)及原理圖,并通過(guò)連接實(shí)驗(yàn)儀器培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手操作的能力.

(4) 通過(guò)操作傳感器實(shí)驗(yàn),觀察阻尼振蕩和無(wú)阻尼振蕩中電流隨時(shí)間變化的特點(diǎn),歸納出電磁振蕩的規(guī)律.

(5) 能通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步拓展電磁振蕩在生活中的應(yīng)用,培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究的能力和解決實(shí)際問(wèn)題的能力.

3 探究過(guò)程

3.1 相關(guān)概念介紹

(1) 振蕩電流:大小和方向都做周期性迅速變化的電流,叫做振蕩電流.

(2) 振蕩電路:能產(chǎn)生振蕩電流的電路叫做振蕩電路.當(dāng)開(kāi)關(guān)置于線(xiàn)圈一側(cè)時(shí),由線(xiàn)圈L和電容器C組成的電路,就是最簡(jiǎn)單的振蕩電路,稱(chēng)為L(zhǎng)C振蕩電路.

(3) 周期和頻率:電磁振蕩完成一次周期性變化需要的時(shí)間叫做周期;單位時(shí)間內(nèi)完成的周期性變化的次數(shù)叫做頻率.

(4) 阻尼振蕩:有能量損耗的振蕩,若能量得不到補(bǔ)充,振幅會(huì)隨時(shí)間逐漸減小,如圖2所示.

(5) 無(wú)阻尼振蕩:沒(méi)有能量損耗的電磁振蕩.無(wú)阻尼振蕩必是等幅振蕩,如圖3所示.實(shí)驗(yàn)中因?yàn)樵黾恿四芰垦a(bǔ)充組件,周期性的給電路補(bǔ)充能量.組件中三極管的作用是放大電路,使電路獲得更高的振蕩頻率.

圖2 阻尼振蕩 圖3 無(wú)阻尼振蕩

補(bǔ)充資料:三極管是由非本征半導(dǎo)體組成的一個(gè)簡(jiǎn)單元件.一個(gè)NPN型三極管是由一層作為中心的P型半導(dǎo)體及上下兩層N型薄層組成,這個(gè)中心層叫做基極,兩邊的區(qū)域?yàn)榘l(fā)射極和集電極.從基極電路到集電極電路的電流增益是三極管性能的一個(gè)重要指標(biāo).盡管基極電流非常小,但是它通過(guò)基極——發(fā)射極電壓控制著集電極電流.對(duì)于常用的三極管而言,從基極到集電極的電流增益約為50～300倍.[2]

問(wèn)題1:如果振蕩電路沒(méi)有能量損失,也不受外界影響,那么振蕩電流隨時(shí)間如何變化?試著從能量轉(zhuǎn)化的角度分析其具體振蕩過(guò)程.

3.2 相關(guān)原理分析

實(shí)際的振蕩電路總要受到阻力的影響,由于克服阻力作功,振蕩系統(tǒng)的能量不斷地減少.同時(shí),還有一部分能量以電磁波的形式輻射出去,隨著波的傳播振蕩系統(tǒng)的能量也不斷地減少.由于能量與振幅的二次方成正比,因此振幅將逐漸地減小.阻尼振蕩中電流隨時(shí)間變化的方程為

i=I0e-ωtcos(ωt+φ).

(1)

無(wú)阻尼自由電磁振蕩由LC電路產(chǎn)生.在LC振蕩電路中,先由電源對(duì)電容器充電,使兩極板間的電勢(shì)差等于電源的電動(dòng)勢(shì).這時(shí)電容器兩極板上分別帶有等量異號(hào)的電荷,然后用轉(zhuǎn)化開(kāi)關(guān)使電容器和自感線(xiàn)圈相連接.在電容器放電之前瞬間,電路中沒(méi)有電流,電場(chǎng)的能量全部集中在電容器的兩極板間[圖4(a)].

圖4 電磁振蕩的充放電過(guò)程

當(dāng)電容器放電時(shí),電流就在自感線(xiàn)圈中激起磁場(chǎng).由電磁感應(yīng)定律可知,在自感線(xiàn)圈中將激起感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)以反抗電流的增大.因此在放電過(guò)程中,電路中的電流將逐漸增大到最大值,兩極板上的電荷也相應(yīng)地逐漸減少到0.在放電終了時(shí),電容器兩極板間的電場(chǎng)能量全部轉(zhuǎn)換成了線(xiàn)圈中的磁場(chǎng)能量[圖4(b)].

在電容器放電完畢時(shí),電路中的電流達(dá)到最大值.這時(shí),由于線(xiàn)圈的自感作用,就要對(duì)電容器作反方向的充電,隨著電流逐漸減弱到0,電容器兩極板上的電荷也相應(yīng)地逐漸增加到最大值.這時(shí),磁場(chǎng)能量又全部轉(zhuǎn)換成電場(chǎng)能量[圖4(c)].

然后,電容器又通過(guò)線(xiàn)圈放電,電路中的電流逐漸增大,不過(guò)這時(shí)電流的方向與[圖4(b)]中的相反,電場(chǎng)能量又轉(zhuǎn)換成了磁場(chǎng)能量[圖4(d)].此后,電容器又被充電,回復(fù)到原狀態(tài),完成了一個(gè)完全的振蕩過(guò)程.

q=Q0cos(ωt+φ).

(2)

把q對(duì)時(shí)間求導(dǎo)數(shù),可得電路中任意時(shí)刻的電流為

-ωQ0sin(ωt+φ).

(3)

令I(lǐng)0為電流的最大值,叫做電流振幅,則ωQ0=I0,(3)式為

(4)

我們進(jìn)而分析LC振蕩電路中的電場(chǎng)能量、磁場(chǎng)能量和總能量.設(shè)電容器的極板上帶有電荷q,由(2)式可得電容器中的電場(chǎng)能量為

(5)

(5)式表明LC振蕩電路中電場(chǎng)能量是隨時(shí)間作周期性變化的.當(dāng)自感線(xiàn)圈中通過(guò)電流i時(shí),由(3)、(4)兩式可得線(xiàn)圈中的磁場(chǎng)能量為

(6)

(7)

由此可見(jiàn),在無(wú)阻尼自由電磁振蕩過(guò)程中,電場(chǎng)能量和磁場(chǎng)能量不斷相互轉(zhuǎn)化,但在任何時(shí)刻,其總和保持不變.[3]

問(wèn)題2:根據(jù)以上原理分析可知電磁振蕩過(guò)程中電荷和電流、電場(chǎng)和磁場(chǎng)隨時(shí)間作周期性變化,那么你能設(shè)計(jì)具體實(shí)驗(yàn)方案探究電磁振蕩的規(guī)律嗎?

3.3 實(shí)驗(yàn)裝置與原理圖分析

(1) 實(shí)驗(yàn)裝置.

儀器介紹:電磁振蕩演示器、微電流傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī).

圖5 實(shí)驗(yàn)儀器連接

儀器連接:如圖5所示,用微電流傳感器代替高靈敏電流計(jì)接入電路,構(gòu)成閉合回路,通過(guò)改變開(kāi)關(guān)的閉合方向連接微電流傳感器,然后利用數(shù)據(jù)采集器在電腦上繪制圖形.

(2) 實(shí)驗(yàn)原理圖分析.

實(shí)驗(yàn)原理圖如圖6、圖7所示.實(shí)驗(yàn)器振蕩線(xiàn)圈采用中間插頭,改變線(xiàn)圈的接頭可改變電感量的大小.振蕩電容器采用兩個(gè)并聯(lián),改變電容器的個(gè)數(shù)可改變電容量的大小,可演示4個(gè)不同的振蕩周期,約0.5-10 Hz.在實(shí)驗(yàn)中,將開(kāi)關(guān)打向a,電源對(duì)電容器充電,使兩極板間的電勢(shì)差等于電源的電動(dòng)勢(shì).然后再將開(kāi)關(guān)打向b,使電容器和自感線(xiàn)圈相連接,電容器開(kāi)始放電.

電磁振蕩演示器設(shè)有能量補(bǔ)充插口并配有能量補(bǔ)充組件,演示無(wú)阻尼振蕩時(shí)把能量補(bǔ)充組件插入能量補(bǔ)充插口即可.

圖6 阻尼振蕩原理圖

圖7 無(wú)阻尼振蕩組件原理圖

問(wèn)題3:在分析了實(shí)驗(yàn)裝置和原理圖之后,你能從結(jié)構(gòu)上初步分析出阻尼振動(dòng)和無(wú)阻尼振蕩的特點(diǎn)嗎?

3.4 利用傳感器實(shí)驗(yàn)探究電磁振蕩的規(guī)律.

(1) 探究阻尼振蕩的規(guī)律.

首先,將實(shí)驗(yàn)儀器中的能量補(bǔ)充組件取下來(lái),將開(kāi)關(guān)打向a對(duì)電容器充電,稍后再將開(kāi)關(guān)打向b,使電容器和自感線(xiàn)圈相連接,在電容器開(kāi)始放電的同時(shí),用微電流傳感器系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)并繪制圖形,觀察如圖8所示的實(shí)驗(yàn)圖像.你能說(shuō)出阻尼振蕩中電流隨時(shí)間變化的特點(diǎn)嗎?

圖8 阻尼振蕩

學(xué)生回答:電流隨時(shí)間開(kāi)始作周期性變化,之后電流隨時(shí)間的變化越來(lái)越小.

現(xiàn)象分析:電流方向不斷變化,發(fā)生振蕩.振蕩幅度的減小是由于電流對(duì)電阻做功生熱及電磁波發(fā)射造成能量衰竭的緣故.

(2) 探究無(wú)阻尼振蕩的規(guī)律.

首先,將能量補(bǔ)充組件插入電磁振蕩演示器,將開(kāi)關(guān)打向a對(duì)電容器充電,稍后再將開(kāi)關(guān)打向b,使電容器和自感線(xiàn)圈相連接,在電容器開(kāi)始放電的同時(shí),用微電流傳感器系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)并繪制圖形,觀察如圖9所示的實(shí)驗(yàn)圖像,你能說(shuō)出無(wú)阻尼振蕩中電流隨時(shí)間變化的特點(diǎn)嗎?

學(xué)生回答:電流隨時(shí)間一直作周期性的變化,即電磁振蕩作等幅振蕩.

圖9 無(wú)阻尼振蕩

現(xiàn)象分析:實(shí)驗(yàn)中因?yàn)樵黾恿四芰垦a(bǔ)充組件,周期的給電路補(bǔ)充能量,所以電流會(huì)隨時(shí)間作周期性變化.而組件中三極管的作用是放大電路,使電路獲得更高的振蕩頻率.

問(wèn)題4:通過(guò)傳感器實(shí)驗(yàn)我們觀察和分析了阻尼振蕩與無(wú)阻尼振蕩的特點(diǎn),那么,你能試著用科學(xué)的術(shù)語(yǔ)歸納出電磁振蕩的規(guī)律嗎?

小組之間進(jìn)行討論,與教師交流你們的結(jié)果,進(jìn)一步探討電磁振蕩在生活中的應(yīng)用.

3.5 拓展應(yīng)用

在LC電路中,電場(chǎng)主要集中在電容器的極板之間,磁場(chǎng)主要集中在線(xiàn)圈內(nèi)部,在電磁振蕩過(guò)程中,電場(chǎng)能和磁場(chǎng)能主要在不同元件之間互相轉(zhuǎn)化,輻射出去的能量很少.電磁波要有效地進(jìn)行傳播,振蕩電路必須具有兩個(gè)特點(diǎn): (1) 要有足夠高的振蕩頻率,振蕩電路向外輻射能量的本領(lǐng),即單位時(shí)間內(nèi)輻射出去的能量,與頻率的4次方成正比,頻率越高,發(fā)射電磁波的本領(lǐng)越大; (2) 振蕩電路的電場(chǎng)和磁場(chǎng),必須分散到盡可能大的空間,才能有效地把電磁場(chǎng)的能量傳播出去.因此,要改造圖10(甲)中的LC振蕩電路,像圖(乙)、(丙)那樣,增大電容器極板間的距離,使電場(chǎng)和磁場(chǎng)擴(kuò)展到電容器的外部.這樣的振蕩電路叫做開(kāi)放電路.

圖10 由閉合電路變?yōu)殚_(kāi)放電路

如圖10(丁)所示,把振蕩電路中的電容器兩極板拉開(kāi),變成兩條長(zhǎng)的直導(dǎo)線(xiàn),一條伸入空中成為天線(xiàn),另一條接入地下成為地線(xiàn),就可以有效地向外輻射電磁能量.天線(xiàn)和地線(xiàn)形成了一個(gè)敞開(kāi)的電容器,電磁波就是由這樣的開(kāi)放電路發(fā)射出去的.電視發(fā)射塔要建得很高,是為了使電磁波發(fā)射得較遠(yuǎn).實(shí)際發(fā)射無(wú)線(xiàn)電波的裝置中還需在開(kāi)放電路旁加一個(gè)振蕩器電路與之耦合.

如圖11所示,甚高頻振蕩器就是產(chǎn)生和發(fā)射電磁波的實(shí)驗(yàn)裝置,它采用推挽電路,由2只雙三級(jí)電子管組成,每臂由2只三極管相并聯(lián)，推挽電路比單管電路可獲得更高的振蕩頻率,并能抵消部分多次諧波的作用.振蕩回路的電感由印刷板上的粗銅箔條組成,電子管的極間電容為振蕩回路電容,為防止高頻干擾,分別裝有8只高頻扼流圈,3只電阻為柵漏電阻.調(diào)制信號(hào)加到其中一電阻與地之間.電子管陽(yáng)極電壓為+220 V,通過(guò)控制調(diào)制器箱上的插頭座相連.電磁波在傳播時(shí)如果遇到導(dǎo)體,會(huì)使導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電流.因此,空中的導(dǎo)體可以用來(lái)接收電磁波,這就是接收天線(xiàn).[4]

圖11 甚高頻振蕩器

問(wèn)題5:你能用電磁振蕩和電磁波理論對(duì)常用電子設(shè)備、家用電器中有關(guān)的一些電磁元件或部件的工作原理作出解釋嗎?小組成員查閱相關(guān)資料進(jìn)行匯報(bào).

4 結(jié)束語(yǔ)

在電磁振蕩規(guī)律的教學(xué)中,利用傳感器系統(tǒng)來(lái)幫助學(xué)生滲透科學(xué)探究的思想,充分發(fā)揮教師的主導(dǎo)作用,讓學(xué)生在合作、交流中完成學(xué)習(xí)任務(wù).本節(jié)課設(shè)計(jì)過(guò)程運(yùn)用問(wèn)題策略,將所講的知識(shí)與學(xué)生已有的知識(shí)建立聯(lián)系,創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境,讓學(xué)生在觀察和體驗(yàn)后有所發(fā)現(xiàn),促進(jìn)學(xué)生主動(dòng)構(gòu)建知識(shí)體系.同時(shí),在教學(xué)中注重教會(huì)學(xué)生知識(shí)遷移的方法,讓學(xué)生在積極探索的學(xué)習(xí)情境中進(jìn)一步拓展電磁振蕩在生活中的應(yīng)用,更好地達(dá)到教學(xué)目標(biāo).