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)探究及物理實驗?zāi)芰σ?即7個探究要素和探究能力的基本要求.[1]這已經(jīng)說明科學(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)知識由被動接受型轉(zhuǎn)移到主動獲取型,它對發(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,把探究過程分解為幾個小問題,讓學(xué)生思考解決每個問題的不同方法,并根據(jù)現(xiàn)實條件選擇適當(dāng)方法構(gòu)思探究計劃.除此之外,利用傳感器實驗探究電磁振蕩的規(guī)律,讓學(xué)生學(xué)會從實驗原理、器材、信息收集技術(shù)、信息處理方法等方面形成探究計劃,并通過查閱相關(guān)資料完善探究計劃,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)問題在學(xué)習(xí)活動中的重要性.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)分為知識與技能、過程與方法、情感態(tài)度與價值觀3個維度,針對每一維探究目標(biāo)設(shè)置對應(yīng)的問題,而探究過程以實驗為主,并結(jié)合相關(guān)概念和補(bǔ)充資料,讓學(xué)生在探究過程中學(xué)會用科學(xué)的方法解決問題,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程中電場能和磁場能相互轉(zhuǎn)化的規(guī)律,并會分析振蕩電流在一個周期變化過程中,電容器上電荷的變化情況及電感線圈中電流的大小和方向的變化情況.

(3) 通過實驗會分析振蕩電路的結(jié)構(gòu)及原理圖,并通過連接實驗儀器培養(yǎng)學(xué)生動手操作的能力.

(4) 通過操作傳感器實驗,觀察阻尼振蕩和無阻尼振蕩中電流隨時間變化的特點,歸納出電磁振蕩的規(guī)律.

(5) 能通過實驗進(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際問題的能力.

3 探究過程

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)開關(guān)置于線圈一側(cè)時,由線圈L和電容器C組成的電路,就是最簡單的振蕩電路,稱為LC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間叫做周期;單位時間內(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,振幅會隨時間逐漸減小,如圖2所示.

(5) 無阻尼振蕩:沒有能量損耗的電磁振蕩.無阻尼振蕩必是等幅振蕩,如圖3所示.實驗中因為增加了能量補(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)體組成的一個簡單元件.一個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,這個中心層叫做基極,兩邊的區(qū)域為發(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重要指標(biāo).盡管基極電流非常小,但是它通過基極——發(fā)射極電壓控制著集電極電流.對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]

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

3.2 相關(guān)原理分析

實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,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間變化的方程為

i=I0e-ωtcos(ωt+φ).

(1)

無阻尼自由電磁振蕩由LC電路產(chǎn)生.在LC振蕩電路中,先由電源對電容器充電,使兩極板間的電勢差等于電源的電動勢.這時電容器兩極板上分別帶有等量異號的電荷,然后用轉(zhuǎn)化開關(guān)使電容器和自感線圈相連接.在電容器放電之前瞬間,電路中沒有電流,電場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程

當(dāng)電容器放電時,電流就在自感線圈中激起磁場.由電磁感應(yīng)定律可知,在自感線圈中將激起感應(yīng)電動勢以反抗電流的增大.因此在放電過程中,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,電容器兩極板間的電場能量全部轉(zhuǎn)換成了線圈中的磁場能量[圖4(b)].

在電容器放電完畢時,電路中的電流達(dá)到最大值.這時,由于線圈的自感作用,就要對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,磁場能量又全部轉(zhuǎn)換成電場能量[圖4(c)].

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

q=Q0cos(ωt+φ).

(2)

把q對時間求導(dǎo)數(shù),可得電路中任意時刻的電流為

-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振蕩電路中的電場能量、磁場能量和總能量.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能量為

(5)

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

(6)

(7)

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

問題2:根據(jù)以上原理分析可知電磁振蕩過程中電荷和電流、電場和磁場隨時間作周期性變化,那么你能設(shè)計具體實驗方案探究電磁振蕩的規(guī)律嗎?

3.3 實驗裝置與原理圖分析

(1) 實驗裝置.

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

圖5 實驗儀器連接

儀器連接:如圖5所示,用微電流傳感器代替高靈敏電流計接入電路,構(gòu)成閉合回路,通過改變開關(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) 實驗原理圖分析.

實驗原理圖如圖6、圖7所示.實驗器振蕩線圈采用中間插頭,改變線圈的接頭可改變電感量的大小.振蕩電容器采用兩個并聯(lián),改變電容器的個數(shù)可改變電容量的大小,可演示4個不同的振蕩周期,約0.5-10 Hz.在實驗中,將開關(guān)打向a,電源對電容器充電,使兩極板間的電勢差等于電源的電動勢.然后再將開關(guān)打向b,使電容器和自感線圈相連接,電容器開始放電.

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,演示無阻尼振蕩時把能量補(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 無阻尼振蕩組件原理圖

問題3:在分析了實驗裝置和原理圖之后,你能從結(jié)構(gòu)上初步分析出阻尼振動和無阻尼振蕩的特點嗎?

3.4 利用傳感器實驗探究電磁振蕩的規(guī)律.

(1) 探究阻尼振蕩的規(guī)律.

首先,將實驗儀器中的能量補(bǔ)充組件取下來,將開關(guān)打向a對電容器充電,稍后再將開關(guān)打向b,使電容器和自感線圈相連接,在電容器開始放電的同時,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所示的實驗圖像.你能說出阻尼振蕩中電流隨時間變化的特點嗎?

圖8 阻尼振蕩

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

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,將開關(guān)打向a對電容器充電,稍后再將開關(guān)打向b,使電容器和自感線圈相連接,在電容器開始放電的同時,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所示的實驗圖像,你能說出無阻尼振蕩中電流隨時間變化的特點嗎?

學(xué)生回答:電流隨時間一直作周期性的變化,即電磁振蕩作等幅振蕩.

圖9 無阻尼振蕩

現(xiàn)象分析:實驗中因為增加了能量補(bǔ)充組件,周期的給電路補(bǔ)充能量,所以電流會隨時間作周期性變化.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.

問題4:通過傳感器實驗我們觀察和分析了阻尼振蕩與無阻尼振蕩的特點,那么,你能試著用科學(xué)的術(shù)語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,電場主要集中在電容器的極板之間,磁場主要集中在線圈內(nèi)部,在電磁振蕩過程中,電場能和磁場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特點: (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) 振蕩電路的電場和磁場,必須分散到盡可能大的空間,才能有效地把電磁場的能量傳播出去.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,使電場和磁場擴(kuò)展到電容器的外部.這樣的振蕩電路叫做開放電路.

圖10 由閉合電路變?yōu)殚_放電路

如圖10(丁)所示,把振蕩電路中的電容器兩極板拉開,變成兩條長的直導(dǎo)線,一條伸入空中成為天線,另一條接入地下成為地線,就可以有效地向外輻射電磁能量.天線和地線形成了一個敞開的電容器,電磁波就是由這樣的開放電路發(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).實際發(fā)射無線電波的裝置中還需在開放電路旁加一個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)射電磁波的實驗裝置,它采用推挽電路,由2只雙三級電子管組成,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)制信號加到其中一電阻與地之間.電子管陽極電壓為+220 V,通過控制調(diào)制器箱上的插頭座相連.電磁波在傳播時如果遇到導(dǎo)體,會使導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電流.因此,空中的導(dǎo)體可以用來接收電磁波,這就是接收天線.[4]

圖11 甚高頻振蕩器

問題5:你能用電磁振蕩和電磁波理論對常用電子設(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.

4 結(jié)束語

在電磁振蕩規(guī)律的教學(xué)中,利用傳感器系統(tǒng)來幫助學(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)計過程運用問題策略,將所講的知識與學(xué)生已有的知識建立聯(lián)系,創(chuàng)設(shè)問題情境,讓學(xué)生在觀察和體驗后有所發(fā)現(xiàn),促進(jìn)學(xué)生主動構(gòu)建知識體系.同時,在教學(xué)中注重教會學(xué)生知識遷移的方法,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).