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        STEM教育理念下動圈式揚聲器原理教學(xué)及制作

        2019-06-21 00:47:48何忠燕
        物理通報 2019年6期
        關(guān)鍵詞:漆包線安培力揚聲器

        何忠燕

        (張家港市崇真中學(xué) 江蘇 蘇州 215600)

        學(xué)生已經(jīng)學(xué)完了磁場,對安培力知識點已經(jīng)有了比較深入的理解,但安培力在生活中有哪些應(yīng)用呢?大部分學(xué)生實際上并不是很了解.物理是一門實驗科學(xué),是在生活中有重大應(yīng)用的學(xué)科,學(xué)物理應(yīng)該是生動形象,充滿探究樂趣的.基于此,有必要讓學(xué)生通過動手探究安培力的一個重要應(yīng)用——揚聲器,來增強其科學(xué)素養(yǎng).

        1 項目STEM目標(biāo)體現(xiàn)

        科學(xué)目標(biāo): 理解動圈式揚聲器的工作原理和內(nèi)部結(jié)構(gòu)、輻向磁場,了解音頻電流的特點.

        技術(shù)目標(biāo): 了解漆包線、會繞揚聲器音圈(線圈)、會制作簡易揚聲器、會測試揚聲器.

        工程目標(biāo): 能利用漆包線、木地板、圓柱形磁鐵、金屬螺桿、3D打印塑料圈、飲料瓶,組裝搭建一個能播放動聽音樂的揚聲器.

        數(shù)學(xué)目標(biāo): 揚聲器原理中安培力計算、制作揚聲器時繞制線圈的匝數(shù),自制揚聲器的功率估算、頻率特性等.

        2 原理探究

        引入課題:用揚聲器(俗稱“喇叭”)播放音樂,向?qū)W生說明這是動圈式揚聲器并提出以下兩個懸念:(1)“動圈式”是什么意思?(2)揚聲器應(yīng)用了什么物理知識?(這兩個問題暫時不回答,學(xué)生在接下來的探究中,自然會理解)

        探究1:揚聲器為什么會發(fā)出聲音?

        用電唱機播放音樂,引出問題,讓學(xué)生討論.在學(xué)生回答是因為振動引起聲音后,引導(dǎo)學(xué)生用實驗來驗證揚聲器的紙盆在振動(用手摸感受振動或放上乒乓球可以看到它在跳動).

        探究2:揚聲器為什么會振動?

        引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)揚聲器上有磁鐵,聯(lián)想到內(nèi)部有磁場;引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)揚聲器通過導(dǎo)線連接了電唱機,猜想到必須有電流才能工作.

        學(xué)生: 是因為磁場對電流施加力,是我們學(xué)過的安培力.

        教師: 受到安培力就會發(fā)生振動,那為什么我們在上物理課“安培力”知識點時,課上做的演示實驗,金屬桿只能擺動到某一位置,卻不能發(fā)生振動并發(fā)出聲音?

        學(xué)生:……

        教師演示實驗:用傳感器觀察通過喇叭的音頻電流的波形.實驗裝置及檢測的波形如圖1所示.

        圖1 實驗裝置與檢測波形

        實驗現(xiàn)象: 音頻電流的大小和方向都發(fā)生周期性變化.

        教師小結(jié):原來是磁場對周期性變化的音頻電流產(chǎn)生了周期性變化的安培力,從而讓喇叭發(fā)生了振動.

        探究3:揚聲器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是怎樣的?

        學(xué)生分組,拆解揚聲器,拆卸后如圖2所示,再讓學(xué)生觀察剖面圖如圖3所示.觀察討論,理解輻向磁場的特點及揚聲器的工作原理.

        圖2 拆卸后的揚聲器

        圖3 揚聲器結(jié)構(gòu)剖面圖

        探究4:揚聲器內(nèi)部的磁場有什么特點?對線圈產(chǎn)生的安培力大小如何計算?方向如何?

        設(shè)匝數(shù)為N,電流為I,線圈半徑為r,線圈處磁感應(yīng)強度為B,如圖4所示,判斷線圈的受力方向和大小.

        圖4 輻向磁場

        利用微元法,把導(dǎo)線分割成無數(shù)小段,每一段都能看成直導(dǎo)線,分別受力為BIL1,BIL2,BIL3,……,方向均為垂直紙面向外,因此,圓形導(dǎo)線受到的安培力為各段受力之和,大小為BI×2πr,N匝線圈受力大小為NBI×2πr,方向垂直紙面向外.

        若電流反向呢?安培力方向變?yōu)榇怪奔埫嫦騼?nèi).因此,通以交變電流時,線圈受到了周期性變化的安培力,因而振動起來.

        探究5:動態(tài)觀看揚聲器播放音樂時的工作過程.

        此處采用自制的可拆卸揚聲器,其磁鐵與線圈的距離可以調(diào)節(jié),這樣就可以邊聽音樂邊調(diào)節(jié)磁鐵與線圈的距離了,如圖5所示.把可拆卸揚聲器和電唱機的輸出連接,播放音樂,讓學(xué)生注意觀察磁鐵遠離和靠近線圈的過程中聲音的變化.

        圖5 自制的可拆卸揚聲器

        學(xué)生會發(fā)現(xiàn):磁鐵遠離線圈時音量減小,靠近時音量增大.

        3 方案設(shè)計

        為確保學(xué)生能在課堂完成,對學(xué)生自制揚聲器進行了簡化設(shè)計,但也需要確保能正常播放音樂.此處主要進行了5點創(chuàng)新.

        (1)教師自制簡易音頻信號源,便于各小組能測試他們的作品,如圖6所示.

        該信號源直接利用電池盒改裝,在電池盒內(nèi)部固定了一片音樂集成電路和一個開關(guān),按下開關(guān),就能輸出音頻信號,從而讓學(xué)生自制的揚聲器發(fā)出音樂.該信號源共需制作12個,確保每個小組都能有一個.

        圖6 自制簡易音頻發(fā)生器原理及實物圖

        該音樂集成電路的型號是9300,工作電路非常簡單,只要外接一個9014三極管,就能帶動常見的小型揚聲器.實際制作中9014三極管直接焊接在集成電路基板上就可以了,供電采用2節(jié)5號電池.為了讓該音頻發(fā)生器使用更簡單,筆者把音樂集成電路和開關(guān),都直接用熱熔膠固定在電池盒內(nèi),學(xué)生只要按下開關(guān),就能輸出音頻電流.

        (2)采用圓柱形強磁鐵,確保學(xué)生作品有足夠的靈敏度播放音樂.

        (3)采用透明可樂瓶做振動體,確保核心部件清晰可見.

        (4)采用可調(diào)節(jié)金屬螺桿,不僅能把磁鐵直接吸附上去,還能旋轉(zhuǎn)螺桿來微調(diào)磁鐵與線圈的距離,從而便于學(xué)生動態(tài)觀察揚聲器工作過程.

        (5)采用3D打印的塑料圈作為骨架,便于學(xué)生快速繞制線圈.

        4 學(xué)生實踐

        學(xué)生分成4人一組,每組下發(fā)一個整理箱,里面有制作需要的所有材料.在教師引導(dǎo)下,每組學(xué)生需要通過分工合作,自制一個能播放音樂的簡易透明揚聲器,并能播放音樂測試.學(xué)生具體制作步驟如下.

        (1)安裝可調(diào)節(jié)距離的磁鐵部件,把螺桿穿過支架上的孔,磁鐵吸在螺桿上.

        (2)一人把纏繞的漆包線解開,其他同學(xué)負責(zé)把漆包線拉直,長度大約3 m.漆包線是外表面裹了一層絕緣油漆的銅導(dǎo)線,常用來繞制線圈.線圈的兩端需要把絕緣漆處理掉才能接入電路.本課用的漆包線兩端已經(jīng)刮掉了2 cm左右的絕緣漆并上了一層焊錫.

        (3)把漆包線一端先穿過塑料圈上的小孔,注意穿出長度15 cm,然后再開始順時針繞制線圈,把3 m長的漆包線全部繞完,最后留下15 cm左右從另一個小孔穿出,如圖7所示.

        圖7 3D打印的塑料圈,用來繞制線圈并能方便固定在可樂瓶上

        (4)線圈繞好后把塑料螺母旋下來,接下來要把線圈固定在飲料瓶上,飲料瓶就是振動單元,類似于揚聲器上的紙盆.

        (5)把線圈上的塑料螺桿,穿過飲料瓶側(cè)面的小孔,再把塑料螺母從瓶內(nèi)部旋緊在塑料螺桿上,這樣,線圈就緊緊固定在飲料瓶上了.

        (6)把底座上的螺絲取下,吸附在螺絲刀上,再把螺絲從瓶內(nèi)部穿過可樂瓶蓋上的小孔.

        (7)把可樂瓶固定在底座上,轉(zhuǎn)動可樂瓶,確保線圈對準(zhǔn)磁鐵.

        (8)把漆包線兩端的導(dǎo)電部分,壓入兩個金屬圓片間,這樣,線圈就和輸入插頭相連了.

        大功告成:做好后的揚聲器以及調(diào)節(jié)磁鐵的位置如圖8所示.

        圖8 調(diào)節(jié)磁鐵的位置

        (9) 學(xué)生測試自制揚聲器.

        把音頻發(fā)生器和自制揚聲器連接,打開音頻發(fā)生器開關(guān),調(diào)節(jié)磁鐵與線圈的距離,如圖9所示.結(jié)果學(xué)生會驚奇地發(fā)現(xiàn),他們親手制作的全透明揚聲器,也可以播放動聽的音樂.

        討論:可以發(fā)現(xiàn),同學(xué)們自制的揚聲器,播放音樂的音質(zhì)還是可以的,但音量較小.如何增大音量呢?

        答:換更強大的磁鐵,增加線圈的匝數(shù),用功率更大的功率放大器帶動……

        圖9 自制揚聲器的連接

        再讓學(xué)生觸摸可樂瓶和線圈,可以發(fā)現(xiàn)它們都在輕微振動.至此,學(xué)生們就可以理解“動圈式揚聲器”中 “動圈”兩個字的含義了.

        教師進一步演示: 用功率更大的電唱機帶動學(xué)生自制揚聲器,讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)自制的簡易揚聲器,是可以播放動聽音樂的,不僅好玩,還很實用,讓他們體會實踐成功的喜悅.

        5 課后探究

        (1)為什么需要把揚聲器放在木盒內(nèi)做成音箱?

        實驗演示“揚聲器裸露播放音樂”和 “把揚聲器背部放入紙盒內(nèi)播放音樂”的差別,現(xiàn)象很明顯(組成音箱后低頻顯著增強),帶給學(xué)生聽覺上的震撼.激發(fā)學(xué)生的求知欲.

        提示:這涉及到聲波的干涉.

        (2)為什么把揚聲器反過來也可以作為話筒使用?為什么對揚聲器說話,揚聲器會產(chǎn)生電流?

        提示:其中的電磁感應(yīng)原理,我們很快就會學(xué)習(xí)到.

        (3)安培力在生活中還有一個重要應(yīng)用——電動機.學(xué)生們課后可以拆解廢舊收錄機、玩具車等里面的小電動機,去研究電動機的結(jié)構(gòu)和工作原理.

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