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(chǎng)，對(duì)安培力知識(shí)點(diǎn)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(shí)際上并不是很了解.物理是一門實(shí)驗(yàn)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(dòng)形象，充滿探究樂趣的.基于此，有必要讓學(xué)生通過動(dòng)手探究安培力的一個(gè)重要應(yīng)用——揚(yáng)聲器，來增強(qiáng)其科學(xué)素養(yǎng).

1 項(xiàng)目STEM目標(biāo)體現(xiàn)

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

技術(shù)目標(biāo)： 了解漆包線、會(huì)繞揚(yáng)聲器音圈(線圈)、會(huì)制作簡(jiǎn)易揚(yáng)聲器、會(huì)測(cè)試揚(yáng)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(gè)能播放動(dòng)聽音樂的揚(yáng)聲器.

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

2 原理探究

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

探究1：揚(yáng)聲器為什么會(huì)發(fā)出聲音？

用電唱機(jī)播放音樂，引出問題，讓學(xué)生討論.在學(xué)生回答是因?yàn)檎駝?dòng)引起聲音后，引導(dǎo)學(xué)生用實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證揚(yáng)聲器的紙盆在振動(dòng)(用手摸感受振動(dòng)或放上乒乓球可以看到它在跳動(dòng)).

探究2：揚(yáng)聲器為什么會(huì)振動(dòng)？

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

學(xué)生： 是因?yàn)榇艌?chǎng)對(duì)電流施加力，是我們學(xué)過的安培力.

教師： 受到安培力就會(huì)發(fā)生振動(dòng)，那為什么我們?cè)谏衔锢碚n“安培力”知識(shí)點(diǎn)時(shí)，課上做的演示實(shí)驗(yàn)，金屬桿只能擺動(dòng)到某一位置，卻不能發(fā)生振動(dòng)并發(fā)出聲音？

學(xué)生：……

教師演示實(shí)驗(yàn)：用傳感器觀察通過喇叭的音頻電流的波形.實(shí)驗(yàn)裝置及檢測(cè)的波形如圖1所示.

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置與檢測(cè)波形

實(shí)驗(yàn)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(chǎng)對(duì)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(dòng).

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

學(xué)生分組，拆解揚(yáng)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(chǎng)的特點(diǎn)及揚(yáng)聲器的工作原理.

圖2 拆卸后的揚(yáng)聲器

圖3 揚(yáng)聲器結(jié)構(gòu)剖面圖

探究4：揚(yáng)聲器內(nèi)部的磁場(chǎng)有什么特點(diǎn)？對(duì)線圈產(chǎn)生的安培力大小如何計(jì)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(qiáng)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(chǎng)

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(shí)，線圈受到了周期性變化的安培力，因而振動(dòng)起來.

探究5：動(dòng)態(tài)觀看揚(yáng)聲器播放音樂時(shí)的工作過程.

此處采用自制的可拆卸揚(yáng)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(yáng)聲器和電唱機(jī)的輸出連接，播放音樂，讓學(xué)生注意觀察磁鐵遠(yuǎn)離和靠近線圈的過程中聲音的變化.

圖5 自制的可拆卸揚(yáng)聲器

學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)：磁鐵遠(yuǎn)離線圈時(shí)音量減小，靠近時(shí)音量增大.

3 方案設(shè)計(jì)

為確保學(xué)生能在課堂完成，對(duì)學(xué)生自制揚(yáng)聲器進(jìn)行了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，但也需要確保能正常播放音樂.此處主要進(jìn)行了5點(diǎn)創(chuàng)新.

(1)教師自制簡(jiǎn)易音頻信號(hào)源，便于各小組能測(cè)試他們的作品，如圖6所示.

該信號(hào)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(gè)開關(guān)，按下開關(guān)，就能輸出音頻信號(hào)，從而讓學(xué)生自制的揚(yáng)聲器發(fā)出音樂.該信號(hào)源共需制作12個(gè)，確保每個(gè)小組都能有一個(gè).

圖6 自制簡(jiǎn)易音頻發(fā)生器原理及實(shí)物圖

該音樂集成電路的型號(hào)是9300，工作電路非常簡(jiǎn)單，只要外接一個(gè)9014三極管，就能帶動(dòng)常見的小型揚(yáng)聲器.實(shí)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(hào)電池.為了讓該音頻發(fā)生器使用更簡(jiǎn)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(qiáng)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(dòng)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(dòng)態(tài)觀察揚(yáng)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(shí)踐

學(xué)生分成4人一組，每組下發(fā)一個(gè)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(gè)能播放音樂的簡(jiǎn)易透明揚(yáng)聲器，并能播放音樂測(cè)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(fù)責(zé)把漆包線拉直，長(zhǎng)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(zhǎng)度15 cm，然后再開始順時(shí)針繞制線圈，把3 m長(zhǎng)的漆包線全部繞完，最后留下15 cm左右從另一個(gè)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(dòng)單元，類似于揚(yáng)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?jī)?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?jī)?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(dòng)可樂瓶，確保線圈對(duì)準(zhǔn)磁鐵.

(8)把漆包線兩端的導(dǎo)電部分，壓入兩個(gè)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(yáng)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(cè)試自制揚(yáng)聲器.

把音頻發(fā)生器和自制揚(yáng)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(huì)驚奇地發(fā)現(xiàn)，他們親手制作的全透明揚(yáng)聲器，也可以播放動(dòng)聽的音樂.

討論：可以發(fā)現(xiàn)，同學(xué)們自制的揚(yáng)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(qiáng)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(dòng)……

圖9 自制揚(yáng)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(dòng).至此，學(xué)生們就可以理解“動(dòng)圈式揚(yáng)聲器”中 “動(dòng)圈”兩個(gè)字的含義了.

教師進(jìn)一步演示： 用功率更大的電唱機(jī)帶動(dòng)學(xué)生自制揚(yáng)聲器，讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)自制的簡(jiǎn)易揚(yáng)聲器，是可以播放動(dòng)聽音樂的，不僅好玩，還很實(shí)用，讓他們體會(huì)實(shí)踐成功的喜悅.

5 課后探究

(1)為什么需要把揚(yáng)聲器放在木盒內(nèi)做成音箱？

實(shí)驗(yàn)演示“揚(yáng)聲器裸露播放音樂”和 “把揚(yáng)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(qiáng))，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(yáng)聲器反過來也可以作為話筒使用？為什么對(duì)揚(yáng)聲器說話，揚(yáng)聲器會(huì)產(chǎn)生電流？

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

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