王富民 李海濱

摘 要：利用手機(jī)屏蔽器和自制天線進(jìn)行定向發(fā)射，自制簡(jiǎn)易場(chǎng)強(qiáng)儀、檢測(cè)線圈、發(fā)射天線反射器和接收天線反射器進(jìn)行檢測(cè)和接收，檢測(cè)線圈和發(fā)光二極管顯示接收信號(hào)強(qiáng)度，既能演示電磁波的發(fā)射、接收和反射，又能演示微波無線電能傳輸，制作成本低廉.

關(guān)鍵詞：無線電能傳輸;電磁波;天線;反射器;手機(jī)屏蔽器

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1008-4134（2021）03-0052-03

作者簡(jiǎn)介：王富民 （1962-），男，山東濟(jì)寧人，本科，中學(xué)高級(jí)教師，研究方向：中學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng);

李海濱（1976-），男，山東濟(jì)寧人，本科，中學(xué)一級(jí)教師，研究方向：物理教育教學(xué).

1 問題的發(fā)現(xiàn)

人教版高中物理教科書必修第三冊(cè)第十三章第四節(jié)電磁波的發(fā)現(xiàn)及應(yīng)用，演示電磁波的發(fā)射、接收和反射是教學(xué)的難點(diǎn)，本節(jié)的“做一做”——捕捉電磁波的演示實(shí)驗(yàn)，除了用高壓發(fā)生器放電和高頻發(fā)射器發(fā)射電磁波以外，還可以利用淘汰的手機(jī)屏蔽器發(fā)射電磁波信號(hào)，自制檢測(cè)的工具，完成電磁波的發(fā)射、接收和反射實(shí)驗(yàn).

做好“做一做”演示實(shí)驗(yàn)，結(jié)合講述赫茲的故事，再現(xiàn)赫茲的實(shí)驗(yàn)過程，驗(yàn)證電磁波的存在，對(duì)于培養(yǎng)中學(xué)生的創(chuàng)新能力非常重要.原有的高中物理教學(xué)中演示電磁波的發(fā)射和接收演示儀（J2435-2型）內(nèi)含電子管，儀器價(jià)格較高，由于儀器閑置、使用不當(dāng)、缺乏維修、自然損壞都不能正常使用，有的學(xué)校缺少完成該實(shí)驗(yàn)的高頻發(fā)射器.筆者為了完成電磁波的發(fā)射和接收實(shí)驗(yàn)，用氖氣管（泡）演示時(shí)，點(diǎn)亮氖氣管的感應(yīng)電壓較高，在相同的距離下要達(dá)到與用高亮度紅色發(fā)光二極管完成相同的實(shí)驗(yàn)效果，需要的電磁波發(fā)射器的功率較大，用高亮度紅色發(fā)光二極管完成實(shí)驗(yàn)，顯示效果較好.

筆者利用學(xué)校淘汰的陳舊的手機(jī)屏蔽儀，自制電磁波的發(fā)射、接收和反射器，既能彌補(bǔ)現(xiàn)有儀器的不足，完成演示電磁波的發(fā)射、接收和反射實(shí)驗(yàn)，又能拓展實(shí)驗(yàn)范圍，進(jìn)行中學(xué)生課外探索研究實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，實(shí)現(xiàn)微波無線電能傳輸，既提高了學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，又培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力.

2 微波無線電能傳輸原理

微波是指頻率從300MHz至3000GHz范圍的電磁波，微波通常也稱為“超高頻電磁波”.其相應(yīng)的波長(zhǎng)從1m至0.1mm.這段電磁頻譜包括分米波、厘米波、毫米波和亞毫米波四個(gè)波段.

微波無線電能傳輸技術(shù)，由于微波傳輸距離遠(yuǎn)，大氣損耗小，微波發(fā)散角大，功率密度低，波束強(qiáng)度和方向易于控制，使功率密度滿足國(guó)際安全標(biāo)準(zhǔn)，主要用于空間太陽能電站、高空飛行器、無人機(jī)供電等領(lǐng)域.

微波無線電能傳輸原理：微波功率發(fā)生器將直流信號(hào)轉(zhuǎn)換成微波信號(hào)，由發(fā)射天線聚焦后向整流天線高效發(fā)射，微波經(jīng)自由空間傳播到整流天線，整流濾波后給負(fù)載供電.微波無線電能傳輸框圖如圖1所示.

3 微波無線電能傳輸演示實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 實(shí)驗(yàn)器材

（1）選用2G的手機(jī)屏蔽器的內(nèi)核電路板制作微波功率發(fā)生器，發(fā)射功率比較低，對(duì)人體比較安全，其微波波長(zhǎng)固定為28cm，工作頻率為1071.4MHz，工作穩(wěn)定，DC-RF變換效率高，直流5V供電，整機(jī)功耗11W，是演示實(shí)驗(yàn)理想的射頻功率放大器.

（2）用直徑1.6mm的漆包線自制螺旋天線，螺旋線8匝，周長(zhǎng)28cm，螺旋線管長(zhǎng)28cm，一端為自由端，一端接射頻功率放大器的輸出，即射頻功率放大器的1/4波長(zhǎng)的單極天線終端饋點(diǎn)與發(fā)射螺旋天線直接連接.

（3）用兩塊同樣長(zhǎng)25cm、寬30cm的銅箔自制發(fā)射反射器和接收反射器.

（4）用一塊微安表表頭自制簡(jiǎn)易場(chǎng)強(qiáng)儀，用30cm長(zhǎng)的直徑為1.6mm的漆包線自制檢測(cè)場(chǎng)強(qiáng)線圈（即接收器）.

（5）用2AK20二極管、0.01μF電容、場(chǎng)強(qiáng)儀、接收天線為20mm長(zhǎng)的2mm2的銅導(dǎo)線等，也可以做成同樣長(zhǎng)度的羊角天線.

3.2 實(shí)驗(yàn)電路

3.3 實(shí)驗(yàn)過程及現(xiàn)象

檢測(cè)場(chǎng)強(qiáng)線圈為接收天線經(jīng)高頻二極管2AK20整流后帶動(dòng)LED，天線加反射器后，在螺旋天線軸向上距離天線30cm處可以點(diǎn)亮紅光LED，實(shí)現(xiàn)無線電能傳輸;也可以用自制簡(jiǎn)易場(chǎng)強(qiáng)儀顯示發(fā)射微波的場(chǎng)強(qiáng)，可以演示螺旋天線軸向上場(chǎng)強(qiáng)最大，加反射器后，在螺旋天線軸向上場(chǎng)強(qiáng)明顯增大，可以演示微波的反射特性，在螺旋天線軸向上，距離螺旋天線80cm加反射器后，自制簡(jiǎn)易場(chǎng)強(qiáng)儀信號(hào)強(qiáng)度由10增大至150，指針幾乎滿偏;在螺旋天線與自制簡(jiǎn)易場(chǎng)強(qiáng)儀之間放置塑料板，自制簡(jiǎn)易場(chǎng)強(qiáng)儀顯示讀數(shù)不變，可以演示微波的穿透特性;在螺旋天線與自制簡(jiǎn)易場(chǎng)強(qiáng)儀之間放置檢測(cè)場(chǎng)強(qiáng)線圈，微波信號(hào)被檢測(cè)場(chǎng)強(qiáng)線圈吸收，檢測(cè)場(chǎng)強(qiáng)線圈上的LED發(fā)光，自制簡(jiǎn)易場(chǎng)強(qiáng)儀讀數(shù)減小，可以演示微波的吸收特性.在定向發(fā)射天線前移動(dòng)檢測(cè)線圈（即接收器），并移動(dòng)發(fā)射器反射器和接收器反射器可以改變檢測(cè)線圈中發(fā)光二極管的亮度，完成電磁波的發(fā)射、接收和反射.

4 實(shí)驗(yàn)總結(jié)

利用手機(jī)屏蔽器制作微波發(fā)生器，可以進(jìn)行微波無線電能傳輸.（1）用場(chǎng)強(qiáng)儀檢測(cè)無線電波的存在;（2）用檢測(cè)線圈作為接收器，接收無線傳輸?shù)碾娔?，發(fā)光二極管顯示強(qiáng)度;（3）在螺旋天線與自制簡(jiǎn)易場(chǎng)強(qiáng)儀之間放置塑料板，自制簡(jiǎn)易場(chǎng)強(qiáng)儀顯示讀數(shù)不變，可以演示微波的穿透特性;（4）在螺旋天線與自制簡(jiǎn)易場(chǎng)強(qiáng)儀之間放置檢測(cè)場(chǎng)強(qiáng)線圈（即接收器），微波被檢測(cè)場(chǎng)強(qiáng)線圈吸收，檢測(cè)場(chǎng)強(qiáng)線圈上的LED發(fā)光，此時(shí)，自制簡(jiǎn)易場(chǎng)強(qiáng)儀讀數(shù)減小，可以演示微波的吸收特性;（5）在定向發(fā)射天線前移動(dòng)檢測(cè)線圈（接收器），并移動(dòng)發(fā)射器反射器和接收器反射器可以改變檢測(cè)線圈中發(fā)光二極管的亮度，完成電磁波的發(fā)射、接收和反射實(shí)驗(yàn).微波無線電能傳輸實(shí)驗(yàn)圖如圖4、圖5所示.

5 實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)

當(dāng)電磁波頻率增加到1GHz以上就會(huì)直接對(duì)水分子加熱，這個(gè)原理與微波爐加熱相同，1GHz以上頻率的電磁波可以直接傷害人體.利用微波實(shí)現(xiàn)小功率無線電能傳輸，也應(yīng)在實(shí)驗(yàn)時(shí)遠(yuǎn)離輻射最大的螺旋天線軸向方向，離開天線一定的距離，以保證實(shí)驗(yàn)安全.

手機(jī)屏蔽器與不加裝天線的J2435-2型演示儀發(fā)射電磁波信號(hào)強(qiáng)度測(cè)試圖，如圖6所示.

經(jīng)過測(cè)試得知：加裝天線的J2435-2型演示儀發(fā)射電磁波信號(hào)強(qiáng)度更強(qiáng)（如圖7），J2435-2型演示儀發(fā)射電磁波信號(hào)的波長(zhǎng)較大，頻率較低，而2G（含3G信號(hào)）的手機(jī)屏蔽器工作在微波波段，發(fā)射頻率較高，波長(zhǎng)較小，但都能完成電磁波的發(fā)射和接收實(shí)驗(yàn).

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（收稿日期：2020-10-10）