制作簡易無線話筒理解電磁波發射過程

王震　徐洋　閆誠實

人教版普通物理課程標準實驗教科書《物理 選修3-4》中第十四章第三節介紹了有關電磁波發射和接收的知識.物理教師在講授該節內容時，主要結合電路圖進行講解，讓學生理解電磁波發射和接收過程.教學中涉及到調制、調頻、振蕩頻率等物理概念都是抽象程度較高的知識，學生在生活中又缺少感性的認識，教師對概念的直接講授會顯得生硬和枯燥，學生理解困難.為此，我們制作了“簡易無線話筒演示實驗”演示電磁波的發射，通過真實的實驗讓學生感受電磁波的發射過程，理解相關物理概念，同時利用該演示實驗引出電磁波接收內容的學習.

1 制作簡易無線話筒

1.1 實驗原理圖

無線話筒的制作來源于本節課物理教材內容上的“做一做”欄目.“做一做”中提供了無線話筒的電路圖（圖1）.電路圖中的18PF半可變電容、CRZ-2型駐極體話筒，目前已經不再使用.我們將電容器調整為5 PF～25 PF的高頻瓷介質可變電容、話筒使用的是額定電壓為1.5 V的駐極體話筒.

1.2 需要的材料

絕緣薄木板一塊（40 cm×50 cm）、一號干電池一節（E，1.5 V）、單刀單擲開關一個（S）、PNP型高頻三極管9018一個（VT）、駐極體話筒一個（BM，額定電壓1.5V）、高頻瓷介質可變電容一個（C1，5PF-25PF）、瓷片電容一個（C2，4.7PF）、1/8 W金屬膜電阻一個（R，1.8 kΩ）、自制線圈（L）、直徑為1 mm的漆包線40 cm、導線若干.

1.3 原理分析

高頻振蕩電路由三極管VT、電容器C1和線圈L組成.L與C1構成LC諧振回路，具有選頻作用.高頻振蕩電路對音頻信號進行頻率調制后，經電容器C2耦合，由發射天線向周圍空間發射出去.

音頻電路由駐極體話筒BM組成，電源E給話筒供電.BM能將聲音信號轉換成電信號，其內部的場效應管把音頻信號進行放大，聲音信號的變化會引起場效應管漏極電流產生相應的變化，從而得到隨之變化的電壓信號，當其加到三極管的發射極時，發射極電流發生變化，振蕩頻率就隨著音頻信號變化，從而達到調頻的目的.

選擇長約30 cm、直徑為1 mm的銅質漆包線作為發射天線.有一些實驗選擇軟導線作為發射天線，軟導線在使用過程中容易晃動，導致工作頻率發生偏移、不穩定現象.銅質漆包線很好地解決了頻偏問題，發射功率也略有增加，但是方向性會更強些.

2 制作方法

2.1 整個電路采用導線連接的方式

制作的電路板是把導線直接固定在薄木板上，教師演示時學生能夠清晰地看到同實驗原理圖相對應的實物電路板（圖2）.這樣的電路板要比經過轉印、腐蝕等工序的現代制版工藝制成的電路板更加直觀、清晰，學生容易理解.

2.2 自制線圈L

裝置中的線圈L是用直徑為1 mm的漆包線在圓鉛筆上繞4匝制成.自制的線圈能更好地明確自感系數L的值，控制振蕩的中心頻率.鉛筆的使用也讓學生有新鮮感和親切感.

2.3 元器件引腳長度須符合規范要求

由于無線話筒工作頻率較高，電路結構應盡量緊湊，元器件引腳長度須符合規范要求.駐極體話筒用兩根10 mm左右的元器件引腳從正、負接點引出，并在薄木板上固定，以方便送話.天線接在整個薄木板的邊緣，向外面伸出.

3 電磁波的發射

無線話筒電路采用的是頻率調制的工作方式，為了驗證實驗電路是否有電磁波發出，采用調頻收音機接收，也就是電磁波接收部分（圖3）.實驗前，首先計算出LC振蕩電路的中心頻率范圍.振蕩頻率f=12πLC，其中自制電感線圈的自感系數L=kμN2Sl，k為線圈幾何形狀參數，經查表k=0.52；μ為磁導率，其數值為4π×10-7；N為線圈匝數；S為線圈面積；l=Nd為線圈長度，d為漆包線直徑，經測量計算得L=2.1×10-13 H.電容器C1的取值范圍是5 PF～20 PF，計算得出振蕩的中心頻率范圍69 MHz～156M Hz之間.

實驗時，閉合開關，教師對著話筒播放音樂，話筒兩端的音頻電壓發生變化，變化的電壓加到三極管的發射極時，使得發射極的電流發生變化，引起振蕩頻率的改變，從而給出調頻的含義.通過與調頻對比，引伸出另外一種調制的方式——調幅，并介紹調幅概念.對著話筒播放音樂，經過調制之后的電磁波就會通過天線發射出去，打開調頻收音機來接收電磁波信號，調頻收音機的調諧旋鈕要在69 MHz～156 MHz范圍之間調節，直至聽到清晰的音樂為止.

4 實驗裝置的優缺點

簡易無線話筒裝置容易起振、靈敏度較高，在實際課堂教學中已經較好地達到了演示的效果.但是從科技角度考慮該電路的發射功率較小，有效距離很難超過10米，發射頻率不太穩定，略有聲音失真的現象.為此，可以在電路中增加一個三極管和電阻組成的功率放大電路，采用電壓負反饋的方式，這樣功率放大電路的工作點較為穩定并且信號不容易失真.但是經過改進之后的電路復雜、抽象，學生不容易理解.

簡易無線話筒制作方法簡單，實驗演示效果明顯，教師把抽象的物理過程用實物展示在學生面前，學生能親身感受到電磁波的發射過程以及調頻收音機能接收到電磁波信號，更有效地加強了學生對物理知識的學習與理解.