電磁波的發(fā)射與接收實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及原理分析

馮 楠 王 林

(寧夏大學(xué)物理電氣信息學(xué)院，寧夏 銀川 750021)

電磁波的發(fā)射與接收實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及原理分析

馮 楠 王 林

(寧夏大學(xué)物理電氣信息學(xué)院，寧夏 銀川 750021)

人教版普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書“電磁波的發(fā)射與接收”一節(jié),介紹了“電磁波的發(fā)射和接收”過程．教材在“做一做”欄目里還介紹了“制作簡易無線話筒”的實(shí)驗(yàn)．做好“電磁波”實(shí)驗(yàn),有利于學(xué)生對電磁波的理解,有助于學(xué)生對物理理論知識和實(shí)踐知識的雙重掌握,清楚地認(rèn)識到物理對如今科學(xué)技術(shù)甚至經(jīng)濟(jì)、文化發(fā)展的深遠(yuǎn)影響．因此,本文以電磁波的發(fā)射與接收實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及原理分析為研究課題,系統(tǒng)地進(jìn)行闡述和研究．

電磁波；電磁波發(fā)射；接收器

在信息技術(shù)高速發(fā)展的今天,電磁波對我們來說越來越重要,不僅在日常生活中應(yīng)用越來越普及,而且在航海、航空、航天中的自動(dòng)控制和通信系統(tǒng)都有廣泛應(yīng)用．學(xué)生通過之前的學(xué)習(xí)已經(jīng)理解了電磁波的產(chǎn)生,但是,電磁波如何傳遞信息?電磁波如何發(fā)射和接收?學(xué)生仍然存在疑問．本實(shí)驗(yàn)采用聲光、電表等手段,演示電磁波的發(fā)射和接收,使演示實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象直觀性更強(qiáng)、更形象生動(dòng)、可見度大,使學(xué)生身臨其境,更好地理解、掌握所學(xué)的內(nèi)容,以消除對無線電通訊的神秘感,從而達(dá)到更好的教學(xué)效果．

1 實(shí)驗(yàn)器材

(1) 甚高頻振蕩器.

甚高頻振蕩器外形如圖1所示,由振子天線、振蕩板、控制調(diào)制器箱和電子管等組成．

(2) 接收器1.

接收器1是調(diào)諧接收器,如圖2所示,由振子天線 、調(diào)諧電路板、超高亮發(fā)光管組成．

圖1 甚高頻振蕩器

圖2 調(diào)諧接收器

(3) 接收器2.

接收器2是電表指示接收器,如圖3所示,由振子天線、指示電表、檢波板組成．

(4) 接收器3.

接收器3是放大接收器,如圖4所示,由發(fā)光二極管、振子天線、放大接收器、檢波板組成．

圖3 電表指示接收器

圖4 放大接收器

2 實(shí)驗(yàn)過程

2.1 安裝儀器

(1) 將兩個(gè)電子管分別插入甚高頻振蕩板上的管座內(nèi),然后將振蕩板插入控制調(diào)制器箱組合插座中．

(2) 檢查接收器2的檢波板是否取下,以免在開機(jī)后收到大量的電磁波經(jīng)檢波后形成大電流損壞指針表．

(3) 打開接收器3的電池盒蓋,裝入一節(jié)9V電池．將電位器逆時(shí)針轉(zhuǎn)到底,電源開關(guān)關(guān)閉．

2.2 電磁波的發(fā)射

將對稱振子發(fā)射天線每邊長度調(diào)到30cm,裝到甚高頻振蕩器上．打開電源開關(guān),指示燈發(fā)出紅光,同時(shí)可以看到振蕩板上兩只電子管燈絲發(fā)紅．預(yù)熱3到5min,甚高頻振蕩器就向空間發(fā)射電磁波．開機(jī)后,如果選擇開關(guān)置在“1kHz”、“斷續(xù)”、“音樂”檔位,揚(yáng)聲器開關(guān)打開時(shí),儀器內(nèi)喇叭便發(fā)出相應(yīng)的聲音，甚高頻振蕩器就向空間發(fā)出相應(yīng)調(diào)幅的電磁波．

2.3 電磁波的接收

(1) 接收器1接收．

如圖5所示，先裝上反射板,然后將接收器移送到距離甚高頻振蕩器前約50cm處,接收板天線平行于發(fā)射天線,慢慢調(diào)節(jié)可調(diào)電容器旋鈕,觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象;關(guān)閉甚高頻振蕩器電源開關(guān),觀察小燈泡是否發(fā)光,再次打開電源開關(guān),觀察小燈泡是否發(fā)光;將接收器移近或遠(yuǎn)離振蕩器,觀察小燈泡亮度變化情況．

圖5 接收器1接收信號

(2) 接收器2接收．

如圖6所示，將檢波板裝在插孔上，振子天線每邊長度調(diào)到30cm．將接收器置于距離甚高頻振蕩器前2m處,保持接收天線與發(fā)射天線平行,觀察指針?biāo)甘緮?shù);關(guān)閉甚高頻振蕩器電源開關(guān),觀察指針?biāo)甘緮?shù),再次打開電源開關(guān),觀察指針?biāo)甘緮?shù);將接收器移近或遠(yuǎn)離振蕩器,觀察指針?biāo)甘緮?shù)．

圖6 接收器2接收信號

圖7 接收器3接收信號

(3) 接收器3接收.

如圖7所示，將檢波板裝在插孔上，振子天線每邊長度調(diào)到30cm．手持接收器,置于距離甚高頻振蕩器前2m處,保持接收天線與發(fā)射天線平行．打開電源開關(guān),并慢慢順時(shí)針調(diào)節(jié),觀察發(fā)光二極管的發(fā)光情況;關(guān)閉甚高頻振蕩器電源開關(guān),觀察發(fā)光二極管的發(fā)光情況;再次打開電源開關(guān),觀察發(fā)光二極管的發(fā)光情況;將接收器移近或遠(yuǎn)離振蕩器,觀察發(fā)光二極管的發(fā)光情況．

3 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

3.1 接收器1接收

(1) 將接收器移送到距離甚高頻振蕩器前約50cm處,慢慢調(diào)節(jié)可調(diào)電容器旋鈕,可以看到兩只發(fā)光二極管被點(diǎn)亮．小燈泡是完全靠接收到的電磁波的能量點(diǎn)亮的,表明電磁波能量較強(qiáng)．

(2) 如果關(guān)閉甚高頻振蕩器電源開關(guān),接收器接收不到電磁波,小燈泡立即熄滅．打開電源開關(guān),小燈泡又點(diǎn)亮．

(3) 將接收器移近振蕩器,小燈泡更亮,將接收器遠(yuǎn)離,小燈泡變暗,最后熄滅,表示此處電磁波強(qiáng)度已減弱到不能點(diǎn)亮小燈泡．

3.2 接收器2接收

(1) 將接收器置于距離甚高頻振蕩器前2m處,電表指示約為80μA．電表指示的電流是接收到的電磁波檢波后形成的．

(2) 如果關(guān)閉甚高頻振蕩器電源開關(guān),不再發(fā)射電磁波,接收器收不到電磁波,電表指示即消失．打開振蕩器電源開關(guān),待片刻后電表指示即恢復(fù)．

(3) 將接收器移近振蕩器,電表指示增大,表示接收到電磁波增強(qiáng)；將接收器遠(yuǎn)離振蕩器,電表指示減小,表示接收到的電磁波減弱；當(dāng)接收器離得很遠(yuǎn)時(shí),電表無指示，表示甚高頻振蕩器發(fā)射的電磁波,傳播到此處已經(jīng)弱到接收不到．這說明電磁波在傳播中,強(qiáng)度隨著傳播距離增加而減弱．

3.3 接收器3接收

(1) 手持接收器,置于距離甚高頻振蕩器前2m處,打開電源開關(guān),并慢慢順時(shí)針調(diào)節(jié),剛好使5只發(fā)光二極管都發(fā)光,表示接收器已接受到電磁波,驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管發(fā)光．

(2) 如果關(guān)閉甚高頻振蕩器電源開關(guān),不再發(fā)射電磁波,接收器收不到電磁波,發(fā)光二極管就熄滅．打開振蕩器電源開關(guān),待片刻后發(fā)光二極管即發(fā)光．

(3) 將接收器遠(yuǎn)離甚高頻振蕩器,發(fā)光二極管一只接著一只熄滅．如果順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)電位器,提高接收器的靈敏度,5只發(fā)光二極管又會(huì)全部發(fā)光．如果控制調(diào)制器上的選擇開關(guān)置在“1kHz”、“斷續(xù)”、“音樂”檔位時(shí),接收器3內(nèi)喇叭便發(fā)出相應(yīng)的聲音．

4 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的物理原理

4.1 電磁波的發(fā)射

要有效地向外發(fā)射電磁波,振蕩電路必須具有兩個(gè)特點(diǎn):第一，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(shí)間內(nèi)輻射出去的能量,與頻率的四次方成正比,頻率越高,發(fā)射電磁波的本領(lǐng)越大．第二，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．

如圖8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,這種電路叫做開放電路．天線和地線形成了一個(gè)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(shí)際發(fā)射無線電波的裝置中還需在開放電路旁加一個(gè)振蕩器電路與之耦合,如圖9所示，振蕩器電路產(chǎn)生的高頻率振蕩電流通過L2與L1的互感作用,使L1也產(chǎn)生同頻率的振蕩電流,振蕩電流在開放電路中激發(fā)出無線電波,向四周發(fā)射．

圖8 由閉合電路變?yōu)殚_放電路

圖9 開放電路示意圖

甚高頻采用推挽電路,由兩只雙三級電子管組成,每臂由兩只三極管相并聯(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+200V,通過控制調(diào)制器箱上的插頭座相連．

電源部分由電源變壓器、高壓整流電路及低壓整流電路組成．變壓器輸入220V電壓,輸出240V對稱高壓,經(jīng)全波整流、阻容濾波后,輸出直流200V電壓供給甚高頻振蕩器;另一組輸出對稱12V低壓經(jīng)全波整流,阻容濾波后,輸出+9V電壓作為調(diào)制器電源;再一組輸出6.3V交流電壓供給電子管燈絲．

4.2 電磁波的接收

處在電磁波傳播空間中的導(dǎo)體,會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流,導(dǎo)體中感應(yīng)電流的頻率與激起它的電磁波頻率相同,因此,利用放在電磁波傳播空間中的導(dǎo)體,就可以接收到電磁波．

(1) 接收器1.

接收電路產(chǎn)生電諧振的過程叫做調(diào)諧,能夠調(diào)諧的接收電路叫做調(diào)諧電路．接收器1電路圖原理如圖10所示,由電感L與可變電容C組成的諧振電路,調(diào)節(jié)可變電容器的電容來改變調(diào)諧電路的頻率,當(dāng)它的諧振頻率和振子天線上的接收到電磁波頻率相同時(shí),就產(chǎn)生較強(qiáng)的回路電流,使發(fā)光管發(fā)光．如果諧振電路的諧振頻率和振子天線上接收到電磁波的頻率不相同,則發(fā)光管不亮．電感L是印制板上的粗銅箔條組成．C可變電容靜片是印制板上的銅箔,動(dòng)片由1mm厚銅片做成．

圖10 調(diào)諧接收器電路圖

圖11 電表指示接收器電路圖

(2) 接收器2.

接收器2電路如圖11所示，振子天線接收到電磁波,經(jīng)二極管檢波成直流電,通過電表指示出來．

(3) 接收器3.

從接收到的高頻振蕩電流中“檢”出所攜帶的調(diào)制信號過程,叫做檢波．檢波是調(diào)制的逆過程,因此也叫解調(diào)．由于調(diào)制的方法不同,檢波的方法也不同．檢波之后的信號再經(jīng)過放大、重現(xiàn),我們就可以聽到或看到了．

接收器3為放大接收器,振子天線接收到的電磁波,經(jīng)檢波二極管檢波后,送到雙運(yùn)算放大器,一路信號經(jīng)運(yùn)算放大器直流放大后,供給發(fā)光二極管電平驅(qū)動(dòng)器,以驅(qū)動(dòng)4只發(fā)光二極管發(fā)光,發(fā)光二極管的發(fā)光個(gè)數(shù),用來指示接收到電磁波信號的強(qiáng)弱,信號弱時(shí),僅1～2只二極管發(fā)光,信號強(qiáng)時(shí),5只全部發(fā)光,另一路信號經(jīng)電容濾高頻后,由另一只運(yùn)算放大器組成交流放大,放大后的信號輸送到集成功率放大器進(jìn)行功率放大,推動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)聲,電路電源為直流9V,由電池盒中的9V電池供給．

5 結(jié)語

使用電磁波的發(fā)射與接收演示器輔助物理教學(xué),能在各方面展現(xiàn)出優(yōu)勢．

(1) 課堂教學(xué)效率高.

電磁波的發(fā)射與接收演示器采用聲、光、電表多種手段,讓學(xué)生看到能量通過電磁波傳播,在不同的接收器中得到接收,使得課堂教學(xué)重點(diǎn)突出,教學(xué)效率顯著提高．

(2) 提高學(xué)生的合作探究能力.

學(xué)生有更多的自主時(shí)間來研究電磁波的發(fā)射與接收演示器,學(xué)生可以對感興趣的接收器進(jìn)行獨(dú)立探索,有利于培養(yǎng)學(xué)生的合作與交流能力．

1 張立新.用收音機(jī)演示電磁波的發(fā)射與接收[J].湖南中學(xué)物理,2013(2):8，42.

2 施朝群.電磁波發(fā)射與接收的實(shí)驗(yàn)演示[J].中學(xué)物理,2012(17):21.

3 劉自考.用日常物品演示電磁波發(fā)射與接收及電磁屏蔽現(xiàn)象[J].物理教師,2010(6):21.

本文系2016年度寧夏研究生教育創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目(編號： YXW201604); 寧夏高等學(xué)?？茖W(xué)研究項(xiàng)目(編號： NGY2016054); 2016年度寧夏大學(xué)研究生創(chuàng)新項(xiàng)目(編號: GIP201663)研究成果之一.

2016-09-21)