电磁波的发射与接收实验现象及原理分析

2017-03-30冯楠王林

物理教师 2017年3期

关键词：检波电源开关振子

冯楠王林

(宁夏大学物理电气信息学院，宁夏银川 750021)

电磁波的发射与接收实验现象及原理分析

冯楠王林

(宁夏大学物理电气信息学院，宁夏银川 750021)

人教版普通高中课程标准实验教科书“电磁波的发射与接收”一节,介绍了“电磁波的发射和接收”过程．教材在“做一做”栏目里还介绍了“制作简易无线话筒”的实验．做好“电磁波”实验,有利于学生对电磁波的理解,有助于学生对物理理论知识和实践知识的双重掌握,清楚地认识到物理对如今科学技术甚至经济、文化发展的深远影响．因此,本文以电磁波的发射与接收实验现象及原理分析为研究课题,系统地进行阐述和研究．

电磁波；电磁波发射；接收器

在信息技术高速发展的今天,电磁波对我们来说越来越重要,不仅在日常生活中应用越来越普及,而且在航海、航空、航天中的自动控制和通信系统都有广泛应用．学生通过之前的学习已经理解了电磁波的产生,但是,电磁波如何传递信息?电磁波如何发射和接收?学生仍然存在疑问．本实验采用声光、电表等手段,演示电磁波的发射和接收,使演示实验的现象直观性更强、更形象生动、可见度大,使学生身临其境,更好地理解、掌握所学的内容,以消除对无线电通讯的神秘感,从而达到更好的教学效果．

1 实验器材

(1) 甚高频振荡器.

甚高频振荡器外形如图1所示,由振子天线、振荡板、控制调制器箱和电子管等组成．

(2) 接收器1.

接收器1是调谐接收器,如图2所示,由振子天线、调谐电路板、超高亮发光管组成．

图1 甚高频振荡器

图2 调谐接收器

(3) 接收器2.

接收器2是电表指示接收器,如图3所示,由振子天线、指示电表、检波板组成．

(4) 接收器3.

接收器3是放大接收器,如图4所示,由发光二极管、振子天线、放大接收器、检波板组成．

图3 电表指示接收器

图4 放大接收器

2 实验过程

2.1 安装仪器

(1) 将两个电子管分别插入甚高频振荡板上的管座内,然后将振荡板插入控制调制器箱组合插座中．

(2) 检查接收器2的检波板是否取下,以免在开机后收到大量的电磁波经检波后形成大电流损坏指针表．

(3) 打开接收器3的电池盒盖,装入一节9V电池．将电位器逆时针转到底,电源开关关闭．

2.2 电磁波的发射

将对称振子发射天线每边长度调到30cm,装到甚高频振荡器上．打开电源开关,指示灯发出红光,同时可以看到振荡板上两只电子管灯丝发红．预热3到5min,甚高频振荡器就向空间发射电磁波．开机后,如果选择开关置在“1kHz”、“断续”、“音乐”档位,扬声器开关打开时,仪器内喇叭便发出相应的声音，甚高频振荡器就向空间发出相应调幅的电磁波．

2.3 电磁波的接收

(1) 接收器1接收．

如图5所示，先装上反射板,然后将接收器移送到距离甚高频振荡器前约50cm处,接收板天线平行于发射天线,慢慢调节可调电容器旋钮,观察实验现象;关闭甚高频振荡器电源开关,观察小灯泡是否发光,再次打开电源开关,观察小灯泡是否发光;将接收器移近或远离振荡器,观察小灯泡亮度变化情况．

图5 接收器1接收信号

(2) 接收器2接收．

如图6所示，将检波板装在插孔上，振子天线每边长度调到30cm．将接收器置于距离甚高频振荡器前2m处,保持接收天线与发射天线平行,观察指针所指示数;关闭甚高频振荡器电源开关,观察指针所指示数,再次打开电源开关,观察指针所指示数;将接收器移近或远离振荡器,观察指针所指示数．

图6 接收器2接收信号

图7 接收器3接收信号

(3) 接收器3接收.

如图7所示，将检波板装在插孔上，振子天线每边长度调到30cm．手持接收器,置于距离甚高频振荡器前2m处,保持接收天线与发射天线平行．打开电源开关,并慢慢顺时针调节,观察发光二极管的发光情况;关闭甚高频振荡器电源开关,观察发光二极管的发光情况;再次打开电源开关,观察发光二极管的发光情况;将接收器移近或远离振荡器,观察发光二极管的发光情况．

3 实验现象

3.1 接收器1接收

(1) 将接收器移送到距离甚高频振荡器前约50cm处,慢慢调节可调电容器旋钮,可以看到两只发光二极管被点亮．小灯泡是完全靠接收到的电磁波的能量点亮的,表明电磁波能量较强．

(2) 如果关闭甚高频振荡器电源开关,接收器接收不到电磁波,小灯泡立即熄灭．打开电源开关,小灯泡又点亮．

(3) 将接收器移近振荡器,小灯泡更亮,将接收器远离,小灯泡变暗,最后熄灭,表示此处电磁波强度已减弱到不能点亮小灯泡．

3.2 接收器2接收

(1) 将接收器置于距离甚高频振荡器前2m处,电表指示约为80μA．电表指示的电流是接收到的电磁波检波后形成的．

(2) 如果关闭甚高频振荡器电源开关,不再发射电磁波,接收器收不到电磁波,电表指示即消失．打开振荡器电源开关,待片刻后电表指示即恢复．

(3) 将接收器移近振荡器,电表指示增大,表示接收到电磁波增强；将接收器远离振荡器,电表指示减小,表示接收到的电磁波减弱；当接收器离得很远时,电表无指示，表示甚高频振荡器发射的电磁波,传播到此处已经弱到接收不到．这说明电磁波在传播中,强度随着传播距离增加而减弱．

3.3 接收器3接收

(1) 手持接收器,置于距离甚高频振荡器前2m处,打开电源开关,并慢慢顺时针调节,刚好使5只发光二极管都发光,表示接收器已接受到电磁波,驱动发光二极管发光．

(2) 如果关闭甚高频振荡器电源开关,不再发射电磁波,接收器收不到电磁波,发光二极管就熄灭．打开振荡器电源开关,待片刻后发光二极管即发光．

(3) 将接收器远离甚高频振荡器,发光二极管一只接着一只熄灭．如果顺时针转动电位器,提高接收器的灵敏度,5只发光二极管又会全部发光．如果控制调制器上的选择开关置在“1kHz”、“断续”、“音乐”档位时,接收器3内喇叭便发出相应的声音．

4 实验现象的物理原理

4.1 电磁波的发射

要有效地向外发射电磁波,振荡电路必须具有两个特点:第一，要有足够高的振荡频率,振荡电路向外辐射能量的本领,即单位时间内辐射出去的能量,与频率的四次方成正比,频率越高,发射电磁波的本领越大．第二，振荡电路的电场和磁场,必须分散到尽可能大的空间,才能有效地把电磁场的能量传播出去．

如图8所示,把振荡电路中的电容器两极板拉开,变成两条长的直导线,一条伸入空中成为天线,另一条接入地下成为地线,就可以有效地向外辐射电磁能量,这种电路叫做开放电路．天线和地线形成了一个敞开的电容器,电磁波就是由这样的开放电路发射出去的．电视发射塔要建得很高,是为了使电磁波发射得较远．实际发射无线电波的装置中还需在开放电路旁加一个振荡器电路与之耦合,如图9所示，振荡器电路产生的高频率振荡电流通过L2与L1的互感作用,使L1也产生同频率的振荡电流,振荡电流在开放电路中激发出无线电波,向四周发射．

图8 由闭合电路变为开放电路

图9 开放电路示意图

甚高频采用推挽电路,由两只双三级电子管组成,每臂由两只三极管相并联推挽电路比单管电路可获得更高的振荡频率,并能抵消部分多次谐波的作用．振荡回路的电感由印刷板上的粗铜箔条组成,电子管的极间电容为振荡回路电容,为防止高频干扰,分别装有8只高频扼流圈．3只电阻为栅漏电阻．调制信号加到其中一电阻与地之间．电子管阳极电压为+200V,通过控制调制器箱上的插头座相连．

电源部分由电源变压器、高压整流电路及低压整流电路组成．变压器输入220V电压,输出240V对称高压,经全波整流、阻容滤波后,输出直流200V电压供给甚高频振荡器;另一组输出对称12V低压经全波整流,阻容滤波后,输出+9V电压作为调制器电源;再一组输出6.3V交流电压供给电子管灯丝．

4.2 电磁波的接收

处在电磁波传播空间中的导体,会产生感应电流,导体中感应电流的频率与激起它的电磁波频率相同,因此,利用放在电磁波传播空间中的导体,就可以接收到电磁波．

(1) 接收器1.

接收电路产生电谐振的过程叫做调谐,能够调谐的接收电路叫做调谐电路．接收器1电路图原理如图10所示,由电感L与可变电容C组成的谐振电路,调节可变电容器的电容来改变调谐电路的频率,当它的谐振频率和振子天线上的接收到电磁波频率相同时,就产生较强的回路电流,使发光管发光．如果谐振电路的谐振频率和振子天线上接收到电磁波的频率不相同,则发光管不亮．电感L是印制板上的粗铜箔条组成．C可变电容静片是印制板上的铜箔,动片由1mm厚铜片做成．

图10 调谐接收器电路图

图11 电表指示接收器电路图

(2) 接收器2.

接收器2电路如图11所示，振子天线接收到电磁波,经二极管检波成直流电,通过电表指示出来．

(3) 接收器3.

从接收到的高频振荡电流中“检”出所携带的调制信号过程,叫做检波．检波是调制的逆过程,因此也叫解调．由于调制的方法不同,检波的方法也不同．检波之后的信号再经过放大、重现,我们就可以听到或看到了．

接收器3为放大接收器,振子天线接收到的电磁波,经检波二极管检波后,送到双运算放大器,一路信号经运算放大器直流放大后,供给发光二极管电平驱动器,以驱动4只发光二极管发光,发光二极管的发光个数,用来指示接收到电磁波信号的强弱,信号弱时,仅1～2只二极管发光,信号强时,5只全部发光,另一路信号经电容滤高频后,由另一只运算放大器组成交流放大,放大后的信号输送到集成功率放大器进行功率放大,推动扬声器发声,电路电源为直流9V,由电池盒中的9V电池供给．