STEM教育理念下动圈式扬声器原理教学及制作

何忠燕

(张家港市崇真中学 江苏 苏州 215600)

学生已经学完了磁场，对安培力知识点已经有了比较深入的理解，但安培力在生活中有哪些应用呢？大部分学生实际上并不是很了解.物理是一门实验科学，是在生活中有重大应用的学科，学物理应该是生动形象，充满探究乐趣的.基于此，有必要让学生通过动手探究安培力的一个重要应用——扬声器，来增强其科学素养.

1 项目STEM目标体现

科学目标： 理解动圈式扬声器的工作原理和内部结构、辐向磁场，了解音频电流的特点.

技术目标： 了解漆包线、会绕扬声器音圈(线圈)、会制作简易扬声器、会测试扬声器.

工程目标： 能利用漆包线、木地板、圆柱形磁铁、金属螺杆、3D打印塑料圈、饮料瓶，组装搭建一个能播放动听音乐的扬声器.

数学目标： 扬声器原理中安培力计算、制作扬声器时绕制线圈的匝数，自制扬声器的功率估算、频率特性等.

2 原理探究

引入课题：用扬声器(俗称“喇叭”)播放音乐，向学生说明这是动圈式扬声器并提出以下两个悬念：(1)“动圈式”是什么意思？(2)扬声器应用了什么物理知识？(这两个问题暂时不回答，学生在接下来的探究中，自然会理解)

探究1：扬声器为什么会发出声音？

用电唱机播放音乐，引出问题，让学生讨论.在学生回答是因为振动引起声音后，引导学生用实验来验证扬声器的纸盆在振动(用手摸感受振动或放上乒乓球可以看到它在跳动).

探究2：扬声器为什么会振动？

引导学生发现扬声器上有磁铁，联想到内部有磁场；引导学生发现扬声器通过导线连接了电唱机，猜想到必须有电流才能工作.

学生： 是因为磁场对电流施加力，是我们学过的安培力.

教师： 受到安培力就会发生振动，那为什么我们在上物理课“安培力”知识点时，课上做的演示实验，金属杆只能摆动到某一位置，却不能发生振动并发出声音？

学生：……

教师演示实验：用传感器观察通过喇叭的音频电流的波形.实验装置及检测的波形如图1所示.

图1 实验装置与检测波形

实验现象： 音频电流的大小和方向都发生周期性变化.

教师小结：原来是磁场对周期性变化的音频电流产生了周期性变化的安培力，从而让喇叭发生了振动.

探究3：扬声器的内部结构是怎样的？

学生分组，拆解扬声器，拆卸后如图2所示，再让学生观察剖面图如图3所示.观察讨论，理解辐向磁场的特点及扬声器的工作原理.

图2 拆卸后的扬声器

图3 扬声器结构剖面图

探究4：扬声器内部的磁场有什么特点？对线圈产生的安培力大小如何计算？方向如何？

设匝数为N，电流为I,线圈半径为r,线圈处磁感应强度为B，如图4所示，判断线圈的受力方向和大小.

图4 辐向磁场

利用微元法，把导线分割成无数小段，每一段都能看成直导线，分别受力为BIL1，BIL2，BIL3，……,方向均为垂直纸面向外，因此，圆形导线受到的安培力为各段受力之和，大小为BI×2πr，N匝线圈受力大小为NBI×2πr，方向垂直纸面向外.

若电流反向呢？安培力方向变为垂直纸面向内.因此，通以交变电流时，线圈受到了周期性变化的安培力，因而振动起来.

探究5：动态观看扬声器播放音乐时的工作过程.

此处采用自制的可拆卸扬声器，其磁铁与线圈的距离可以调节，这样就可以边听音乐边调节磁铁与线圈的距离了，如图5所示.把可拆卸扬声器和电唱机的输出连接，播放音乐，让学生注意观察磁铁远离和靠近线圈的过程中声音的变化.

图5 自制的可拆卸扬声器

学生会发现：磁铁远离线圈时音量减小，靠近时音量增大.

3 方案设计

为确保学生能在课堂完成，对学生自制扬声器进行了简化设计，但也需要确保能正常播放音乐.此处主要进行了5点创新.

(1)教师自制简易音频信号源，便于各小组能测试他们的作品，如图6所示.

该信号源直接利用电池盒改装，在电池盒内部固定了一片音乐集成电路和一个开关，按下开关，就能输出音频信号，从而让学生自制的扬声器发出音乐.该信号源共需制作12个，确保每个小组都能有一个.

图6 自制简易音频发生器原理及实物图

该音乐集成电路的型号是9300，工作电路非常简单，只要外接一个9014三极管，就能带动常见的小型扬声器.实际制作中9014三极管直接焊接在集成电路基板上就可以了，供电采用2节5号电池.为了让该音频发生器使用更简单，笔者把音乐集成电路和开关，都直接用热熔胶固定在电池盒内，学生只要按下开关，就能输出音频电流.

(2)采用圆柱形强磁铁，确保学生作品有足够的灵敏度播放音乐.

(3)采用透明可乐瓶做振动体，确保核心部件清晰可见.

(4)采用可调节金属螺杆，不仅能把磁铁直接吸附上去，还能旋转螺杆来微调磁铁与线圈的距离，从而便于学生动态观察扬声器工作过程.

(5)采用3D打印的塑料圈作为骨架，便于学生快速绕制线圈.

4 学生实践

学生分成4人一组，每组下发一个整理箱，里面有制作需要的所有材料.在教师引导下，每组学生需要通过分工合作，自制一个能播放音乐的简易透明扬声器，并能播放音乐测试.学生具体制作步骤如下.

(1)安装可调节距离的磁铁部件，把螺杆穿过支架上的孔，磁铁吸在螺杆上.

(2)一人把缠绕的漆包线解开，其他同学负责把漆包线拉直，长度大约3 m.漆包线是外表面裹了一层绝缘油漆的铜导线，常用来绕制线圈.线圈的两端需要把绝缘漆处理掉才能接入电路.本课用的漆包线两端已经刮掉了2 cm左右的绝缘漆并上了一层焊锡.

(3)把漆包线一端先穿过塑料圈上的小孔，注意穿出长度15 cm，然后再开始顺时针绕制线圈，把3 m长的漆包线全部绕完，最后留下15 cm左右从另一个小孔穿出，如图7所示.

图7 3D打印的塑料圈,用来绕制线圈并能方便固定在可乐瓶上

(4)线圈绕好后把塑料螺母旋下来，接下来要把线圈固定在饮料瓶上，饮料瓶就是振动单元，类似于扬声器上的纸盆.

(5)把线圈上的塑料螺杆，穿过饮料瓶侧面的小孔，再把塑料螺母从瓶内部旋紧在塑料螺杆上，这样，线圈就紧紧固定在饮料瓶上了.

(6)把底座上的螺丝取下，吸附在螺丝刀上，再把螺丝从瓶内部穿过可乐瓶盖上的小孔.

(7)把可乐瓶固定在底座上，转动可乐瓶，确保线圈对准磁铁.

(8)把漆包线两端的导电部分，压入两个金属圆片间，这样，线圈就和输入插头相连了.

大功告成：做好后的扬声器以及调节磁铁的位置如图8所示.

图8 调节磁铁的位置

(9) 学生测试自制扬声器.

把音频发生器和自制扬声器连接，打开音频发生器开关，调节磁铁与线圈的距离，如图9所示.结果学生会惊奇地发现，他们亲手制作的全透明扬声器，也可以播放动听的音乐.

讨论：可以发现，同学们自制的扬声器，播放音乐的音质还是可以的，但音量较小.如何增大音量呢？

答：换更强大的磁铁，增加线圈的匝数，用功率更大的功率放大器带动……

图9 自制扬声器的连接

再让学生触摸可乐瓶和线圈，可以发现它们都在轻微振动.至此，学生们就可以理解“动圈式扬声器”中 “动圈”两个字的含义了.

教师进一步演示： 用功率更大的电唱机带动学生自制扬声器，让学生发现自制的简易扬声器，是可以播放动听音乐的，不仅好玩，还很实用，让他们体会实践成功的喜悦.

5 课后探究

(1)为什么需要把扬声器放在木盒内做成音箱？

实验演示“扬声器裸露播放音乐”和 “把扬声器背部放入纸盒内播放音乐”的差别，现象很明显(组成音箱后低频显著增强)，带给学生听觉上的震撼.激发学生的求知欲.

提示：这涉及到声波的干涉.

(2)为什么把扬声器反过来也可以作为话筒使用？为什么对扬声器说话，扬声器会产生电流？

提示：其中的电磁感应原理，我们很快就会学习到.

(3)安培力在生活中还有一个重要应用——电动机.学生们课后可以拆解废旧收录机、玩具车等里面的小电动机，去研究电动机的结构和工作原理.