利用低音炮和Audalyzer探究电感电容对交变电流的影响

李桂旺

(前黄高级中学，江苏 常州 213161)



利用低音炮和Audalyzer探究电感电容对交变电流的影响

李桂旺

(前黄高级中学，江苏 常州 213161)

摘要：“探究电感、电容对交变电流的影响”的实验现象相对抽象，难以理解. 利用低音炮和Audalyzer从不同的角度对电感、电容对交变电流的影响的几种情况进行了研究，现象明显、直观，容易理解.

关键词：交变电流；电感；电容；音频频谱分析；Audalyzer;低音炮

高中物理选修3-2中“探究电感、电容对交变电流的影响”[1]是一个教学难点，其中关于高频、低频信号通过电感或电容电路后的信息分析更是学习难点. 为了突破这个难点，通常借助于交流信号发生器、电流(压)表和小灯泡，通过电流的变化判断感抗或容抗的大小来分析不同电感或电容对交流电的影响，但关于电感、电容对混合信号的影响缺少直接感受. 另一方面，一般意义上的高频、低频信号都是电(磁)信号，理论上可以借助于多个信号发生器和示波器(或电流传感器)进行实验，但输出信号的频率呈现相对抽象而复杂.

为了得到直观的信号变化情况，可借助智能手机应用(APP)软件Audalyzer(声音频谱分析软件)来呈现声音的实时频谱图，从图像上得出声音频率及其变化情况.

1Audalyzer和低音炮输出信号分布

Audalyzer是一款安卓系统下的应用软件，主界面如图1所示，横坐标表示频率，纵坐标为信号强度. 可以检测到声音的频率范围0～4 kHz,图像是实验室内自然安静(相对)环境声音信号分布情况，不难看出，各种频率的成分相差不多.

图1　实验室内声音信号分布

2)在IOS(IPhone,IPAD等)系统下应用“音频发生器”(如图2所示)产生频率可自由调节的声音信号(可手动调节)，实验时将图2中左侧滑块向上拖动，频率由低到高调节，产生的声音越来越尖锐，观察Audalyzer图中检测信号变化情况. 逐渐增大频率，Audalyzer图像中尖端部分(即音频发生器产生的信号)逐渐向频率高的方向移动，如图3所示.

图2　音频发生器

图3　音频图像变化

2探究设计

实验器材：笔记本电脑(提供音频信号)、电键、多媒体音响(含低音炮)、多种规格电感线(学生用变压器的线圈，含铁芯)、多种规格电容(3 000 μF,470 μF,47 μF)、安卓系统手机、导线若干.

2.1电感与输出串联

如图4所示电路，将电感(线圈600匝)串联在信号输出电路中，为方便对比，利用电键短路的方式实现瞬间状态转换. 当电键闭合时，音箱输出的是原始信号(电脑播放信号)；当电键断开时，电感串联在电路中.

图4　串联电感电路

通过实验发现，当电键由闭合转为断开时，听到的声音明显变得低沉. Audalyzer图像如图5所示，图像中呈现的高频成分明显减少而低频成分几乎不变.

(a)串联电感前　　　　　(b)串联电感后图5　串联电感后的音频变化

利用这个实验可以说明电感串联时，电感起到通低频阻高频的作用.

2.2电容与输出并联

如图6所示，将电容(47 μF)与输出端并联，利用电键短路的方式实现瞬间状态转换. 当电键断开时，音箱输出的是原始信号(电脑播放信号)；当电键闭合时，电容与输出并联.

图6　并联电容电路

通过实验发现，当电键由断开到闭合时，音箱声音也是变得低沉(与原始信号相比). Audalyzer图像如图7所示，图像中呈现的高频成分明显减少而低频成分几乎不变.

(a)并联电容前　　　　　(b)并联电容后图7　并联电容后的音频变化

利用这个实验可以看出电容并联时，电容起到通高频阻低频的作用，因此可称之为旁路电容.

2.3电感与输出并联

在上述2个实验中虽然音箱输出的都得到了明显的低音信号，但有着本质的区别. 能否设计实验使音箱输出高频信号呢？笔者尝试了并联电感的设计，如图8所示.

图8　并联电感电路

实验过程与电容操作方式相同，在实验过程中，将电键由断开到闭合时，输出声音变得尖锐. Audalyzer图像如图9所示，低频成分略减少，高频成分几乎不变，从而听到更多的高频信号.

(a)并联电感前　　　　　(b)并联电感后图9　并联电感后音频变化

4结束语

利用低音炮和手机软件Audalyzer搭建实验，探究了电感电容接入电路后信号中高频和高频成分的变化. 该实验有助于物理教学过程的开展，提高了课堂效率，更重要的是实验激发了学生的学习兴趣和积极性，培养了学生的创新精神和实践能力，因此重视实验的创新改进，可以提升学生综合素养[3].

参考文献：

[1]人民教育出版社课程教材研究所物理课程教材研究开发中心. 普通高中课程标准实验教科书·物理(选修3-2)[M]. 北京：人民教育出版社,2010:37.

[2]欧剑雄. 智能手机在多普勒效应实验中的应用[J]. 物理实验,2015，35(11)：13-16.

[3]祁国良,曲胜艳,谭晓春,等. 物理演示实验改进之管见[J]. 物理实验,2015，35(7):19-22.

[4]潘永祥. 演示电感和电容对交变电流影响的装置[J]. 物理实验，2016，36(1)：40-42.

[5]孙伏优. “电感和电容对交变电流的影响”演示实验的改进[J]. 物理实验，2008，28(2)：21-22.

[责任编辑：尹冬梅]

Using the subwoofer and Audalyzer to explore the impact of inductance and capacitance on alternating current

LI Gui-wang

(Qianhuang Senior Middle School, Changzhou 213161, China)

Abstract:The experiment of the impact of inductance and capacitance on alternating current were relatively complex to understand. The method of using the subwoofer and Audalyzer to explore the impact of inductance and capacitance on alternating current was present in this paper. The experimental phenomena became more obvious, visualized and easy to understand.

Key words:alternating current; inductance; capacitance; audio spectrum analysis; Audalyzer; subwoofer

中图分类号：G633.7

文献标识码：A

文章编号：1005-4642(2016)06-0042-03

作者简介：李桂旺(1974-)，男，江苏常州人，江苏省前黄高级中学高级教师，学士，从事高中物理教学及物理奥赛辅导工作.

收稿日期：2016-02-19

资助项目：江苏省青年物理学家锦标赛(JSYPT)实验资助项目