制作简易无线话筒理解电磁波发射过程

王震　徐洋　闫诚实

人教版普通物理课程标准实验教科书《物理 选修3-4》中第十四章第三节介绍了有关电磁波发射和接收的知识.物理教师在讲授该节内容时，主要结合电路图进行讲解，让学生理解电磁波发射和接收过程.教学中涉及到调制、调频、振荡频率等物理概念都是抽象程度较高的知识，学生在生活中又缺少感性的认识，教师对概念的直接讲授会显得生硬和枯燥，学生理解困难.为此，我们制作了“简易无线话筒演示实验”演示电磁波的发射，通过真实的实验让学生感受电磁波的发射过程，理解相关物理概念，同时利用该演示实验引出电磁波接收内容的学习.

1 制作简易无线话筒

1.1 实验原理图

无线话筒的制作来源于本节课物理教材内容上的“做一做”栏目.“做一做”中提供了无线话筒的电路图（图1）.电路图中的18PF半可变电容、CRZ-2型驻极体话筒，目前已经不再使用.我们将电容器调整为5 PF～25 PF的高频瓷介质可变电容、话筒使用的是额定电压为1.5 V的驻极体话筒.

1.2 需要的材料

绝缘薄木板一块（40 cm×50 cm）、一号干电池一节（E，1.5 V）、单刀单掷开关一个（S）、PNP型高频三极管9018一个（VT）、驻极体话筒一个（BM，额定电压1.5V）、高频瓷介质可变电容一个（C1，5PF-25PF）、瓷片电容一个（C2，4.7PF）、1/8 W金属膜电阻一个（R，1.8 kΩ）、自制线圈（L）、直径为1 mm的漆包线40 cm、导线若干.

1.3 原理分析

高频振荡电路由三极管VT、电容器C1和线圈L组成.L与C1构成LC谐振回路，具有选频作用.高频振荡电路对音频信号进行频率调制后，经电容器C2耦合，由发射天线向周围空间发射出去.

音频电路由驻极体话筒BM组成，电源E给话筒供电.BM能将声音信号转换成电信号，其内部的场效应管把音频信号进行放大，声音信号的变化会引起场效应管漏极电流产生相应的变化，从而得到随之变化的电压信号，当其加到三极管的发射极时，发射极电流发生变化，振荡频率就随着音频信号变化，从而达到调频的目的.

选择长约30 cm、直径为1 mm的铜质漆包线作为发射天线.有一些实验选择软导线作为发射天线，软导线在使用过程中容易晃动，导致工作频率发生偏移、不稳定现象.铜质漆包线很好地解决了频偏问题，发射功率也略有增加，但是方向性会更强些.

2 制作方法

2.1 整个电路采用导线连接的方式

制作的电路板是把导线直接固定在薄木板上，教师演示时学生能够清晰地看到同实验原理图相对应的实物电路板（图2）.这样的电路板要比经过转印、腐蚀等工序的现代制版工艺制成的电路板更加直观、清晰，学生容易理解.

2.2 自制线圈L

装置中的线圈L是用直径为1 mm的漆包线在圆铅笔上绕4匝制成.自制的线圈能更好地明确自感系数L的值，控制振荡的中心频率.铅笔的使用也让学生有新鲜感和亲切感.

2.3 元器件引脚长度须符合规范要求

由于无线话筒工作频率较高，电路结构应尽量紧凑，元器件引脚长度须符合规范要求.驻极体话筒用两根10 mm左右的元器件引脚从正、负接点引出，并在薄木板上固定，以方便送话.天线接在整个薄木板的边缘，向外面伸出.

3 电磁波的发射

无线话筒电路采用的是频率调制的工作方式，为了验证实验电路是否有电磁波发出，采用调频收音机接收，也就是电磁波接收部分（图3）.实验前，首先计算出LC振荡电路的中心频率范围.振荡频率f=12πLC，其中自制电感线圈的自感系数L=kμN2Sl，k为线圈几何形状参数，经查表k=0.52；μ为磁导率，其数值为4π×10-7；N为线圈匝数；S为线圈面积；l=Nd为线圈长度，d为漆包线直径，经测量计算得L=2.1×10-13 H.电容器C1的取值范围是5 PF～20 PF，计算得出振荡的中心频率范围69 MHz～156M Hz之间.

实验时，闭合开关，教师对着话筒播放音乐，话筒两端的音频电压发生变化，变化的电压加到三极管的发射极时，使得发射极的电流发生变化，引起振荡频率的改变，从而给出调频的含义.通过与调频对比，引伸出另外一种调制的方式——调幅，并介绍调幅概念.对着话筒播放音乐，经过调制之后的电磁波就会通过天线发射出去，打开调频收音机来接收电磁波信号，调频收音机的调谐旋钮要在69 MHz～156 MHz范围之间调节，直至听到清晰的音乐为止.

4 实验装置的优缺点

简易无线话筒装置容易起振、灵敏度较高，在实际课堂教学中已经较好地达到了演示的效果.但是从科技角度考虑该电路的发射功率较小，有效距离很难超过10米，发射频率不太稳定，略有声音失真的现象.为此，可以在电路中增加一个三极管和电阻组成的功率放大电路，采用电压负反馈的方式，这样功率放大电路的工作点较为稳定并且信号不容易失真.但是经过改进之后的电路复杂、抽象，学生不容易理解.

简易无线话筒制作方法简单，实验演示效果明显，教师把抽象的物理过程用实物展示在学生面前，学生能亲身感受到电磁波的发射过程以及调频收音机能接收到电磁波信号，更有效地加强了学生对物理知识的学习与理解.