簡(jiǎn)介

電容充放電與自感現(xiàn)象是普通高中物理中的教學(xué)重點(diǎn)，也都是教學(xué)難點(diǎn)，這幾部分內(nèi)容學(xué)習(xí)時(shí)，學(xué)生感覺(jué)比較抽象，難以理解，單純應(yīng)用傳統(tǒng)的演示教具因電容充放電和自感現(xiàn)象過(guò)程都很短暫，一閃即逝，學(xué)生不易觀察，往往也收不到好的教學(xué)效果。本項(xiàng)目自制演示儀，通過(guò)基于聲卡的數(shù)據(jù)采集卡與計(jì)算機(jī)連接成為虛擬示波器，利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的處理功能，使電容充放電曲線、電感特性曲線及電磁振蕩曲線借助大屏幕呈現(xiàn)給學(xué)生，現(xiàn)象明顯、直觀。演示儀利用常見(jiàn)音頻處理軟件CoolEditPRO的錄制、回放功能，可以讓學(xué)生對(duì)整個(gè)過(guò)程慢慢地分析，從而加深對(duì)有關(guān)知識(shí)的理解。

設(shè)計(jì)方案的選擇

改善實(shí)驗(yàn)演示效果，有下面幾種方法。

利用發(fā)光二極管制作大型演示板，采用數(shù)字電路或單片機(jī)使二極管順序發(fā)光，模擬電容充放電曲線和電感特性曲線。這個(gè)辦法雖能使學(xué)生觀察到曲線形狀，但因曲線是預(yù)先設(shè)定好的，不能真實(shí)地反映電容、電感變化曲線形狀，可信度不高。

采用應(yīng)用專業(yè)數(shù)據(jù)采集器的數(shù)字化信息系統(tǒng)。此方案成本太高，難以實(shí)現(xiàn)。

將聲卡改制成可采集直流、交流信號(hào)的數(shù)據(jù)采集器，配合自制演示板，借助常見(jiàn)的音頻處理軟件CoolEditPRO，利用計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)處理功能可將真實(shí)的電容、電感變化曲線通過(guò)大屏幕顯示出來(lái)。這個(gè)方法制作簡(jiǎn)單，成本低廉，切實(shí)可行。本項(xiàng)目即采用這種方法。

研制過(guò)程

軟件的選擇

多數(shù)音頻處理軟件具有波形顯示功能，橫縱坐標(biāo)可以精確地顯示時(shí)間、強(qiáng)度等，也可以進(jìn)行信號(hào)的錄制、重播，而這類軟件可以十分方便地從網(wǎng)絡(luò)下載。音頻處理軟件很多，經(jīng)過(guò)比較，我決定選用Cool EditPRO作為波形處理軟件。由于此軟件具備波形發(fā)生和處理的強(qiáng)大能力，使其可以顯示、產(chǎn)生和編輯任意波形，能使波形分析和數(shù)據(jù)處理變得十分容易，因此作為虛擬儀器軟件很合適。

開(kāi)始錄制信號(hào)時(shí)，信號(hào)波形能同時(shí)在軟件的波形窗口顯示出來(lái)，見(jiàn)圖1。

如果想要更細(xì)致地觀察波的形狀，可以把波形進(jìn)行水平放大即縮小時(shí)間軸的間隔，這樣就可以清晰顯示出較高頻率信號(hào)的形狀，通過(guò)波的形狀也就知道了采集的電信號(hào)的變化過(guò)程。

硬件的制作

聲卡改造是制作的關(guān)鍵。本項(xiàng)目涉及直流信號(hào)，如電容充滿電后，電容兩端的電壓就是一個(gè)直流量，但一般聲卡都是交流設(shè)備，不能正確地輸出和輸入直流信號(hào)，所以用一般聲卡采集數(shù)據(jù)不能正確顯示充電曲線，必須對(duì)聲卡進(jìn)行改造。

PCI聲卡改制。對(duì)此類聲卡的改造主要是對(duì)線路輸入電路的改造。改造后電路如圖2。

將TL431和需要的阻容元件直接搭焊在聲卡上，TL431的5V輸入端接聲卡上的78L05的輸出端，將線路輸入的地端斷開(kāi)，通過(guò)RP接到TL431的輸出腳，這樣一個(gè)廉價(jià)的可采集直流電信號(hào)的數(shù)據(jù)采集卡就完成了。將電腦前面板不常用的話筒輸入口改為采集卡的線路輸入口，改裝時(shí)注意將話筒插座的接地與機(jī)箱接地?cái)嚅_(kāi)，使用時(shí)將連接線插入這個(gè)插孔，就可采集信號(hào)了。用改造后的聲卡試著采集一段電容充放電曲線，其信號(hào)波形與理論上的充放電曲線基本一致，說(shuō)明改造取得成功。

USB聲卡改造。市場(chǎng)上常見(jiàn)的USB聲卡信號(hào)輸入只有話筒輸入，因此重點(diǎn)是改造話筒輸入部分電路。

加裝信號(hào)調(diào)節(jié)電路。

因一般聲卡的信號(hào)輸入電壓不能太大，超過(guò)2V就容易損壞聲卡，為保證聲卡的安全使用，必須加裝信號(hào)調(diào)節(jié)電路。

硬件部分完成后如圖3。

演示儀功能

實(shí)際教學(xué)中根據(jù)教學(xué)條件的不同，演示儀既可以單獨(dú)使用，又可以與數(shù)據(jù)采集卡、計(jì)算機(jī)配套，組成虛擬示波器演示電容、電感特性曲線，使學(xué)生能夠更加深入地理解這部分知識(shí)。在有臺(tái)式機(jī)的條件下用PCI聲卡改制的采集卡，沒(méi)有臺(tái)式機(jī)的地方則用USB聲卡改制的采集卡。

演示儀具備如下功能：

演示電容器的隔直流作用。

演示電容器儲(chǔ)存電荷的本領(lǐng)。

演示自感現(xiàn)象。以上3功能單獨(dú)用演示儀就可以實(shí)現(xiàn)。

探究電容器的充放電規(guī)律并與電阻兩端電壓曲線對(duì)比。

探究電容充放電電路中，當(dāng)電阻阻值或電容器的電容發(fā)生變化時(shí)，充放電曲線的變化。實(shí)現(xiàn)以上2功能要用演示儀與數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)配套使用實(shí)現(xiàn)。

演示儀的優(yōu)點(diǎn)

制作完成后，經(jīng)本人和多位物理教師使用，均反映此演示儀演示的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象清楚、直觀，可以很好地幫助學(xué)生理解電容、電感及電磁振蕩的相關(guān)知識(shí)。而且改造的采集卡配不同的傳感器還可完成力學(xué)、聲學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)的多個(gè)實(shí)驗(yàn)。

該項(xiàng)目獲得第27屆全國(guó)青少年科技創(chuàng)新大賽科技輔導(dǎo)員創(chuàng)新成果物理教學(xué)類一等獎(jiǎng)。

專家評(píng)語(yǔ)

該項(xiàng)目的主要內(nèi)容是利用數(shù)據(jù)采集和計(jì)算機(jī)演示的先進(jìn)技術(shù)，展示了電容、電感的特性。該項(xiàng)目原理科學(xué)，概念清晰，構(gòu)思巧妙，設(shè)計(jì)合理，作品教育性強(qiáng)。項(xiàng)目選題新穎，具有實(shí)質(zhì)性創(chuàng)新，對(duì)傳統(tǒng)方法有突破。作品效果顯著，制作規(guī)范，具有示范推廣價(jià)值。