用电子技术开发中学物理演示实验，本文主要内容关键词为：演示论文,技术开发论文,中学物理论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
一、引言
物理实验是中学物理不可缺少的重要组成部分，理论学习离不开实验，实验又促进了理论学习，有趣的中学物理实验是我们掌握物理知识的得力助手，是提高中学物理教学启发性、科学性、趣味性的手段。多年来，用演示实验带动课堂教学已形成我们的特色，自己动手开发研究物理特色演示实验，既可激发师生科学探索的精神，又为教学和研究创建了良好的平台。本文将电子电路应用到中学物理实验方面，用变色发光二极管及少量的几个电子元件可以设计一个简单的电信号显示电路，演示中学物理电学方面许多电现象的实验，例如，发电机原理的演示、电磁感应现象的演示、交直流信号的演示、振动波合成的演示、变压器原理的演示等等，由于是用变色发光二极管的颜色及亮暗来判断电信号的有无、大小及方向，实验电路简单巧妙、性能好功能多、实验效果直观明了、生动活泼、操作简便、安全可靠。这样既节省了实验器材，又对中学物理实验的改进起到很大促进作用，下面就用变色二极管电路开发物理演示实验方面的内容作一探讨，供中学物理教师参考借鉴。
二、双向变色二极管
1.变色发光二极管的性能
能发出几种不同颜色光的发光管称为变色发光二极管。由于这种管子能变换发光颜色，因此可用于机械转换系统的“顺”“倒”，或者电子开关电路中的“通”“断”，以及仪器设备、铁路和系统中作“是”“非”，交直流信号的“正”“负”，“有”“无”，“大”“小”等直观显示。
2.变色发光二极管的特点[1]
国产变色发光二极管的典型产品有BT362057RG（红－绿－橙）等型号，BT表示为磷化镓，6表示复合式，2表示无色散射，0表示圆形，后面的数字为产品的序号。末尾的字母表示发光的颜色：R为红色，G为绿色，O为橙色。图1为“红－绿－橙”型变色发光二极管电路符号图。其电路符号已直观表明了它的内部结构。这种管子内部的两只LED通常为共阴极接法，即两只管子的负极短接后作为公共阴极C引出。R是红LED的正极，G是绿LED的正极。单独驱动红LED时，管子发红光；单独驱动绿LED时，管子发绿光；若同时驱动两只LED，则管子就发出复合光——橙光。还有一种两个管脚的变色发光二极管，它的电路符号如图2，从它的结构符号可以看出，这种发光二极管是两个方向都能导通的变色发光二极管，电流从左端流入显示红色，电流从右端流入显示绿色，如果是交流输入，显示橙色。[2]
三、中学物理演示实验电路的设计[3]
1.元器件的选择
四、演示电路工作原理及安装
1.演示电路的工作原理[4]
当从直流输入端口
输入直流电流时，原直流电路中输出的直流信号在通过
变色发光二极管时可以看到其发出红光，由发光二极管的颜色可判断出直流电的正负极是
负，由发光二极管的亮暗可判断出直流电的强弱，如果正负方向反接
负，则变色发光二极管的颜色发出绿光。当通入比较小的交流信号时，从交流输入端口
端接入信号，原交流电路中的输出的交流信号经
组成的倍压整流电路后，经过开关S的上节点，加在
变色发光二极管电路上发出红光，信号强，亮度高；信号弱，亮度低。如果是音乐信号，变色发光二极管的亮度也会随着音乐信号的强弱而闪闪发光，S的位置不同，电流流入的节点不同，变色发光二极管的发光颜色也不同。如果是强一点的电磁振荡信号，也可以直接接在
两端，这时会看到发出的是橙光，说明两个方向都在导通，输入的是交流信号。
图3
2.实验演示电路的安装
选择一个形状合适的白色木板，将实验电路图的整个模板按照合适的比例安装在模板上，用红色胶纸描绘出来，使整个电路图都粘在木板上，然后在需要安装元件的位置上钻出大小合适的孔，以便电路图中的元件在木板的后方伸出，然后将各个元件用连接线焊接固定。检查所作的电路图和安装的电路都相符时，再用另一块薄板将电路镶好，可以让整个电路元件处于两块板中间，对电路起到保护的作用，上面只能看到发光二极管的发光部分及描绘出的电路图和输入信号连接点。
五、演示电路的应用举例[5，6]
本文设计了8个中学物理演示实验内容，分别为：(1)发电机工作原理，(2)电磁感应现象，(3)交流电信号的演示，(4)电容充放电过程演示，(5)二极管的单向导电性，(6)电平显示电路演示，(7)变压器原理，(8)振动波合成。以下是每个实验演示原理及方法。
1.交流发电机工作原理的演示
如图4所示，将交流发电机的模型的两个输出端
分别接在显示电路输入端
端，让发电机的转子从中性面处开始旋转，刚开始的时候先缓慢的摇动发电机的转子，双向变色二极管显示的电流的大小和方向变化一个周期，逐步地加快速度，观察发光二极管的发光情况，可以看到摇得越快，发光二极管的交替显示也越快，且亮度也较大，但是当加速到一定程度时我们几乎分辨不出其电流方向的变化，这也正是我们看不到交流电通过灯泡时灯光闪烁的道理。
图4
2.电磁感应现象的演示
如图5所示，用1个匝数一定的线圈，线圈的两端分别接到输入端的，手拿一个条形磁铁插入线圈中，相应的发光二极管会立即显示说明有感应电流产生，当在插入和拔出条形磁铁时，会观察到发光二极管的发光显示颜色不同，说明插入和拔出产生的电流方向不同，从上述的现象中我们可以直观地看到楞次定律所描述的现象。
发光。从上述的实验可以得出结论，二极管具有单向导电性。
6.电平显示电路的演示
如图9，让录音机进行放音，选择测试电路的交流输入端，从录音机的线路输出端口或者耳机插口取出信号加在测试电路交流输入
端，通过观察发光二极管的亮暗程度的闪烁变化，可以显示出输出信号的电平高低的变化。
图9
7.变压器原理的演示
如图10，在变压器的一次线组接入1000 Hz的音频信号或者收音机、录音机、MP3等输出的音频信号，那么在二次线组就会感应出交流信号，我们将感应出的电压信号连接到测试电路的交流输入端进行显示。通过此实验帮助学生理解变压器的感应原理。
两个振动波合成演示电路如图11所示，将电路输出端
连接在测试电路的输入端，在振动演示电路输入端输入1000 Hz的音频信号，幅度为3V，当闭合电路中的话筒开关时，输入信号从扬声器传入话筒，话筒再将信号送入同一电路和原输入信号进行叠加，因为输入信号和原输入信号的频率相同，所以在输出端有原信号近似两倍的信号幅度，此时显示电路发光二极管的亮度会明显增加，如果关掉话筒开关S，显示电路二极管的亮度又明显减弱。通过此演示实验可以让学生理解两个振动波合成的效果，达到了验证振动波合成理论的目的。
六、结束语
通过以上实验的举例，使我们得到了启发，该电路只是对中学物理电学方面的部分实验内容的演示，如果我们开动脑筋，继续研究还可以将中学物理力、热、光、电方面的许多实验通过传感器件加到该演示电路，演示力、热、光、电方面的大部分实验，还可以对暗箱电路中的元件进行测试、判断。它的优点是：电路简单，器件少，安装方便、安全可靠、演示效果明显、生动活泼，既可激发学生的学习兴趣，还可节省大量的较笨重的仪器及器材，又完成了中学物理实验的内容，大大提高及改进了中学物理实验教学的水平。