動(dòng)圈式揚(yáng)聲器演示儀的設(shè)計(jì)、制作、改進(jìn)與拓展

甘力丹 陳雨晴 謝倩如 滕閣 潘星志 牟曉宇 羅海軍

摘 ? 要：基于動(dòng)圈式揚(yáng)聲器的工作原理，分析了線圈版、平面版和紙盆版動(dòng)圈式揚(yáng)聲器的原理、設(shè)計(jì)改進(jìn)和拓展應(yīng)用。這些揚(yáng)聲器取材方便、設(shè)計(jì)巧妙，其實(shí)驗(yàn)演示現(xiàn)象生動(dòng)有趣，可以有效展示電磁聲的相互作用。教師可以將其開發(fā)成科普項(xiàng)目、演示實(shí)驗(yàn)、拓展課程、STEAM課程和項(xiàng)目化學(xué)習(xí)等內(nèi)容。這與新課標(biāo)強(qiáng)調(diào)“從生活走向物理，從物理走向社會(huì)”，強(qiáng)調(diào)教學(xué)要注重科學(xué)探究、倡導(dǎo)教學(xué)方式多樣化等理念高度契合。

關(guān)鍵詞：揚(yáng)聲器；跨學(xué)科教學(xué)；課程標(biāo)準(zhǔn)；核心素養(yǎng)

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ?文章編號：1003-6148（2023）7-0053-3

揚(yáng)聲器是電磁作用的應(yīng)用典范，是中學(xué)物理和科學(xué)課程重要的教學(xué)內(nèi)容?！读x務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》明確提出：通過實(shí)驗(yàn)，了解通電導(dǎo)線在磁場中會(huì)受到力的作用，了解動(dòng)圈式揚(yáng)聲器的結(jié)構(gòu)和原理［１］。但是，當(dāng)前已有教材對揚(yáng)聲器的分析以描述介紹為主，缺乏設(shè)計(jì)制作和探究實(shí)踐要素。當(dāng)前，部分研究者［２－８］介紹了一些揚(yáng)聲器的制作方法，也有將其制作與創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)［９］、ＳＴＥＭ教學(xué)［１０］相結(jié)合，取得了較好的效果。不過師生在制作、模仿這些揚(yáng)聲器時(shí)，經(jīng)常會(huì)遇到制作難度大、音量小、破音大、噪聲強(qiáng)等問題，難以真正展現(xiàn)自制揚(yáng)聲器演示儀的獨(dú)特魅力。

本研究利用漆包線、釹磁鐵、功放等常見器材，設(shè)計(jì)了多種類型的動(dòng)圈式揚(yáng)聲器演示儀。這些演示儀取材方便、設(shè)計(jì)巧妙、演示現(xiàn)象明顯、趣味性強(qiáng)。而且教師基于該系列演示儀的設(shè)計(jì)、制作和改進(jìn)過程，可以有效開展基于項(xiàng)目和真實(shí)問題解決的學(xué)科與跨學(xué)科實(shí)踐的教學(xué)，這對培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)、促進(jìn)師生創(chuàng)新實(shí)踐能力的發(fā)展等具有多重積極意義。

１ ? ?讓檔案袋唱歌——平面版動(dòng)圈式揚(yáng)聲器的設(shè)計(jì)制作和改進(jìn)拓展

制作過程： 取一張尺寸約２０ ｃｍ × ３０ ｃｍ的紙片（Ａ４打印紙、檔案袋、硬紙殼均可），在紙面上均勻貼上雙面膠，再將直徑為０．３0 mm ～ ０．５０ ｍｍ的漆包線從紙板中心開始一圈一圈地貼在雙面膠上，繞３０圈左右，然后再貼上一層透明膠帶以固定線圈，最后將漆包線兩端的絕緣漆刮干凈作為引出端。

使用方法：將一塊直徑為３０ mm～５０ ｍｍ的釹磁鐵放置此線圈正中下方位置，音源輸出端（最好是功放）接上漆包線引出端。開啟功放播放音樂，則此紙片發(fā)出悅耳的音樂。平面版動(dòng)圈式揚(yáng)聲器的裝置和使用方法如圖１所示。

原理分析：此自制揚(yáng)聲器演示儀最精妙的地方在于紙片能精準(zhǔn)發(fā)出和原音頻一致的聲音。當(dāng)接通音頻信號后，揚(yáng)聲器線圈有音頻電流通過，磁鐵對線圈將產(chǎn)生力的作用，此力將帶動(dòng)與其相粘的平面振動(dòng)而發(fā)聲。

此自制揚(yáng)聲器演示儀能精準(zhǔn)還原發(fā)音的奧妙在于：假設(shè)線圈中輸入的音頻信號波形是Ｉ＝Ａ0ｃｏｓ（ωｔ＋Φ），單位長度的線圈在磁場中所受的安培力是Ｆ＝ＢＬＡ0ｃｏｓ（ωｔ＋Φ），則聲音振蕩信號波形是Ｖ＝Ｃｃｏｓ（ωｔ＋Φ）?？梢?，在音頻信號、電流信號、安培力、揚(yáng)聲器振動(dòng)膜振蕩信號的一系列轉(zhuǎn)換過程中，頻率和相位均不發(fā)生變化，這樣聲音最終被精準(zhǔn)還原。

優(yōu)點(diǎn)分析：該揚(yáng)聲器可視化強(qiáng)、成本低、音質(zhì)清晰，無破音、雜音。線圈形狀可多樣化，振動(dòng)膜來源廣泛，非常有利于師生在課堂內(nèi)外開展相關(guān)的活動(dòng)。同時(shí)，此線圈制作需要極強(qiáng)的耐心，是培養(yǎng)學(xué)生探究實(shí)踐和工匠精神的極佳活動(dòng)載體。

改進(jìn)拓展：由于平面版動(dòng)圈式揚(yáng)聲器的線圈長度較長，分布發(fā)散，存在電阻大、音量較小和制作耗時(shí)、費(fèi)力且難度較大等不足。基于此，改進(jìn)方法之一是使用直徑略大的漆包線，并將圓形線圈中央部分盡量密集粘貼，形成中間密外部疏的布局，如圖２Ａ所示。筆者在此基礎(chǔ)上還嘗試了不同風(fēng)格的環(huán)繞方式，其結(jié)構(gòu)分別如圖２Ｂ—圖２Ｅ所示，實(shí)驗(yàn)效果均相當(dāng)震撼。此外，可以將線圈隱藏于諸如檔案袋、紙盒等物品內(nèi)，從而使其成為一件有效的科學(xué)魔法教具。

２ ? ?讓桌子唱歌——線圈版動(dòng)圈式揚(yáng)聲器的設(shè)計(jì)與制作

制作過程：用直徑約為０．３ ｍｍ的漆包線繞圓形釹磁鐵３０匝左右，然后用末端將這些線圈環(huán)繞扎緊固定，再刮掉線圈兩引出端的絕緣漆。使用時(shí)，用熱熔膠或鋁膠帶等將線圈固定木質(zhì)桌子面板中間，強(qiáng)磁鐵放到線圈上，音源（功放）連接線圈兩端，開啟音樂播放，則整個(gè)桌面將播放響亮的歌聲。線圈結(jié)構(gòu)和使用方法如圖３所示。

優(yōu)點(diǎn)分析：此線圈版動(dòng)圈式揚(yáng)聲器由于所有通電導(dǎo)線均處于磁鐵最強(qiáng)磁場分布區(qū)域中，又緊密粘貼在中空的木桌上，具有音量大、音質(zhì)好、制作便捷等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象讓人嘆為觀止，簡直比魔術(shù)還神奇，筆者多次在科普活動(dòng)中利用此器材進(jìn)行互動(dòng)，反響非常好。

拓展應(yīng)用：此類揚(yáng)聲器使用靈活，不僅可以固定在桌面上，也可以固定在木質(zhì)酒桶盒、厚紙板、黑板、玻璃、石塊、樹葉等諸多振動(dòng)膜上，實(shí)現(xiàn)“萬物皆可歌”的實(shí)驗(yàn)境界，具有很好的拓展功能和科普功能。圖４是不同振動(dòng)膜（墻壁、酒桶、紙筒）的線圈版動(dòng)圈式揚(yáng)聲器的實(shí)物圖，這些揚(yáng)聲器播放時(shí)均具有音質(zhì)佳、音量大等優(yōu)點(diǎn)。

３ ? ?讓紙喇叭唱歌——紙盆式動(dòng)圈式揚(yáng)聲器的設(shè)計(jì)與制作

制作過程：首先用卡紙裁剪出一個(gè)底面直徑為４１ ｍｍ（即比磁鐵直徑略大一點(diǎn)）、高５０ ｍｍ左右的圓柱體紙筒，用直徑為０．３ ｍｍ的漆包線在紙筒頂端密集繞制單層３０匝左右（注意線圈之間不要重疊），并用膠水將漆包線與紙筒粘貼牢固，將漆包線兩端絕緣漆刮掉作為引出端。再用卡紙剪出內(nèi)徑為４０ ｍｍ、外徑為１５０ ｍｍ的錐形紙盆，將紙盆與圓柱體卡紙用熱熔膠相連。使用時(shí)，將釹磁鐵放入紙筒內(nèi)部，引出端接上音頻信號，開啟功放，調(diào)節(jié)紙筒與磁鐵的高度，則此揚(yáng)聲器將播放出音量極大、音質(zhì)極佳的音樂。此紙盆版動(dòng)圈式揚(yáng)聲器的結(jié)構(gòu)、操作實(shí)物圖和示意圖如圖５所示。

優(yōu)點(diǎn)分析：此改進(jìn)版的揚(yáng)聲器最接近于目前實(shí)際使用的揚(yáng)聲器的結(jié)構(gòu)和造型，具有音量大、低高音音質(zhì)俱佳等優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)音量較大時(shí)，紙盆還可以隨音樂節(jié)奏產(chǎn)生同頻振動(dòng)，可以明顯看到紙盆的振動(dòng)情況。

制作關(guān)鍵：揚(yáng)聲器底部紙筒與強(qiáng)磁鐵的間隙不易過緊，也不易過松，過緊導(dǎo)致摩擦力較大、音質(zhì)不佳且音量小，過松則受力較小，同樣導(dǎo)致音量過小。

拓展分析：相比于前面的演示儀，此紙盆版動(dòng)圈式揚(yáng)聲器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡略巧妙，具有媲美于工業(yè)生產(chǎn)的揚(yáng)聲器的音質(zhì)音效，是一種融趣味性、科學(xué)性、創(chuàng)造性于一體的探究實(shí)踐教具。此揚(yáng)聲器演示儀最大程度還原了其工業(yè)外形，能更加真實(shí)地說明揚(yáng)聲器工藝如何精益求精，可以有效提升學(xué)生學(xué)習(xí)物理的激情，增強(qiáng)物理與生活、技術(shù)的聯(lián)系。此外，教師可以將其開發(fā)成如ＳＴＥＡＭ課程、項(xiàng)目化學(xué)習(xí)、校本課程等多種形式的教學(xué)資源。對培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度和責(zé)任等核心素養(yǎng)具有積極的作用。

４ ? ?讓紙杯擴(kuò)音——揚(yáng)聲器巧變話筒

揚(yáng)聲器的工作原理簡單，卻具有豐富的拓展應(yīng)用，將揚(yáng)聲器逆用，就能得到一個(gè)簡易的話筒。如圖６所示，將線圈版揚(yáng)聲器或紙盆版揚(yáng)聲器的線圈靠近強(qiáng)磁鐵，線圈引出端接入功放話筒輸入端，音響再接入功放輸出，大聲對線圈說話，此時(shí)可以從音響中聽到我們的說話聲音。其奧秘在于對線圈喊話時(shí)，聲音振動(dòng)帶動(dòng)線圈振動(dòng)，產(chǎn)生感應(yīng)的音頻電流，功放和音響將音頻電流放大再還原為聲音。

5 結(jié) ?語

本研究利用漆包線、釹磁鐵、紙片、功放等器材，設(shè)計(jì)和改進(jìn)了平面版、線圈版和紙盆版的揚(yáng)聲器演示儀；分析了這些自制揚(yáng)聲器演示儀的原理、制作和改進(jìn)方法。這些揚(yáng)聲器演示儀具有演示效果明顯、器材選購方便、趣味性、拓展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。在制作過程中，可以很好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，拓展學(xué)生的科學(xué)思維，培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐、解決問題的能力。因此，基于此系列揚(yáng)聲器演示儀的設(shè)計(jì)過程和制作理念，可以開展諸如ＳＴＥAＭ、項(xiàng)目化學(xué)習(xí)、校本課程、跨學(xué)科教學(xué)等豐富多彩的教學(xué)活動(dòng)，在教學(xué)教研、科普科創(chuàng)和提升學(xué)生核心素養(yǎng)等方面具有重要意義和價(jià)值。

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（欄目編輯 ? ?劉 ? 榮）