專利名稱：數(shù)字化電磁振蕩演示儀的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種高中物理電學數(shù)字化演示儀器，具體地說，涉及一種電磁振蕩數(shù)字演示儀。
背景技術：
電磁振蕩是高中物理電磁場章節(jié)中的重點，電磁振蕩實驗卻一直是教學中的難 點，傳統(tǒng)實驗使用指針式電流表觀察LC電路產(chǎn)生的振蕩電流，它的缺點是電流表指針擺動 幅度小、擺動次數(shù)少，不易觀察，而且對實驗元件要求很高，需要使用高電壓、大電容、大電 感，就是在上述條件下，實驗仍幾乎無法演示，因而實際的課堂教學中，一般都采用老師講 解原理及公式的含義、通過習題來彌補缺乏實驗的教學方式，學生很難對其有直觀的了解。在信息化社會的背景下，傳統(tǒng)的實驗模式已經(jīng)不能滿足學生的學習需要了。現(xiàn)代 化測量技術引入中學物理實驗教學，不僅可以改善實驗效果，也提升了實驗的科學技術含 量。因此傳感器和數(shù)字處理系統(tǒng)被引入到高中物理教學之中。它為中學物理教學的改革增 加了一種新的手段，為培養(yǎng)學生的物理創(chuàng)造性思維能力起到了重要的作用，具體的來講，它 可以使抽象的問題形象化，從而使學生完整、清晰、形象地感知物理過程。但由于數(shù)據(jù)采集器價值昂貴，許多學校都沒有購買配置，即使擁有，數(shù)量也很少， 因此使數(shù)據(jù)采集器真正應用于物理課堂教學和學生實驗，受到了極大的限制。無論在過去還是當今的新課標中，都同樣提倡教師合理地開發(fā)利用身邊的各種器 材和可用資源來改善實驗條件，豐富課程資源。

實用新型內(nèi)容本實用新型需要解決的技術問題就在于克服電流表擺動幅度小、擺動次數(shù)少、實 驗幾乎無法演示的缺陷，提供一種數(shù)字化電磁振蕩演示儀，它通過聲卡采集電路中的電流 和電壓信號，并將其轉化為數(shù)字信號，通過數(shù)據(jù)采集處理軟件顯示描述出來。本實用新型所 述數(shù)字化電磁振蕩演示儀實驗條件要求低，取材方便，價格低廉，實驗效果直觀明顯，操作 簡單，并可進行量化分析。為解決上述問題，本實用新型采用如下技術方案本實用新型一種數(shù)字化電磁振蕩演示儀，所述演示儀包括電磁振蕩實驗板，所述 電磁振蕩實驗板通過數(shù)據(jù)線和數(shù)據(jù)采集器連接，所述數(shù)據(jù)采集器通過數(shù)據(jù)連接線和電腦主 機連接，所述電腦主機中安裝有數(shù)據(jù)采集處理軟件。所述數(shù)據(jù)采集器為由聲卡改造的數(shù)據(jù)采集器。所述聲卡為雙聲道聲卡，16位分辨率、44. IkHz數(shù)據(jù)采集率。本實用新型利用聲卡制作數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，是利用了聲卡的數(shù)模轉換功能，將物理 信號轉變?yōu)閿?shù)字信號輸出。聲卡是一種音頻范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)采集卡，通常的聲卡都具有16位 分辨率，44. IKHz采樣率的性能，完全可以滿足各種物理實驗的要求，其通用性是市面上一 般的數(shù)據(jù)采集器無法比擬的，而且聲卡是計算機的一個普通外設，已經(jīng)有成熟的底層支持，因此開發(fā)起來成本低，兼容性好。本實用新型通過聲卡采集電路中的電流和電壓信號，并將其轉化為數(shù)字信號，通 過安裝于電腦主機中的數(shù)據(jù)采集處理軟件顯示描述出來。本實用新型所述數(shù)字化電磁振蕩演示儀實驗條件要求低，取材方便，價格低廉，實 驗效果直觀明顯，操作簡單，并可進行量化分析。

圖1為本實用新型結構框圖。圖2為本實用新型改造聲卡來實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集器的功能的基本電路原理圖。圖3為本實用新型實施例2所述的實驗電路原理圖。圖4為本實用新型實施例2中470 Q電阻與3. 5單聲道音頻插頭的連接電路原理 圖。圖5為本實用新型實施例2中振蕩電路外接電路板電路原理圖。
具體實施方式
實施例1數(shù)字化電磁振蕩演示儀如圖1所示，本實用新型一種數(shù)字化電磁振蕩演示儀，所述演示儀包括電磁振蕩 實驗板，所述電磁振蕩實驗板通過數(shù)據(jù)線和數(shù)據(jù)采集器連接，所述數(shù)據(jù)采集器通過數(shù)據(jù)連 接線和電腦主機連接，所述電腦主機中安裝有數(shù)據(jù)采集處理軟件。所述數(shù)據(jù)采集器為由聲卡改造的數(shù)據(jù)采集器。改造聲卡來實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集器的功能通過為聲卡提供前端調整電路實現(xiàn)采集器輸 入范圍的擴展和異常輸入的保護功能，基本電路如圖2，本采集器選用雙聲道聲卡，可實現(xiàn) 雙通道數(shù)據(jù)采集器的功能，采集器基本性能為16位分辨率、44. 1kHz數(shù)據(jù)采集率。本實用新型所述數(shù)據(jù)采集處理軟件采用數(shù)字存儲示波器軟件，在VC6.0平臺上編 寫數(shù)字存儲示波器軟件，該軟件可分別設置觸發(fā)功能、輸入范圍和顯示時間單位，可觀察某 單一通道或雙通道振蕩波形及其李莎育圖形，通過軟件的mark功能可精確測量振蕩周期， 可實現(xiàn)對USB聲卡的調整控制、數(shù)據(jù)的采集、顯示、分析、存儲等功能。實施例2數(shù)字化電磁 振蕩演示儀應用實例——探究電磁振蕩實驗中電感、電容、電阻對振蕩周期的影響(一)、搭建實驗電路按照圖3所示，搭建實驗電路，其中L為8W電感鎮(zhèn)流器，從鎮(zhèn)流器中點抽頭。將電 話機變壓器的三個繞組進行串聯(lián)，接出引線，其中1只變壓器鐵芯抽出待用，作為外接用電 感器。將470 Q電阻與3. 5單聲道音頻插頭按圖4進行連接。按照圖5制作振蕩電路外接電路板。( 二)、探究電磁振蕩實驗中電感、電容、電阻對振蕩周期的影響1.連接把實驗電路、改造后的聲卡數(shù)據(jù)采集器以及計算機用相應的數(shù)據(jù)線連接起來。2.啟動程序并進行設置啟動自制數(shù)字存儲示波器軟件，設置通道[0033]通道1 設定為“電流”，幅度可選10mA，時間根據(jù)所選電感電容確定。通道2 設定為“電壓”，幅度可選0. 5V。3.演示、觀察阻尼振蕩的電流和電壓變化規(guī)律(LC振蕩電路電流變化規(guī)律)。圖3中，K1接至a點，給電容充電，選中捕獲功能，K1接至b點，形成LC振蕩電路， 捕獲振蕩波形?？梢灾庇^的顯示出振蕩電路中電壓和電流兩路信號的振蕩波形及其相位關 系。利用mark功能可以測量出振蕩周期。4.探究電感、電容、電阻對振蕩周期的影響。第一組實驗電容不變，改變電感圖3中，通過K3可選擇內(nèi)部電感或外接電感。當選擇外接電感時，可由J4接入外 接電感。2個改造好的電話機變壓器可作為外接電感使用，改變電話機變壓器的抽頭位置或 者通過改變鐵芯的插入與否、鐵芯的氣隙大小均可改變其電感量大小。(本實驗主要側重鐵 芯變化對LC振蕩電路的影響。)通道1的時間刻度設為2. 5ms,電容C = 0. 1 y F。(1)空心線圈(可利用軟件的mark功能，測量振蕩的周期，大約0. 373ms)；(2)插入E字型鐵芯；(3)加入一字型鐵芯，構成日字型。還可通過改變鐵芯氣隙，從而改變電感的大小。本組實驗是該項目的重點，它在通常情況下即便使用數(shù)字實驗室也是觀察不到實 驗現(xiàn)象的，而且本組實驗也開闊了學生思維，培養(yǎng)學生的發(fā)散思維和創(chuàng)新精神。第二組實驗電感不變，改變電容圖3中，通過K2可選擇內(nèi)部電容或外接電容。當選擇內(nèi)部電容時，通過S1可改變 電容值，范圍為0. 056uF-47uF共11檔；選擇外接電容時，由J3接入外接電容。第三組實驗電容、電感不變，改變電阻選取適當?shù)碾娙?、電感，通過J1加上470歐姆可調電阻，形成RLC振蕩電路。時間 定為Is直接測量出下列波形，然后逐一放大觀看，可以直觀比較(1)電阻為0時的阻尼振蕩，波形振蕩多個周期。(2)電阻變大波形衰減變快。(3)電阻調到最大幾乎無法產(chǎn)生振蕩。教學中可根據(jù)需要采取不同的電容電感組和方式，從而獲得理想的實驗效果。通 過軟件的測量功能可以定量測量振蕩周期與電容、電感的關系。第四組實驗演示無阻尼振蕩圖3中，通過J2接入振蕩電路外接電路板，時間選為0.1s，接通接電路板電源后看 到起振過程，和信號逐漸穩(wěn)定的情況，當切斷電源時，可觀察到阻尼振蕩的振蕩波形。使用 李沙育圖形x_y模式觀測效果更好。本實用新型所述數(shù)字化電磁振蕩演示儀在電磁振蕩實驗中的優(yōu)勢1.傳統(tǒng)的電磁振蕩實驗是用指針式電流表觀察LC電路產(chǎn)生的振蕩電流，擺動幅 度小、次數(shù)少，不易觀察；用普通示波器可以看到真實的現(xiàn)象，但是不能保存分析。本項目解 決了上述問題，用改進的usb聲卡實時采集LC振蕩電路的電壓、電流信號，可由曲線測量出 振蕩的周期和頻率，觀察電壓、電流的相位關系；還可通過改變電路元件的參數(shù)，觀察電感 和電容對LC振蕩電路的影響。在演示實驗過程中觀察到的現(xiàn)象直觀，一改原來本章節(jié)只能 使用理論講解，習題鞏固的缺憾，學生可以直觀的看到實驗現(xiàn)象，消化了難點，收到事半功
5倍的效果。2.降低了對實驗元件的要求。傳統(tǒng)的電磁振蕩實驗需要高電壓、大電容、大電感才 有可能觀察到實驗現(xiàn)象。通過本系統(tǒng)可以得到很明顯的實驗現(xiàn)象，降低了對實驗元件的要 求。3.該項目成本低，安裝方便。將百元左右的聲卡進行改造，使其能夠采集低頻率乃 至直流信號，通過自編軟件實時采集實驗數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)了低成本高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的 功能，大大降低了實驗成本。而且該項目既適用于教師演示實驗又適合學生開展自主探究 實驗。4.實現(xiàn)了定量研究。此系統(tǒng)不僅適用于定性研究，也適用于定量研究。把真實采 集到的數(shù)據(jù)，以圖線的形式呈現(xiàn)在學生面前，能使抽象的物理過程直觀化和圖形化，通過軟 件的mark功能，方便準確地測出周期的數(shù)值。5.該實驗項目可擴展性好，只要改變前端實驗板即可應用于電容充放電、電磁感 應等其它電學實驗，而且稍作改進還可用于單擺周期、速度加速度等其他實驗的測定。總之，該實驗項目突破了傳統(tǒng)實驗手段的限制，大幅度地改進傳統(tǒng)手段做不出、做 不好的實驗，變不可見到可見，由抓不住到抓得住，由不好做的變?yōu)楹米龅摹Ｗ詈髴f明的是顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明本實用新型所作的舉例， 而并非對實施方式的限定。對于所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可 以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而由此 所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處于本實用新型的保護范圍之中。
權利要求一種數(shù)字化電磁振蕩演示儀，其特征在于所述演示儀包括電磁振蕩實驗板，所述電磁振蕩實驗板通過數(shù)據(jù)線和數(shù)據(jù)采集器連接，所述數(shù)據(jù)采集器通過數(shù)據(jù)連接線和電腦主機連接，所述電腦主機中安裝有數(shù)據(jù)采集處理軟件。
2.如權利要求1所述的數(shù)字化電磁振蕩演示儀，其特征在于所述數(shù)據(jù)采集器為由聲 卡改造的數(shù)據(jù)采集器。
3.如權利要求2所述的數(shù)字化電磁振蕩演示儀，其特征在于所述聲卡為雙聲道聲卡， 16位分辨率、44. 1kHz數(shù)據(jù)采集率。
專利摘要本實用新型公開了一種數(shù)字化電磁振蕩演示儀，所述演示儀包括電磁振蕩實驗板，所述電磁振蕩實驗板通過數(shù)據(jù)線和數(shù)據(jù)采集器連接，所述數(shù)據(jù)采集器通過數(shù)據(jù)連接線和電腦主機連接，所述電腦主機中安裝有數(shù)據(jù)采集處理軟件。它通過聲卡采集電路中的電流和電壓信號，并將其轉化為數(shù)字信號，通過數(shù)據(jù)采集處理軟件顯示描述出來。本實用新型所述數(shù)字化電磁振蕩演示儀實驗條件要求低，取材方便，價格低廉，實驗效果直觀明顯，操作簡單，并可進行量化分析。
文檔編號G09B23/18GK201616207SQ20102010940
公開日2010年10月27日 申請日期2010年2月8日 優(yōu)先權日2010年2月8日
發(fā)明者左艷紅, 李建雄, 王寶英 申請人:邢臺市第一中學