張友華

把直流電變?yōu)榻涣麟姷膫鹘y(tǒng)做法是使用所謂“逆變電路”（例如計算機的UPS電源即采用了此種電路）。逆變電路結構復雜，制作技術難度大，成本高，一般條件下難以做到。這就導致直流變交流實驗因為沒有相應的實驗器材和實驗設計而成為一個難于實現的實驗。為滿足實際教學的需要，填補實驗教具的空白，我確定了制作“諧振式直交流電轉換系統(tǒng)”創(chuàng)新教具的基本思路。該教具利用加入電位器、閃光器、單擺（可利用機械擺鐘）、發(fā)光二極管、峰鳴器、電壓表、開關等簡易器件，成功地使直流電轉變?yōu)榻涣麟?，再利用示波器對直流和交流電波形進行直觀顯示，課堂演示實驗時效果非常明顯。

“諧振式直交流電轉換系統(tǒng)”教具結構與形態(tài)

“諧振式直交流電轉換系統(tǒng)”創(chuàng)新教具的基本結構是利用5mm的黑色亞克力板材制成帶底座的豎直平面盒狀框架結構，豎直平面盒的正面印制電路，將一些必要的元件鑲嵌于盒的正面，盒內布置其電路和其他一些電路元件。盒的背面覆蓋透明亞克力板，以便能清晰地觀察電路的實際布置。

“諧振式直交流電轉換系統(tǒng)”創(chuàng)新教具的材料主要有：電位器、閃光器、變壓器、單擺、發(fā)光二極管、蜂鳴器、電壓表、開關、導線等。使用時利用示波器進行配合實驗。

“諧振式直交流電轉換系統(tǒng)”創(chuàng)新教具按層次分為3個研究模塊：“基于電位器方式的研究”“基于閃光器方式的研究”和“基于單擺方式的研究”（圖1）。

“諧振式直交流電轉換系統(tǒng)”教具的原理與方法

“基于電位器方式的研究”的原理與方法

圖2所示為“基于電位器方式的研究”的電路原理圖。P為一常用的三腳電位器（相當于一個中間有抽頭的滑動變阻器），V為±15V的電壓表。通過使電位器旋鈕順時針或逆時針做周期性運動可以觀察到電壓表的示數也呈現周期性變化，此時可通過示波器用直流電演示交流電的波形。

實驗時先將電位器的旋鈕置于電壓零點位置，閉合開關KIK2，電壓表的指針不動，表示電路間的電壓為零。電位器的旋鈕往復轉動時，電壓表的指針也隨之左右擺動，說明此時電路間輸出強弱和方向都周期性變化的交流電，并且它的頻率隨電位器旋鈕旋轉的快慢而變化。

完成上述實驗后再用示波器觀察上述交流電的波形。

在圖2中，為什么電位器的旋鈕往復轉動時電路間的電壓就是強弱和方向都隨時間變化的交流電壓呢？由于電位器的旋鈕O點等電勢，旋鈕順時針轉動時，電位器O點左邊各點的電勢就高于O點的電勢，而變阻器中O點右邊各點的電勢就低于O點的電勢，且此電勢差隨著距O點的距離增大而增大，旋鈕逆時針轉動時道理一樣。這樣電位器的旋鈕左右往復轉動時電路間就輸出了交流電。

“基于閃光器方式的研究”的原理與方法

圖3為“基于閃光器方式的研究”的電路原理圖。S是閃光器，B是變壓器，V為±15V的電壓表。閃光器具有自動接通電路、自動斷開電路的功能。閃光器只有2個接線端子，使用時要串聯接入電路。閉合電鍵，在S的控制下，電路不停地閉合、斷開，這時就會看到發(fā)光二極管LED1和LED2不停地交替閃爍，這是由于流過變壓器初級線圈的電流時通時斷，穿過初級線圈的磁通量就會相應發(fā)生變化，變壓器另一次級線圈的磁通量也隨之發(fā)生變化，次級線圈中就會產生感應電動勢。若當S接通時流過的感應電流方向為從上到下，當S斷開時流過電路的電流就是從下到上，于是電壓表指針就會不停地左右擺動，也就是說我們得到了交流電。由于S的通、斷是按照一定的頻率有規(guī)律地切換，我們就可以觀察到電壓表的示數也呈現周期性變化，這時接入示波器，我們就可以在示波器上觀察到一個完美的正弦波形。

“基于單擺方式的研究”的原理與方法。

實驗時先將單擺靜止置于平衡位置，閉合各開關，電壓表的指針不動，表示電路中的電壓為零。單擺往復擺動，電壓表的指針左右擺動，說明此時電路輸出強弱和方向周期性變化的交流電，并且它的變化規(guī)律完全與簡諧運動的變化規(guī)律等同。完成上述實驗后再用示波器觀察上述交流電的波形，我們會得到一個完美的正弦波形，這是一個奇妙的現象，我們可以借此來研究單擺簡諧運動時的圖像。上述實驗的原理與“基于電位器的方式的研究”同理。實際實驗時我們可用機械鐘擺進行實驗以得到穩(wěn)定而又持續(xù)的交流電。

“諧振式直交流電轉換系統(tǒng)”教具創(chuàng)新點

“諧振式直交流電轉換系統(tǒng)”電路設計獨特，能通過示波器將直流電交流電的波形直觀形象地呈現出來，在“基于單擺方式的研究”的模塊實驗中將單擺的簡諧運動和直交流電的轉換巧妙而有邏輯地結合起來，通過示波器呈現的交流電具有完美的正弦波形，巧妙而有邏輯性地反證出單擺在作簡諧運動時的運動規(guī)律。

該項目獲得第29屆全國青少年科技創(chuàng)新大賽科技輔導員創(chuàng)新成果物理教學類一等獎。

專家評語

該項目利用生活中的簡單器材，采用獨特的電路設計，將低壓直流電轉換為交流電并直觀呈現出來。項目原理科學，概念清晰，構思巧妙，設計合理，作品教育性強。項目選題新穎，具有實質性創(chuàng)新。作品效果顯著，制作規(guī)范，具有示范推廣價值。希望在教學應用方面作出改進和提升。