傳感器四級聯(lián)動趣味實驗

姜 靜 嚴 群

(青島大學物理科學學院,山東 青島 266071)

傳感器四級聯(lián)動趣味實驗

姜 靜 嚴 群

(青島大學物理科學學院,山東 青島 266071)

自制傳感器四級聯(lián)動趣味實驗,激發(fā)學習興趣,促進物理概念的建構,培養(yǎng)創(chuàng)新能力,滲透STS教育.

自制教具； 傳感器； 干簧管

1 傳感器四級聯(lián)動實驗教具的自制

1.1 實驗器材

圖1

干簧管、溫控開關、光控開關、聲控開關各1個,聲控傳感器模塊、繼電器模塊各1個、總電壓3 V的彩色小燈珠幾只串聯(lián)掛在小圣誕樹上(或用1個3 V小燈泡代替)、裝有3 V小燈泡的彩色小燈籠一個(或用1個3 V小燈泡代替),玩具中的電動音樂發(fā)音器1個(或以蜂鳴器代替),1.5 V干電池10節(jié),15 Ω電阻1只,0～20 Ω可調電阻2個,電動機1個(1～6 V,0.35～0.4 A)、自制彩色小風車1個、條形磁鐵1個、開關兩個、40 cm×30 cm的木板一塊、導線若干、螺絲釘若干.

1.2 實驗裝置圖

圖1為實物圖,圖2為示意圖.

1.3 實驗原理

圖2中的熱敏電阻、光敏電阻及聲敏電阻實際上分別是溫控開關、光控開關及聲控開關,在“傳感器及其工作原理”一節(jié)中,為了突出主要矛盾、便于學生學習傳感器的概念和工作原理,圖中只畫出和標出其核心元件:熱敏電阻、光敏電阻及聲敏電阻.溫控開關、光控開關及聲控開關都由工作電路和負載構成.雖然可以使用同一個電源接線,但電路會顯得凌亂,所以選擇給他們分別供電,其電源和開關安裝在圖1木板的背面.

將條形磁鐵遠離干簧管,閉合開關,電路不通,所有的元件均不工作.將條形磁鐵靠近干簧管,在磁場的作用下,干簧管將回路abcj接通,小圣誕樹上彩色燈珠發(fā)光,電阻R發(fā)熱.

圖2中的熱敏電阻實際上由5 V熱敏電阻傳感器模塊加繼電器模塊構成一個整體,熱敏電阻感應溫度的強度,自帶繼電器直接控制負載.在熱敏電阻傳感器模塊中還有一個電位器,用于調節(jié)閾值(決定溫度靈敏度).整體參數:供電電壓5 VDC,電流大于150 mA,負載250 V、10 A或30 V、10 A,直流.整體作用是自動控制溫度,低于設定溫度啟動或者高于設定溫度啟動,選擇在輸出端接常開時高于設定溫度啟動,接常閉時低于設定溫度啟動.為防止電流過大,溫控開關串聯(lián)一個0～20 Ω可調電阻.繼電器和負載單獨供電的電壓4.5 V,負載電壓9 V,并采用高于設定溫度啟動,即選擇輸出端接常開.熱敏電阻隨環(huán)境溫度改變電阻,當溫度高于設定值時,電磁繼電器通電,常開開關閉合,裝有3 V小燈泡的小燈籠發(fā)光;當溫度低于設定值時,電磁繼電器斷電,常開開關斷開,小燈籠不亮.

圖2中的光敏電阻實際上是光控開關,由5 V光敏電阻傳感器加繼電器模塊構成一個整體,光敏電阻感應光線的強度,自帶繼電器直接控制負載.在光敏電阻傳感器模塊中還有一個電位器,用于調節(jié)閾值(決定光照靈敏度),整體參數:供電電壓5 VDC,電流大于150 mA,負載250 V、10 A或30 V、 10 A,直流.為保護電路,光控開關串聯(lián)一個0～20 Ω可調電阻.光敏電阻模塊用來檢測環(huán)境的光強,選擇輸出端接常開時暗于閾值啟動,選擇輸出端接常閉時亮于閾值時啟動.如上所述,繼電器和負載單獨供電的電壓4.5 V,負載電壓9 V,并采用高于設定值時啟動,即選擇輸出端接常閉.光敏電阻根據光強改變電阻,當光強大于設定值時,電磁繼電器通電,常閉開關斷開,音樂發(fā)音器發(fā)出音樂;當光強小于設定值時,電磁繼電器斷電,常閉開關閉合,音樂發(fā)音器不發(fā)聲.

圖2中的聲敏電阻實際上是聲控開關,分為聲音傳感器模塊和5 V繼電器模塊兩部分,聲音模塊對環(huán)境聲音強度敏感,連接繼電器,控制負載.在聲音傳感器模塊中還有一個電位器,用于調節(jié)閾值(決定音量靈敏度),聲音模塊供電電壓3～5 VDC,繼電器模塊工作電壓可選擇5 VDC、9 VDC、12 VDC、24 VDC,電流大于150 mA,負載250 V、10 A或30 V、10 A,直流.聲音傳感器模塊、繼電器模塊和負載單獨供電的電壓4.5 V,負載電壓9 V,并采用高于設定值啟動,即選擇輸出端接常閉.當環(huán)境音量大于設定值時,聲敏電阻的導通電流變大,電磁繼電器通電,常閉開關斷開,電動機工作,小風車轉動;當光強小于設定值時,聲敏電阻的導通電流變小,電磁繼電器斷電,常閉開關閉合,電動機不工作,小風車不動.

2 傳感器四級聯(lián)動趣味實驗在物理教學中的應用

將本實驗裝置應用于人教版物理選修3-2第6章“傳感器”的教學.

(1) 傳感器及其工作原理的課堂導入.

教師介紹圖1實驗電路中的各元件,但其中的干簧管、熱敏電阻、光敏電阻、聲敏電阻均用白紙片遮住,先不介紹,只是告訴學生它們分別是神秘元件A、B、C、D,然后演示本實驗.實驗操作步驟如下.

部分教學片斷：

① 根據周圍環(huán)境中的溫度、光照及音量,調節(jié)傳感器模塊的電位器,設定溫控開關、光控開關和聲控開關的閾值.在小燈籠與光控開關之間插上一片黑色擋光紙板.

② 先閉合背面開關,然后閉合正面開關,電路沒有任何變化.

③ 將條形磁鐵放置于干簧管上方的架子上,這時小圣誕樹上彩色燈珠發(fā)光,與之串聯(lián)的電阻發(fā)熱,一段時間后彩色小燈籠發(fā)光.

④ 抽離燈泡2與光控開關之間的黑色擋光紙板,與之串聯(lián)的音樂發(fā)音器發(fā)出動聽音樂,電機帶動彩色小風車轉動.

⑤ 實驗結束,斷開所有開關.

師:請同學們注意觀察,先閉合開關,你看到什么現(xiàn)象了嗎?

生:沒有.

師:如果我將磁鐵靠近神秘元件A,將會發(fā)生什么呢?

生:小圣誕樹發(fā)光了(或燈泡1發(fā)光了).

師:請一位同學來試一下與小圣誕樹上的小燈珠(或燈泡1)串聯(lián)的電阻,有什么感覺?

生:發(fā)熱.

師:注意觀察,現(xiàn)在又有什么現(xiàn)象發(fā)生?

生:小燈籠亮了(或燈泡2 發(fā)光了).

師:現(xiàn)在抽離擋光的紙片,又會發(fā)生什么呢?注意觀察.

生:發(fā)出好聽的音樂(或蜂鳴器發(fā)聲了),小風車也轉起來了.

設計意圖:通過聲、色、形、動并茂的、神奇有趣的連鎖反應,使學生多種感官并用,從而將注意力高度集中于課堂學習.先把干簧管、熱敏電阻、光敏電阻、聲敏電阻均用白紙片遮住,并告訴學生它們分別是神秘元件A、B、C、D,然后演示本實驗,就設置了幾個連鎖懸念,僅用一個小小的條形磁鐵就引發(fā)了一系列有趣的現(xiàn)象,使學生感到驚奇、疑惑、迷惑及矛盾,從而產生認知沖突,引發(fā)好奇心、激發(fā)強烈的求知欲.

(2) 應用于傳感器概念建立的教學.

部分教學片斷:

師:為什么會發(fā)生上述現(xiàn)象?我們先來揭開神秘元件的面紗.(揭下遮住A、B、C、D的白色紙片.)

師:神秘元件A叫做干簧管、神秘元件B的核心元件叫做熱敏電阻、神秘元件C的核心元件叫做光敏電阻、神秘元件D的核心元件叫做聲敏電阻.在剛才的實驗中,它們分別發(fā)揮了怎樣的作用?我們分別對每條支路的現(xiàn)象進行分析,找到它們的作用.

磁場→干簧管→小圣誕樹發(fā)光(或燈泡1發(fā)光).

溫度→熱敏電阻→小燈籠發(fā)光(或燈泡2發(fā)光).

光照→光敏電阻→電動發(fā)音器發(fā)出音樂(或蜂鳴器發(fā)聲).

聲音→聲敏電阻→電動機帶動風車轉動.

師:右邊這些現(xiàn)象對應著哪一類共同的物理量呢?

生:電學量.

師:左邊這些現(xiàn)象對應的還是電學量嗎?

生:不是.

師:我們說左邊這些現(xiàn)象對應的是非電學量.

師:我們把將非電學量轉化為電學量的元件統(tǒng)稱為傳感器.原來啊,我們實驗中用到的神秘元件:干簧管、熱敏電阻、光敏電阻和聲敏電阻都是傳感器呀.傳感器不止這4種,還有力傳感器等多種傳感器.同學們課后可以查閱資料,了解一下都有哪些種類的傳感器.那么,傳感器是如何做到將非電學量轉化為電學量的呢?

設計意圖:導入中的連鎖反應,為學生建立傳感器概念展示了實事依據.通過本環(huán)節(jié)帶領學生分析、歸納、概括干簧管、熱敏電阻、光敏電阻和聲敏電阻等一類事物的共同本質屬性,運用科學抽象的方法建立傳感器概念,能使學生理解傳感器概念的內涵和外延,培養(yǎng)了學生的思維能力.然而,學生的疑惑和認知沖突并未完全消除,最后提出的問題:“傳感器是如何做到將非電學量轉化為電學量的呢?”恰好迎合了學生急于求知的心理,引發(fā)了學生對傳感器工作原理的探究.

(3) 用于創(chuàng)設情境,認識傳感器的工作原理.

利用本實驗器材,可以在c、d之間,d、e之間,e、f之間安裝開關,每次使某一個傳感器工作,創(chuàng)設物理情境,自然地引出所要研究的問題:干簧管(或光敏電阻、熱敏電阻、聲敏電阻)的工作原理,或者可在工作原理學習之后,演示本實驗鞏固學生的認識,有利于學生從更深的層次上理解現(xiàn)象背后的原因.

(4) 用于演示傳感器的應用.

人教版選修3-2第6章第3節(jié)“實驗:傳感器的應用”主要內容為:“實驗1光控開關”、“實驗2溫度報警器”.新課程要求教師要根據課程標準的要求創(chuàng)造性使用教材,所以教師可以補充聲控開關的內容,因而可以將本實驗裝置直接用于第3節(jié)的教學.或者本實驗稍加改動(將干簧管和聲控開關部分電路去掉)應用于第3節(jié)的教學.在學習本節(jié)內容時,既可以演示實驗讓學生觀察現(xiàn)象,也可以將光控開關及溫控開關拆開,讓學生了解其內部構造、進行組裝和調試,從而獲得對傳感器作用更深刻的體會.

本節(jié)可布置課后實踐性作業(yè):自己動手,利用傳感器做一個有用或有趣的器物.這不僅對于培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力是非常有利的,而且也有效滲透了STS教育,符合素質教育及培養(yǎng)學生物理核心素養(yǎng)的理念.

本實驗裝置在教學中應用中具有如下優(yōu)點.

(1) 有趣、懸疑,激發(fā)學習興趣及認知沖突.

(2) 操作簡單,反應快.

(3) 安全、可靠.

本實驗使用的是9 V直流電,在安全電壓范圍內.既適合教師操作,也適合學生操作.實驗成功率較高.

(4) 直觀、明顯.通過調試并運用示教板,使實驗裝置和現(xiàn)象較為直觀、明顯.

2017-07-03)