“電動(dòng)向日葵”——傳感器演示實(shí)驗(yàn)自制教具

張海軍 許炎橋

（1.浙江省寧波效實(shí)中學(xué)，浙江 寧波 315012；2.寧波市學(xué)校裝備管理與電化教育中心，浙江 寧波 315012）

浙江省高考理綜物理部分對(duì)“傳感器”章節(jié)只要求傳感器的簡(jiǎn)單應(yīng)用，但傳感器的內(nèi)容在生活中有很多的應(yīng)用，如路燈、火災(zāi)報(bào)警器等等.這些與我們的生活密不可分，所以對(duì)培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣和熱愛生活會(huì)起到很大幫助作用.因此，筆者在本章節(jié)新課引入時(shí)自制了一套教具，以更好地激發(fā)學(xué)生對(duì)傳感器學(xué)習(xí)的興趣和對(duì)物理的熱情.

1 實(shí)驗(yàn)過程展示

電源接通開始實(shí)驗(yàn)，電動(dòng)機(jī)工作帶動(dòng)太陽能電池板轉(zhuǎn)動(dòng)，與太陽能電池板相連的靈敏電流計(jì)的指針有一定的偏轉(zhuǎn).當(dāng)太陽能電池板轉(zhuǎn)到與太陽（筆者上課時(shí)用手電筒模擬太陽）光線正對(duì)時(shí)，電動(dòng)機(jī)停止工作，與太陽能電池板相連的靈敏電流計(jì)指針偏角達(dá)到最大.改變太陽光線直射的方向，電動(dòng)機(jī)開始工作帶動(dòng)太陽能電池板轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)太陽能電池板轉(zhuǎn)到與光線直射方向正對(duì)時(shí)電動(dòng)機(jī)停止，靈敏電流計(jì)指針偏到最大.再次改變太陽光線直射方向，電動(dòng)機(jī)會(huì)再次工作，不斷地帶動(dòng)太陽能電池板尋找太陽光線直射的位置，像向日葵一樣，所以本實(shí)驗(yàn)教具筆者取名為“電動(dòng)向日葵”，如圖1所示.

圖1

2 實(shí)驗(yàn)原理簡(jiǎn)介

圖2

電路的電源由4節(jié)干電池提供，整個(gè)電路安裝在面包板上.主要的工作原理如圖2所示，此原理圖是由“第3節(jié)實(shí)驗(yàn)傳感器的應(yīng)用”中的蜂鳴器實(shí)驗(yàn)原理圖（人教版高中《物理》選修3－2第63頁圖乙）改裝而來.將蜂鳴器換作電動(dòng)機(jī)，太陽能電池板被安裝在與電動(dòng)機(jī)相連的基座上，基座下方實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)“萬向”開關(guān)，而開關(guān)與面包板上的工作電路以及電動(dòng)機(jī)組成閉合回路.電動(dòng)機(jī)是否工作是通過控制電路來實(shí)現(xiàn)的，在控制電路中起到控制作用的是光敏電阻（如圖3所示），將光敏電阻受光面與太陽能電池板受光面平行，為了減少雜光的干擾，用黑紙卷成管狀，套在光敏電阻上.因?yàn)楣饷綦娮璧某蚺c太陽能電池板的朝向一致，所以太陽光線直射到太陽能電池板上時(shí)，也是太陽光線直射光敏電阻的時(shí)候，此時(shí)光敏電阻的阻值最小進(jìn)而使面包板上的控制電路（如圖2所示）中非門的輸入端A為低電位，根據(jù)非門特性輸出端Y為高電位，此時(shí)繼電器J不工作，開關(guān)S斷開，所以電動(dòng)機(jī)停止工作太陽能電池板定位在與太陽光線直射的位置.相反地，當(dāng)光線沒有直射到太陽能電池板時(shí)也就意味著沒有直射到光敏電阻，光敏電阻的阻值較大，非門的輸入端A為高電位，輸出端Y為低電位，因此繼電器J工作，開關(guān)S閉合，電動(dòng)機(jī)工作帶動(dòng)太陽能電池板轉(zhuǎn)動(dòng)尋找光線直射的位置.

圖3

3 實(shí)驗(yàn)難點(diǎn)

因?yàn)閷?shí)驗(yàn)原理圖主要取自教材，所以原理還是簡(jiǎn)單的，但具體實(shí)現(xiàn)太陽光的自動(dòng)追蹤和演示時(shí)有以下3個(gè)難點(diǎn).

3.1 繼電器靈敏度調(diào)節(jié)

從理論上講，只要繼電器的兩端有一定的電壓就能使繼電器工作，但實(shí)際情況是此電壓應(yīng)該達(dá)到多少就可以觸發(fā)繼電器工作呢？同時(shí)，繼電器觸發(fā)后也要能夠斷開.也就是電壓低到一定值以后它又要會(huì)停止工作而斷開開關(guān).在這個(gè)問題中用來控制繼電器兩端電壓值的其實(shí)是光敏電阻和微型電位器的阻值.假設(shè)光照強(qiáng)度基本不變的情況下光敏電阻在光線直射時(shí)電阻值是一定的，那么只需要調(diào)節(jié)微型電位器的阻值達(dá)到一定的比例后就能觸發(fā)繼電器.因此筆者經(jīng)過百來次的嘗試終于找到了觸發(fā)的臨界點(diǎn)，微型電位器阻值控制在約3kΩ.因?yàn)樗霉饷綦娮琛⑽⑿碗娢黄鳎ㄐ吞?hào)W503），用螺絲刀稍微調(diào)微型電位器后其阻值變化會(huì)比較明顯，一旦沒調(diào)到臨界點(diǎn)繼電器要么不觸發(fā)要么觸發(fā)后無法停止.所以筆者嘗試了多次才確定，有時(shí)候可以觸發(fā)，但很難重復(fù)操作，這是筆者整個(gè)實(shí)驗(yàn)制作時(shí)最困難的地方.

3.2 光敏電阻轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)繞線的解決

太陽能電池板通過電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)，而太陽能電池板的朝向其實(shí)是通過光敏電阻反映的，所以當(dāng)太陽能電池板轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)光敏電阻也要一起轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣光敏電阻在接入電路的狀態(tài)下一旦轉(zhuǎn)動(dòng)起來就會(huì)存在繞線問題.筆者借鑒工程上的做法用萬向開關(guān)解決繞線問題，如圖4所示，太陽能電池板固定在白色塑料板上，白色塑料板中心有一小孔用來連接電動(dòng)機(jī)，而在塑料板的兩端各有一對(duì)金屬觸片與基板接觸，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)可以讓光敏電阻始終與電路相通.

圖4

3.3 太陽光入射角度對(duì)太陽能電池板輸出效率的影響

如何直觀地展示太陽光入射角度對(duì)太陽能利用率的影響呢？其實(shí)這是本實(shí)驗(yàn)教具制作的目的之一，太陽能作為清潔能源有很廣泛的應(yīng)用前景，但是現(xiàn)在很大的問題在于太陽能的利用率不高，而當(dāng)太陽光線直射在太陽能電池板上時(shí)會(huì)使太陽能利用率有比較顯著的提高，所以制作一定的儀器讓太陽能電池板始終正對(duì)太陽光線是十分有必要的.而作為教學(xué)用具如何讓學(xué)生看到太陽光線入射角度變化時(shí)所帶來的影響呢？筆者用靈敏電流計(jì)與太陽能電池板相連，當(dāng)有太陽光線照射時(shí)太陽能電池板就可以把太陽能轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存起來.太陽光線越強(qiáng)，轉(zhuǎn)化的電能越多；太陽光線越是正對(duì)入射，轉(zhuǎn)化的電能也越多.所以用靈敏電流計(jì)與太陽能電池板相連后構(gòu)成了工作回路就有電流通過靈敏電流計(jì)，用指針偏轉(zhuǎn)的角度可以反映出電流的大小進(jìn)而反映太陽能電池板儲(chǔ)存的電能的多少以及太陽光線是否正對(duì)入射對(duì)太陽能利用的影響.在此同樣用到萬向開關(guān)使太陽能電池板與靈敏電流計(jì)相連，解決繞線問題.實(shí)驗(yàn)時(shí)筆者發(fā)現(xiàn)太陽光線非正對(duì)入射時(shí)，靈敏電流計(jì)指示電流值最小20μA，最大200μA；正對(duì)入射時(shí)，靈敏電流計(jì)指示電流值為400μA.

4 實(shí)驗(yàn)效果

筆者在上傳感器的內(nèi)容時(shí)用此實(shí)驗(yàn)教具作為引入，收到了非常好的課堂效果.雖然教具制作得不是很大，但靈敏電流計(jì)和太陽能電池板等主要的展示部分學(xué)生可以比較清楚地辨識(shí).同時(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中的細(xì)微變化學(xué)生可以比較直觀地看到，譬如光線是否直射到太陽能電池板上、靈敏電流計(jì)的指針是否偏轉(zhuǎn)、太陽能電池板是否轉(zhuǎn)動(dòng)等等.另一方面，此實(shí)驗(yàn)教具可以讓學(xué)生體驗(yàn)物理與我們的生活緊密相連，為我們的生活帶來很大的方便，為能源的有效利用提供有力的支持.相信這樣的自制教具可以讓學(xué)生體會(huì)到有趣而真實(shí)的物理.