結(jié)合通用技術(shù)課程 促進(jìn)物理教學(xué)①
——以“電容器在延時(shí)電路中的應(yīng)用”為例

趙冬卿

(南京師范大學(xué)附屬中學(xué)，江蘇 南京 210003)

1 前言

電容器因其獨(dú)特的充放電特性在電子電路設(shè)計(jì)中得到了廣泛應(yīng)用，隔直流、延時(shí)、濾波、耦合、旁路等都是電容器的常見(jiàn)應(yīng)用。高中物理教學(xué)對(duì)于電容器的應(yīng)用重點(diǎn)為：在平行板電容器中產(chǎn)生電場(chǎng)，與磁場(chǎng)結(jié)合從而影響電子在電磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)，而對(duì)于電容器最基本的充放電特性在電子電路中的實(shí)際應(yīng)用卻鮮有涉及，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)于電容器的理解停留在抽象的概念層面，難以應(yīng)用電容器設(shè)計(jì)電路。

通用技術(shù)選修教材《電子控制技術(shù)》為以上問(wèn)題的解決提供了很好的思路，該教材介紹了二極管、三極管等半導(dǎo)體元件的工作原理和典型應(yīng)用。[1]物理教學(xué)可以適當(dāng)取材、合理運(yùn)用，設(shè)計(jì)出有關(guān)電容器實(shí)際應(yīng)用的案例，為學(xué)生進(jìn)一步理解和運(yùn)用電容器打下基礎(chǔ)，激發(fā)學(xué)生學(xué)以致用的熱情，提高學(xué)生的科技創(chuàng)新能力。筆者設(shè)計(jì)了“電容器在延時(shí)電路中的應(yīng)用”一課，希望以此為例拋磚引玉。

2 “電容器在延時(shí)電路中的應(yīng)用”教學(xué)設(shè)計(jì)

2.1 引出電容器的延時(shí)作用

學(xué)習(xí)過(guò)電容器之后，學(xué)生都知道了電容器可以充電也可以放電，此時(shí)教師可以引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步思考：既然充電和放電都不可能在瞬間完成，那么電容器充放電需要時(shí)間的這個(gè)現(xiàn)象可以有什么應(yīng)用呢？以此引出電容器的延時(shí)作用。

2.2 理解電容器延時(shí)的原理

為了讓學(xué)生直觀地看到電容器在電路中起到的延時(shí)效果，教師可以設(shè)計(jì)、制作對(duì)比演示電路(圖1)。

圖1

首先，斷開(kāi)S2，閉合S1，學(xué)生能夠看到發(fā)光二極管被點(diǎn)亮；然后斷開(kāi)S1，將S2閉合，再閉合S1，這時(shí)能夠觀察到發(fā)光二極管過(guò)一段時(shí)間后才被點(diǎn)亮，此時(shí)延時(shí)的效果就出現(xiàn)了。接下來(lái)，教師可以根據(jù)這個(gè)現(xiàn)象帶領(lǐng)學(xué)生思考：電容器是如何起到延時(shí)作用的？引導(dǎo)學(xué)生理解延時(shí)產(chǎn)生的原理。

由于S2閉合時(shí)，發(fā)光二極管和電容器并聯(lián)，其兩端的電壓與電容器兩端的電壓相等。發(fā)光二極管要被點(diǎn)亮，它兩端的電壓必須達(dá)到一定的數(shù)值，這就需要電容器被充電到相同的電壓值，而電容器被充電到該電壓值需要一定的時(shí)間，這就造成了發(fā)光二極管在電容器的充電階段由于電壓不夠而不能被點(diǎn)亮，只有當(dāng)電容器充電一段時(shí)間后，兩端電壓達(dá)到了發(fā)光二極管點(diǎn)亮所需要的電壓，發(fā)光二極管才能點(diǎn)亮，這就產(chǎn)生了延時(shí)點(diǎn)亮的效果。

為了讓延時(shí)現(xiàn)象明顯、直觀，教師設(shè)計(jì)電路時(shí)，可以選用大一點(diǎn)的電容器和電阻，使電容器的充電時(shí)間變長(zhǎng)，使用的元件和參數(shù)如下：高亮二極管燈珠、電阻(1.5kΩ)、電容器(1500μF 16V)、直流電源(4.5V)。

2.3 設(shè)計(jì)延時(shí)電路

根據(jù)上述的實(shí)驗(yàn)演示，教師可以引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)延時(shí)電路，將有導(dǎo)通門檻電壓的半導(dǎo)體元件與電容器相結(jié)合，利用電容器的充放電控制半導(dǎo)體元件的導(dǎo)通時(shí)間，從而達(dá)到延時(shí)開(kāi)啟或延時(shí)關(guān)閉的目的，筆者利用三極管和電容器分別設(shè)計(jì)了“觸摸延時(shí)亮燈”和“觸摸延時(shí)關(guān)燈”兩個(gè)電路，并用于教學(xué)。

2.3.1 “觸摸延時(shí)亮燈”電路設(shè)計(jì)

在通用技術(shù)課中，學(xué)生已經(jīng)理解了三極管的工作原理以及三極管的放大和開(kāi)關(guān)特性，因此筆者先用三極管設(shè)計(jì)了一個(gè)“觸摸關(guān)燈”電路(圖2)。

圖2

當(dāng)手沒(méi)有觸摸VT1基極時(shí)，由于VT1、VT2均未導(dǎo)通，因此VT3基極為高電位，符合導(dǎo)通條件，因此VT3導(dǎo)通，發(fā)光二極管點(diǎn)亮，當(dāng)手觸摸VT1基極之后，VT1、VT2相繼導(dǎo)通，VT3由于基極電位被拉低而截止，發(fā)光二極管熄滅，因此該電路有觸摸關(guān)燈的效果。

在理解上述電路的基礎(chǔ)上，請(qǐng)學(xué)生思考：該電路能夠?qū)崿F(xiàn)觸摸關(guān)燈的功能，但只有在手觸摸的時(shí)候燈才會(huì)關(guān)閉，手一離開(kāi)，燈就會(huì)立刻點(diǎn)亮，應(yīng)用性較差，我們能否讓燈在手離開(kāi)之后繼續(xù)保持一段時(shí)間的熄滅狀態(tài)，然后再自動(dòng)點(diǎn)亮呢？

通過(guò)對(duì)這個(gè)問(wèn)題的思考，學(xué)生自主設(shè)計(jì)思路，要使電路能保持一段時(shí)間的熄燈狀態(tài)，即延遲發(fā)光二極管的點(diǎn)亮，只要利用電容器的充電特性延遲VT3的導(dǎo)通即可，學(xué)生想到在VT3的基極和發(fā)射極之間并聯(lián)一個(gè)電容器(圖3)。此時(shí)，當(dāng)手觸摸VT1的基極，VT1、VT2導(dǎo)通，電容器通過(guò)VT2支路放電，VT3也因基極電位被拉低而截止，發(fā)光二極管熄滅。當(dāng)手離開(kāi)后，VT1、VT2截止，電容器通過(guò)R2支路充電，電容器兩端電壓緩慢升高，在沒(méi)有達(dá)到VT3導(dǎo)通電壓之前，VT3保持截止?fàn)顟B(tài)，因而發(fā)光二極管也保持熄滅狀態(tài)，只有當(dāng)電容器充電一段時(shí)間后，其兩端電壓達(dá)到了VT3導(dǎo)通的電壓，使VT3導(dǎo)通，發(fā)光二極管才被點(diǎn)亮，從而實(shí)現(xiàn)了觸摸后延時(shí)亮燈的功能。實(shí)驗(yàn)中使用的元件和參數(shù)如下：直流電源(4.5V)、發(fā)光二極管(壓降為2V)、電阻R1(100Ω)、電阻R2(510kΩ)、電阻R3(100Ω)、電容器(47μF)、三極管(S8050)。

圖3

2.3.2 “觸摸延時(shí)關(guān)燈”電路設(shè)計(jì)

在“觸摸延時(shí)亮燈”電路的基礎(chǔ)上，筆者又請(qǐng)學(xué)生繼續(xù)思考：能否再加一個(gè)三極管來(lái)實(shí)現(xiàn)觸摸延時(shí)關(guān)燈的功能？要能夠延時(shí)關(guān)燈，需使燈能保持住一段時(shí)間的點(diǎn)亮狀態(tài)。從圖3電路可知：加上電容器之后VT3會(huì)延遲導(dǎo)通，這樣，只要利用VT3保持截止?fàn)顟B(tài)時(shí)讓下一個(gè)三極管導(dǎo)通即可，通過(guò)教師的引導(dǎo)，學(xué)生設(shè)計(jì)出了如圖4所示的電路。當(dāng)手觸摸觸摸VT1的基極時(shí)，電容器迅速放電，使得VT3截止，VT4基極電位被拉高因而導(dǎo)通，發(fā)光二極管點(diǎn)亮。在電容器充電的過(guò)程中，VT3保持截止?fàn)顟B(tài)，因此發(fā)光二極管能持續(xù)發(fā)光。當(dāng)電容器充電一段時(shí)間后，VT3導(dǎo)通，VT4就因基極電位被拉低而截止，發(fā)光二極管熄滅，從而實(shí)現(xiàn)了觸摸延時(shí)關(guān)燈的功能。實(shí)驗(yàn)中使用的元件和參數(shù)如下：直流電源(4.5V)、發(fā)光二極管(壓降為2V)、電阻R1(100Ω)、電阻R2(510kΩ)、電阻R3(51kΩ)、電阻R4(100Ω)、電容器(47μF)、三極管(S8050)。

圖4

3 結(jié)語(yǔ)

“觸摸延時(shí)”電路有一定的趣味性，學(xué)生設(shè)計(jì)出電路之后，可以結(jié)合通用技術(shù)課，讓他們自己動(dòng)手搭建電路和實(shí)驗(yàn)，當(dāng)實(shí)驗(yàn)獲得成功后，學(xué)生會(huì)很開(kāi)心，學(xué)以致用的喜悅感和成就感能夠進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生對(duì)物理學(xué)習(xí)和動(dòng)手實(shí)踐的興趣，有利于加深學(xué)生對(duì)物理原理的認(rèn)識(shí)，提高實(shí)踐創(chuàng)新能力。