光電傳感器的實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)設(shè)計(jì)*

趙振宇

(哈爾濱師范大學(xué) 黑龍江 哈爾濱 150025)

1 設(shè)計(jì)思想

在新人教版高中《物理·選修3-2》教材中，第六章“傳感器”學(xué)習(xí)過程中，設(shè)計(jì)成用實(shí)驗(yàn)探究，通過下發(fā)學(xué)習(xí)任務(wù)單、設(shè)計(jì)問題與操作方案、實(shí)驗(yàn)探究、制作作品及作品展示等來完成學(xué)習(xí)任務(wù)，充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生的主動(dòng)性與積極性，增強(qiáng)了主體意識、創(chuàng)新意識，提高了學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力，促進(jìn)技能的形成，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)良好的科學(xué)態(tài)度.

2 學(xué)習(xí)目標(biāo)

(1)知識與技能.知道非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量的技術(shù)意義；通過實(shí)驗(yàn)，知道光電傳感器的工作原理及應(yīng)用；能分析、設(shè)計(jì)、制作簡單的光電傳感器.

(2)過程與方法.通過對演示實(shí)驗(yàn)的觀察、思考和探究，讓學(xué)生知道光電傳感器,熟悉光電傳感器工作原理；讓學(xué)生組裝和調(diào)試光電傳感器，經(jīng)歷科學(xué)探究過程，學(xué)習(xí)科學(xué)研究方法，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力、團(tuán)隊(duì)合作能力和創(chuàng)新思維能力 .

(3)情感態(tài)度與價(jià)值觀.通過自己設(shè)計(jì)、制作簡單的光電傳感器，體驗(yàn)科技創(chuàng)新的樂趣，體會(huì)到傳感器在生活、生產(chǎn)和科技中的理論意義和實(shí)踐意義，意識到物理規(guī)律在現(xiàn)實(shí)生活中的重要作用，激發(fā)學(xué)習(xí)物理的興趣.

3 學(xué)習(xí)任務(wù)

任務(wù)1:檢測光敏元件的特點(diǎn)(光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管、硅光電池).

任務(wù)2:測試光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?

任務(wù)3:制作開關(guān)式光電傳感器.

任務(wù)4:制作光電開關(guān)控制照明燈.

4 問題與方案

通過閱讀教材與實(shí)驗(yàn)探究完成以下問題：

(1)什么是傳感器？有何作用?(2)光敏電阻受到光照時(shí),電阻會(huì)發(fā)生怎樣變化？(3)光敏二極管受到光照時(shí)，反向電阻阻值如何變化？(4)光電池受光照時(shí)輸出電壓、光電流如何變化？(5)光敏元件在控制電路中起什么作用？(6)設(shè)計(jì)光電傳感器控制電路.

5 探究過程

5.1 熟悉器材

將元器件拓展到三極管、邏輯非門、面包板，使所設(shè)計(jì)電路具有集成電路的特點(diǎn)，與生活中自動(dòng)控制電路相同.

具體器材如下：光敏元件(光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管、光電池)，可調(diào)直流穩(wěn)壓電源，負(fù)載包括電位器、定值電阻、12 V或6 V直流電動(dòng)機(jī)、蜂鳴器、小燈泡、各種顏色的高亮度發(fā)光二極管(LED)、SRD-05V或JZC-23F(12 V)的直流電磁繼電器、白熾燈等，ZDS-10型照度計(jì)，MF-47型萬用表、數(shù)字萬用表DT830B，邏輯非門74LS14或74LS04，光源(日光燈、白光手電等)，三極管(S9013,S9018,S8050等)，面包板等.

通過所給實(shí)物，讓學(xué)生認(rèn)識、熟悉實(shí)驗(yàn)器材，知道所給元器件的工作原理和使用方法.

認(rèn)識光敏元件外形和構(gòu)造，會(huì)識別發(fā)光二極管、光敏二極管、光電池、蜂鳴器的正負(fù)極.光敏二極管要反向接入電路中，即P極(長引腳)接電源負(fù)極，N極(短引腳)接電源正極;發(fā)光二極管、蜂鳴器要正向接入電路中，當(dāng)直流電壓達(dá)到3～6 V時(shí)會(huì)發(fā)出鳴叫聲.三極管把微弱電流信號進(jìn)行放大;硅光敏三極管只有發(fā)射極和集電極兩條電極引線.有光照射時(shí)，光敏二極管產(chǎn)生光電流而導(dǎo)通，其開關(guān)特性比光敏電阻好，使傳感器電路工作更可靠；當(dāng)光線照射在光敏三極管集電結(jié)上時(shí)，產(chǎn)生反向漏電流，其可以控制光敏三極管的集電極電流有較大變化，因此,靈敏度比光敏二極管高.繼電器線圈電壓達(dá)到額定電壓80%以上時(shí),線圈得電就吸合，觸點(diǎn)就動(dòng)做，低于吸合電壓的50%時(shí)，線圈失電，觸點(diǎn)釋放復(fù)位.74LS04六反相器，當(dāng)輸入端為高電平，輸出為低電平，輸出總是輸入的否定.

5.2 實(shí)驗(yàn)探究

5.2.1 檢測光敏元件的特點(diǎn)

改變光照度，用萬用表電阻擋測光敏電阻、光敏二極管的阻值，得出光照時(shí)電阻變小，暗電阻較大(兆歐數(shù)量級).

改變光照度，用數(shù)字萬用表電壓毫伏擋測光電池開路電壓，即輸出電壓，得出光照度增大時(shí)，電壓增加，當(dāng)光照度達(dá)到一定值時(shí)，電壓就不增加了，即強(qiáng)光下最大輸出電壓為0.5 V左右.

5.2.2 測試光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?/p>

圖1

學(xué)生設(shè)計(jì)電路圖，參考如圖1所示電路，所用器材包括6 V電源，發(fā)光二極管(小燈泡、蜂鳴器等)，光敏電阻.用光照射光敏電阻時(shí)，二極管發(fā)光，電流表示數(shù)增大，擋光后，二極管不發(fā)光.在圖1中用光敏二極管替代光敏電阻，電源取3 V，也得出相同結(jié)論，制作了簡易的光電傳感器，實(shí)現(xiàn)了光信號轉(zhuǎn)換成電信號.

5.2.3 制作開關(guān)式光電傳感器

(1)制作光電報(bào)警器

培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)創(chuàng)新能力，關(guān)鍵是利用光敏元件的特性和繼電器啟閉工作電路的作用進(jìn)行設(shè)計(jì).參考電路如圖2所示，B為蜂鳴器，紅、綠小燈泡(粘上紅、綠紙)電壓為12 V,0.1 A， 根據(jù)負(fù)載選取電源電壓(12 V左右)，J和Ja是同一個(gè)元件即為繼電器(12 V)，J為線圈，Ja為一對觸點(diǎn).本電路工作過程是有光照射光敏電阻時(shí)，線圈電壓增加達(dá)到12 V，觸點(diǎn)動(dòng)做吸合，Ja與綠燈相接，綠燈亮；沒有光時(shí)，光敏電阻阻值增加，線圈失電，觸點(diǎn)釋放復(fù)位，蜂鳴器發(fā)聲報(bào)警，紅燈亮，和防盜報(bào)警器相同，當(dāng)有人阻隔了紅外線時(shí)，報(bào)警器報(bào)警.

圖2

(2)演示3種光敏元件制成的光控開關(guān)

在學(xué)生探究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步直觀感知光電傳感器的工作原理與應(yīng)用，又設(shè)計(jì)制作了如圖3的演示教具，將電路焊接后，固定在KT板上，開關(guān)1分別與光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管相接，制作了3種光電開關(guān).

圖3

在圖3中采用分壓偏置電路，上偏置由光敏元件與R1串聯(lián)，R1防止光敏元件光照度增強(qiáng)時(shí)超過其額定功率及限制VT基極電流過大，R2下偏置電阻，使光敏元件開關(guān)電路可靠的工作.R1及R2可用電位器，阻值為2.2 kΩ，R3在300～500 Ω.在光照度為400 Lx時(shí)，電源電壓在4～6 V，發(fā)光二極管采用各種顏色都可以.

電路連接完成后，調(diào)試R1，R2，使R1在500 Ω～1 kΩ，R2在1～2 kΩ，使二極管端電壓為2～2.5 V，二極管就正常發(fā)光.

實(shí)驗(yàn)時(shí)，用黑筆帽罩住光敏元件，二極管不發(fā)光，移去遮光物時(shí)，發(fā)光二極管點(diǎn)亮，光照度增加時(shí)二極管發(fā)光更強(qiáng)，靈敏度高，可見度大，形象直觀，較好地演示了光電傳感器工作原理及光電開關(guān)的應(yīng)用.

5.2.4 制作光電開關(guān)控制照明燈

學(xué)生探究了有光照射光敏元件時(shí)燈亮，沒有光時(shí)燈不亮，現(xiàn)在探究相反的結(jié)果，各小組設(shè)計(jì)生活中路燈控制電路.

(1)光敏電阻與繼電器制作的路燈控制電路

參考電路如圖4所示，電路的工作過程：白天有光照射時(shí)，光敏電阻的阻值減小，電流增大，電磁鐵把銜鐵吸下，使常閉觸點(diǎn)斷開，切斷白熾燈電路；夜晚時(shí)，光敏電阻的阻值增大，電流減小，銜鐵釋放復(fù)位使Ja閉合燈亮.

圖4

(2)光敏電阻、繼電器與三極管制作的路燈控制電路

圖5

參考電路如圖5所示，圖5(a)中J為5 V繼電器的線圈，其為集電極電阻，兩端電壓為4.5～5.0 V，達(dá)到動(dòng)做電壓，其他元件參數(shù)及電源電壓和圖3相同，圖5(b)為控制電路，Ja為繼電器常閉觸點(diǎn)，沒有光照射時(shí)，白熾燈亮，有光照射時(shí)白熾燈熄滅，和生活中路燈控制電路相同.

(3)光敏電阻、非門制作的模擬路燈控制電路

參考電路如圖6所示，R電位器(10 kΩ)或電阻箱，RG光敏電阻，74LS04非門，D發(fā)光二極管，首先,按圖將元件插接在面包板上，接通電源電壓為5 V，用黑色不透光筆帽罩住光敏電阻，調(diào)節(jié)電位器阻值(8～10 kΩ)直到二極管發(fā)光，再移去遮光物時(shí)，發(fā)光二極管熄滅，模擬了路燈天明熄滅，天暗自動(dòng)開啟，效果好，靈敏度非常高.

圖6

本電路工作過程：白天，光強(qiáng)較大，光敏電阻RG阻值較小，加在非門輸入端A為低電平，輸出端Y輸出高電平，發(fā)光二極管不導(dǎo)通，不亮.晚間，光敏電阻RG電阻增大，非門輸入端A電平升高，輸出端Y輸出為低電平，發(fā)光二極管導(dǎo)通(2.3 V)，發(fā)光.

6 探究結(jié)果

各小組總結(jié)分析探究結(jié)果，包括問題、方案的可操作性、作品的靈敏度、作品展示與收藏，學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)探究輕松地得出“問題與方案”中的答案，而且印象深,能應(yīng)用.對于電路設(shè)計(jì)的方案，通過實(shí)驗(yàn)探究得出光敏電阻與直流電磁繼電器設(shè)計(jì)的光控電路，效果不明顯，光電流較小，繼電器線圈電壓最高2.3 V，只發(fā)出吱吱響聲，觸點(diǎn)不動(dòng)做，不能控制工作電路，得用電流信號放大器將光電流放大后，再接繼電器線圈，其才能工作.在圖5路燈控制電路中，用三極管將光電流放大后，驅(qū)動(dòng)電磁繼電器工作，才能控制工作電路.

在成品展示中，效果最好是圖5路燈控制電路與圖6模擬路燈控制電路，靈敏度高，可見度大，可用于課堂教學(xué)永久性的演示教具.