利用手機(jī)傳感器研究交流電的有效值

肖芝清 張樹(shù)國(guó)

摘 ? 要：利用手機(jī)上的光照傳感器和“手機(jī)傳感器”App，結(jié)合常規(guī)的實(shí)驗(yàn)器材，用“等效”的思想，來(lái)研究常見(jiàn)的正弦式交流電、正弦交流電半波整流及橋式整流后的有效值。

關(guān)鍵詞：交流電;有效值;手機(jī)傳感器

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ?文章編號(hào)：1003-6148（2020）6-0048-3

1 ? ?引 ?言

交流電的有效值是高中物理中非常重要的概念，同時(shí)也是難點(diǎn)。人教版教材是先在“思考與討論”中給出了一個(gè)不對(duì)稱方波，用分段計(jì)算熱量的方法來(lái)引導(dǎo)學(xué)生思考，然后給出有效值的含義：讓交流與恒定電流分別通過(guò)大小相同的電阻，如果在交流的一個(gè)周期內(nèi)它們產(chǎn)生的熱量相等，而這個(gè)恒定電流是I、電壓是U，我們就把I、U叫做這個(gè)交流的有效值。對(duì)正弦式交流電，只有“理論計(jì)算表明”幾個(gè)字直接告知結(jié)論。

2 ? ?實(shí)驗(yàn)方案

用實(shí)驗(yàn)手段來(lái)研究這一問(wèn)題，主要是課堂中短時(shí)間內(nèi)對(duì)熱量的測(cè)量與比較難以實(shí)現(xiàn)，隨著技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在可以用光照的測(cè)量間接比較熱量，如采取數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的光照度傳感器[1-2]?，F(xiàn)在的智能手機(jī)都自帶多種傳感器，借助一款名為“手機(jī)傳感器”的手機(jī)應(yīng)用，用其中的“光線傳感器”將熱量的比較轉(zhuǎn)換為光照的比較。再加上手機(jī)的同屏功能，可以實(shí)時(shí)將光照度數(shù)值顯示在教室的大屏幕上，實(shí)現(xiàn)了課堂上的探究學(xué)習(xí)，起到了良好的教學(xué)效果，甚至可以進(jìn)行學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)。

2.1 ? ?實(shí)驗(yàn)電路

如圖1所示，器材采用：J1202高中學(xué)生電源，開(kāi)關(guān)，20 Ω和50 Ω的滑動(dòng)變阻器各1只（做粗調(diào)和細(xì)調(diào)），小燈泡（2.5 V、0.3 A），IN4007二極管5只，智能手機(jī)，電壓傳感器（電壓表符號(hào)表示）。小燈泡和手機(jī)光線傳感器置于手機(jī)盒正對(duì)的兩個(gè)內(nèi)側(cè)壁上，用小刀在手機(jī)盒的上蓋開(kāi)一缺口，將手機(jī)盒蓋上后，恰好可以從上蓋插入手機(jī)的光線傳感器部分（通常在手機(jī)屏的上端），這樣可以避免環(huán)境光的影響，底部的小物塊起到固定手機(jī)的作用。將所有實(shí)驗(yàn)器材固定在一塊底板上，方便課堂使用。

2.2 ? ?實(shí)驗(yàn)原理

將滑動(dòng)變阻器置于最大，開(kāi)關(guān)接a，用交流電向小燈泡供電，通過(guò)電壓傳感器測(cè)量交流電電壓，當(dāng)交流電電壓最大值為Um時(shí)，讀出此時(shí)手機(jī)傳感器上的光照度數(shù)值。然后斷開(kāi)開(kāi)關(guān)，將滑動(dòng)變阻器置于最大，開(kāi)關(guān)接b，用學(xué)生電源的6 V穩(wěn)壓直流電向小燈泡供電。仔細(xì)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器，觀察手機(jī)傳感器的光照度數(shù)值，當(dāng)此時(shí)的光照度與交流供電非常接近時(shí)，讀出直流電電壓值U，那么U就是最大值為Um的交流電壓的有效值。

3 ? ?實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程

3.1 ? ?研究正弦交流電電壓的有效值

實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)物圖如圖2所示，將開(kāi)關(guān)接a，接學(xué)生電源的4 V交流輸出，仔細(xì)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器，觀察電壓傳感器使得小燈泡兩端的交流電壓最大值為3.5 V（如圖3），記下此時(shí)的光照度為219Luxes（會(huì)有略微的變化，記錄其中間值，如圖4所示）。然后開(kāi)關(guān)接b，接6 V穩(wěn)壓直流輸出，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器直到光照度再次十分接近219Luxes，通過(guò)電壓傳感器的數(shù)字顯示窗口讀出直流電壓為2.42 V（如圖5），也就是該交流電壓的有效值，記錄在表1中。共測(cè)量3組數(shù)據(jù)，可以求得Um/U的平均值為1.45，非常接近理論值。

這個(gè)時(shí)候讓學(xué)生講一講什么是交流電的有效值，他們可能講不完整，但大多能講出“相同電阻”“相同熱量”，因?yàn)樗麄兘?jīng)歷了探究的過(guò)程，真實(shí)地體驗(yàn)了“等效”。

3.2 ? ?探究正弦交流電半波整流后的有效值

學(xué)生電源的交流輸出通過(guò)一只二極管，將正弦交流電進(jìn)行半波整流，再接入開(kāi)關(guān)的a端，其簡(jiǎn)化電路圖如圖6所示。仔細(xì)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器，使得小燈泡兩端的交流最大值為5.0 V（如圖7），記下此時(shí)的光照度為205Luxes。然后改接6 V直流穩(wěn)壓輸出，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器直到光照度再次十分接近205Luxes，讀出直流電壓為2.42 V，也就是該交流電壓的有效值，記錄在表2中。共測(cè)量3組數(shù)據(jù)，可以求得Um/U的平均值為2.09，非常接近理論值2。

這個(gè)時(shí)候再理論計(jì)算，設(shè)該交流的最大值為Um、周期為T(mén)，有效值為U，電阻為R，直流電在一個(gè)周期內(nèi)產(chǎn)生的熱量Q=T，交流產(chǎn)生的熱量Q=?Q1，Q1是未整流的正弦電流在一個(gè)周期內(nèi)產(chǎn)生的熱量，所以Q1=T。從而解出U=。學(xué)生通過(guò)前面的實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程，體會(huì)了直流電與交流電在熱效應(yīng)上“等效”的思想，再進(jìn)行這里的計(jì)算，就要容易得多。

3.3 ? ?探究正弦交流電橋式整流后的有效值

利用四個(gè)二極管組成橋式整流電路，學(xué)生電源的交流輸出通過(guò)橋式整流，再接入電路，其簡(jiǎn)化電路圖如圖8所示。仔細(xì)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器，使得小燈泡兩端的交流最大值為3.5 V（如圖9），記下此時(shí)的光照度為180Luxes。然后改接6 V直流穩(wěn)壓輸出，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器直到光照度再次十分接近180Luxes，讀出直流電壓為2.41 V，也就是該交流電壓的有效值，記錄在表3中。共測(cè)量3組數(shù)據(jù)，可以求得Um/U的平均值為2.09，非常接近理論值2。

4 ? ?結(jié)束語(yǔ)

高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)要求：創(chuàng)設(shè)學(xué)生積極參與、樂(lè)于探究、善于實(shí)驗(yàn)、勤于思考的學(xué)習(xí)情境，培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。通過(guò)多樣化的教學(xué)方式，利用現(xiàn)代信息技術(shù)，引導(dǎo)學(xué)生理解物理學(xué)的本質(zhì)?，F(xiàn)在利用手機(jī)傳感器研究交流電的有效值，創(chuàng)設(shè)恰當(dāng)?shù)膶W(xué)習(xí)情境，讓學(xué)生真做實(shí)驗(yàn)、做真實(shí)驗(yàn)，真正地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，理解科學(xué)本質(zhì)，可以促進(jìn)科學(xué)探究核心素養(yǎng)的落實(shí)。

參考文獻(xiàn)：

[1]高宇.驗(yàn)證典型交變電流最大值和有效值關(guān)系的實(shí)驗(yàn)[J].物理教學(xué)探討，2019，37（8）：51-53.

[2]鄧靖武.以優(yōu)化實(shí)驗(yàn)為策略提升學(xué)生科學(xué)思維能力——以“交變電流有效值”的教學(xué)為例[J].物理教學(xué)，2018（7）：26-29.

（欄目編輯 ? ?王柏廬）