汽車發(fā)動機防浸水簡易報警器的設(shè)計和制作

蘇炳超

摘? ? 要：以STEM 為理念的物理教學，注重為學生提供真實且富有現(xiàn)實意義的問題情境，將科學、數(shù)學、技術(shù)和工程等知識相互融合，讓學生通過不同的學習方式，將知識進行整合，學以致用，從而培養(yǎng)其創(chuàng)新思維能力。文章以“汽車發(fā)動機防浸水簡易報警器”設(shè)計為例，將STEM 教學理念和中學物理知識相融合，旨在全面提升學生的核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：STEM;水位報警器;電磁感應(yīng)

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2020）9-0051-3

1? ? 關(guān)于STEM的理念

STEM是科學、技術(shù)、工程和數(shù)學英語首字母的縮寫，1986年由美國國家科學委員會首次提出。2016年11月中國教育學會在北京召開座談會指出，STEM的教育哲學是“以設(shè)計和探索為目的，并對技術(shù)問題解決進行科學的探索”。在物理教學中，為了貫徹這一理念，教師要善于開發(fā)與利用生活的教學素材，將STEM與科學探究有機結(jié)合，則能更好地發(fā)展學生的核心素養(yǎng)。對于中學生而言，多數(shù)學生已經(jīng)具備了一定的數(shù)學推理能力以及圖形設(shè)計能力，在面對一些生活或自然中的物理現(xiàn)象時，很多學生都會充滿好奇，尤其是與物理原理有關(guān)的生產(chǎn)實踐的應(yīng)用等。因此，作為一名物理教師，在教學中要將STEM教學理念、物理知識與生產(chǎn)生活中的應(yīng)用創(chuàng)新相聯(lián)系，這樣可以讓學生在全面掌握物理知識的同時，提升自己對知識的綜合運用。本文以生活中的汽車防浸水報警器為研究對象，讓學生嘗試將中學物理知識與生活相結(jié)合，設(shè)計一款簡單、實用性強的汽車防浸水報警器，培養(yǎng)其探究求知精神，提高動手實踐能力和創(chuàng)新思維。

2? ? 汽車防浸水報警器的研究現(xiàn)狀

眾所周知，發(fā)動機是汽車的心臟，其維護和保養(yǎng)關(guān)系著整輛車子的使用壽命。在日常生活中，很多城市常常因為降雨天氣出現(xiàn)內(nèi)澇，道路積水，有些司機在行駛過程中常常由于車輛未安裝防浸水輔助系統(tǒng)，對道路積水判斷有誤，造成發(fā)動機浸水，出現(xiàn)車輛損壞、人員被困的現(xiàn)象。如果在生活中能結(jié)合物理知識，利用水具有導(dǎo)電性，結(jié)合電流的磁效應(yīng)等，設(shè)計一款成本低、使用性能高的簡易水位報警器，則可以有效地避免司機在駕車行進中對道路積水誤判導(dǎo)致發(fā)動機浸水。

目前國內(nèi)外水位報警器種類繁多，只有極少數(shù)高級車輛配置涉水輔助系統(tǒng)，但大多數(shù)價格昂貴，維護和修理也不方便，很難普及。另外，有部分汽車是通過在車輛底部加裝液面高度傳感器來檢測積水深度，但這樣會減小車子的離地間隙，影響汽車通行，而且液面高度傳感器的使用安全性也不高。由此可見，設(shè)計一套性能優(yōu)良、維護簡單、運行可靠的水位報警器，具有非常大的現(xiàn)實意義。

雖然現(xiàn)在市場上也有些水位報警器價格便宜，但是其功能單一，體積較大，容易出現(xiàn)故障，且不適合改進，很難再拓展其他功能，比如鍋爐采用極點式，水塔采用浮球式，水槽采用壓力變送式，家用太陽能熱水器采用極點式或電阻變壓式等。綜合現(xiàn)有的水位報警器，從中學生現(xiàn)有的物理知識出發(fā)，讓學生動手設(shè)計一款使用方便、體積小、維護相對簡便、又能承載較大負載的水位報警器，具有廣闊的市場價值。

3? ? 汽車防浸水報警器的兩種改進方案

由于家用轎車的進氣口離地距離不低于70? cm，排氣口離地距離也在20 cm以上。如果汽車經(jīng)過積水較深的路面時，就會對三元催化裝置和消聲器造成損害，積水嚴重的甚至會造成排氣管、進氣管進水，出現(xiàn)發(fā)動機熄火、人員被困的現(xiàn)象。那么，如何對司機提前發(fā)出警報呢？下面設(shè)計兩種方案。

方案一：根據(jù)電流的磁效應(yīng)，設(shè)計一種簡單、實用的水位自動報警器，安裝在距離發(fā)動機進氣口1～2 cm處，模型如圖1所示。

當圖中水位不夠高時，電磁鐵線圈的A、B端金屬塊未接觸到水面，電路無法接通，沒有電流通過，電磁鐵和銜鐵之間沒有吸引力，因此，彈簧收縮緊拉銜鐵條，觸點K端與H端相接觸，此時綠燈亮，紅燈不亮。若水位上升到與金屬A、B端接觸時，由于水具有導(dǎo)電性，此時電流經(jīng)金屬塊A、B及水流傳導(dǎo)，使電源和電磁鐵線圈構(gòu)成回路。電磁鐵線圈中只要有微弱的控制電流通過，就能吸引銜鐵使觸點K與L端接在一起，此時紅燈亮，綠燈熄滅。當司機發(fā)現(xiàn)紅燈亮時，就可停止前行，或者在不停車、不換擋、油門不回收的前提下，保證車輛慢速行駛。就算排氣管淹沒在水中也不會從這里進水的，因為大量的氣體從排氣管排出，被排出的氣壓遠遠高于水壓 （在水位不是很深的情況下），這樣就阻止了水浸入發(fā)動機。但若在判斷不了前方積水深度時，就不能貿(mào)然前行?？上萝嚥榭捶e水情況，如果積水太深，在倒車時應(yīng)該換低擋，踩中高油門勻速通過。不能快速行駛濺起大浪或水花，因為車輛高速行駛時會在車頭形成水墻，使得車頭水位增加，沒過進氣口引起熄火。另外，形成的波浪還會使周圍的車子或迎面來的車子也面臨相同的危險，給那些真正懂得如何通過的車主造成損失。

方案二：利用水會導(dǎo)電的原理，通過安裝簡易電路來設(shè)計水位報警器。如圖2所示，在汽車底盤的排氣管處安裝一個圖示電路，在管口處焊接一根管道，當管中沒有水位或者水位低時，鍍有金屬漆的泡沫小球在重力作用下沒有與金屬A、B接觸，電路未導(dǎo)通，蜂鳴器不工作，二極管指示燈也不亮;當管中水位上升，鍍有金屬漆的小球也隨之上升，與金屬A、B端接觸時，電路導(dǎo)通，指示燈發(fā)光，蜂鳴器發(fā)出聲音，表明現(xiàn)在處于危險水位，提前對司機發(fā)出預(yù)警。

這種設(shè)計采用浮力技術(shù)，如圖3實物電路連接所示。方案一利用電磁鐵及水的導(dǎo)電性，但由于水的電阻較大，當電壓較小或金屬片A、B相距較遠時，電路中的電流小，用電器可能無法正常工作。而該方案恰恰杜絕了此類情況的發(fā)生，工作電流也更加穩(wěn)定。另外，鍍有金屬漆的小球放在管中，可以有效避免車輛行駛引起水花濺起造成A、B金屬端導(dǎo)電發(fā)出錯誤報警。當然，該裝備在平時使用時也要注意維護，要置于干燥處，以防小球表面生銹而降低靈敏度。另外，為避免水進入管中，造成電路導(dǎo)通，燒毀儀器，在不工作時也要關(guān)閉電源。

4? ? 結(jié)束語

總而言之，當汽車在路上行駛經(jīng)過水位比較高的低洼地段時，如果在排氣孔位置沒有安裝水位檢測裝置，貿(mào)然前行，就很容易發(fā)生排氣管進水的狀況，損壞發(fā)動機?，F(xiàn)在有些司機是通過水沒過車輪的深度來判斷水位，但是這并不能準確地了解車輛是否能夠安全通過。而本文兩種汽車底盤水位報警器的設(shè)計都遵循創(chuàng)新、經(jīng)濟、實用、環(huán)保的原則，取材容易、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便，能夠有效地對車輛底盤處的水位進行報警，實現(xiàn)系統(tǒng)預(yù)警功能，有較好的市場開發(fā)價值。

當前，隨著新課改的不斷推進，物理科學探究受到了師生的高度重視。在STEM 教育理念的指引下，如果能讓學生將物理知識與生活生產(chǎn)中的應(yīng)用相融合，創(chuàng)新設(shè)計，就能更好地激發(fā)學生的學習熱情和自主性，使其學習物理的積極性變得更高。

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（欄目編輯? ? 王柏廬）