光电传感器的实验探究教学设计*

赵振宇

(哈尔滨师范大学 黑龙江 哈尔滨 150025)

1 设计思想

在新人教版高中《物理·选修3-2》教材中，第六章“传感器”学习过程中，设计成用实验探究，通过下发学习任务单、设计问题与操作方案、实验探究、制作作品及作品展示等来完成学习任务，充分调动了学生的主动性与积极性，增强了主体意识、创新意识，提高了学生动手实践能力，促进技能的形成，激发学习兴趣，培养良好的科学态度.

2 学习目标

(1)知识与技能.知道非电学量转换成电学量的技术意义；通过实验，知道光电传感器的工作原理及应用；能分析、设计、制作简单的光电传感器.

(2)过程与方法.通过对演示实验的观察、思考和探究，让学生知道光电传感器,熟悉光电传感器工作原理；让学生组装和调试光电传感器，经历科学探究过程，学习科学研究方法，培养学生的实践能力、团队合作能力和创新思维能力 .

(3)情感态度与价值观.通过自己设计、制作简单的光电传感器，体验科技创新的乐趣，体会到传感器在生活、生产和科技中的理论意义和实践意义，意识到物理规律在现实生活中的重要作用，激发学习物理的兴趣.

3 学习任务

任务1:检测光敏元件的特点(光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、硅光电池).

任务2:测试光信号转变为电信号.

任务3:制作开关式光电传感器.

任务4:制作光电开关控制照明灯.

4 问题与方案

通过阅读教材与实验探究完成以下问题：

(1)什么是传感器？有何作用?(2)光敏电阻受到光照时,电阻会发生怎样变化？(3)光敏二极管受到光照时，反向电阻阻值如何变化？(4)光电池受光照时输出电压、光电流如何变化？(5)光敏元件在控制电路中起什么作用？(6)设计光电传感器控制电路.

5 探究过程

5.1 熟悉器材

将元器件拓展到三极管、逻辑非门、面包板，使所设计电路具有集成电路的特点，与生活中自动控制电路相同.

具体器材如下：光敏元件(光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光电池)，可调直流稳压电源，负载包括电位器、定值电阻、12 V或6 V直流电动机、蜂鸣器、小灯泡、各种颜色的高亮度发光二极管(LED)、SRD-05V或JZC-23F(12 V)的直流电磁继电器、白炽灯等，ZDS-10型照度计，MF-47型万用表、数字万用表DT830B，逻辑非门74LS14或74LS04，光源(日光灯、白光手电等)，三极管(S9013,S9018,S8050等)，面包板等.

通过所给实物，让学生认识、熟悉实验器材，知道所给元器件的工作原理和使用方法.

认识光敏元件外形和构造，会识别发光二极管、光敏二极管、光电池、蜂鸣器的正负极.光敏二极管要反向接入电路中，即P极(长引脚)接电源负极，N极(短引脚)接电源正极;发光二极管、蜂鸣器要正向接入电路中，当直流电压达到3～6 V时会发出鸣叫声.三极管把微弱电流信号进行放大;硅光敏三极管只有发射极和集电极两条电极引线.有光照射时，光敏二极管产生光电流而导通，其开关特性比光敏电阻好，使传感器电路工作更可靠；当光线照射在光敏三极管集电结上时，产生反向漏电流，其可以控制光敏三极管的集电极电流有较大变化，因此,灵敏度比光敏二极管高.继电器线圈电压达到额定电压80%以上时,线圈得电就吸合，触点就动做，低于吸合电压的50%时，线圈失电，触点释放复位.74LS04六反相器，当输入端为高电平，输出为低电平，输出总是输入的否定.

5.2 实验探究

5.2.1 检测光敏元件的特点

改变光照度，用万用表电阻挡测光敏电阻、光敏二极管的阻值，得出光照时电阻变小，暗电阻较大(兆欧数量级).

改变光照度，用数字万用表电压毫伏挡测光电池开路电压，即输出电压，得出光照度增大时，电压增加，当光照度达到一定值时，电压就不增加了，即强光下最大输出电压为0.5 V左右.

5.2.2 测试光信号转变为电信号

图1

学生设计电路图，参考如图1所示电路，所用器材包括6 V电源，发光二极管(小灯泡、蜂鸣器等)，光敏电阻.用光照射光敏电阻时，二极管发光，电流表示数增大，挡光后，二极管不发光.在图1中用光敏二极管替代光敏电阻，电源取3 V，也得出相同结论，制作了简易的光电传感器，实现了光信号转换成电信号.

5.2.3 制作开关式光电传感器

(1)制作光电报警器

培养学生设计创新能力，关键是利用光敏元件的特性和继电器启闭工作电路的作用进行设计.参考电路如图2所示，B为蜂鸣器，红、绿小灯泡(粘上红、绿纸)电压为12 V,0.1 A， 根据负载选取电源电压(12 V左右)，J和Ja是同一个元件即为继电器(12 V)，J为线圈，Ja为一对触点.本电路工作过程是有光照射光敏电阻时，线圈电压增加达到12 V，触点动做吸合，Ja与绿灯相接，绿灯亮；没有光时，光敏电阻阻值增加，线圈失电，触点释放复位，蜂鸣器发声报警，红灯亮，和防盗报警器相同，当有人阻隔了红外线时，报警器报警.

图2

(2)演示3种光敏元件制成的光控开关

在学生探究的基础上，进一步直观感知光电传感器的工作原理与应用，又设计制作了如图3的演示教具，将电路焊接后，固定在KT板上，开关1分别与光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管相接，制作了3种光电开关.

图3

在图3中采用分压偏置电路，上偏置由光敏元件与R1串联，R1防止光敏元件光照度增强时超过其额定功率及限制VT基极电流过大，R2下偏置电阻，使光敏元件开关电路可靠的工作.R1及R2可用电位器，阻值为2.2 kΩ，R3在300～500 Ω.在光照度为400 Lx时，电源电压在4～6 V，发光二极管采用各种颜色都可以.

电路连接完成后，调试R1，R2，使R1在500 Ω～1 kΩ，R2在1～2 kΩ，使二极管端电压为2～2.5 V，二极管就正常发光.

实验时，用黑笔帽罩住光敏元件，二极管不发光，移去遮光物时，发光二极管点亮，光照度增加时二极管发光更强，灵敏度高，可见度大，形象直观，较好地演示了光电传感器工作原理及光电开关的应用.

5.2.4 制作光电开关控制照明灯

学生探究了有光照射光敏元件时灯亮，没有光时灯不亮，现在探究相反的结果，各小组设计生活中路灯控制电路.

(1)光敏电阻与继电器制作的路灯控制电路

参考电路如图4所示，电路的工作过程：白天有光照射时，光敏电阻的阻值减小，电流增大，电磁铁把衔铁吸下，使常闭触点断开，切断白炽灯电路；夜晚时，光敏电阻的阻值增大，电流减小，衔铁释放复位使Ja闭合灯亮.

图4

(2)光敏电阻、继电器与三极管制作的路灯控制电路

图5

参考电路如图5所示，图5(a)中J为5 V继电器的线圈，其为集电极电阻，两端电压为4.5～5.0 V，达到动做电压，其他元件参数及电源电压和图3相同，图5(b)为控制电路，Ja为继电器常闭触点，没有光照射时，白炽灯亮，有光照射时白炽灯熄灭，和生活中路灯控制电路相同.

(3)光敏电阻、非门制作的模拟路灯控制电路

参考电路如图6所示，R电位器(10 kΩ)或电阻箱，RG光敏电阻，74LS04非门，D发光二极管，首先,按图将元件插接在面包板上，接通电源电压为5 V，用黑色不透光笔帽罩住光敏电阻，调节电位器阻值(8～10 kΩ)直到二极管发光，再移去遮光物时，发光二极管熄灭，模拟了路灯天明熄灭，天暗自动开启，效果好，灵敏度非常高.

图6

本电路工作过程：白天，光强较大，光敏电阻RG阻值较小，加在非门输入端A为低电平，输出端Y输出高电平，发光二极管不导通，不亮.晚间，光敏电阻RG电阻增大，非门输入端A电平升高，输出端Y输出为低电平，发光二极管导通(2.3 V)，发光.

6 探究结果

各小组总结分析探究结果，包括问题、方案的可操作性、作品的灵敏度、作品展示与收藏，学生通过实验探究轻松地得出“问题与方案”中的答案，而且印象深,能应用.对于电路设计的方案，通过实验探究得出光敏电阻与直流电磁继电器设计的光控电路，效果不明显，光电流较小，继电器线圈电压最高2.3 V，只发出吱吱响声，触点不动做，不能控制工作电路，得用电流信号放大器将光电流放大后，再接继电器线圈，其才能工作.在图5路灯控制电路中，用三极管将光电流放大后，驱动电磁继电器工作，才能控制工作电路.

在成品展示中，效果最好是图5路灯控制电路与图6模拟路灯控制电路，灵敏度高，可见度大，可用于课堂教学永久性的演示教具.