“电动向日葵”——传感器演示实验自制教具

张海军 许炎桥

（1.浙江省宁波效实中学，浙江 宁波 315012；2.宁波市学校装备管理与电化教育中心，浙江 宁波 315012）

浙江省高考理综物理部分对“传感器”章节只要求传感器的简单应用，但传感器的内容在生活中有很多的应用，如路灯、火灾报警器等等.这些与我们的生活密不可分，所以对培养学生学习物理的兴趣和热爱生活会起到很大帮助作用.因此，笔者在本章节新课引入时自制了一套教具，以更好地激发学生对传感器学习的兴趣和对物理的热情.

1 实验过程展示

电源接通开始实验，电动机工作带动太阳能电池板转动，与太阳能电池板相连的灵敏电流计的指针有一定的偏转.当太阳能电池板转到与太阳（笔者上课时用手电筒模拟太阳）光线正对时，电动机停止工作，与太阳能电池板相连的灵敏电流计指针偏角达到最大.改变太阳光线直射的方向，电动机开始工作带动太阳能电池板转动，当太阳能电池板转到与光线直射方向正对时电动机停止，灵敏电流计指针偏到最大.再次改变太阳光线直射方向，电动机会再次工作，不断地带动太阳能电池板寻找太阳光线直射的位置，像向日葵一样，所以本实验教具笔者取名为“电动向日葵”，如图1所示.

图1

2 实验原理简介

图2

电路的电源由4节干电池提供，整个电路安装在面包板上.主要的工作原理如图2所示，此原理图是由“第3节实验传感器的应用”中的蜂鸣器实验原理图（人教版高中《物理》选修3－2第63页图乙）改装而来.将蜂鸣器换作电动机，太阳能电池板被安装在与电动机相连的基座上，基座下方实质上就是一个“万向”开关，而开关与面包板上的工作电路以及电动机组成闭合回路.电动机是否工作是通过控制电路来实现的，在控制电路中起到控制作用的是光敏电阻（如图3所示），将光敏电阻受光面与太阳能电池板受光面平行，为了减少杂光的干扰，用黑纸卷成管状，套在光敏电阻上.因为光敏电阻的朝向与太阳能电池板的朝向一致，所以太阳光线直射到太阳能电池板上时，也是太阳光线直射光敏电阻的时候，此时光敏电阻的阻值最小进而使面包板上的控制电路（如图2所示）中非门的输入端A为低电位，根据非门特性输出端Y为高电位，此时继电器J不工作，开关S断开，所以电动机停止工作太阳能电池板定位在与太阳光线直射的位置.相反地，当光线没有直射到太阳能电池板时也就意味着没有直射到光敏电阻，光敏电阻的阻值较大，非门的输入端A为高电位，输出端Y为低电位，因此继电器J工作，开关S闭合，电动机工作带动太阳能电池板转动寻找光线直射的位置.

图3

3 实验难点

因为实验原理图主要取自教材，所以原理还是简单的，但具体实现太阳光的自动追踪和演示时有以下3个难点.

3.1 继电器灵敏度调节

从理论上讲，只要继电器的两端有一定的电压就能使继电器工作，但实际情况是此电压应该达到多少就可以触发继电器工作呢？同时，继电器触发后也要能够断开.也就是电压低到一定值以后它又要会停止工作而断开开关.在这个问题中用来控制继电器两端电压值的其实是光敏电阻和微型电位器的阻值.假设光照强度基本不变的情况下光敏电阻在光线直射时电阻值是一定的，那么只需要调节微型电位器的阻值达到一定的比例后就能触发继电器.因此笔者经过百来次的尝试终于找到了触发的临界点，微型电位器阻值控制在约3kΩ.因为所用光敏电阻、微型电位器（型号W503），用螺丝刀稍微调微型电位器后其阻值变化会比较明显，一旦没调到临界点继电器要么不触发要么触发后无法停止.所以笔者尝试了多次才确定，有时候可以触发，但很难重复操作，这是笔者整个实验制作时最困难的地方.

3.2 光敏电阻转动时绕线的解决

太阳能电池板通过电动机带动，而太阳能电池板的朝向其实是通过光敏电阻反映的，所以当太阳能电池板转动时光敏电阻也要一起转动，这样光敏电阻在接入电路的状态下一旦转动起来就会存在绕线问题.笔者借鉴工程上的做法用万向开关解决绕线问题，如图4所示，太阳能电池板固定在白色塑料板上，白色塑料板中心有一小孔用来连接电动机，而在塑料板的两端各有一对金属触片与基板接触，转动时可以让光敏电阻始终与电路相通.

图4

3.3 太阳光入射角度对太阳能电池板输出效率的影响

如何直观地展示太阳光入射角度对太阳能利用率的影响呢？其实这是本实验教具制作的目的之一，太阳能作为清洁能源有很广泛的应用前景，但是现在很大的问题在于太阳能的利用率不高，而当太阳光线直射在太阳能电池板上时会使太阳能利用率有比较显著的提高，所以制作一定的仪器让太阳能电池板始终正对太阳光线是十分有必要的.而作为教学用具如何让学生看到太阳光线入射角度变化时所带来的影响呢？笔者用灵敏电流计与太阳能电池板相连，当有太阳光线照射时太阳能电池板就可以把太阳能转化为电能储存起来.太阳光线越强，转化的电能越多；太阳光线越是正对入射，转化的电能也越多.所以用灵敏电流计与太阳能电池板相连后构成了工作回路就有电流通过灵敏电流计，用指针偏转的角度可以反映出电流的大小进而反映太阳能电池板储存的电能的多少以及太阳光线是否正对入射对太阳能利用的影响.在此同样用到万向开关使太阳能电池板与灵敏电流计相连，解决绕线问题.实验时笔者发现太阳光线非正对入射时，灵敏电流计指示电流值最小20μA，最大200μA；正对入射时，灵敏电流计指示电流值为400μA.

4 实验效果

笔者在上传感器的内容时用此实验教具作为引入，收到了非常好的课堂效果.虽然教具制作得不是很大，但灵敏电流计和太阳能电池板等主要的展示部分学生可以比较清楚地辨识.同时对实验过程中的细微变化学生可以比较直观地看到，譬如光线是否直射到太阳能电池板上、灵敏电流计的指针是否偏转、太阳能电池板是否转动等等.另一方面，此实验教具可以让学生体验物理与我们的生活紧密相连，为我们的生活带来很大的方便，为能源的有效利用提供有力的支持.相信这样的自制教具可以让学生体会到有趣而真实的物理.