结合通用技术课程 促进物理教学①——以“电容器在延时电路中的应用”为例

赵冬卿

(南京师范大学附属中学，江苏 南京 210003)

1 前言

电容器因其独特的充放电特性在电子电路设计中得到了广泛应用，隔直流、延时、滤波、耦合、旁路等都是电容器的常见应用。高中物理教学对于电容器的应用重点为：在平行板电容器中产生电场，与磁场结合从而影响电子在电磁场中的运动，而对于电容器最基本的充放电特性在电子电路中的实际应用却鲜有涉及，导致学生对于电容器的理解停留在抽象的概念层面，难以应用电容器设计电路。

通用技术选修教材《电子控制技术》为以上问题的解决提供了很好的思路，该教材介绍了二极管、三极管等半导体元件的工作原理和典型应用。[1]物理教学可以适当取材、合理运用，设计出有关电容器实际应用的案例，为学生进一步理解和运用电容器打下基础，激发学生学以致用的热情，提高学生的科技创新能力。笔者设计了“电容器在延时电路中的应用”一课，希望以此为例抛砖引玉。

2 “电容器在延时电路中的应用”教学设计

2.1 引出电容器的延时作用

学习过电容器之后，学生都知道了电容器可以充电也可以放电，此时教师可以引导学生进一步思考：既然充电和放电都不可能在瞬间完成，那么电容器充放电需要时间的这个现象可以有什么应用呢？以此引出电容器的延时作用。

2.2 理解电容器延时的原理

为了让学生直观地看到电容器在电路中起到的延时效果，教师可以设计、制作对比演示电路(图1)。

图1

首先，断开S2，闭合S1，学生能够看到发光二极管被点亮；然后断开S1，将S2闭合，再闭合S1，这时能够观察到发光二极管过一段时间后才被点亮，此时延时的效果就出现了。接下来，教师可以根据这个现象带领学生思考：电容器是如何起到延时作用的？引导学生理解延时产生的原理。

由于S2闭合时，发光二极管和电容器并联，其两端的电压与电容器两端的电压相等。发光二极管要被点亮，它两端的电压必须达到一定的数值，这就需要电容器被充电到相同的电压值，而电容器被充电到该电压值需要一定的时间，这就造成了发光二极管在电容器的充电阶段由于电压不够而不能被点亮，只有当电容器充电一段时间后，两端电压达到了发光二极管点亮所需要的电压，发光二极管才能点亮，这就产生了延时点亮的效果。

为了让延时现象明显、直观，教师设计电路时，可以选用大一点的电容器和电阻，使电容器的充电时间变长，使用的元件和参数如下：高亮二极管灯珠、电阻(1.5kΩ)、电容器(1500μF 16V)、直流电源(4.5V)。

2.3 设计延时电路

根据上述的实验演示，教师可以引导学生设计延时电路，将有导通门槛电压的半导体元件与电容器相结合，利用电容器的充放电控制半导体元件的导通时间，从而达到延时开启或延时关闭的目的，笔者利用三极管和电容器分别设计了“触摸延时亮灯”和“触摸延时关灯”两个电路，并用于教学。

2.3.1 “触摸延时亮灯”电路设计

在通用技术课中，学生已经理解了三极管的工作原理以及三极管的放大和开关特性，因此笔者先用三极管设计了一个“触摸关灯”电路(图2)。

图2

当手没有触摸VT1基极时，由于VT1、VT2均未导通，因此VT3基极为高电位，符合导通条件，因此VT3导通，发光二极管点亮，当手触摸VT1基极之后，VT1、VT2相继导通，VT3由于基极电位被拉低而截止，发光二极管熄灭，因此该电路有触摸关灯的效果。

在理解上述电路的基础上，请学生思考：该电路能够实现触摸关灯的功能，但只有在手触摸的时候灯才会关闭，手一离开，灯就会立刻点亮，应用性较差，我们能否让灯在手离开之后继续保持一段时间的熄灭状态，然后再自动点亮呢？

通过对这个问题的思考，学生自主设计思路，要使电路能保持一段时间的熄灯状态，即延迟发光二极管的点亮，只要利用电容器的充电特性延迟VT3的导通即可，学生想到在VT3的基极和发射极之间并联一个电容器(图3)。此时，当手触摸VT1的基极，VT1、VT2导通，电容器通过VT2支路放电，VT3也因基极电位被拉低而截止，发光二极管熄灭。当手离开后，VT1、VT2截止，电容器通过R2支路充电，电容器两端电压缓慢升高，在没有达到VT3导通电压之前，VT3保持截止状态，因而发光二极管也保持熄灭状态，只有当电容器充电一段时间后，其两端电压达到了VT3导通的电压，使VT3导通，发光二极管才被点亮，从而实现了触摸后延时亮灯的功能。实验中使用的元件和参数如下：直流电源(4.5V)、发光二极管(压降为2V)、电阻R1(100Ω)、电阻R2(510kΩ)、电阻R3(100Ω)、电容器(47μF)、三极管(S8050)。

图3

2.3.2 “触摸延时关灯”电路设计

在“触摸延时亮灯”电路的基础上，笔者又请学生继续思考：能否再加一个三极管来实现触摸延时关灯的功能？要能够延时关灯，需使灯能保持住一段时间的点亮状态。从图3电路可知：加上电容器之后VT3会延迟导通，这样，只要利用VT3保持截止状态时让下一个三极管导通即可，通过教师的引导，学生设计出了如图4所示的电路。当手触摸触摸VT1的基极时，电容器迅速放电，使得VT3截止，VT4基极电位被拉高因而导通，发光二极管点亮。在电容器充电的过程中，VT3保持截止状态，因此发光二极管能持续发光。当电容器充电一段时间后，VT3导通，VT4就因基极电位被拉低而截止，发光二极管熄灭，从而实现了触摸延时关灯的功能。实验中使用的元件和参数如下：直流电源(4.5V)、发光二极管(压降为2V)、电阻R1(100Ω)、电阻R2(510kΩ)、电阻R3(51kΩ)、电阻R4(100Ω)、电容器(47μF)、三极管(S8050)。

图4

3 结语

“触摸延时”电路有一定的趣味性，学生设计出电路之后，可以结合通用技术课，让他们自己动手搭建电路和实验，当实验获得成功后，学生会很开心，学以致用的喜悦感和成就感能够进一步激发学生对物理学习和动手实践的兴趣，有利于加深学生对物理原理的认识，提高实践创新能力。