结合通用技术课程 促进学以致用——以“水箱自动补水装置”为例

(南京师范大学附属中学,江苏 南京 210003)

“水箱自动补水装置”或“水位自动控制装置”常常会出现在物理教材、习题所创设的情境中，提及这类“自动化”装置的制作时，人们往往会想到需要用水位传感器、计算机等复杂的设备。笔者选用简单的电子元器件，带领学生制作了一款“水箱自动补水装置”，该装置原理简单、成本低廉，演示效果好，其中使用的电子元器件均是学生在物理课或通用技术课中学习过的。使用该装置进行教学，可以揭开“自动化”装置的“神秘面纱”，让学生恍然大悟，意识到他们已有的知识完全可以设计出类似的甚至更高级的“自动化”装置，从而激发学生动手制作的兴趣和欲望，激活学生头脑中的物理知识，进而达到学以致用的目标。

1 “水箱自动补水装置”功能介绍

图1为一个深度为40cm左右的水箱，A点为水箱口，C点为水箱底，B点为水箱中下部的一个位置。当水箱中的水位从A点下降到B点时装置能够自动给水箱补水，当水位上升到A点时停止补水。

图1

2 “水箱自动补水装置”设计思路

(1) 将具体事物抽象为物理模型。水是导体，可以导电，有一定的电阻。当水满的时候，即水位在A点时，可以把AB之间的水看作一个电阻RAB，BC之间的水看作另一个电阻RBC，即AB、BC均为通路；当水位下降，处于AB之间时，可以认为AB之间断路，BC之间的水仍然为电阻RBC，即BC为通路；等到水位一直下降到B以下时，AB、BC均为断路。

(2) 根据需求形成逻辑工作表(表1)。

表1

(3) 选择电子元件。首先，可以将AB、BC的通断作为控制电路的控制动作，水泵的工作与否作为工作电路的结果，因此，需要继电器将控制电路和工作电路联系起来。其次，当AB为通路时，经过测量，AB之间水的电阻约为20kΩ，如果直接与继电器的线圈部分串联，会导致电流太小，尽管是通路也无法使继电器顺利吸合，因此需要使用三极管。其三，AB断路之后，水泵要能继续工作，什么元件在信号停止之后还能继续保持导通呢？很自然会想到可控硅。

(4)设计并制作电路。电路设计如图2所示，实物如图3所示。

图2

图3

3 “水箱自动补水装置”的工作原理

制作“水箱自动补水装置”所需元器件的型号及参数等如表2所示。

表2

如图2所示，当水满的时候，AB之间相当于接入了一个电阻，形成通路，VT1导通，J1吸合；同理，BC之间也相当于接入一个电阻，形成通路，VT2导通，J2吸合，因此，R和J3所在的支路均为断路，J3不吸合，水泵不工作。当水位下降、位于AB之间时，AB为断路，VT1截止，J1释放，但由于VT2仍然导通，J2仍保持吸合状态，所以可控硅没有触发信号，无法导通，因此J3仍不吸合，水泵仍不工作。当水位继续下降到B以下时，BC之间断路，VT2截止，J2释放，于是可控硅被触发，J3吸合，水泵开始工作。当水位回升、超过B时，BC形成通路，使VT2导通，J2吸合，可控硅的控制端断开，但是仍然维持导通状态，使水泵能持续工作。当水位达到A时，VT1导通，J1吸合，可控硅所在的支路断电，可控硅截止，J3释放，水泵停止工作。

4 应用及意义

“水箱自动补水装置”可用于高中电路部分的教学，可以作为演示电路，也可以结合通用技术课程，让学生亲手制作。通过该装置的设计与制作，学生能完整体验实际问题的解决过程，加深对物理知识的理解，同时提升学生的物理建模和抽象思维能力、电子电路的设计和应用能力、实践创新能力。