光電傳感器的實驗探究教學設計*

趙振宇

(哈爾濱師范大學 黑龍江 哈爾濱 150025)

1 設計思想

在新人教版高中《物理·選修3-2》教材中，第六章“傳感器”學習過程中，設計成用實驗探究，通過下發學習任務單、設計問題與操作方案、實驗探究、制作作品及作品展示等來完成學習任務，充分調動了學生的主動性與積極性，增強了主體意識、創新意識，提高了學生動手實踐能力，促進技能的形成，激發學習興趣，培養良好的科學態度.

2 學習目標

(1)知識與技能.知道非電學量轉換成電學量的技術意義；通過實驗，知道光電傳感器的工作原理及應用；能分析、設計、制作簡單的光電傳感器.

(2)過程與方法.通過對演示實驗的觀察、思考和探究，讓學生知道光電傳感器,熟悉光電傳感器工作原理；讓學生組裝和調試光電傳感器，經歷科學探究過程，學習科學研究方法，培養學生的實踐能力、團隊合作能力和創新思維能力 .

(3)情感態度與價值觀.通過自己設計、制作簡單的光電傳感器，體驗科技創新的樂趣，體會到傳感器在生活、生產和科技中的理論意義和實踐意義，意識到物理規律在現實生活中的重要作用，激發學習物理的興趣.

3 學習任務

任務1:檢測光敏元件的特點(光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管、硅光電池).

任務2:測試光信號轉變為電信號.

任務3:制作開關式光電傳感器.

任務4:制作光電開關控制照明燈.

4 問題與方案

通過閱讀教材與實驗探究完成以下問題：

(1)什么是傳感器？有何作用?(2)光敏電阻受到光照時,電阻會發生怎樣變化？(3)光敏二極管受到光照時，反向電阻阻值如何變化？(4)光電池受光照時輸出電壓、光電流如何變化？(5)光敏元件在控制電路中起什么作用？(6)設計光電傳感器控制電路.

5 探究過程

5.1 熟悉器材

將元器件拓展到三極管、邏輯非門、面包板，使所設計電路具有集成電路的特點，與生活中自動控制電路相同.

具體器材如下：光敏元件(光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管、光電池)，可調直流穩壓電源，負載包括電位器、定值電阻、12 V或6 V直流電動機、蜂鳴器、小燈泡、各種顏色的高亮度發光二極管(LED)、SRD-05V或JZC-23F(12 V)的直流電磁繼電器、白熾燈等，ZDS-10型照度計，MF-47型萬用表、數字萬用表DT830B，邏輯非門74LS14或74LS04，光源(日光燈、白光手電等)，三極管(S9013,S9018,S8050等)，面包板等.

通過所給實物，讓學生認識、熟悉實驗器材，知道所給元器件的工作原理和使用方法.

認識光敏元件外形和構造，會識別發光二極管、光敏二極管、光電池、蜂鳴器的正負極.光敏二極管要反向接入電路中，即P極(長引腳)接電源負極，N極(短引腳)接電源正極;發光二極管、蜂鳴器要正向接入電路中，當直流電壓達到3～6 V時會發出鳴叫聲.三極管把微弱電流信號進行放大;硅光敏三極管只有發射極和集電極兩條電極引線.有光照射時，光敏二極管產生光電流而導通，其開關特性比光敏電阻好，使傳感器電路工作更可靠；當光線照射在光敏三極管集電結上時，產生反向漏電流，其可以控制光敏三極管的集電極電流有較大變化，因此,靈敏度比光敏二極管高.繼電器線圈電壓達到額定電壓80%以上時,線圈得電就吸合，觸點就動做，低于吸合電壓的50%時，線圈失電，觸點釋放復位.74LS04六反相器，當輸入端為高電平，輸出為低電平，輸出總是輸入的否定.

5.2 實驗探究

5.2.1 檢測光敏元件的特點

改變光照度，用萬用表電阻擋測光敏電阻、光敏二極管的阻值，得出光照時電阻變小，暗電阻較大(兆歐數量級).

改變光照度，用數字萬用表電壓毫伏擋測光電池開路電壓，即輸出電壓，得出光照度增大時，電壓增加，當光照度達到一定值時，電壓就不增加了，即強光下最大輸出電壓為0.5 V左右.

5.2.2 測試光信號轉變為電信號

圖1

學生設計電路圖，參考如圖1所示電路，所用器材包括6 V電源，發光二極管(小燈泡、蜂鳴器等)，光敏電阻.用光照射光敏電阻時，二極管發光，電流表示數增大，擋光后，二極管不發光.在圖1中用光敏二極管替代光敏電阻，電源取3 V，也得出相同結論，制作了簡易的光電傳感器，實現了光信號轉換成電信號.

5.2.3 制作開關式光電傳感器

(1)制作光電報警器

培養學生設計創新能力，關鍵是利用光敏元件的特性和繼電器啟閉工作電路的作用進行設計.參考電路如圖2所示，B為蜂鳴器，紅、綠小燈泡(粘上紅、綠紙)電壓為12 V,0.1 A， 根據負載選取電源電壓(12 V左右)，J和Ja是同一個元件即為繼電器(12 V)，J為線圈，Ja為一對觸點.本電路工作過程是有光照射光敏電阻時，線圈電壓增加達到12 V，觸點動做吸合，Ja與綠燈相接，綠燈亮；沒有光時，光敏電阻阻值增加，線圈失電，觸點釋放復位，蜂鳴器發聲報警，紅燈亮，和防盜報警器相同，當有人阻隔了紅外線時，報警器報警.

圖2

(2)演示3種光敏元件制成的光控開關

在學生探究的基礎上，進一步直觀感知光電傳感器的工作原理與應用，又設計制作了如圖3的演示教具，將電路焊接后，固定在KT板上，開關1分別與光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管相接，制作了3種光電開關.

圖3

在圖3中采用分壓偏置電路，上偏置由光敏元件與R1串聯，R1防止光敏元件光照度增強時超過其額定功率及限制VT基極電流過大，R2下偏置電阻，使光敏元件開關電路可靠的工作.R1及R2可用電位器，阻值為2.2 kΩ，R3在300～500 Ω.在光照度為400 Lx時，電源電壓在4～6 V，發光二極管采用各種顏色都可以.

電路連接完成后，調試R1，R2，使R1在500 Ω～1 kΩ，R2在1～2 kΩ，使二極管端電壓為2～2.5 V，二極管就正常發光.

實驗時，用黑筆帽罩住光敏元件，二極管不發光，移去遮光物時，發光二極管點亮，光照度增加時二極管發光更強，靈敏度高，可見度大，形象直觀，較好地演示了光電傳感器工作原理及光電開關的應用.

5.2.4 制作光電開關控制照明燈

學生探究了有光照射光敏元件時燈亮，沒有光時燈不亮，現在探究相反的結果，各小組設計生活中路燈控制電路.

(1)光敏電阻與繼電器制作的路燈控制電路

參考電路如圖4所示，電路的工作過程：白天有光照射時，光敏電阻的阻值減小，電流增大，電磁鐵把銜鐵吸下，使常閉觸點斷開，切斷白熾燈電路；夜晚時，光敏電阻的阻值增大，電流減小，銜鐵釋放復位使Ja閉合燈亮.

圖4

(2)光敏電阻、繼電器與三極管制作的路燈控制電路

圖5

參考電路如圖5所示，圖5(a)中J為5 V繼電器的線圈，其為集電極電阻，兩端電壓為4.5～5.0 V，達到動做電壓，其他元件參數及電源電壓和圖3相同，圖5(b)為控制電路，Ja為繼電器常閉觸點，沒有光照射時，白熾燈亮，有光照射時白熾燈熄滅，和生活中路燈控制電路相同.

(3)光敏電阻、非門制作的模擬路燈控制電路

參考電路如圖6所示，R電位器(10 kΩ)或電阻箱，RG光敏電阻，74LS04非門，D發光二極管，首先,按圖將元件插接在面包板上，接通電源電壓為5 V，用黑色不透光筆帽罩住光敏電阻，調節電位器阻值(8～10 kΩ)直到二極管發光，再移去遮光物時，發光二極管熄滅，模擬了路燈天明熄滅，天暗自動開啟，效果好，靈敏度非常高.

圖6

本電路工作過程：白天，光強較大，光敏電阻RG阻值較小，加在非門輸入端A為低電平，輸出端Y輸出高電平，發光二極管不導通，不亮.晚間，光敏電阻RG電阻增大，非門輸入端A電平升高，輸出端Y輸出為低電平，發光二極管導通(2.3 V)，發光.

6 探究結果

各小組總結分析探究結果，包括問題、方案的可操作性、作品的靈敏度、作品展示與收藏，學生通過實驗探究輕松地得出“問題與方案”中的答案，而且印象深,能應用.對于電路設計的方案，通過實驗探究得出光敏電阻與直流電磁繼電器設計的光控電路，效果不明顯，光電流較小，繼電器線圈電壓最高2.3 V，只發出吱吱響聲，觸點不動做，不能控制工作電路，得用電流信號放大器將光電流放大后，再接繼電器線圈，其才能工作.在圖5路燈控制電路中，用三極管將光電流放大后，驅動電磁繼電器工作，才能控制工作電路.

在成品展示中，效果最好是圖5路燈控制電路與圖6模擬路燈控制電路，靈敏度高，可見度大，可用于課堂教學永久性的演示教具.