“電動向日葵”——傳感器演示實驗自制教具

張海軍 許炎橋

（1.浙江省寧波效實中學，浙江 寧波 315012；2.寧波市學校裝備管理與電化教育中心，浙江 寧波 315012）

浙江省高考理綜物理部分對“傳感器”章節只要求傳感器的簡單應用，但傳感器的內容在生活中有很多的應用，如路燈、火災報警器等等.這些與我們的生活密不可分，所以對培養學生學習物理的興趣和熱愛生活會起到很大幫助作用.因此，筆者在本章節新課引入時自制了一套教具，以更好地激發學生對傳感器學習的興趣和對物理的熱情.

1 實驗過程展示

電源接通開始實驗，電動機工作帶動太陽能電池板轉動，與太陽能電池板相連的靈敏電流計的指針有一定的偏轉.當太陽能電池板轉到與太陽（筆者上課時用手電筒模擬太陽）光線正對時，電動機停止工作，與太陽能電池板相連的靈敏電流計指針偏角達到最大.改變太陽光線直射的方向，電動機開始工作帶動太陽能電池板轉動，當太陽能電池板轉到與光線直射方向正對時電動機停止，靈敏電流計指針偏到最大.再次改變太陽光線直射方向，電動機會再次工作，不斷地帶動太陽能電池板尋找太陽光線直射的位置，像向日葵一樣，所以本實驗教具筆者取名為“電動向日葵”，如圖1所示.

圖1

2 實驗原理簡介

圖2

電路的電源由4節干電池提供，整個電路安裝在面包板上.主要的工作原理如圖2所示，此原理圖是由“第3節實驗傳感器的應用”中的蜂鳴器實驗原理圖（人教版高中《物理》選修3－2第63頁圖乙）改裝而來.將蜂鳴器換作電動機，太陽能電池板被安裝在與電動機相連的基座上，基座下方實質上就是一個“萬向”開關，而開關與面包板上的工作電路以及電動機組成閉合回路.電動機是否工作是通過控制電路來實現的，在控制電路中起到控制作用的是光敏電阻（如圖3所示），將光敏電阻受光面與太陽能電池板受光面平行，為了減少雜光的干擾，用黑紙卷成管狀，套在光敏電阻上.因為光敏電阻的朝向與太陽能電池板的朝向一致，所以太陽光線直射到太陽能電池板上時，也是太陽光線直射光敏電阻的時候，此時光敏電阻的阻值最小進而使面包板上的控制電路（如圖2所示）中非門的輸入端A為低電位，根據非門特性輸出端Y為高電位，此時繼電器J不工作，開關S斷開，所以電動機停止工作太陽能電池板定位在與太陽光線直射的位置.相反地，當光線沒有直射到太陽能電池板時也就意味著沒有直射到光敏電阻，光敏電阻的阻值較大，非門的輸入端A為高電位，輸出端Y為低電位，因此繼電器J工作，開關S閉合，電動機工作帶動太陽能電池板轉動尋找光線直射的位置.

圖3

3 實驗難點

因為實驗原理圖主要取自教材，所以原理還是簡單的，但具體實現太陽光的自動追蹤和演示時有以下3個難點.

3.1 繼電器靈敏度調節

從理論上講，只要繼電器的兩端有一定的電壓就能使繼電器工作，但實際情況是此電壓應該達到多少就可以觸發繼電器工作呢？同時，繼電器觸發后也要能夠斷開.也就是電壓低到一定值以后它又要會停止工作而斷開開關.在這個問題中用來控制繼電器兩端電壓值的其實是光敏電阻和微型電位器的阻值.假設光照強度基本不變的情況下光敏電阻在光線直射時電阻值是一定的，那么只需要調節微型電位器的阻值達到一定的比例后就能觸發繼電器.因此筆者經過百來次的嘗試終于找到了觸發的臨界點，微型電位器阻值控制在約3kΩ.因為所用光敏電阻、微型電位器（型號W503），用螺絲刀稍微調微型電位器后其阻值變化會比較明顯，一旦沒調到臨界點繼電器要么不觸發要么觸發后無法停止.所以筆者嘗試了多次才確定，有時候可以觸發，但很難重復操作，這是筆者整個實驗制作時最困難的地方.

3.2 光敏電阻轉動時繞線的解決

太陽能電池板通過電動機帶動，而太陽能電池板的朝向其實是通過光敏電阻反映的，所以當太陽能電池板轉動時光敏電阻也要一起轉動，這樣光敏電阻在接入電路的狀態下一旦轉動起來就會存在繞線問題.筆者借鑒工程上的做法用萬向開關解決繞線問題，如圖4所示，太陽能電池板固定在白色塑料板上，白色塑料板中心有一小孔用來連接電動機，而在塑料板的兩端各有一對金屬觸片與基板接觸，轉動時可以讓光敏電阻始終與電路相通.

圖4

3.3 太陽光入射角度對太陽能電池板輸出效率的影響

如何直觀地展示太陽光入射角度對太陽能利用率的影響呢？其實這是本實驗教具制作的目的之一，太陽能作為清潔能源有很廣泛的應用前景，但是現在很大的問題在于太陽能的利用率不高，而當太陽光線直射在太陽能電池板上時會使太陽能利用率有比較顯著的提高，所以制作一定的儀器讓太陽能電池板始終正對太陽光線是十分有必要的.而作為教學用具如何讓學生看到太陽光線入射角度變化時所帶來的影響呢？筆者用靈敏電流計與太陽能電池板相連，當有太陽光線照射時太陽能電池板就可以把太陽能轉化為電能儲存起來.太陽光線越強，轉化的電能越多；太陽光線越是正對入射，轉化的電能也越多.所以用靈敏電流計與太陽能電池板相連后構成了工作回路就有電流通過靈敏電流計，用指針偏轉的角度可以反映出電流的大小進而反映太陽能電池板儲存的電能的多少以及太陽光線是否正對入射對太陽能利用的影響.在此同樣用到萬向開關使太陽能電池板與靈敏電流計相連，解決繞線問題.實驗時筆者發現太陽光線非正對入射時，靈敏電流計指示電流值最小20μA，最大200μA；正對入射時，靈敏電流計指示電流值為400μA.

4 實驗效果

筆者在上傳感器的內容時用此實驗教具作為引入，收到了非常好的課堂效果.雖然教具制作得不是很大，但靈敏電流計和太陽能電池板等主要的展示部分學生可以比較清楚地辨識.同時對實驗過程中的細微變化學生可以比較直觀地看到，譬如光線是否直射到太陽能電池板上、靈敏電流計的指針是否偏轉、太陽能電池板是否轉動等等.另一方面，此實驗教具可以讓學生體驗物理與我們的生活緊密相連，為我們的生活帶來很大的方便，為能源的有效利用提供有力的支持.相信這樣的自制教具可以讓學生體會到有趣而真實的物理.