跨步電壓演示裝置再改進

黃衛良

摘 要：本文針對以往一些跨步電壓演示裝置的缺點進行了改進，模擬假人采用電平檢測模塊制作，具有微安級電流檢測靈敏度，仿真地面用電阻網絡形成穩定跨步電壓，能長時間穩定工作，能讓學生了解跨步電壓及如何避免其危害。

關鍵詞：LM3915; 跨步電壓; 電平檢測模塊; 假人

中圖分類號：G633.7? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ?文章編號：1006-3315（2021）2-012-002

為了讓學生理解跨步電壓的形成、危害以及自救方法，一些教師自制了跨步電壓演示裝置，但這些演示裝置在教學使用中存在兩個缺點。其一，仿真地面的制作比較復雜，需要采用電阻率適合的導電紙，或者用碳粉膠水等材料自己配置[1]。其二，檢測跨步電壓的假人靈敏度太低，基本都采用幾個發光二極管（即LED）串聯后連接到假人雙腳[2]，如圖1所示。假人需要從仿真地面汲取較大的電流（幾毫安到幾十毫安之間）才能點亮LED并讓其亮度發生明顯變化，這會對仿真地面內的恒定電流場產生較大的影響。且這類假人無法在真實地面上檢測跨步電壓，因為實際地面的電阻很大，能提供的電流一般都在微安級別，根本無法點亮LED。

針對以上缺點，筆者分別制作了高靈敏度檢測假人和改進型仿真地面，具體介紹如下。

1.高靈敏度檢測假人制作

這里采用了音響領域的10段LED電平顯示LM3915電路模塊，如圖2所示。它能檢測到低于0.1V的跨步電壓，且從仿真地面汲取的檢測電流只要幾個微安，靈敏度非常高，甚至能直接利用真實的戶外地面進行跨步電壓實驗演示。它還能把檢測到的跨步電壓等分成為10段強度顯示出來，LED亮起的數目越多，表明跨步電壓越高。該模塊使用非常簡單，供電端接3-12V電源，因為靜態電流非常低，故可直接采用紐扣電池或干電池供電。模塊檢測端引出兩根導線接假人腳底即可。更難能可貴的是該模塊上配有電位器，能直接調節檢測靈敏度以適應不同的仿真地面或真實地面。

用亞克力加工一片人形塑料片，在上面鉆10個和模塊上LED對應的圓孔，確保10個LED穿過圓孔露出來，這樣也就把模塊固定在亞克力板上了，如圖3所示。

為了安裝方便，筆者把LM3915模塊上的方形LED都換成了圓形LED，且第1-2為綠燈，3-8為黃燈，9-10為紅燈，并安裝在了電路板的背面。

在亞克力假人的頭部，用熱熔膠固定一個圓形紐扣電池電池盒，并把電池盒的正負極用導線連接到模塊的供電端，如圖4所示。該電池盒非常小巧，可放入3粒紐扣電池，給LM3915模塊提供4.5V電壓，還自帶電源開關，使用非常方便。

截取兩段金屬彎管，把兩根導線穿過彎管，一端焊接到模塊的電平檢測端，另一端焊接到兩個香蕉插頭上。再用熱熔膠把金屬彎管固定在亞克力板上。因為金屬彎管可以彎折，所以可按需改變假人兩腳間的距離。

2.仿真地面制作

切割一塊直徑為60cm的白色亞克力圓盤作為底板，用5種顏色的塑料貼皮剪成圓環貼在圓盤上如圖5所示，其中圓心處為黑色，向外依次是紅色、深黃色、淺黃色、綠色，表示電位依次變低。在各色環上鉆一些小孔用于安裝孔徑為4mm的電學插孔，用于插入模擬假人的雙腳。

在底板上豎立一根PVC電線管來制作模擬電線桿，電線桿上下垂一段紅色導線模擬生活中斷裂的電線。該紅色導線下垂端焊接一個香蕉插頭，并插入仿真地面圓心處插孔，另一段接3V電池盒的正極。

為了在底板上各色環間形成電位差（跨步電壓），需要在底板反面的接線柱焊接導線和電阻，如圖6所示。其中圓弧a對應底板上的綠色圓環，其接電池盒負極，電位是0V;圓弧b對應底板上的淺黃色圓環，電位是0.2V;圓弧c對應底板上的深黃色圓環，電位是0.6V;圓弧d對應底板上的紅色圓環，電位是1.4V;圓弧e對應底板上的黑色區域和圓心處中心孔相連，當圓心處插入下垂電線時，其電位是3.0V。可以發現，越靠近圓心，相鄰兩色環間的電位差（跨步電壓）越大，和生活中的實際跨步電壓完全吻合。

3.調試并實驗

打開仿真地面的3V電源，打開模擬假人電源，先把假人雙腳分別插入最靠近圓心的黑色和紅色圓環上的插孔，此時兩腳間跨步電壓最大。用螺絲刀調節模塊上的電位器，直到假人上的紅燈亮起，則假人調試完成。

然后把假人慢慢沿半徑方面遠離圓心（即生活中遠離電線與地面的接觸點），保持雙腳插入對應插孔，可發現亮起的LED燈逐漸變少，表明跨步電壓在變小。

如果沿半徑方向增加雙腳間距，可發現亮起的LED數目變多，表明跨步電壓變大。

如果把假人雙腳沿垂直半徑方向觸地，即把假人插在同一個顏色的圓環上，可發現只有綠燈亮，表明跨步電壓很小，甚至為零。

如果讓假人單腳觸地，則無論在何處，都只亮最下方的1個綠燈，表明沒有跨步電壓經過人體，這是避免跨步電壓危害的正確處理方式。

基金項目：本文為蘇州市教育科學“十三五”規劃重點課題“（191001003）農村高中理科STEM校本課程的建構研究”階段性成果

參考文獻：

[1]龍鋒.自制“跨步電壓模擬演示儀”[J]實驗教學與儀器，2020，37（05）：50-51+57

[2]白秀英，李芳菊，梁凡凡，李曉紅.跨步電壓模擬演示儀的自制與創新[J]中學物理教學參考，2018，47（Z1）：42-44