胡惠琪 劉健智

（湖南師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院，湖南 長沙 410081）

“傳感器及其工作原理”是一節(jié)物理規(guī)律實(shí)驗(yàn)課.《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》對該節(jié)課的內(nèi)容要求是：“知道非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量的技術(shù)意義”“通過實(shí)驗(yàn)，了解常見傳感器的工作原理”“例：通過熱敏電阻實(shí)驗(yàn)，了解溫度傳感器的工作原理”.［1］人教版高中物理選修3-2教材“傳感器及其工作原理”一節(jié)［2］基本上落實(shí)了上述要求，但關(guān)于霍爾元件的實(shí)驗(yàn)探究，教材中的方案仍有許多不足.在對教材和知網(wǎng)上其他實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行分析后，我們設(shè)計(jì)并自制了探究霍爾電壓實(shí)驗(yàn)儀.

1 教材和已有實(shí)驗(yàn)的不足

1.1 人教版教材中的不足

人教版物理選修3-2“傳感器及其工作原理”一節(jié)介紹了三種敏感元件：光敏電阻、熱敏電阻和霍爾元件.關(guān)于前兩種敏感元件，教材專門設(shè)置了“實(shí)驗(yàn)”，探究其工作原理，但關(guān)于霍爾元件，教材只設(shè)置了“做一做”，意圖讓學(xué)生自己動手探究霍爾電壓.由于霍爾元件體積微小、磁靈敏距離短等緣故，導(dǎo)致關(guān)于霍爾元件的實(shí)驗(yàn)難以操作.再加上霍爾元件有多個(gè)引腳，與普通的兩個(gè)引腳的電阻不同，學(xué)生對其比較陌生，給實(shí)驗(yàn)增加了難度.查閱知網(wǎng)上關(guān)于本節(jié)內(nèi)容的教學(xué)設(shè)計(jì)后知大多數(shù)高中物理教師都沒有開展探究霍爾電壓的實(shí)驗(yàn).這也許是因?yàn)檎n標(biāo)中沒有明確要求要通過實(shí)驗(yàn)探究霍爾元件的工作原理所導(dǎo)致的.但是，關(guān)于霍爾元件的探究學(xué)習(xí)，不僅出現(xiàn)在選修3-2中，選修3-1還專門設(shè)立一個(gè)課題進(jìn)行研究，其中也要求探究并推導(dǎo)霍爾電壓與磁感應(yīng)強(qiáng)度與其他物理量的關(guān)系.［3］可見，關(guān)于霍爾元件的探究學(xué)習(xí)，是能培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力的有利內(nèi)容.

再者，在教材“做一做”中，保持通過霍爾元件的電流恒定，改變磁體與元件工作面的距離與夾角，觀察霍爾電壓的變化，如圖1所示.這在理論上是可行的，但存在以下3點(diǎn)不足：① 沒有明確指出所需霍爾元件的型號，只是簡單說“取圖中所示的霍爾元件”，而圖中有兩種型號不一致的霍爾元件.霍爾元件型號眾多，不同型號之間霍爾電壓的差別較大，可能導(dǎo)致霍爾電壓大小超過200 m V的多用電表量程；② 只對霍爾電壓與磁感應(yīng)強(qiáng)度之間的關(guān)系進(jìn)行探究，未提及霍爾電壓與電流之間關(guān)系的探究；③ 通過改變磁感線與霍爾元件工作面的夾角探究霍爾電壓與磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系過于理想化.現(xiàn)實(shí)中，霍爾元件的工作面不一定平行或垂直于其外殼表面，并且磁感線也是一種理想化的模型，其分布與磁體的形狀有關(guān)，因此在改變夾角時(shí)，無法斷定此時(shí)磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化情況.

圖1 教材中探究霍爾電壓的實(shí)驗(yàn)原理

1.2 現(xiàn)有改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的不足

針對霍爾電壓的探究性教學(xué)，知網(wǎng)上有一些文章給出了改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)儀器與方案.

例如周亞文的利用DIS探究霍爾效應(yīng)裝置，如圖2所示.［3］該實(shí)驗(yàn)將霍爾元件與電阻箱、干電池串聯(lián)，再將微電流傳感器與霍爾元件的霍爾電壓輸出端串聯(lián)，用霍爾電流的大小間接反映霍爾電壓的大小.另外，將磁場傳感器的探頭和霍爾元件捆綁在一起，用以探測霍爾元件工作面處的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小.這套實(shí)驗(yàn)裝置的亮點(diǎn)在于采用了DIS技術(shù)，使得磁感應(yīng)強(qiáng)度可視化、數(shù)字化，但仍存在以下不足：① 霍爾元件用半導(dǎo)體材料制成，內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，歐姆定律對其不適用，因此，用霍爾電流的大小間接反映霍爾電壓的大小缺乏理論依據(jù)；② 磁場傳感器的原理為霍爾效應(yīng)，利用霍爾效應(yīng)探究霍爾效應(yīng)，不符合科學(xué)認(rèn)知的規(guī)律；③ 磁場傳感器探頭的體積比霍爾元件的體積大得多，磁場傳感器顯示的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小并不一定是霍爾元件工作面處的真實(shí)大??；④ 工作電流無法測量，不能探究霍爾電壓與工作電流的關(guān)系，探究的全面性有待提高.

圖2 利用DIS探究霍爾效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)原理

例如王志斌等的自制教具，如圖3所示.［4］該裝置將霍爾元件與電位器、干電池、毫安表串聯(lián)，形成工作電流調(diào)節(jié)與測量電路，再將毫伏表與霍爾元件的電壓輸出端連接，形成霍爾電壓測量電路.另外，用勵(lì)磁線圈與可調(diào)可讀電源代替永磁體，通過調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流大小間接調(diào)節(jié)磁感應(yīng)強(qiáng)度大小，形成勵(lì)磁電流控制電路，這也是這套自制教具的亮點(diǎn).雖然，這套裝置能較完整地探究霍爾電壓與磁感應(yīng)強(qiáng)度、工作電流的關(guān)系，但教學(xué)難度過大.根據(jù)畢奧-薩伐爾定律，線圈產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度與勵(lì)磁電流的大小成正比，因此，以勵(lì)磁電流的大小間接代表磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小是有理論依據(jù)的，但高二學(xué)生對其原理不甚了解，再加上學(xué)生原本對霍爾效應(yīng)比較陌生，這在某種程度上增加了實(shí)驗(yàn)的理解難度，容易觸發(fā)學(xué)生的畏難情緒.

圖3 自制教具探究霍爾效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)原理圖與實(shí)物圖

1.3 在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的改進(jìn)

為了使探究霍爾電壓的實(shí)驗(yàn)具有更強(qiáng)的可操作性和更大的教學(xué)意義，筆者結(jié)合現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)各自的優(yōu)點(diǎn)，自制了一款探究霍爾電壓的實(shí)驗(yàn)儀.該實(shí)驗(yàn)儀器在2019年的第十一屆“格致杯”全國物理師范生教學(xué)技能交流展示活動中獲得教具創(chuàng)新二等獎(jiǎng)，利用該實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行的“傳感器及其工作原理”說課與片斷教學(xué)比賽獲得一等獎(jiǎng).

2 自制實(shí)驗(yàn)儀器的介紹

2.1 自制實(shí)驗(yàn)儀的原理

根據(jù)霍爾效應(yīng)，當(dāng)有電流穿過時(shí)，霍爾元件中的載流子會運(yùn)動，如圖4所示.若垂直于電流方向有磁場，電子會因受到洛倫茲力而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，在元件的一側(cè)聚集，形成低電勢，而相對的另一側(cè)則形成高電勢.兩側(cè)之間的電勢差大小為霍爾電壓.若要探究霍爾電壓與工作電流的關(guān)系，應(yīng)在電路中串聯(lián)阻值合適的滑動變阻器使得工作電流可以在一定范圍內(nèi)連續(xù)變化.若要探究霍爾電壓與磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系，則需要能表征磁感應(yīng)強(qiáng)度變化的工具，如上文王志斌等的自制教具中，利用勵(lì)磁電流表征磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化.為了降低實(shí)驗(yàn)的理解和操作難度，筆者用條形磁鐵到霍爾元件工作面的距離表征磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化.此外，霍爾元件的工作電流輸入端還需要與選擇了200 m V電流擋的多用電表串聯(lián)，霍爾電壓輸出端與選擇了200 m V電壓擋的多用電表并聯(lián).實(shí)驗(yàn)原理如圖5所示.

圖4 霍爾效應(yīng)原理圖

圖5 自制實(shí)驗(yàn)儀原理圖

2.2 自制實(shí)驗(yàn)儀的選材

自制探究霍爾電壓實(shí)驗(yàn)儀的關(guān)鍵是選擇型號合適的霍爾元件.由于霍爾元件體積微小，不便接入電路，也不便于學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)操作過程，故實(shí)驗(yàn)輔助材料和展示平臺的選擇也至關(guān)重要.

（1）霍爾元件的選擇.

市面上的霍爾元件多為三引腳，這并不利于學(xué)生構(gòu)建霍爾元件的模型.根據(jù)霍爾效應(yīng)，霍爾元件應(yīng)該具有工作電流出入端和霍爾電壓出入端，共四個(gè)引腳.因此，本實(shí)驗(yàn)應(yīng)采用四引腳霍爾元件.再者，霍爾元件輸出電壓的大小會因其型號的不同而存在差異，且多為毫伏級別，但多用電表只有200 m V的電壓擋，所以，本次實(shí)驗(yàn)選擇型號為HW302A-HW302D的霍爾元件.

（2）輔助材料的選擇.

由于霍爾元件體積微小，約2 mm3，且引腳十分短，會造成接線困難.因此，本實(shí)驗(yàn)利用金屬導(dǎo)線絲纏繞霍爾電壓輸出端的兩個(gè)引腳，并把金屬導(dǎo)線絲的另一端繞成小線圈方便其與電壓表筆相連接.元件的電流輸入輸出端用鱷魚線夾入電路.另外，為了固定元件，使得磁感線垂直穿過元件，還需將纏繞了金屬絲的兩引腳彎曲90°，并插入一塊橡皮擦中，使得元件中心高度與磁鐵中心高度一致.最后，將橡皮擦固定在刻度尺上，并令霍爾元件恰好位于某刻度線處，如圖6所示.

圖6 霍爾元件的處理方式

（3）展示平臺的選擇.

由于霍爾元件體積微小，磁靈敏距離短，約10 mm，實(shí)驗(yàn)的可視度不高.為了讓學(xué)生認(rèn)識真實(shí)的霍爾元件，看清楚實(shí)驗(yàn)操作以及數(shù)據(jù)變化.我們利用Apower Mirror電腦投屏軟件，將實(shí)驗(yàn)畫面投影到大屏幕上，如圖7所示.

圖7 Apower Mirror電腦投屏場景

整套實(shí)驗(yàn)儀共需要以下器材：HW-302B霍爾元件、200Ω滑動變阻器、多用電表兩臺、刻度尺、條形磁鐵、橡皮擦、干電池、金屬導(dǎo)線絲、導(dǎo)線若干（帶鱷魚夾）、智能手機(jī)（安裝Apower Mirror投屏軟件）、手機(jī)支架.此外，還需要周圍無其他強(qiáng)磁場的實(shí)驗(yàn)環(huán)境.

2.3 自制實(shí)驗(yàn)儀的制作

（1）霍爾電壓測量電路.

首先將型號為HW-302B的四引腳霍爾元件的兩個(gè)霍爾電壓輸出端（引腳“1”“3”）彎折90°（如圖8所示），再準(zhǔn)備兩段細(xì)金屬導(dǎo)線絲，分別將其一端纏繞在兩個(gè)霍爾電壓輸出端引腳上（注意兩段金屬導(dǎo)線絲不能接觸），并將纏繞好導(dǎo)線絲的霍爾電壓輸出端引腳插入橡皮擦中，固定霍爾元件的位置，使得霍爾電壓工作面基本對準(zhǔn)并平行于條形磁鐵N極的中心位置.然后，用膠布把橡皮擦纏繞在直尺的一端，使得霍爾元件的工作面恰好在某一條刻度線上.最后，將兩段金屬導(dǎo)線絲的另一端纏繞在多用電表的紅黑表筆上（如圖6所示）.由于該型號的霍爾元件的霍爾電壓最大值約為236 m V，因此，將多用電表擋位調(diào)至200 m V擋，從而組成霍爾電壓測量電路.

圖8 霍爾元件結(jié)構(gòu)圖

（2）工作電流調(diào)節(jié)與測量電路.

用鱷魚夾導(dǎo)線，將5號電池（1.5 V）的正極與霍爾元件的工作電流輸入端（引腳“2”）串聯(lián)，將霍爾元件的工作電流輸出端（引腳“4”）與滑動變阻器（200Ω，1.25 A）的下端接線柱串聯(lián)，然后將另一多用電表的紅表筆固定在滑動變阻器另一端的上端接線柱處，最后將黑表筆與5號電池的負(fù)極相連.由于該型號霍爾元件的工作電流最大值約為20 m A，因此，將用以測量工作電流大小的多用電表擋位調(diào)為200 m A電流擋，從而組成工作電流調(diào)節(jié)與測量電路，如圖9所示.

圖9 自制實(shí)驗(yàn)儀實(shí)物圖

（3）實(shí)驗(yàn)展示平臺的搭建.

在智能手機(jī)和電腦里下載Apower Mirror投屏軟件，再用數(shù)據(jù)傳輸線連接電腦和手機(jī)，打開軟件，開始投屏.利用手機(jī)支架固定手機(jī)，使其攝像頭對準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)儀器.此時(shí)，實(shí)驗(yàn)畫面就會呈現(xiàn)在電腦里，達(dá)到放大實(shí)驗(yàn)畫面的效果，如圖7所示.

2.4 自制實(shí)驗(yàn)儀的使用

（1）實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備.

根據(jù)控制變量法，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，探究影響霍爾電壓大小的因素.按照電路圖連接各個(gè)器件，打開兩個(gè)多用電表，并調(diào)至合適的擋位.打開Apower Mirror電腦投屏軟件，調(diào)整好攝像頭.

（2）實(shí)驗(yàn)過程.

（a）探究磁感應(yīng)強(qiáng)度是否影響霍爾電壓的大小.

① 分別將磁鐵放置于霍爾元件前方10 mm、8 mm、6 mm、4 mm、2 mm 處；

② 微調(diào)滑動變阻器滑片位置，使得電路中電流值不變；

③ 讀取穩(wěn)定狀態(tài)下霍爾電壓大小，記錄數(shù)據(jù)；

④ 依次減小磁鐵與元件之間的距離，重復(fù)實(shí)驗(yàn)，分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).

（b）探究工作電流是否影響霍爾電壓的大小.

①將磁鐵固定在霍爾元件前方5 mm處；

② 移動滑動變阻器，改變電流值大??；

③讀取穩(wěn)定狀態(tài)下的電流和霍爾電壓大小，記錄數(shù)據(jù)；

④ 重復(fù)實(shí)驗(yàn)，分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).

（c）探究元件材料是否影響霍爾電壓的大小.

①將磁鐵固定在霍爾元件前方5 mm處，固定滑動變阻器的滑片；

②將銻化銦霍爾元件接入電路；

③記錄穩(wěn)定狀態(tài)下的霍爾電壓大??；

④將砷化銦霍爾元件接入電路；

⑤微調(diào)滑動變阻器滑片位置，使得電流與上一組實(shí)驗(yàn)相等；

⑥記錄穩(wěn)定狀態(tài)下的霍爾電壓大?。?/p>

⑦ 重復(fù)實(shí)驗(yàn)，分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).

2.5 自制實(shí)驗(yàn)儀的使用效果

該實(shí)驗(yàn)操作簡單方便，而且實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定，可重復(fù)性好.可以輕松得出霍爾電壓與電流、磁感應(yīng)強(qiáng)度呈正相關(guān)的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，還能用以探究材料對霍爾電壓的影響，即探究不同材料的霍爾系數(shù)的大小關(guān)系，達(dá)到了“一體多用”的效果.部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1和表2所示.

表1 探究I是否影響U H 大小的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2 探究B是否影響U H 大小的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

3 自制實(shí)驗(yàn)儀的優(yōu)點(diǎn)與教學(xué)價(jià)值

3.1 自制實(shí)驗(yàn)儀的優(yōu)點(diǎn)

該自制的探究霍爾電壓實(shí)驗(yàn)儀，在教材和現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，完善了實(shí)驗(yàn)方案.

（1）材料易得，組裝很簡捷.

所需器材，如多用電表、金屬導(dǎo)線絲、刻度尺等，均為實(shí)驗(yàn)室常用的儀器，十分易得.另外，與王志斌等的自制教具［4］對比，該自制實(shí)驗(yàn)儀用刻度尺量得的磁鐵到元件的距離表示磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小，比用勵(lì)磁電流的大小表示勵(lì)磁線圈產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小更加直觀，便于理解，且器材的組裝更簡便.再者，該自制實(shí)驗(yàn)儀用金屬導(dǎo)線絲纏繞元件引腳將元件接入電路，解決了由于霍爾元件體積微小、引腳短帶來的不便.這種加工處理霍爾元件的方式，比焊接法（將元件引腳焊接在線路板上）更加方便簡捷，更加安全.［5］

（2）操作簡單，可視程度高.

探究霍爾電壓與工作電流的關(guān)系時(shí)，只需移動滑動變阻器的滑片即可改變工作電流；探究霍爾電壓與磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系時(shí)，只需在直尺上移動條形磁鐵即可.并且，采用投屏軟件將實(shí)驗(yàn)畫面放大，學(xué)生能清楚地看到霍爾元件的結(jié)構(gòu)、電路結(jié)構(gòu)以及操作過程.

（3）效果明顯，可重復(fù)性強(qiáng).

通過反復(fù)的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)這套實(shí)驗(yàn)儀的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)能明顯地體現(xiàn)出霍爾電壓與工作電流成正比、與磁感應(yīng)強(qiáng)度也成正比的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，是一套有效探究影響霍爾電壓因素的實(shí)驗(yàn)儀器.

3.2 自制實(shí)驗(yàn)儀的教學(xué)價(jià)值

通過實(shí)驗(yàn)探究學(xué)習(xí)物理概念、規(guī)律或定律，不僅能培養(yǎng)學(xué)生模型構(gòu)建、科學(xué)推理、科學(xué)論證等科學(xué)思維，提高學(xué)生的方案設(shè)計(jì)、歸納總結(jié)等科學(xué)探究能力，還能深化學(xué)生對物理知識的理解.因此，探究式教學(xué)遠(yuǎn)比灌輸式教學(xué)效率高.

（1）手腦并用，深化知識理解.

由于該自制實(shí)驗(yàn)儀的組裝十分簡捷，因此可以讓學(xué)生根據(jù)霍爾效應(yīng)區(qū)分霍爾元件的四個(gè)引腳；選擇兩個(gè)霍爾電壓輸出端引腳進(jìn)行彎折，纏繞金屬絲，與電壓表筆相連形成霍爾電壓測量電路.由此，可以加深學(xué)生對霍爾效應(yīng)以及霍爾元件的工作機(jī)理的理解.再者，讓學(xué)生動手組裝實(shí)驗(yàn)電路，有助于學(xué)生對實(shí)驗(yàn)原理和非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量的技術(shù)意義的理解，從而更好地達(dá)成課程標(biāo)準(zhǔn)中對該節(jié)的內(nèi)容要求.

（2）設(shè)計(jì)方案，提高探究能力.

在組裝該實(shí)驗(yàn)儀前，讓學(xué)生猜想影響霍爾電壓大小的因素，再根據(jù)猜想進(jìn)行實(shí)驗(yàn)電路的設(shè)計(jì)和組裝電路.接著，根據(jù)控制變量法的思想，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，動手操作，記錄數(shù)據(jù).最后，分析數(shù)據(jù)、歸納總結(jié).在利用該自制實(shí)驗(yàn)儀進(jìn)行的探究活動中，學(xué)生主動思考，尋找解決問題的方案，并動手實(shí)驗(yàn)，得出結(jié)論，切實(shí)地培養(yǎng)了其科學(xué)探究能力.

4 結(jié)語

“霍爾元件及其工作原理”是較抽象的知識，且其實(shí)驗(yàn)操作難，可見性弱，需要通過實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新，來增強(qiáng)可見性和可操作性，促進(jìn)學(xué)生的理解.［6］為了提升學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)，可以采用探究教學(xué)法突破該教學(xué)難點(diǎn).學(xué)生在光敏和熱敏電阻的學(xué)習(xí)中，已獲得了探究敏感元件的經(jīng)驗(yàn)，初步理解了非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量的過程機(jī)理，因此，通過知識的遷移，學(xué)生可以自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，自制儀器，探究影響霍爾電壓大小的因素.

根據(jù)教材中霍爾元件的相關(guān)內(nèi)容，研究了知網(wǎng)上相關(guān)改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)后，設(shè)計(jì)并自制了探究霍爾電壓實(shí)驗(yàn)儀.該實(shí)驗(yàn)儀具有組裝簡捷、操作簡單、效果明顯等優(yōu)點(diǎn)，通過自主探究式學(xué)習(xí)，學(xué)生可以進(jìn)一步理解各類傳感器的工作原理：通過敏感元件將非電學(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量.學(xué)生在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、組裝實(shí)驗(yàn)儀器和簡單的實(shí)驗(yàn)操作中，切實(shí)訓(xùn)練了科學(xué)思維，提高了科學(xué)探究能力，同時(shí)養(yǎng)成了良好的科學(xué)態(tài)度.