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(duì)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(duì)教材和知網(wǎng)上其他實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行分析后,我們?cè)O(shè)計(jì)并自制了探究霍爾電壓實(shí)驗(yàn)儀.
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(dòng)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(duì)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(hào),只是簡單說“取圖中所示的霍爾元件”,而圖中有兩種型號(hào)不一致的霍爾元件.霍爾元件型號(hào)眾多,不同型號(hào)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(duì)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
針對(duì)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(chǎng)傳感器的探頭和霍爾元件捆綁在一起,用以探測(cè)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(duì)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(chǎng)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(chǎng)傳感器探頭的體積比霍爾元件的體積大得多,磁場(chǎng)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?。虎?工作電流無法測(cè)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(cè)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(cè)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(duì)其原理不甚了解,再加上學(xué)生原本對(duì)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
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(dòng)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).
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(huì)運(yùn)動(dòng),如圖4所示.若垂直于電流方向有磁場(chǎng),電子會(huì)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(shì),而相對(duì)的另一側(cè)則形成高電勢(shì).兩側(cè)之間的電勢(shì)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(dòng)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
自制探究霍爾電壓實(shí)驗(yàn)儀的關(guān)鍵是選擇型號(hào)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(tái)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(huì)因其型號(hào)的不同而存在差異,且多為毫伏級(jí)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(hào)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(huì)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(tái)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(shí)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(chǎng)景
整套實(shí)驗(yàn)儀共需要以下器材:HW-302B霍爾元件、200Ω滑動(dòng)變阻器、多用電表兩臺(tái)、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(chǎng)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境.
(1)霍爾電壓測(cè)量電路.
首先將型號(hào)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(duì)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(hào)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(cè)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(cè)量電路.
用鱷魚夾導(dǎo)線,將5號(hào)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(dòng)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(dòng)變阻器另一端的上端接線柱處,最后將黑表筆與5號(hào)電池的負(fù)極相連.由于該型號(hào)霍爾元件的工作電流最大值約為20 m A,因此,將用以測(cè)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(cè)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(tái)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(duì)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)儀器.此時(shí),實(shí)驗(yàn)畫面就會(huì)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.
(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(dòng)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(dòng)滑動(dòng)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(dòng)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(dòng)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??;
⑦ 重復(fù)實(shí)驗(yàn),分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).
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(duì)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)
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(duì)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(dòng)滑動(dòng)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(dòng)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.
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(duì)物理知識(shí)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(shí)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(cè)量電路.由此,可以加深學(xué)生對(duì)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(dòng)手組裝實(shí)驗(yàn)電路,有助于學(xué)生對(duì)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(duì)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(dòng)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(dòng)中,學(xué)生主動(dòng)思考,尋找解決問題的方案,并動(dòng)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.
“霍爾元件及其工作原理”是較抽象的知識(shí),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(shí)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.