(南京師范大學(xué)附屬中學(xué),江蘇 南京 210003)

“水箱自動補水裝置”或“水位自動控制裝置”常常會出現(xiàn)在物理教材、習(xí)題所創(chuàng)設(shè)的情境中，提及這類“自動化”裝置的制作時，人們往往會想到需要用水位傳感器、計算機等復(fù)雜的設(shè)備。筆者選用簡單的電子元器件，帶領(lǐng)學(xué)生制作了一款“水箱自動補水裝置”，該裝置原理簡單、成本低廉，演示效果好，其中使用的電子元器件均是學(xué)生在物理課或通用技術(shù)課中學(xué)習(xí)過的。使用該裝置進(jìn)行教學(xué)，可以揭開“自動化”裝置的“神秘面紗”，讓學(xué)生恍然大悟，意識到他們已有的知識完全可以設(shè)計出類似的甚至更高級的“自動化”裝置，從而激發(fā)學(xué)生動手制作的興趣和欲望，激活學(xué)生頭腦中的物理知識，進(jìn)而達(dá)到學(xué)以致用的目標(biāo)。

1 “水箱自動補水裝置”功能介紹

圖1為一個深度為40cm左右的水箱，A點為水箱口，C點為水箱底，B點為水箱中下部的一個位置。當(dāng)水箱中的水位從A點下降到B點時裝置能夠自動給水箱補水，當(dāng)水位上升到A點時停止補水。

圖1

2 “水箱自動補水裝置”設(shè)計思路

(1) 將具體事物抽象為物理模型。水是導(dǎo)體，可以導(dǎo)電，有一定的電阻。當(dāng)水滿的時候，即水位在A點時，可以把AB之間的水看作一個電阻RAB，BC之間的水看作另一個電阻RBC，即AB、BC均為通路；當(dāng)水位下降，處于AB之間時，可以認(rèn)為AB之間斷路，BC之間的水仍然為電阻RBC，即BC為通路；等到水位一直下降到B以下時，AB、BC均為斷路。

(2) 根據(jù)需求形成邏輯工作表(表1)。

表1

(3) 選擇電子元件。首先，可以將AB、BC的通斷作為控制電路的控制動作，水泵的工作與否作為工作電路的結(jié)果，因此，需要繼電器將控制電路和工作電路聯(lián)系起來。其次，當(dāng)AB為通路時，經(jīng)過測量，AB之間水的電阻約為20kΩ，如果直接與繼電器的線圈部分串聯(lián)，會導(dǎo)致電流太小，盡管是通路也無法使繼電器順利吸合，因此需要使用三極管。其三，AB斷路之后，水泵要能繼續(xù)工作，什么元件在信號停止之后還能繼續(xù)保持導(dǎo)通呢？很自然會想到可控硅。

(4)設(shè)計并制作電路。電路設(shè)計如圖2所示，實物如圖3所示。

圖2

圖3

3 “水箱自動補水裝置”的工作原理

制作“水箱自動補水裝置”所需元器件的型號及參數(shù)等如表2所示。

表2

如圖2所示，當(dāng)水滿的時候，AB之間相當(dāng)于接入了一個電阻，形成通路，VT1導(dǎo)通，J1吸合；同理，BC之間也相當(dāng)于接入一個電阻，形成通路，VT2導(dǎo)通，J2吸合，因此，R和J3所在的支路均為斷路，J3不吸合，水泵不工作。當(dāng)水位下降、位于AB之間時，AB為斷路，VT1截止，J1釋放，但由于VT2仍然導(dǎo)通，J2仍保持吸合狀態(tài)，所以可控硅沒有觸發(fā)信號，無法導(dǎo)通，因此J3仍不吸合，水泵仍不工作。當(dāng)水位繼續(xù)下降到B以下時，BC之間斷路，VT2截止，J2釋放，于是可控硅被觸發(fā)，J3吸合，水泵開始工作。當(dāng)水位回升、超過B時，BC形成通路，使VT2導(dǎo)通，J2吸合，可控硅的控制端斷開，但是仍然維持導(dǎo)通狀態(tài)，使水泵能持續(xù)工作。當(dāng)水位達(dá)到A時，VT1導(dǎo)通，J1吸合，可控硅所在的支路斷電，可控硅截止，J3釋放，水泵停止工作。

4 應(yīng)用及意義

“水箱自動補水裝置”可用于高中電路部分的教學(xué)，可以作為演示電路，也可以結(jié)合通用技術(shù)課程，讓學(xué)生親手制作。通過該裝置的設(shè)計與制作，學(xué)生能完整體驗實際問題的解決過程，加深對物理知識的理解，同時提升學(xué)生的物理建模和抽象思維能力、電子電路的設(shè)計和應(yīng)用能力、實踐創(chuàng)新能力。