結(jié)合通用技術(shù)課程 促進物理教學①
——以“電容器在延時電路中的應用”為例

趙冬卿

(南京師范大學附屬中學，江蘇 南京 210003)

1 前言

電容器因其獨特的充放電特性在電子電路設(shè)計中得到了廣泛應用，隔直流、延時、濾波、耦合、旁路等都是電容器的常見應用。高中物理教學對于電容器的應用重點為：在平行板電容器中產(chǎn)生電場，與磁場結(jié)合從而影響電子在電磁場中的運動，而對于電容器最基本的充放電特性在電子電路中的實際應用卻鮮有涉及，導致學生對于電容器的理解停留在抽象的概念層面，難以應用電容器設(shè)計電路。

通用技術(shù)選修教材《電子控制技術(shù)》為以上問題的解決提供了很好的思路，該教材介紹了二極管、三極管等半導體元件的工作原理和典型應用。[1]物理教學可以適當取材、合理運用，設(shè)計出有關(guān)電容器實際應用的案例，為學生進一步理解和運用電容器打下基礎(chǔ)，激發(fā)學生學以致用的熱情，提高學生的科技創(chuàng)新能力。筆者設(shè)計了“電容器在延時電路中的應用”一課，希望以此為例拋磚引玉。

2 “電容器在延時電路中的應用”教學設(shè)計

2.1 引出電容器的延時作用

學習過電容器之后，學生都知道了電容器可以充電也可以放電，此時教師可以引導學生進一步思考：既然充電和放電都不可能在瞬間完成，那么電容器充放電需要時間的這個現(xiàn)象可以有什么應用呢？以此引出電容器的延時作用。

2.2 理解電容器延時的原理

為了讓學生直觀地看到電容器在電路中起到的延時效果，教師可以設(shè)計、制作對比演示電路(圖1)。

圖1

首先，斷開S2，閉合S1，學生能夠看到發(fā)光二極管被點亮；然后斷開S1，將S2閉合，再閉合S1，這時能夠觀察到發(fā)光二極管過一段時間后才被點亮，此時延時的效果就出現(xiàn)了。接下來，教師可以根據(jù)這個現(xiàn)象帶領(lǐng)學生思考：電容器是如何起到延時作用的？引導學生理解延時產(chǎn)生的原理。

由于S2閉合時，發(fā)光二極管和電容器并聯(lián)，其兩端的電壓與電容器兩端的電壓相等。發(fā)光二極管要被點亮，它兩端的電壓必須達到一定的數(shù)值，這就需要電容器被充電到相同的電壓值，而電容器被充電到該電壓值需要一定的時間，這就造成了發(fā)光二極管在電容器的充電階段由于電壓不夠而不能被點亮，只有當電容器充電一段時間后，兩端電壓達到了發(fā)光二極管點亮所需要的電壓，發(fā)光二極管才能點亮，這就產(chǎn)生了延時點亮的效果。

為了讓延時現(xiàn)象明顯、直觀，教師設(shè)計電路時，可以選用大一點的電容器和電阻，使電容器的充電時間變長，使用的元件和參數(shù)如下：高亮二極管燈珠、電阻(1.5kΩ)、電容器(1500μF 16V)、直流電源(4.5V)。

2.3 設(shè)計延時電路

根據(jù)上述的實驗演示，教師可以引導學生設(shè)計延時電路，將有導通門檻電壓的半導體元件與電容器相結(jié)合，利用電容器的充放電控制半導體元件的導通時間，從而達到延時開啟或延時關(guān)閉的目的，筆者利用三極管和電容器分別設(shè)計了“觸摸延時亮燈”和“觸摸延時關(guān)燈”兩個電路，并用于教學。

2.3.1 “觸摸延時亮燈”電路設(shè)計

在通用技術(shù)課中，學生已經(jīng)理解了三極管的工作原理以及三極管的放大和開關(guān)特性，因此筆者先用三極管設(shè)計了一個“觸摸關(guān)燈”電路(圖2)。

圖2

當手沒有觸摸VT1基極時，由于VT1、VT2均未導通，因此VT3基極為高電位，符合導通條件，因此VT3導通，發(fā)光二極管點亮，當手觸摸VT1基極之后，VT1、VT2相繼導通，VT3由于基極電位被拉低而截止，發(fā)光二極管熄滅，因此該電路有觸摸關(guān)燈的效果。

在理解上述電路的基礎(chǔ)上，請學生思考：該電路能夠?qū)崿F(xiàn)觸摸關(guān)燈的功能，但只有在手觸摸的時候燈才會關(guān)閉，手一離開，燈就會立刻點亮，應用性較差，我們能否讓燈在手離開之后繼續(xù)保持一段時間的熄滅狀態(tài)，然后再自動點亮呢？

通過對這個問題的思考，學生自主設(shè)計思路，要使電路能保持一段時間的熄燈狀態(tài)，即延遲發(fā)光二極管的點亮，只要利用電容器的充電特性延遲VT3的導通即可，學生想到在VT3的基極和發(fā)射極之間并聯(lián)一個電容器(圖3)。此時，當手觸摸VT1的基極，VT1、VT2導通，電容器通過VT2支路放電，VT3也因基極電位被拉低而截止，發(fā)光二極管熄滅。當手離開后，VT1、VT2截止，電容器通過R2支路充電，電容器兩端電壓緩慢升高，在沒有達到VT3導通電壓之前，VT3保持截止狀態(tài)，因而發(fā)光二極管也保持熄滅狀態(tài)，只有當電容器充電一段時間后，其兩端電壓達到了VT3導通的電壓，使VT3導通，發(fā)光二極管才被點亮，從而實現(xiàn)了觸摸后延時亮燈的功能。實驗中使用的元件和參數(shù)如下：直流電源(4.5V)、發(fā)光二極管(壓降為2V)、電阻R1(100Ω)、電阻R2(510kΩ)、電阻R3(100Ω)、電容器(47μF)、三極管(S8050)。

圖3

2.3.2 “觸摸延時關(guān)燈”電路設(shè)計

在“觸摸延時亮燈”電路的基礎(chǔ)上，筆者又請學生繼續(xù)思考：能否再加一個三極管來實現(xiàn)觸摸延時關(guān)燈的功能？要能夠延時關(guān)燈，需使燈能保持住一段時間的點亮狀態(tài)。從圖3電路可知：加上電容器之后VT3會延遲導通，這樣，只要利用VT3保持截止狀態(tài)時讓下一個三極管導通即可，通過教師的引導，學生設(shè)計出了如圖4所示的電路。當手觸摸觸摸VT1的基極時，電容器迅速放電，使得VT3截止，VT4基極電位被拉高因而導通，發(fā)光二極管點亮。在電容器充電的過程中，VT3保持截止狀態(tài)，因此發(fā)光二極管能持續(xù)發(fā)光。當電容器充電一段時間后，VT3導通，VT4就因基極電位被拉低而截止，發(fā)光二極管熄滅，從而實現(xiàn)了觸摸延時關(guān)燈的功能。實驗中使用的元件和參數(shù)如下：直流電源(4.5V)、發(fā)光二極管(壓降為2V)、電阻R1(100Ω)、電阻R2(510kΩ)、電阻R3(51kΩ)、電阻R4(100Ω)、電容器(47μF)、三極管(S8050)。

圖4

3 結(jié)語

“觸摸延時”電路有一定的趣味性，學生設(shè)計出電路之后，可以結(jié)合通用技術(shù)課，讓他們自己動手搭建電路和實驗，當實驗獲得成功后，學生會很開心，學以致用的喜悅感和成就感能夠進一步激發(fā)學生對物理學習和動手實踐的興趣，有利于加深學生對物理原理的認識，提高實踐創(chuàng)新能力。