李 璇

（深圳市光明區(qū)第二中學(xué) 廣東深圳 518000）

一、“光控LED燈”的設(shè)計(jì)背景

在初中物理電學(xué)知識(shí)的學(xué)習(xí)中，有一些特殊電阻，導(dǎo)電性會(huì)受到溫度、光照、壓力等外界因素的影響，它們被稱(chēng)為熱敏電阻、光敏電阻、壓敏電阻等。這些特殊電阻是使用半導(dǎo)體材料制成的，在我們現(xiàn)在的生活中應(yīng)用非常廣泛，在電學(xué)習(xí)題中出現(xiàn)的頻率也較高。對(duì)于特殊電阻的考察，往往會(huì)結(jié)合實(shí)際的生活情境，比如下面這兩道習(xí)題：

1.為保障安全運(yùn)行，高鐵列車(chē)上安裝有煙霧報(bào)警裝置。如圖所示是某?？萍夹〗M設(shè)計(jì)的列車(chē)煙霧報(bào)警儀的簡(jiǎn)化原理圖，電源兩端電壓保持不變，R0為定值電阻，光敏電阻R的阻值隨光照強(qiáng)度的減弱而增大，當(dāng)輸出信號(hào)端的電壓達(dá)到某一數(shù)值時(shí)，報(bào)警器開(kāi)始報(bào)警。當(dāng)列車(chē)上有煙霧遮擋了射向光敏電阻R的激光時(shí)，下列說(shuō)法正確的是（ ）

A.電流表示數(shù)不變，輸出信號(hào)端電壓變大

B.電流表示數(shù)變小，輸出信號(hào)端電壓變大

C.電流表示數(shù)變大，輸出信號(hào)端電壓變小

D.電流表示數(shù)變小，輸出信號(hào)端電壓不變

2.某研究性學(xué)習(xí)小組設(shè)計(jì)了一種測(cè)定風(fēng)力的裝置，其原理如圖甲所示。迎風(fēng)板與一個(gè)壓敏電阻Rx連接，工作時(shí)迎風(fēng)板總是正對(duì)風(fēng)吹來(lái)的方向，壓敏電阻隨風(fēng)力的變化而變化，已知電源電壓恒為9V，定值電阻R＝2Ω，電壓表量程為0～3V，壓敏電阻Rx，與迎風(fēng)板承受風(fēng)力F的關(guān)系如圖乙所示。

（1）電壓表示數(shù)隨風(fēng)力的增大而_______（選填“增大”“減小”或“不變”）。

（2）求無(wú)風(fēng)時(shí)定值電阻R消耗的電功率。

（3）求該裝置所能測(cè)量的最大風(fēng)力。

題目中出現(xiàn)的背景描述和特殊電阻的說(shuō)明，對(duì)學(xué)生的閱讀、理解、知識(shí)遷移能力有較高的要求。而在初中物理實(shí)驗(yàn)中，并沒(méi)有涉及特殊電阻的實(shí)操性實(shí)驗(yàn)，這使得學(xué)生對(duì)于特殊電阻的學(xué)習(xí)只能停留在習(xí)題的描述中。這樣的學(xué)習(xí)方式，一方面使得部分學(xué)生對(duì)于這類(lèi)題目感到難以理解，另一方面學(xué)生也不知道如何將所學(xué)知識(shí)運(yùn)用到生活中。為此，筆者特以光敏電阻的應(yīng)用為例，帶領(lǐng)學(xué)生制作“光控LED燈”，讓學(xué)生了解光敏電阻的特性，體會(huì)特殊電阻在生活中的應(yīng)用實(shí)例。

二、“光控LED燈”的簡(jiǎn)介

（一）“光控LED燈”的電路及元件選擇

“光控LED燈”的材料包括面包板、電源、光敏電阻、定值電阻、發(fā)光二極管、三極管、導(dǎo)線。面包板：各種電子元件可以插入面包板中的小孔進(jìn)行連接，省去一些焊接或手動(dòng)接線。電源：3V的紐扣電池。光敏電阻：利用半導(dǎo)體的光電導(dǎo)效應(yīng)制成，其阻值隨光照強(qiáng)度的增大而減小。光照越強(qiáng)，電阻越小；光照越弱，電阻越大。定值電阻：22kΩ的定值電阻。發(fā)光二極管：LED燈珠。三極管：8050三極管。

（二）“光控LED燈”的設(shè)計(jì)原理

“光控LED燈”能根據(jù)環(huán)境光線實(shí)現(xiàn)智能照明，天黑會(huì)自動(dòng)亮起，白天會(huì)自動(dòng)熄滅。由于光敏電阻的阻值隨光照強(qiáng)度的增大而減小，[1]因此如果直接將光敏電阻與LED燈串聯(lián)，則會(huì)出現(xiàn)天黑LED燈自動(dòng)熄滅，白天LED燈自動(dòng)亮起的情況。所以，在選擇電路元件時(shí)，選取了一個(gè)三極管，它的作用是與光敏電阻組合在一起構(gòu)成一個(gè)電子開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)光照強(qiáng)時(shí)LED燈不發(fā)光，光照弱時(shí)LED燈發(fā)光。三極管有三個(gè)極，基極b，集電極c，發(fā)射極e。在原理上，當(dāng)基極b有電流時(shí)，三極管導(dǎo)通，c-e之間有電流通過(guò)。當(dāng)基極b電流為0時(shí)，三極管截止，c-e之間沒(méi)有電流通過(guò)。

（三）“光控LED燈”的工作原理

白天（即光照強(qiáng)度大時(shí)），光敏電阻阻值小，三極管相當(dāng)于短路，基極b電流為0，三極管處于截至狀態(tài)，c-e之間如同一個(gè)斷開(kāi)的開(kāi)關(guān)。此時(shí)沒(méi)有電流通過(guò)LED燈，LED燈不發(fā)光。晚上（即光照強(qiáng)度小時(shí)），光敏電阻阻值大，三極管基極b有電流通過(guò)，處于導(dǎo)通狀態(tài)，c-e之間如同一個(gè)閉合的開(kāi)關(guān)，其等效電路圖如圖丁所示。此時(shí)有電流通過(guò)LED燈，LED燈發(fā)光。

三、“光控LED燈”的制作

本電路元件使用簡(jiǎn)單，對(duì)于已經(jīng)有基礎(chǔ)電學(xué)知識(shí)的學(xué)生，其電路設(shè)計(jì)也是容易理解的。筆者帶領(lǐng)學(xué)生制作的過(guò)程如下[2]：（1）了解光敏電阻的特性，進(jìn)而知道三極管與光敏電阻組合起來(lái)的功能。（2）能夠分析“光控LED燈”電路圖，知道其工作原理。（3）介紹部分電子元件，包括：面包板的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，LED燈正、負(fù)極的識(shí)別方法，三極管基極、集電極、發(fā)射級(jí)的識(shí)別方法。（4）學(xué)生根據(jù)電路圖連接電路，并模擬白天和晚上觀察LED燈的發(fā)光。

四、結(jié)束語(yǔ)

在此之前，學(xué)生對(duì)于光控?zé)舻捏w驗(yàn)一般是通過(guò)題目的描述或是生活中家里購(gòu)買(mǎi)的小夜燈，而這次的小制作，學(xué)生親自動(dòng)手制作出光控?zé)?，并模擬白天和晚上LED燈的發(fā)光情況，讓他們體驗(yàn)到了光敏電阻的特殊之處。這不僅讓學(xué)生感受到了學(xué)有所用，也為他們?cè)O(shè)計(jì)出關(guān)于特殊電阻電路提供了更多的可能性。雖然現(xiàn)實(shí)生活中關(guān)于特殊電阻的電路要復(fù)雜得多，但這樣的小制作有利于豐富學(xué)生對(duì)特殊電阻的了解，引發(fā)他們對(duì)特殊電阻在生活中應(yīng)用的思考，激發(fā)探究特殊電阻的興趣。