利用手机传感器研究交流电的有效值

    肖芝清 张树国

    

    

    

    摘 ? 要：利用手机上的光照传感器和“手机传感器”App，结合常规的实验器材，用“等效”的思想，來研究常见的正弦式交流电、正弦交流电半波整流及桥式整流后的有效值。

    关键词：交流电;有效值;手机传感器

    中图分类号：G633.7 文献标识码：A ? ?文章编号：1003-6148（2020）6-0048-3

    1 ? ?引 ?言

    交流电的有效值是高中物理中非常重要的概念，同时也是难点。人教版教材是先在“思考与讨论”中给出了一个不对称方波，用分段计算热量的方法来引导学生思考，然后给出有效值的含义：让交流与恒定电流分别通过大小相同的电阻，如果在交流的一个周期内它们产生的热量相等，而这个恒定电流是I、电压是U，我们就把I、U叫做这个交流的有效值。对正弦式交流电，只有“理论计算表明”几个字直接告知结论。

    2 ? ?实验方案

    用实验手段来研究这一问题，主要是课堂中短时间内对热量的测量与比较难以实现，随着技术的发展，现在可以用光照的测量间接比较热量，如采取数字化实验系统中的光照度传感器[1-2]。现在的智能手机都自带多种传感器，借助一款名为“手机传感器”的手机应用，用其中的“光线传感器”将热量的比较转换为光照的比较。再加上手机的同屏功能，可以实时将光照度数值显示在教室的大屏幕上，实现了课堂上的探究学习，起到了良好的教学效果，甚至可以进行学生分组实验。

    2.1 ? ?实验电路

    如图1所示，器材采用：J1202高中学生电源，开关，20 Ω和50 Ω的滑动变阻器各1只（做粗调和细调），小灯泡（2.5 V、0.3 A），IN4007二极管5只，智能手机，电压传感器（电压表符号表示）。小灯泡和手机光线传感器置于手机盒正对的两个内侧壁上，用小刀在手机盒的上盖开一缺口，将手机盒盖上后，恰好可以从上盖插入手机的光线传感器部分（通常在手机屏的上端），这样可以避免环境光的影响，底部的小物块起到固定手机的作用。将所有实验器材固定在一块底板上，方便课堂使用。

    2.2 ? ?实验原理

    将滑动变阻器置于最大，开关接a，用交流电向小灯泡供电，通过电压传感器测量交流电电压，当交流电电压最大值为Um时，读出此时手机传感器上的光照度数值。然后断开开关，将滑动变阻器置于最大，开关接b，用学生电源的6 V稳压直流电向小灯泡供电。仔细调节滑动变阻器，观察手机传感器的光照度数值，当此时的光照度与交流供电非常接近时，读出直流电电压值U，那么U就是最大值为Um的交流电压的有效值。

    3 ? ?实验探究过程

    3.1 ? ?研究正弦交流电电压的有效值

    实验装置的实物图如图2所示，将开关接a，接学生电源的4 V交流输出，仔细调节滑动变阻器，观察电压传感器使得小灯泡两端的交流电压最大值为3.5 V（如图3），记下此时的光照度为219Luxes（会有略微的变化，记录其中间值，如图4所示）。然后开关接b，接6 V稳压直流输出，调节滑动变阻器直到光照度再次十分接近219Luxes，通过电压传感器的数字显示窗口读出直流电压为2.42 V（如图5），也就是该交流电压的有效值，记录在表1中。共测量3组数据，可以求得Um/U的平均值为1.45，非常接近理论值。

    这个时候让学生讲一讲什么是交流电的有效值，他们可能讲不完整，但大多能讲出“相同电阻”“相同热量”，因为他们经历了探究的过程，真实地体验了“等效”。

    3.2 ? ?探究正弦交流电半波整流后的有效值

    学生电源的交流输出通过一只二极管，将正弦交流电进行半波整流，再接入开关的a端，其简化电路图如图6所示。仔细调节滑动变阻器，使得小灯泡两端的交流最大值为5.0 V（如图7），记下此时的光照度为205Luxes。然后改接6 V直流稳压输出，调节滑动变阻器直到光照度再次十分接近205Luxes，读出直流电压为2.42 V，也就是该交流电压的有效值，记录在表2中。共测量3组数据，可以求得Um/U的平均值为2.09，非常接近理论值2。

    这个时候再理论计算，设该交流的最大值为Um、周期为T，有效值为U，电阻为R，直流电在一个周期内产生的热量Q=T，交流产生的热量Q=?Q1，Q1是未整流的正弦电流在一个周期内产生的热量，所以Q1=T。从而解出U=。学生通过前面的实验探究过程，体会了直流电与交流电在热效应上“等效”的思想，再进行这里的计算，就要容易得多。

    3.3 ? ?探究正弦交流电桥式整流后的有效值

    利用四个二极管组成桥式整流电路，学生电源的交流输出通过桥式整流，再接入电路，其简化电路图如图8所示。仔细调节滑动变阻器，使得小灯泡两端的交流最大值为3.5 V（如图9），记下此时的光照度为180Luxes。然后改接6 V直流稳压输出，调节滑动变阻器直到光照度再次十分接近180Luxes，读出直流电压为2.41 V，也就是该交流电压的有效值，记录在表3中。共测量3组数据，可以求得Um/U的平均值为2.09，非常接近理论值2。

    4 ? ?结束语

    高中物理课程标准要求：创设学生积极参与、乐于探究、善于实验、勤于思考的学习情境，培养和发展学生的自主学习能力。通过多样化的教学方式，利用现代信息技术，引导学生理解物理学的本质。现在利用手机传感器研究交流电的有效值，创设恰当的学习情境，让学生真做实验、做真实验，真正地进行实验探究，理解科学本质，可以促进科学探究核心素养的落实。

    参考文献：

    [1]高宇.验证典型交变电流最大值和有效值关系的实验[J].物理教学探讨，2019，37（8）：51-53.

    [2]邓靖武.以优化实验为策略提升学生科学思维能力——以“交变电流有效值”的教学为例[J].物理教学，2018（7）：26-29.

    （栏目编辑 ? ?王柏庐）