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汽車發(fā)動機(jī)防浸水簡易報警器的設(shè)計和制作

2020-10-09 10:26蘇炳超
物理教學(xué)探討 2020年9期
關(guān)鍵詞:電磁感應(yīng)

蘇炳超

摘? ? 要:以STEM 為理念的物理教學(xué),注重為學(xué)生提供真實且富有現(xiàn)實意義的問題情境,將科學(xué)、數(shù)學(xué)、技術(shù)和工程等知識相互融合,讓學(xué)生通過不同的學(xué)習(xí)方式,將知識進(jìn)行整合,學(xué)以致用,從而培養(yǎng)其創(chuàng)新思維能力。文章以“汽車發(fā)動機(jī)防浸水簡易報警器”設(shè)計為例,將STEM 教學(xué)理念和中學(xué)物理知識相融合,旨在全面提升學(xué)生的核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞:STEM;水位報警器;電磁感應(yīng)

中圖分類號:G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A ? ? 文章編號:1003-6148(2020)9-0051-3

1? ? 關(guān)于STEM的理念

STEM是科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)英語首字母的縮寫,1986年由美國國家科學(xué)委員會首次提出。2016年11月中國教育學(xué)會在北京召開座談會指出,STEM的教育哲學(xué)是“以設(shè)計和探索為目的,并對技術(shù)問題解決進(jìn)行科學(xué)的探索”。在物理教學(xué)中,為了貫徹這一理念,教師要善于開發(fā)與利用生活的教學(xué)素材,將STEM與科學(xué)探究有機(jī)結(jié)合,則能更好地發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)。對于中學(xué)生而言,多數(shù)學(xué)生已經(jīng)具備了一定的數(shù)學(xué)推理能力以及圖形設(shè)計能力,在面對一些生活或自然中的物理現(xiàn)象時,很多學(xué)生都會充滿好奇,尤其是與物理原理有關(guān)的生產(chǎn)實踐的應(yīng)用等。因此,作為一名物理教師,在教學(xué)中要將STEM教學(xué)理念、物理知識與生產(chǎn)生活中的應(yīng)用創(chuàng)新相聯(lián)系,這樣可以讓學(xué)生在全面掌握物理知識的同時,提升自己對知識的綜合運(yùn)用。本文以生活中的汽車防浸水報警器為研究對象,讓學(xué)生嘗試將中學(xué)物理知識與生活相結(jié)合,設(shè)計一款簡單、實用性強(qiáng)的汽車防浸水報警器,培養(yǎng)其探究求知精神,提高動手實踐能力和創(chuàng)新思維。

2? ? 汽車防浸水報警器的研究現(xiàn)狀

眾所周知,發(fā)動機(jī)是汽車的心臟,其維護(hù)和保養(yǎng)關(guān)系著整輛車子的使用壽命。在日常生活中,很多城市常常因為降雨天氣出現(xiàn)內(nèi)澇,道路積水,有些司機(jī)在行駛過程中常常由于車輛未安裝防浸水輔助系統(tǒng),對道路積水判斷有誤,造成發(fā)動機(jī)浸水,出現(xiàn)車輛損壞、人員被困的現(xiàn)象。如果在生活中能結(jié)合物理知識,利用水具有導(dǎo)電性,結(jié)合電流的磁效應(yīng)等,設(shè)計一款成本低、使用性能高的簡易水位報警器,則可以有效地避免司機(jī)在駕車行進(jìn)中對道路積水誤判導(dǎo)致發(fā)動機(jī)浸水。

目前國內(nèi)外水位報警器種類繁多,只有極少數(shù)高級車輛配置涉水輔助系統(tǒng),但大多數(shù)價格昂貴,維護(hù)和修理也不方便,很難普及。另外,有部分汽車是通過在車輛底部加裝液面高度傳感器來檢測積水深度,但這樣會減小車子的離地間隙,影響汽車通行,而且液面高度傳感器的使用安全性也不高。由此可見,設(shè)計一套性能優(yōu)良、維護(hù)簡單、運(yùn)行可靠的水位報警器,具有非常大的現(xiàn)實意義。

雖然現(xiàn)在市場上也有些水位報警器價格便宜,但是其功能單一,體積較大,容易出現(xiàn)故障,且不適合改進(jìn),很難再拓展其他功能,比如鍋爐采用極點(diǎn)式,水塔采用浮球式,水槽采用壓力變送式,家用太陽能熱水器采用極點(diǎn)式或電阻變壓式等。綜合現(xiàn)有的水位報警器,從中學(xué)生現(xiàn)有的物理知識出發(fā),讓學(xué)生動手設(shè)計一款使用方便、體積小、維護(hù)相對簡便、又能承載較大負(fù)載的水位報警器,具有廣闊的市場價值。

3? ? 汽車防浸水報警器的兩種改進(jìn)方案

由于家用轎車的進(jìn)氣口離地距離不低于70? cm,排氣口離地距離也在20 cm以上。如果汽車經(jīng)過積水較深的路面時,就會對三元催化裝置和消聲器造成損害,積水嚴(yán)重的甚至?xí)斐膳艢夤?、進(jìn)氣管進(jìn)水,出現(xiàn)發(fā)動機(jī)熄火、人員被困的現(xiàn)象。那么,如何對司機(jī)提前發(fā)出警報呢?下面設(shè)計兩種方案。

方案一:根據(jù)電流的磁效應(yīng),設(shè)計一種簡單、實用的水位自動報警器,安裝在距離發(fā)動機(jī)進(jìn)氣口1~2 cm處,模型如圖1所示。

當(dāng)圖中水位不夠高時,電磁鐵線圈的A、B端金屬塊未接觸到水面,電路無法接通,沒有電流通過,電磁鐵和銜鐵之間沒有吸引力,因此,彈簧收縮緊拉銜鐵條,觸點(diǎn)K端與H端相接觸,此時綠燈亮,紅燈不亮。若水位上升到與金屬A、B端接觸時,由于水具有導(dǎo)電性,此時電流經(jīng)金屬塊A、B及水流傳導(dǎo),使電源和電磁鐵線圈構(gòu)成回路。電磁鐵線圈中只要有微弱的控制電流通過,就能吸引銜鐵使觸點(diǎn)K與L端接在一起,此時紅燈亮,綠燈熄滅。當(dāng)司機(jī)發(fā)現(xiàn)紅燈亮?xí)r,就可停止前行,或者在不停車、不換擋、油門不回收的前提下,保證車輛慢速行駛。就算排氣管淹沒在水中也不會從這里進(jìn)水的,因為大量的氣體從排氣管排出,被排出的氣壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于水壓 (在水位不是很深的情況下),這樣就阻止了水浸入發(fā)動機(jī)。但若在判斷不了前方積水深度時,就不能貿(mào)然前行??上萝嚥榭捶e水情況,如果積水太深,在倒車時應(yīng)該換低擋,踩中高油門勻速通過。不能快速行駛濺起大浪或水花,因為車輛高速行駛時會在車頭形成水墻,使得車頭水位增加,沒過進(jìn)氣口引起熄火。另外,形成的波浪還會使周圍的車子或迎面來的車子也面臨相同的危險,給那些真正懂得如何通過的車主造成損失。

方案二:利用水會導(dǎo)電的原理,通過安裝簡易電路來設(shè)計水位報警器。如圖2所示,在汽車底盤的排氣管處安裝一個圖示電路,在管口處焊接一根管道,當(dāng)管中沒有水位或者水位低時,鍍有金屬漆的泡沫小球在重力作用下沒有與金屬A、B接觸,電路未導(dǎo)通,蜂鳴器不工作,二極管指示燈也不亮;當(dāng)管中水位上升,鍍有金屬漆的小球也隨之上升,與金屬A、B端接觸時,電路導(dǎo)通,指示燈發(fā)光,蜂鳴器發(fā)出聲音,表明現(xiàn)在處于危險水位,提前對司機(jī)發(fā)出預(yù)警。

這種設(shè)計采用浮力技術(shù),如圖3實物電路連接所示。方案一利用電磁鐵及水的導(dǎo)電性,但由于水的電阻較大,當(dāng)電壓較小或金屬片A、B相距較遠(yuǎn)時,電路中的電流小,用電器可能無法正常工作。而該方案恰恰杜絕了此類情況的發(fā)生,工作電流也更加穩(wěn)定。另外,鍍有金屬漆的小球放在管中,可以有效避免車輛行駛引起水花濺起造成A、B金屬端導(dǎo)電發(fā)出錯誤報警。當(dāng)然,該裝備在平時使用時也要注意維護(hù),要置于干燥處,以防小球表面生銹而降低靈敏度。另外,為避免水進(jìn)入管中,造成電路導(dǎo)通,燒毀儀器,在不工作時也要關(guān)閉電源。

4? ? 結(jié)束語

總而言之,當(dāng)汽車在路上行駛經(jīng)過水位比較高的低洼地段時,如果在排氣孔位置沒有安裝水位檢測裝置,貿(mào)然前行,就很容易發(fā)生排氣管進(jìn)水的狀況,損壞發(fā)動機(jī)。現(xiàn)在有些司機(jī)是通過水沒過車輪的深度來判斷水位,但是這并不能準(zhǔn)確地了解車輛是否能夠安全通過。而本文兩種汽車底盤水位報警器的設(shè)計都遵循創(chuàng)新、經(jīng)濟(jì)、實用、環(huán)保的原則,取材容易、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便,能夠有效地對車輛底盤處的水位進(jìn)行報警,實現(xiàn)系統(tǒng)預(yù)警功能,有較好的市場開發(fā)價值。

當(dāng)前,隨著新課改的不斷推進(jìn),物理科學(xué)探究受到了師生的高度重視。在STEM 教育理念的指引下,如果能讓學(xué)生將物理知識與生活生產(chǎn)中的應(yīng)用相融合,創(chuàng)新設(shè)計,就能更好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和自主性,使其學(xué)習(xí)物理的積極性變得更高。

參考文獻(xiàn):

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[2]宋英豪.汽車底盤水位檢測報警器[J].汽車實用技術(shù),2018,279(24):199-200.

[3]李帥.實用水位報警器[J].發(fā)明與創(chuàng)新:中學(xué)時代(B),2012(6):27.

[4]吳曉天.基于中學(xué)物理實驗活動的STEM教育實踐[D].呼和浩特:內(nèi)蒙古師范大學(xué)碩士學(xué)位論文,2017.

(欄目編輯? ? 王柏廬)

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