汽车发动机防浸水简易报警器的设计和制作

    苏炳超

    

    

    

    摘? ? 要:以STEM 为理念的物理教学,注重为学生提供真实且富有现实意义的问题情境,将科学、数学、技术和工程等知识相互融合,让学生通过不同的学习方式,将知识进行整合,学以致用,从而培养其创新思维能力。文章以“汽车发动机防浸水简易报警器”设计为例,将STEM 教学理念和中学物理知识相融合,旨在全面提升学生的核心素养。

    关键词:STEM;水位报警器;电磁感应

    中图分类号:G633.7 文献标识码:A ? ? 文章编号:1003-6148(2020)9-0051-3

    1? ? 关于STEM的理念

    STEM是科学、技术、工程和数学英语首字母的缩写,1986年由美国国家科学委员会首次提出。2016年11月中国教育学会在北京召开座谈会指出,STEM的教育哲学是“以设计和探索为目的,并对技术问题解决进行科学的探索”。在物理教学中,为了贯彻这一理念,教师要善于开发与利用生活的教学素材,将STEM与科学探究有机结合,则能更好地发展学生的核心素养。对于中学生而言,多数学生已经具备了一定的数学推理能力以及图形设计能力,在面对一些生活或自然中的物理现象时,很多学生都会充满好奇,尤其是与物理原理有关的生产实践的应用等。因此,作为一名物理教师,在教学中要将STEM教学理念、物理知识与生产生活中的应用创新相联系,这样可以让学生在全面掌握物理知识的同时,提升自己对知识的综合运用。本文以生活中的汽车防浸水报警器为研究对象,让学生尝试将中学物理知识与生活相结合,设计一款简单、实用性强的汽车防浸水报警器,培养其探究求知精神,提高动手实践能力和创新思维。

    2? ? 汽车防浸水报警器的研究现状

    众所周知,发动机是汽车的心脏,其维护和保养关系着整辆车子的使用寿命。在日常生活中,很多城市常常因为降雨天气出现内涝,道路积水,有些司机在行驶过程中常常由于车辆未安装防浸水辅助系统,对道路积水判断有误,造成发动机浸水,出现车辆损坏、人员被困的现象。如果在生活中能结合物理知识,利用水具有导电性,结合电流的磁效应等,设计一款成本低、使用性能高的简易水位报警器,则可以有效地避免司机在驾车行进中对道路积水误判导致发动机浸水。

    目前国内外水位报警器种类繁多,只有极少数高级车辆配置涉水辅助系统,但大多数价格昂贵,维护和修理也不方便,很难普及。另外,有部分汽车是通过在车辆底部加装液面高度传感器来检测积水深度,但这样会减小车子的离地间隙,影响汽车通行,而且液面高度传感器的使用安全性也不高。由此可见,设计一套性能优良、维护简单、运行可靠的水位报警器,具有非常大的现实意义。

    虽然现在市场上也有些水位报警器价格便宜,但是其功能单一,体积较大,容易出现故障,且不适合改进,很难再拓展其他功能,比如锅炉采用极点式,水塔采用浮球式,水槽采用压力变送式,家用太阳能热水器采用极点式或电阻变压式等。综合现有的水位报警器,从中学生现有的物理知识出发,让学生动手设计一款使用方便、体积小、维护相对简便、又能承载较大负载的水位报警器,具有广阔的市场价值。

    3? ? 汽车防浸水报警器的两种改进方案

    由于家用轿车的进气口离地距离不低于70? cm,排气口离地距离也在20 cm以上。如果汽车经过积水较深的路面时,就会对三元催化装置和消声器造成损害,积水严重的甚至会造成排气管、进气管进水,出现发动机熄火、人员被困的现象。那么,如何对司机提前发出警报呢?下面设计两种方案。

    方案一:根据电流的磁效应,设计一种简单、实用的水位自动报警器,安装在距离发动机进气口1~2 cm处,模型如图1所示。

    当图中水位不够高时,电磁铁线圈的A、B端金属块未接触到水面,电路无法接通,没有电流通过,电磁铁和衔铁之间没有吸引力,因此,弹簧收缩紧拉衔铁条,触点K端与H端相接触,此时绿灯亮,红灯不亮。若水位上升到与金属A、B端接触时,由于水具有导电性,此时电流经金属块A、B及水流传导,使电源和电磁铁线圈构成回路。电磁铁线圈中只要有微弱的控制电流通过,就能吸引衔铁使触点K与L端接在一起,此时红灯亮,绿灯熄灭。当司机发现红灯亮时,就可停止前行,或者在不停车、不换挡、油门不回收的前提下,保证车辆慢速行驶。就算排气管淹没在水中也不会从这里进水的,因为大量的气体从排气管排出,被排出的气压远远高于水压 (在水位不是很深的情况下),这样就阻止了水浸入发动机。但若在判断不了前方积水深度时,就不能贸然前行。可下车查看积水情况,如果积水太深,在倒车时应该换低挡,踩中高油门匀速通过。不能快速行驶溅起大浪或水花,因为车辆高速行驶时会在车头形成水墙,使得车头水位增加,没过进气口引起熄火。另外,形成的波浪还会使周围的车子或迎面来的车子也面临相同的危险,给那些真正懂得如何通过的车主造成损失。

    方案二:利用水会导电的原理,通过安装简易电路来设计水位报警器。如图2所示,在汽车底盘的排气管处安装一个图示电路,在管口处焊接一根管道,当管中没有水位或者水位低时,镀有金属漆的泡沫小球在重力作用下没有与金属A、B接触,电路未导通,蜂鸣器不工作,二极管指示灯也不亮;当管中水位上升,镀有金属漆的小球也随之上升,与金属A、B端接触时,电路导通,指示灯发光,蜂鸣器发出声音,表明现在处于危险水位,提前对司机发出预警。

    这种设计采用浮力技术,如图3实物电路连接所示。方案一利用电磁铁及水的导电性,但由于水的电阻较大,当电压较小或金属片A、B相距较远时,电路中的电流小,用电器可能无法正常工作。而该方案恰恰杜绝了此类情况的发生,工作电流也更加稳定。另外,镀有金属漆的小球放在管中,可以有效避免车辆行驶引起水花溅起造成A、B金属端导电发出错误报警。当然,该装备在平时使用时也要注意维护,要置于干燥处,以防小球表面生锈而降低灵敏度。另外,为避免水进入管中,造成电路导通,烧毁仪器,在不工作时也要关闭电源。

    4? ? 结束语

    总而言之,当汽车在路上行驶经过水位比较高的低洼地段时,如果在排气孔位置没有安装水位检测装置,贸然前行,就很容易发生排气管进水的状况,损坏发动机。现在有些司机是通过水没过车轮的深度来判断水位,但是这并不能准确地了解车辆是否能够安全通过。而本文两种汽车底盘水位报警器的设计都遵循创新、经济、实用、环保的原则,取材容易、结构简单、使用方便,能够有效地对车辆底盘处的水位进行报警,实现系统预警功能,有较好的市场开发价值。

    當前,随着新课改的不断推进,物理科学探究受到了师生的高度重视。在STEM 教育理念的指引下,如果能让学生将物理知识与生活生产中的应用相融合,创新设计,就能更好地激发学生的学习热情和自主性,使其学习物理的积极性变得更高。

    参考文献:

    [1]韩叙虹.基于物理核心素养培养的STEM教学的实践与探索[J].中学物理,2018(3):2-6.

    [2]宋英豪.汽车底盘水位检测报警器[J].汽车实用技术,2018,279(24):199-200.

    [3]李帅.实用水位报警器[J].发明与创新:中学时代(B),2012(6):27.

    [4]吴晓天.基于中学物理实验活动的STEM教育实践[D].呼和浩特:内蒙古师范大学硕士学位论文,2017.

    (栏目编辑? ? 王柏庐)