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- 2021-05-22 发布
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第一节 传感器及其工作原理 1 课时 新授课
教学目标
1.知识与技能
了解什么是传感器,知道非电学量转化为电学量的技术意义;
认识一些制作传感器的元器件,知道这些传感器的工作原理。
2.过程与方法
通过对实验的观察、思考和探究,让学生在了解传感器、熟悉传感器工作原
理的同时,经历科学探究过程,学习科学研究方法,培养学生的观察能力、实践
能力和创新思维能力。
3.情感、态度与价值观[来源:学*科*网 Z*X*X*K]
体会传感器在生活、生产、科技领域的种种益处,激发学生的学习兴趣,拓
展学生的知识视野,并加强物理与 STS 的联系。通过动手实验,培养学生实事求
是的科学态度、团队合作精神和创新意识。
教学重点
认识各种常见的传感器;了解光敏电阻、热敏电阻、霍尔元件的工作原理。
教学难点
光敏电阻、热敏电阻、霍尔元件的工作原理。
教学方法
实验法、观察法、归纳法。
教学手段
磁铁、干簧管、各种常见传感器、光敏电阻、热敏电阻、霍尔元件、多用电表、
热水、冷水、台灯、投影仪等
教学过程
一、引入新课
教师:今天我们生活中常用的电视、空调的遥控器是如何实现远距离操纵的?
楼梯上的电灯如何能人来就开,人走就熄的?工业生产中所用的自动报警器、恒温
烘箱是如何工作的?“非典”病毒肆虐华夏大地时,机场、车站、港口又是如何
实现快速而准确的体温检测的?所有这些,都离不开一个核心,那就是本堂课将
要学习的传感器。
二、新课教学
1.什么是传感器
演示实验 1:如图 1 所示,小盒子的侧面露出一个小灯泡,盒外没有开关,当
把磁铁放到盒子上面,灯泡就会发光,把磁铁移开,灯泡熄灭。
教师提问:盒子里有怎样的装置,才能实现这样的控制?
学生猜测:盒子里有弹性铁质开关。
师生探究:打开盒子,用实物投影仪展示盒内的电路图(图 2),了解元件“干
簧管”的结构。探明原因:当磁体靠近干簧管时,两个由软磁性材料制成的簧片
因磁化而相互吸引,电路导通,干簧管起到了开关的作用。
教师点拨:这个装置反过来还可以让我们通过灯泡的发光情况,感知干簧管
周围是否存在着磁场。
演示实验 2:教师出示一只音乐茶杯,茶杯平放桌上时,无声无息,提起茶杯,
茶杯边播放悦耳的音乐,边闪烁着五彩的光芒。
教师提问: 音乐茶杯的工作开关又在哪里?开启的条件是什么?
学生猜测:在茶杯底部,所受压力发生改变。
实验探究:提起茶杯,用手压杯的底部,音乐并没有停止。
学生猜测:是由于光照强度的改变。
实验探究:用书挡住底部(不与底部接触),音乐停止,可见音乐茶杯受光照
强度的控制。
师生总结:现代技术中,我们可以利用一些元件设计电路,它能够感受诸如
力、温度、光、声、化学成分等非电学量,并能把它们按照一定的规律转换为电
压、电流等电学量,或转换为电路的通断。我们把这种元件叫做传感器。它的优
点是:把非电学量转换为电学量以后,就可以很方便地进行测量、传输、处理和
控制了。
教师提问:实验 1 中的干簧管是怎样的传感器,实验 2 音乐茶杯中所用的元
件又是怎样的传感器?
学生回答:干簧管是一个能感受磁场的传感器,音乐茶杯中所用的元件是能
感受光照强度的传感器。
教师介绍:数字化信息系统实验室(Digital Information System Laboratory,简
称:DISLab)
就是由“传感器+数据采集器+实验软件包+计算机”构成的新型实验系统。该
系统成功克服了传统物理实验仪器的诸多弊端,有力地支持了信息技术与物理教
学的全面整合,在实验上收到了许多意想不到的成功。
投影展示:
[来源:Z+xx+k.Com]
图 3 DISLab 系统构成
演示实验 3:通过朗威 DISLab 数据采集器、位移传感器来观察简谐振动图象。
图 4 弹簧振子实验装置图
图 5 弹簧振子振动图线
2、认识一些制作传感器的元器件
(1)光敏电阻
学生实验 1:学生两人一组,用万用电表的欧姆挡测量一只光敏电阻的阻值,
实验分别在暗环境和强光照射下进行。
学生总结实验结果:光敏电阻在暗环境下电阻值很大,强光照射下电阻值很
小。
师生总结:光敏电阻能够把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量。
教师简单介绍:光敏电阻在光照射下电阻变化的原因。有些物质,例如硫化
镉,是一种半导体材料,无光照时,载流子极少,导电性能不好;随着光照的增
强,载流子增多,导电性变好。
(2)热敏电阻和金属热电阻
教师提问:金属导体的导电性能与温度有关吗?关系如何?
学生回答:金属导体的电阻随温度的升高而增大,如白炽灯钨丝的电阻在正
常工作情况下比常温下的电阻大得多。
演示实验 4:如图 6 所示,AB 间接有一段钨丝(从旧日光灯管中取出),闭合
开关,灯泡正常发光,当用打火机给钨丝加热时,灯泡亮度明显变暗。
学生探究:钨丝的电阻随温度的升高而增大。
师生总结:用金属丝可以制作温度传感器,称为热电阻。如前面已经学过的
用金属铂可制作精密的电阻温度计。
学生实验 2:学生两人一组,用万用电表的欧姆挡测一只热敏电阻的阻值。第
一次直接测量,第二次用手心捂住热敏电阻再测量,记录两次测得的电阻值。
学生探究:热敏电阻的阻值随温度的升高而减小,且阻值随温度变化非常明
显。
师生总结:半导体热敏电阻也可以用作温度传感器。
师生总结比较:金属热电阻与热敏电阻都能够把温度这个热学量转换为电阻
这个电学量,金属热电阻的化学稳定性好,测温范围大,但灵敏度较差。
(3)霍尔元件
教师介绍:霍尔元件是在一个很小的矩形半导体(例如砷化铟)薄片上,制
作 4 个电极 E、F、M、N 而成(如图 7 所示)。若在 E、F 间通入恒定的电流 I,
同时外加与薄片垂直的匀强磁场 B,薄片中的载流子就在洛伦兹力的作用下发生偏
转,使 M、N 间出现电压 U。
师生讨论:霍尔元件的上的电压 U 与电流 I、磁感应强度 B 的关系,设霍尔
元件长为 a,宽为 b,厚为 d,则当薄片中载流子达到稳定状态时, ,即
,又因 ,所以 ,即 ( 为霍尔系数)。因
此,我们就可以根据电压 U 的变化得知磁感应强度的变化。
师生共析:霍尔元件能够把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量。
演示实验 5:利用朗威 DISLab 数据采集器、霍尔元件观察通电螺线管内部磁
感应强度的大小分布规律。[来源:学+科+网 Z+X+X+K]
图 8 磁感应强度测定的实验装置图
图 9 磁感应强度分布图线
三、小结
传感器是指一些能把光、力、温度、磁感应强度等非电学量转化为电学量或
转换为电路的通断的元器件,它在生活、生产和科技领域有着非常广泛的应用。
日本把传感器技术列为上世纪八十年代十大技术之首,美国把传感器技术列为九
十年代的关键技术,而我国有关传感器的研究和应用正方兴未艾……
四、作业
1.观察与思考:日常生活中哪些地方用到了传感器,它们分别属于哪种类型
的传感器,它们的工作原理如何?
2.实验设计:用热敏电阻、继电器等器材设计一个火警报警器。
教学反思
本节课依据学生的认知规律组织教学,引入新课从生活实例入手,设置悬念,
提出问题,激发学生兴趣,增强学生的求知欲;在进行“什么是传感器”的教学
中注重实验探究,引导学生从两个实验的探究中加以归纳,并通过 DISLab 系统显
示传感器的优越性,让学生了解把非电学量转化为电学量的技术意义;在对光敏
电阻、热敏电阻和热电阻、霍尔元件这些制作传感器的元器件教学中,注重将教
师演示实验与学生动手实验相结合,注重理论与实践相结合。整个教学过程符合
新课程的三维目标,体现新课程的理念,注意培养学生的自主、合作、探究能力,
注意从生活走向物理,从物理走向生活,以此增进学生的学习能力和科学素养。[来源:
学科网]
板书设计
传感器及其工作原理[来源:学科网 ZXXK]
一、传感器
二、元器件
1、光敏电阻
2、热敏电阻和金属热电阻
3、霍尔元件
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