逍遥右脑 2013-01-26 16:14
选修3-2第六第1节：传感器及其工作 设计
一．【教材分析】：
《6.1 传感器及其工作》是新人教版高中物理选修3-2第六第一节的内容，主要学习一些简单传感器，以介绍为主，程内容比较简单。
二．【教学目标】
一、知识与技能：
（1）、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；
（2）、知道传感器中常见的三种敏感元光敏电阻、热敏电阻和霍尔元及其它们的工作原理。
（3）、了解传感器的应用。
二、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。
三、情感、态度与价值观：
（1）、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。
（2）、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。
三．【教学重点】：理解并掌握传感器的三种常见敏感元的工作原理。
【教学难点】：分析并设计传感器的应用电路。
四．学情分析：
从上世纪八十年代起，国际上出现了“传感器热”，传感器在当今科技发展中有着十分重要的地位。本的设计思路是通过对实验的观察、思考和探究，了解什么是传感器，传感器是如何将非电学量转换成电学量的，传感器在生产、生活中有哪些具体应用，为学生利用传感器制作简单的自控装置作一铺垫。学生对传感器了解较少，教学时力避深奥的理论，侧重于联系实际，让学生感受传感器的巨大作用，进而提高学生的学习兴趣，培养学生热爱科学的情感和崇尚科学的精神。
五．【教学方法】：实验、探究、讨论
六．【教学用具】：干簧管，磁铁，光敏电阻、热敏电阻演示仪、传感器简单应用实验盒、万用表。
七．【时安排】1时
八．【教学过程】
预习检查、总结疑惑
检查落实了学生的预习情况并了解了学生的疑惑，使教学具有了针对性
一、引入新：
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，那就是本堂将要学习的传感器。
二、新教学
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。
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“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是能感受光照强度的传感器。
传感器的工作原理如下图所示：
2、认识一些制作传感器的元器
（1）探究光敏电阻的特性
学生实验1：学生五人一组，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。
①、将光敏电阻与万用表的欧姆档按右图所示连成电路
②、将光敏电阻受光面置于有光线照射的地方，观察万用表的读数，把光敏电阻的阻值填入现表中。
光敏电阻光照情况较亮稍暗较暗黑暗
光敏电阻的阻值（Ω）
③、用黑纸片将光敏电阻的透光窗口的遮住，移动黑纸片，使光敏电阻受到的光线出现较亮、稍暗、较暗、黑暗几种情况，观察几种情况下光敏电阻的阻值变化，并把相应的阻值填入下表。
④、结论：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。
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）探究金属热电阻和热敏电阻的特性
提问：金属导体的导电性能与温度有关吗？关系如何？
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：学生五人一组，探究热敏电阻的阻值大小与温度的关系。
实验器材：NTC热敏电阻，万用表，温度计，水杯，凉水和热水。
实验方案：按照如图所示的电路将热敏电阻接入电路，将万用表选择开关置于欧姆档，用温度计测量温度，用万用表测量不同温度下的电阻。
实验步骤：
①、按上述电路连接电路
②、取半杯热水，将热敏电阻及温度计放入热水中
③、同时测量并记录水温和电阻值
④、倒入少许冷水，改变杯中的水温，在同时测量水温和电阻值，填入下表：
实验数据：
次数12345
温度（℃）
电阻（Ω）
实验结论：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
教师介绍：霍尔元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、、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、N间出现电压U。
师生讨论：霍尔元的上的电压U与电流I、磁感应强度B的关系，设霍尔元长为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：霍尔元能够把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量。
【堂总结】
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，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……
【布置作业】
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。
3.P55，思考与练习2题完成填表。
九．【板书设计】
第一节：传感器及其工作原理
1、传感器：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的元。
2、传感器的优点：把非电学量转换为电学量，很方便地进行测量、传输、处理和控制。
3、传感器的工作原理：
4、认识一些制作传感器的元器
(1)、光敏电阻：光敏电阻在暗环境下电阻值很大，强光照射下电阻值很小。作用：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。
（2）、热敏电阻：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。作用：半导体热敏电阻也可以用作温度传感器。
（3）、霍尔元：霍尔元能够把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量。
十．【教学反思】
本节依据学生的认知规律组织教学，引入新从生活实例入手，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、霍尔元这些制作传感器的元器教学中，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程的三维目标，体现新程的理念，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。