傳感器及其工作原理的教學(xué)設(shè)計(jì)
傳感器及其工作原理的教學(xué)設(shè)計(jì)
一．【教材分析】：
《6.1 傳感器及其工作》是新人教版高中物理選修3-2第六章第一節(jié)的教學(xué)內(nèi)容，主要學(xué)習(xí)一些簡(jiǎn)單傳感器，以介紹為主，課程內(nèi)容比較簡(jiǎn)單。
二．【教學(xué)目標(biāo)】
一、知識(shí)與技能：
（1）、了解什么是傳感器，知道非電學(xué)量轉(zhuǎn)化為電學(xué)量的技術(shù)意義；
（2）、知道傳感器中常見(jiàn)的三種敏感元件光敏電阻、熱敏電阻和霍爾元件及其它們的工作原理。
（3）、了解傳感器的應(yīng)用。
二、過(guò)程與方法：
通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)的觀察、思考和探究，讓學(xué)生在了解傳感器、熟悉傳感器工作原理的同時(shí)，經(jīng)歷科學(xué)探究過(guò)程，學(xué)習(xí)科學(xué)研究方法，培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力、實(shí)踐能力和創(chuàng)新思維能力。
三、情感、態(tài)度與價(jià)值觀：
（1）、體會(huì)傳感器在生活、生產(chǎn)、科技領(lǐng)域的種種益處，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，拓展學(xué)生的知識(shí)視野，并加強(qiáng)物理與STS的聯(lián)系。
（2）、通過(guò)動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度、團(tuán)隊(duì)合作精神和創(chuàng)新意識(shí)。
三．【教學(xué)重點(diǎn)】：理解并掌握傳感器的三種常見(jiàn)敏感元件的工作原理。
【教學(xué)難點(diǎn)】：分析并設(shè)計(jì)傳感器的應(yīng)用電路。
四．學(xué)情分析：
從上世紀(jì)八十年代起，國(guó)際上出現(xiàn)了“傳感器熱”，傳感器在當(dāng)今科技發(fā)展中有著十分重要的地位。本課的設(shè)計(jì)思路是通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)的觀察、思考和探究，了解什么是傳感器，傳感器是如何將非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量的，傳感器在生產(chǎn)、生活中有哪些具體應(yīng)用，為學(xué)生利用傳感器制作簡(jiǎn)單的自控裝置作一鋪墊。學(xué)生對(duì)傳感器了解較少，教學(xué)時(shí)力避深?yuàn)W的理論，側(cè)重于聯(lián)系實(shí)際，讓學(xué)生感受傳感器的巨大作用，進(jìn)而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生熱愛(ài)科學(xué)的情感和崇尚科學(xué)的精神。
五．【教學(xué)方法】：實(shí)驗(yàn)、探究、討論
六．【教學(xué)用具】：干簧管，磁鐵，光敏電阻、熱敏電阻演示儀、傳感器簡(jiǎn)單應(yīng)用實(shí)驗(yàn)盒、萬(wàn)用表。
七．【課時(shí)安排】1課時(shí)
八．【教學(xué)過(guò)程】
預(yù)習(xí)檢查、總結(jié)疑惑
檢查落實(shí)了學(xué)生的預(yù)習(xí)情況并了解了學(xué)生的疑惑，使教學(xué)具有了針對(duì)性
一、引入新課：
今天我們生活中常用的電視、空調(diào)的遙控器是如何實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離操縱的？樓梯上的電燈如何能人來(lái)就開(kāi)，人走就熄的？工業(yè)生產(chǎn)中所用的自動(dòng)報(bào)警器、恒溫烘箱是如何工作的？“非典”病毒肆虐華夏大地時(shí)，機(jī)場(chǎng)、車(chē)站、港口又是如何實(shí)現(xiàn)快速而準(zhǔn)確的體溫檢測(cè)的？所有這些，都離不開(kāi)一個(gè)核心，那就是本堂課將要學(xué)習(xí)的傳感器。
二、新課教學(xué)
1．什么是傳感器
演示實(shí)驗(yàn)1：如圖1所示，小盒子的側(cè)面露出一個(gè)小燈泡，盒外沒(méi)有開(kāi)關(guān)，當(dāng)把磁鐵放到盒子上面，燈泡就會(huì)發(fā)光，把磁鐵移開(kāi)，燈泡熄滅。
提問(wèn)：盒子里有怎樣的裝置，才能實(shí)現(xiàn)這樣的控制？
學(xué)生猜測(cè)：盒子里有彈性鐵質(zhì)開(kāi)關(guān)。
師生探究：打開(kāi)盒子，用實(shí)物投影儀展示盒內(nèi)的電路圖（圖2），了解元件“干簧管”的結(jié)構(gòu)。探明原因：當(dāng)磁體靠近干簧管時(shí)，兩個(gè)由軟磁性材料制成的簧片因磁化而相互吸引，電路導(dǎo)通，干簧管起到了開(kāi)關(guān)的作用。
教師點(diǎn)撥：這個(gè)裝置反過(guò)來(lái)還可以讓我們通過(guò)燈泡的發(fā)光情況，感知干簧管周?chē)欠翊嬖谥艌?chǎng)。
演示實(shí)驗(yàn)2：教師出示一只音樂(lè)茶杯，茶杯平放桌上時(shí)，無(wú)聲無(wú)息，提起茶杯，茶杯邊播放悅耳的音樂(lè)，邊閃爍著五彩的光芒。
教師提問(wèn)： 音樂(lè)茶杯的工作開(kāi)關(guān)又在哪里？開(kāi)啟的條件是什么？
學(xué)生猜測(cè)：在茶杯底部，所受壓力發(fā)生改變。
實(shí)驗(yàn)探究：提起茶杯，用手壓杯的底部，音樂(lè)并沒(méi)有停止。
學(xué)生猜測(cè)：是由于光照強(qiáng)度的改變。
實(shí)驗(yàn)探究：用書(shū)擋住底部（不與底部接觸），音樂(lè)停止，可見(jiàn)音樂(lè)茶杯受光照強(qiáng)度的控制。
師生總結(jié)：現(xiàn)代技術(shù)中，我們可以利用一些元件設(shè)計(jì)電路，它能夠感受諸如力、溫度、光、聲、化學(xué)成分等非電學(xué)量，并能把它們按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換為電壓、電流等電學(xué)量，或轉(zhuǎn)換為電路的通斷。我們把這種元件叫做傳感器。它的優(yōu)點(diǎn)是：把非電學(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量以后，就可以很方便地進(jìn)行測(cè)量、傳輸、處理和控制了。
教師提問(wèn)：實(shí)驗(yàn)1中的干簧管是怎樣的傳感器，實(shí)驗(yàn)2音樂(lè)茶杯中所用的元件又是怎樣的傳感器？
學(xué)生回答：干簧管是一個(gè)能感受磁場(chǎng)的傳感器，音樂(lè)茶杯中所用的元件是能感受光照強(qiáng)度的傳感器。
傳感器的工作原理如下圖所示：
2、認(rèn)識(shí)一些制作傳感器的元器件
（1）探究光敏電阻的特性
學(xué)生實(shí)驗(yàn)1：學(xué)生五人一組，用萬(wàn)用電表的'歐姆擋測(cè)量一只光敏電阻的阻值，實(shí)驗(yàn)分別在暗環(huán)境和強(qiáng)光照射下進(jìn)行。
①、將光敏電阻與萬(wàn)用表的歐姆檔按右圖所示連成電路
②、將光敏電阻受光面置于有光線照射的地方，觀察萬(wàn)用表的讀數(shù)，把光敏電阻的阻值填入現(xiàn)表中。
光敏電阻光照情況較亮稍暗較暗黑暗
光敏電阻的阻值（Ω）
③、用黑紙片將光敏電阻的透光窗口的遮住，移動(dòng)黑紙片，使光敏電阻受到的光線出現(xiàn)較亮、稍暗、較暗、黑暗幾種情況，觀察幾種情況下光敏電阻的阻值變化，并把相應(yīng)的阻值填入下表。
④、結(jié)論：光敏電阻在暗環(huán)境下電阻值很大，強(qiáng)光照射下電阻值很小。
師生總結(jié)：光敏電阻能夠把光照強(qiáng)弱這個(gè)光學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個(gè)電學(xué)量。
簡(jiǎn)單介紹：光敏電阻在光照射下電阻變化的原因。有些物質(zhì)，例如硫化鎘，是一種半導(dǎo)體材料，無(wú)光照時(shí)，載流子極少，導(dǎo)電性能不好；隨著光照的增強(qiáng)，載流子增多，導(dǎo)電性變好。
（2）探究金屬熱電阻和熱敏電阻的特性
提問(wèn)：金屬導(dǎo)體的導(dǎo)電性能與溫度有關(guān)嗎？關(guān)系如何？
回答：金屬導(dǎo)體的電阻隨溫度的升高而增大，如白熾燈鎢絲的電阻在正常工作情況下比常溫下的電阻大得多。
演示實(shí)驗(yàn)4：如圖6所示，AB間接有一段鎢絲（從舊日光燈管中取出），閉合開(kāi)關(guān)，燈泡正常發(fā)光，當(dāng)用打火機(jī)給鎢絲加熱時(shí)，燈泡亮度明顯變暗。
學(xué)生探究：鎢絲的電阻隨溫度的升高而增大。
師生總結(jié)：用金屬絲可以制作溫度傳感器，稱為熱電阻。如前面已經(jīng)學(xué)過(guò)的用金屬鉑可制作精密的電阻溫度計(jì)。
學(xué)生實(shí)驗(yàn)2：學(xué)生五人一組，探究熱敏電阻的阻值大小與溫度的關(guān)系。
實(shí)驗(yàn)器材：NTC熱敏電阻，萬(wàn)用表，溫度計(jì)，水杯，涼水和熱水。
實(shí)驗(yàn)方案：按照如圖所示的電路將熱敏電阻接入電路，將萬(wàn)用表選擇開(kāi)關(guān)置于歐姆檔，用溫度計(jì)測(cè)量溫度，用萬(wàn)用表測(cè)量不同溫度下的電阻。
實(shí)驗(yàn)步驟：
①、按上述電路連接電路
②、取半杯熱水，將熱敏電阻及溫度計(jì)放入熱水中
③、同時(shí)測(cè)量并記錄水溫和電阻值
④、倒入少許冷水，改變杯中的水溫，在同時(shí)測(cè)量水溫和電阻值，填入下表：
實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：
次數(shù)12345
溫度（℃）
電阻（Ω）
實(shí)驗(yàn)結(jié)論：熱敏電阻的阻值隨溫度的升高而減小，且阻值隨溫度變化非常明顯。
師生總結(jié)：半導(dǎo)體熱敏電阻也可以用作溫度傳感器。
師生總結(jié)比較：金屬熱電阻與熱敏電阻都能夠把溫度這個(gè)熱學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個(gè)電學(xué)量，金屬熱電阻的化學(xué)穩(wěn)定性好，測(cè)溫范圍大，但靈敏度較差。
（3）霍爾元件
教師介紹：霍爾元件是在一個(gè)很小的矩形半導(dǎo)體（例如砷化銦）薄片上，制作4個(gè)電極E、F、M、N而成（如圖7所示）。若在E、F間通入恒定的電流I，同時(shí)外加與薄片垂直的勻強(qiáng)磁場(chǎng)B，薄片中的載流子就在洛倫茲力的作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)，使M、N間出現(xiàn)電壓U。
師生討論：霍爾元件的上的電壓U與電流I、磁感應(yīng)強(qiáng)度B的關(guān)系，設(shè)霍爾元件長(zhǎng)為a，寬為b，厚為d，則當(dāng)薄片中載流子達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)， ，即 ，又因 ，所以 ，即 （ 為霍爾系數(shù)）。因此，我們就可以根據(jù)電壓U的變化得知磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化。
師生共析：霍爾元件能夠把磁感應(yīng)強(qiáng)度這個(gè)磁學(xué)量轉(zhuǎn)換為電壓這個(gè)電學(xué)量。
【課堂總結(jié)】
傳感器是指一些能把光、力、溫度、磁感應(yīng)強(qiáng)度等非電學(xué)量轉(zhuǎn)化為電學(xué)量或轉(zhuǎn)換為電路的通斷的元器件，它在生活、生產(chǎn)和科技領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用。日本把傳感器技術(shù)列為上世紀(jì)八十年代十大技術(shù)之首，美國(guó)把傳感器技術(shù)列為九十年代的關(guān)鍵技術(shù)，而我國(guó)有關(guān)傳感器的研究和應(yīng)用正方興未艾……
【布置作業(yè)】
1．觀察與思考：日常生活中哪些地方用到了傳感器，它們分別屬于哪種類型的傳感器，它們的工作原理如何？
2．實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：用熱敏電阻、繼電器等器材設(shè)計(jì)一個(gè)火警報(bào)警器。
3.P55，思考與練習(xí)2題完成填表。
九．【板書(shū)設(shè)計(jì)】
第一節(jié)：傳感器及其工作原理
1、傳感器：能夠感受諸如力、溫度、光、聲、化學(xué)成分等非電學(xué)量，并能把它們按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換為電壓、電流等電學(xué)量，或轉(zhuǎn)換為電路的通斷的元件。
2、傳感器的優(yōu)點(diǎn)：把非電學(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量，很方便地進(jìn)行測(cè)量、傳輸、處理和控制。
3、傳感器的工作原理：
4、認(rèn)識(shí)一些制作傳感器的元器件
(1)、光敏電阻：光敏電阻在暗環(huán)境下電阻值很大，強(qiáng)光照射下電阻值很小。作用：光敏電阻能夠把光照強(qiáng)弱這個(gè)光學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個(gè)電學(xué)量。
（2）、熱敏電阻：熱敏電阻的阻值隨溫度的升高而減小，且阻值隨溫度變化非常明顯。作用：半導(dǎo)體熱敏電阻也可以用作溫度傳感器。
（3）、霍爾元件：霍爾元件能夠把磁感應(yīng)強(qiáng)度這個(gè)磁學(xué)量轉(zhuǎn)換為電壓這個(gè)電學(xué)量。
十．【教學(xué)反思】
本節(jié)課依據(jù)學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律組織教學(xué)，引入新課從生活實(shí)例入手，設(shè)置懸念，提出問(wèn)題，激發(fā)學(xué)生興趣，增強(qiáng)學(xué)生的求知欲；在進(jìn)行“什么是傳感器”的教學(xué)中注重實(shí)驗(yàn)探究，引導(dǎo)學(xué)生從兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的探究中加以歸納，并通過(guò)DISLab系統(tǒng)顯示傳感器的優(yōu)越性，讓學(xué)生了解把非電學(xué)量轉(zhuǎn)化為電學(xué)量的技術(shù)意義；在對(duì)光敏電阻、熱敏電阻和熱電阻、霍爾元件這些制作傳感器的元器件教學(xué)中，注重將教師演示實(shí)驗(yàn)與學(xué)生動(dòng)手實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，注重理論與實(shí)踐相結(jié)合。整個(gè)教學(xué)過(guò)程符合新課程的三維目標(biāo)，體現(xiàn)新課程的理念，注意培養(yǎng)學(xué)生的自主、合作、探究能力，注意從生活走向物理，從物理走向生活，以此增進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和科學(xué)素養(yǎng)。
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