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1、传感器 教学环节 教学内容及师生互动设计情感与方法 一课题的引入 【演示实验1】干簧管控制电路的通断 如图， 小盒子 A的侧面露出一个小灯泡，盒外没 有开关，但是把磁铁B放到盒子上面，灯泡就会发光， 把磁铁移走，灯泡熄灭. 师问：盒子里有怎样的装置，才能实现这样的控制？ 生猜：（可以自由讨论，也可以请学生回答） 师生探究： 打开盒子，用实物投影仪展示盒内的电路图， 了解元件“干簧管”的结构。探明原因：玻璃管内封入 两个软磁性材料制成的簧片。当磁铁靠近干簧管时，两 （演示实验1：干 簧管传感器） 教 学 目 标 知识技能目 标 （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
2、）、 知道传感器中常见的三种敏感元件光敏电阻、热敏电阻和霍尔元 件及其它们的工作原理。 （3） 、了解传感器的应用. 过程方法目 标 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. 情感态度价 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。 教学重点 理解并掌握传感器的三种常见敏感元件的工作原理。 教学难点 电路的设计，理解
3、传感器工作原理及敏感元件在电路中的作用。 教具 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。多媒体课件。 教学方法 实验探究法、理论探究法、分组讨论法、归纳总结法 二什么是传感 器？ 个簧片被磁化而接通，电路导通。所以，干簧管能起到 开关的作用。 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】声光控开关控制电路的通断 先在普通光照条件下，在把开关置于黑暗环 境中。 师生总结：声光控开关 师：刚才的两个实验，都用了一种元件，这些元件 能够感受某些信息，通过它能实现电路的自动控制，这 种元件有一个专门的名称：传感器
4、。 什么是传感器呢？ 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。 其实， 传感器并不神秘。你家里可能就有很多的 传感器。请大家相互说说看，你家里，或者在你的生活 当中， 都使用过， 或听说过什么样的电器中有传感器？ 生讨论并交流：例如，当冰箱内的温度高于设 定值时，制冷系统自动启动，而当温度低于设定值时， 制冷系统又会自动停止。冰箱的控制， 是通过温度传感 器实现的。楼梯道的电灯，晚上，有人经过楼
5、道时， 开关自动接通，灯就亮；白天，不管是否有人经过，开 关都是断开的， 灯总是不亮， 这种开关用的就是声光传 感器。 为了防止火灾的发生，在宾馆房间的天花板上 大多有一个小盒子，当房间失火时它能感知出现的烟 雾，通过电路发出警报，这个小盒子就是烟雾传感器。 其他如宾馆洗手间的墙壁上干手机的湿度传感器、电 （干簧管的实物 及原理图） 学生对干簧管 并不熟悉，因此才 有了好奇。声光控 开关在生活中很 普及，所以又有亲 切感 让学生列举 师生讨论 三光敏电阻 四金属热电阻和 热敏电阻 五学生利用光敏 电阻和热敏电阻 自己设计简单的 控制电路 六传感器的设计 思路探究 视机里换频道的红外传感器、电饭
6、锅的温控开关、养鸡 场里的孵化器、 交警用来测驾驶员是否酒后开车的酒精 气体测试仪、 磁悬浮列车里的加速度测试器、电容式话 筒里的电容式传感器、自动洗衣机里的压力传感器等 等. 可以说，传感器的广泛使用，丰富了我们的生活， 使我们的生活更加方便、安全和舒适。 师：为了制作传感器，需要一些元器件，下面我们 就来看几个实际的例子。 【演示实验3】比较光敏电阻在不 同光照条件下的电阻之不同 学生完成：两人一组，用万用 电表（由投影仪投出表盘）的欧姆 挡测量一只光敏电阻的阻值，实验分别在室内自然光的 照射下和用手掌遮光时进行。 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。
7、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。 （师） 工作原理： 光敏电阻在光照射下电阻变化的 原因。 光敏电阻是由硫化镉制成的，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。 学生自学：半导体的导电机理 师问：金属导体的导电性能与温度有关吗？关系如 何？ 生答：（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） 师生总结： 用金属丝可以制作温度传感器，称为金 科学漫步： 金属铂（白金） 的 这个特性很明显 1. 金属导线； 2. 热敏电阻。 （投影，让学生来 说）
8、属热电阻。 如前面已经学过的用金属铂可制作精密的电 阻温度计。 （投影电阻R随温度变化的图线） 【演示实验4】热敏电阻随温度的升高电阻减小 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1：半导体热敏电阻也可以用作温度传感 器。 师生总结2：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。 【设计方案1】音乐盒 （设计要求： 盖子打开音乐响起， 盖子合上，
9、音乐停止） 【设计方案2】火警报警器（设计要求：温度过高，发 生警报） 学生分组讨论：需要什么器材？提出设计方 案；学生分两组实施组装；讨论并提出改进意见； 还可以用于生活中的哪些方面？ 师： （ 对传感器的工作原理作阶段性的小结）传感 器是把非电学量转换为电学量的元件，它使得某些非电 学量容易测量或者能实现电路的自动通断. 传感器的应 用丰富了我们的生活，使我们的生活更舒适、更安全。 但从科技进步的角度来说，传感器的应用还只是浅层次 的，更重要的是传感器的开发。那么，传感器如何进行 开发呢？这还得从传感器的工作原理入手。例如， 电容 器电容的决定式为 4 S c kd ， 如何利用电容的电学
10、量与 可自由讨论， 不一 定要很完美， 提出 想法就是好的 电容的测定： 多用 电表的电容档 师介绍：电容式压 力传感器、电容式 位移传感器、 电容 式角度测试仪、 电 容式电解液液面 升降测试器 非电学量的关系设计一个电容式传感器？ 师： 1879 年美国物理学家霍尔观察到，在匀强磁 场中放置一个矩形截面的载流导体，当磁场方向与电流 方向垂直时， 导体在与磁场、 电流方向都垂直的方向上 出现了电势差。 人们把这样 的现象称为霍尔效应，所产 生的电势差叫霍尔电压。人 们利用霍尔效应做成了霍尔元件。 如图，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。
11、 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UH。这个电压叫霍尔电 压，其决定式为 H IB Uk d 。式中 d 为薄片的厚度，k 为 霍尔系数，它的大小与薄片的材料有关。 师生共析：由上式看，一个霍尔元件的厚度d、k 为定值， 若保持I恒定， 则UH的变化就与B成正比。 也 就是说：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。因此， 我们可以把霍尔元件放置在某 一未知的磁场中， 通过测定霍尔电压U的变化得知该磁 场磁感应强度的变化。 霍尔电压的推导 在选修 31 中已 经解决过，本节课 不作推导 老师解释为什么 用霍尔元件测微 小电流比用电流 表好？ 学生分析：磁强 计、 霍尔电流测试 器、 霍尔材料辨别 分压器、风力测试 仪、电子秤） （师点拨） H U E F M N ? ? I B