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111 《傳感器及其工作原理》的創(chuàng)新教學(xué)設(shè)計 教學(xué)依據(jù) ①物理（新人教版）選修3－2第六章第1節(jié)《傳感器及其工作原理》（P56－P60）； ②新物理課程標準（實驗）. 教學(xué)流程圖 ① ② ③ ② ① ② ① 引入 認識傳感器 演示實驗 光敏電阻 半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理 演示實驗 熱電阻 熱敏電阻 科學(xué)漫步 說一說 演示實驗 設(shè)計傳感器 課堂小結(jié)1 課外研究性課題 利用傳感器 利用光敏電阻設(shè)計音樂茶杯 利用熱敏電阻設(shè)計火警裝置 課堂小結(jié)2 利用電容 利用霍爾效應(yīng) 利用滑動變阻器 學(xué)生設(shè)計討論 課 題 第1節(jié) 傳感器及其工作原理 教學(xué)目標 1.知識與技能：①知道非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量的技術(shù)意義；②通過實驗，知道常見傳感器的工作原理；③初步探究利用和設(shè)計簡單的傳感器. 2.過程與方法：①通過對實驗的觀察、思考和探究，讓學(xué)生了解傳感器、熟悉傳感器工作原理；②讓學(xué)生自己設(shè)計簡單的傳感器，經(jīng)歷科學(xué)探究過程，學(xué)習(xí)科學(xué)研究方法，培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新思維能力. 3.情感態(tài)度與價值觀：在理解傳感器工作原理的基礎(chǔ)上，通過自己設(shè)計簡單的傳感器，體驗科技創(chuàng)新的樂趣，激發(fā)學(xué)習(xí)物理的興趣. 重、難點 1.幾種常見傳感器的工作原理（演示實驗）；2.學(xué)生自己設(shè)計簡單的傳感器. 教學(xué)策略 用幾個有趣的傳感器實驗引入課題，激發(fā)學(xué)生探究傳感器原理的興趣.給出“傳感器就是把非電學(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量”的概念之后，重點介紹光敏電阻、金屬熱電阻、熱敏電阻.安排音樂茶杯和火警裝置兩個設(shè)計性問題讓學(xué)生體會傳感器的簡單應(yīng)用.結(jié)合電容、霍爾效應(yīng)、電阻定律等知識讓學(xué)生設(shè)計傳感器，進一步深化傳感器的工作原理.最后在對本節(jié)課總結(jié)的基礎(chǔ)上，結(jié)合《思考與討論》進行教學(xué)反饋. 教 學(xué) 程 序 教學(xué)環(huán)節(jié) 教學(xué)內(nèi)容及師生互動設(shè)計 情感與方法 一．課題的引入 二．什么是傳感器？ 三．光敏電阻 四．金屬熱電阻和熱敏電阻 五．學(xué)生利用光敏電阻和熱敏電阻自己設(shè)計簡單的控制電路 六．傳感器的設(shè)計思路探究 1.電容 2．霍爾元件 3.滑動變阻器 七．課堂小結(jié)及課外研究性課題 【演示實驗1】干簧管控制電路的通斷 如圖，小盒子A的側(cè)面露出一個小燈泡，盒外沒有開關(guān)，但是把磁鐵B放到盒子上面，燈泡就會發(fā)光，把磁鐵移走，燈泡熄滅. 師問：盒子里有怎樣的裝置，才能實現(xiàn)這樣的控制？ 生猜：（可以自由討論，也可以請學(xué)生回答） 師生探究：打開盒子，用實物投影儀展示盒內(nèi)的電路圖，了解元件“干簧管”的結(jié)構(gòu)。探明原因：玻璃管內(nèi)封入兩個軟磁性材料制成的簧片。當(dāng)磁鐵靠近干簧管時，兩個簧片被磁化而接通，電路導(dǎo)通。所以，干簧管能起到開關(guān)的作用。 師點撥：這個裝置反過來還可以讓我們通過燈泡的發(fā)光情況，感知干簧管周圍是否存在著磁場。 【演示實驗2】聲光控開關(guān)控制電路的通斷 ①先在普通光照條件下， ②在把開關(guān)置于黑暗環(huán)境中。 師生總結(jié)：聲光控開關(guān) 師：剛才的兩個實驗，都用了一種元件，這些元件能夠感受某些信息，通過它能實現(xiàn)電路的自動控制，這種元件有一個專門的名稱：傳感器。什么是傳感器呢？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，就可以很方便地進行測量、傳輸、處理和控制了。 其實，傳感器并不神秘。你家里可能就有很多的傳感器。請大家相互說說看，你家里，或者在你的生活當(dāng)中，都使用過，或聽說過什么樣的電器中有傳感器？ 生討論并交流：例如，①當(dāng)冰箱內(nèi)的溫度高于設(shè)定值時，制冷系統(tǒng)自動啟動，而當(dāng)溫度低于設(shè)定值時，制冷系統(tǒng)又會自動停止。冰箱的控制，是通過溫度傳感器實現(xiàn)的。②樓梯道的電燈，晚上，有人經(jīng)過樓道時，開關(guān)自動接通，燈就亮；白天，不管是否有人經(jīng)過，開關(guān)都是斷開的，燈總是不亮，這種開關(guān)用的就是聲光傳感器。③為了防止火災(zāi)的發(fā)生，在賓館房間的天花板上大多有一個小盒子，當(dāng)房間失火時它能感知出現(xiàn)的煙霧，通過電路發(fā)出警報，這個小盒子就是煙霧傳感器。④其他如賓館洗手間的墻壁上干手機的濕度傳感器、電視機里換頻道的紅外傳感器、電飯鍋的溫控開關(guān)、養(yǎng)雞場里的孵化器、交警用來測駕駛員是否酒后開車的酒精氣體測試儀、磁懸浮列車里的加速度測試器、電容式話筒里的電容式傳感器、自動洗衣機里的壓力傳感器等等.可以說，傳感器的廣泛使用，豐富了我們的生活，使我們的生活更加方便、安全和舒適。 師：為了制作傳感器，需要一些元器件，下面我們就來看幾個實際的例子。 【演示實驗3】比較光敏電阻在不同光照條件下的電阻之不同 學(xué)生完成：兩人一組，用萬用電表（由投影儀投出表盤）的歐姆擋測量一只光敏電阻的阻值，實驗分別在室內(nèi)自然光的照射下和用手掌遮光時進行。 學(xué)生總結(jié)實驗結(jié)果：光敏電阻在暗環(huán)境下電阻值很大，強光照射下電阻值很小。 師生總結(jié)：光敏電阻能夠把光照強弱這個光學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個電學(xué)量。 （師）工作原理：光敏電阻在光照射下電阻變化的原因。光敏電阻是由硫化鎘制成的，硫化鎘是一種半導(dǎo)體材料，無光照時，載流子極少，導(dǎo)電性能不好；隨著光照的增強，載流子增多，導(dǎo)電性變好。 學(xué)生自學(xué)：半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理 師問：金屬導(dǎo)體的導(dǎo)電性能與溫度有關(guān)嗎？關(guān)系如何？ 生答：（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） 師生總結(jié)：用金屬絲可以制作溫度傳感器，稱為金屬熱電阻。如前面已經(jīng)學(xué)過的用金屬鉑可制作精密的電阻溫度計。 （投影電阻R隨溫度變化的圖線） 【演示實驗4】熱敏電阻隨溫度的升高電阻減小 學(xué)生兩人一組，用萬用電表的歐姆擋測一只熱敏電阻的阻值。第一次直接測量，第二次用手心捂住熱敏電阻再測量，記錄兩次測得的電阻值。 學(xué)生探究：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)1：半導(dǎo)體熱敏電阻也可以用作溫度傳感器。 師生總結(jié)2：金屬熱電阻與熱敏電阻都能夠把溫度這個熱學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個電學(xué)量，金屬熱電阻的化學(xué)穩(wěn)定性好，測溫范圍大，但靈敏度較差。 【設(shè)計方案1】音樂盒（設(shè)計要求：蓋子打開音樂響起，蓋子合上，音樂停止） 【設(shè)計方案2】火警報警器（設(shè)計要求：溫度過高，發(fā)生警報） 學(xué)生分組討論：①需要什么器材？②提出設(shè)計方案；③學(xué)生分兩組實施組裝；④討論并提出改進意見；⑤還可以用于生活中的哪些方面？ 師：（ 對傳感器的工作原理作階段性的小結(jié)）傳感器是把非電學(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量的元件，它使得某些非電學(xué)量容易測量或者能實現(xiàn)電路的自動通斷.傳感器的應(yīng)用豐富了我們的生活，使我們的生活更舒適、更安全。但從科技進步的角度來說，傳感器的應(yīng)用還只是淺層次的，更重要的是傳感器的開發(fā)。那么，傳感器如何進行開發(fā)呢？這還得從傳感器的工作原理入手。例如，電容器電容的決定式為，如何利用電容的電學(xué)量與非電學(xué)量的關(guān)系設(shè)計一個電容式傳感器？ 生答：（可能提出4種方案） 師：投影出四種電容式傳感器，并作原理的分析。 師：1879年美國物理學(xué)家霍爾觀察到，在勻強磁場中放置一個矩形截面的載流導(dǎo)體，當(dāng)磁場方向與電流方向垂直時，導(dǎo)體在與磁場、電流方向都垂直的方向上出現(xiàn)了電勢差。人們把這樣的現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)，所產(chǎn)生的電勢差叫霍爾電壓。人們利用霍爾效應(yīng)做成了霍爾元件。 如圖，霍爾元件是在一個很小的矩形半導(dǎo)體（例如砷化銦）薄片上，制作4個電極E、F、M、N而成。若在E、F間通入恒定的電流I，同時外加與薄片垂直的勻強磁場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UH。這個電壓叫霍爾電壓，其決定式為。式中為薄片的厚度，為霍爾系數(shù)，它的大小與薄片的材料有關(guān)。 師生共析：由上式看，一個霍爾元件的厚度d、k為定值，若保持I恒定，則UH的變化就與B成正比。也就是說：霍爾元件能夠把磁感應(yīng)強度這個磁學(xué)量轉(zhuǎn)換為電壓這個電學(xué)量。因此，我們可以把霍爾元件放置在某一未知的磁場中，通過測定霍爾電壓U的變化得知該磁場磁感應(yīng)強度的變化。 師問：霍爾元件還可以有哪些方面的應(yīng)用？ 師問：利用滑動變阻器的接入電路阻值與導(dǎo)線長度成正比的原理（電阻定律）可以制成什么樣的傳感器？ 生答：（學(xué)生可能分析不到位，可以作一些點撥） 傳感器是指一些能把光、力、溫度、磁感應(yīng)強度等非電學(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)列為上世紀八十年代十大技術(shù)之首，美國把傳感器技術(shù)列為九十年代的關(guān)鍵技術(shù)，而我國有關(guān)傳感器的研究和應(yīng)用正方興未艾……，請同學(xué)們課后通過查詢資料或者向身邊的內(nèi)行人請教，了解我們生活中都在哪些方面使用了哪些傳感器以及它們的工作原理，寫成文字稿，下節(jié)課進行交流。 （演示實驗1：干簧管傳感器） （干簧管的實物及原理圖） 學(xué)生對干簧管并不熟悉，因此才有了好奇。聲光控開關(guān)在生活中很普及，所以又有親切感 讓學(xué)生列舉 師生討論 科學(xué)漫步： 金屬鉑（白金）的這個特性很明顯 1.金屬導(dǎo)線； 2.熱敏電阻。 （投影，讓學(xué)生來說） 可自由討論，不一定要很完美，提出想法就是好的 電容的測定：多用電表的電容檔 師介紹：電容式壓力傳感器、電容式位移傳感器、電容式角度測試儀、電容式電解液液面升降測試器 霍爾電壓的推導(dǎo)在選修3－1中已經(jīng)解決過，本節(jié)課不作推導(dǎo) 老師解釋為什么用霍爾元件測微小電流比用電流表好？ 學(xué)生分析：磁強計、霍爾電流測試器、霍爾材料辨別 分壓器、風(fēng)力測試儀、電子秤） （師點撥） 教學(xué)設(shè)計說明 通過演示實驗引入傳感器概念，學(xué)生列舉并討論生活中的傳感器實例，重點探究光敏電阻、金屬熱電阻和熱敏電阻的工作原理之后展開傳感器應(yīng)用設(shè)計活動，在對傳感器的應(yīng)用方案的總結(jié)基礎(chǔ)上轉(zhuǎn)入開發(fā)傳感器的創(chuàng)新思維發(fā)展階段，對本節(jié)課的教學(xué)思想進行質(zhì)的升華。 教 后 記 教學(xué)內(nèi)容及行為 反思記錄 1、掌握了什么概念？訓(xùn)練了什么科學(xué)思維方法？培養(yǎng) 了什么科學(xué)情感？ ①什么是傳感器？②傳感器的工作原理；③傳感器的開發(fā)和應(yīng)用對科技進步的深層次的意義。 2、學(xué)生以什么方式主動參與了什么內(nèi)容的研討？ ①學(xué)生彼此介紹生活中的傳感器；②學(xué)生自己設(shè)計音樂茶杯和火災(zāi)報警裝置；③學(xué)生根據(jù)傳感器的工作原理自己開發(fā)傳感器。 3、課堂教學(xué)的節(jié)奏把握如何？有哪些具體的、好的師生情感交流體驗？ 課堂教學(xué)流程主要的三個環(huán)節(jié)用時各占15分鐘，基本符合課堂設(shè)計；本節(jié)課充分放手讓學(xué)生介紹傳感器、自學(xué)傳感器的工作原理、自己設(shè)計應(yīng)用傳感器的適用電路、自己根據(jù)傳感器工作原理開發(fā)傳感器，體現(xiàn)了新課程的理念。 4、課后提出了什么思考題？還遺留什么問題？計劃作怎樣的補救？ 研究性課題：向身邊的內(nèi)行人了解生活中有哪些傳感器及其工作原理。 111