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2019-2020年高中物理《傳感器及其工作原理》教案11 新人教版選修3-2 【教學目標】 1．知識與技能： （1）、了解什么是傳感器，知道非電學量轉(zhuǎn)化為電學量的技術意義； （2）、知道傳感器中常見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）、了解傳感器的應用。 2．過程與方法： 通過對實驗的觀察、思考和探究，讓學生在了解傳感器、熟悉傳感器工作原理的同時，經(jīng)歷科學探究過程，學習科學研究方法，培養(yǎng)學生的觀察能力、實踐能力和創(chuàng)新思維能力。 3．情感、態(tài)度與價值觀 （1）、體會傳感器在生活、生產(chǎn)、科技領域的種種益處，激發(fā)學生的學習興趣，拓展學生的知識視野，并加強物理與STS的聯(lián)系。 （2）、通過動手實驗，培養(yǎng)學生實事求是的科學態(tài)度、團隊合作精神和創(chuàng)新意識。 【教學重點】：理解并掌握傳感器的三種常見敏感元件的工作原理。 【教學難點】：分析并設計傳感器的應用電路。 【教學方法】：實驗、探究、討論 【教學用具】：干簧管，磁鐵，光敏電阻、熱敏電阻演示儀、傳感器簡單應用實驗盒、萬用表。 【教學過程】 一、引入新課 準備知識：從上世紀八十年代起，國際上出現(xiàn)了“傳感器熱”，傳感器在當今科技發(fā)展中有著十分重要的地位。本課的設計思路是通過對實驗的觀察、思考和探究，了解什么是傳感器，傳感器是如何將非電學量轉(zhuǎn)換成電學量的，傳感器在生產(chǎn)、生活中有哪些具體應用，為學生利用傳感器制作簡單的自控裝置作一鋪墊。教學時力避深奧的理論，側(cè)重于聯(lián)系實際，讓學生感受傳感器的巨大作用，進而提高學生的學習興趣，培養(yǎng)學生熱愛科學的情感和崇尚科學的精神。 今天我們生活中常用的電視、空調(diào)的遙控器是如何實現(xiàn)遠距離操縱的？樓梯上的電燈如何能人來就開，人走就熄的？工業(yè)生產(chǎn)中所用的自動報警器、恒溫烘箱是如何工作的？“非典”病毒肆虐華夏大地時，機場、車站、港口又是如何實現(xiàn)快速而準確的體溫檢測的？所有這些，都離不開一個核心，那就是本堂課將要學習的傳感器。 二、新課教學 1．什么是傳感器 演示實驗1：如圖1所示，小盒子的側(cè)面露出一個小燈泡，盒外沒有開關，當把磁鐵放到盒子上面，燈泡就會發(fā)光，把磁鐵移開，燈泡熄滅。 提問：盒子里有怎樣的裝置，才能實現(xiàn)這樣的控制？ 學生猜測：盒子里有彈性鐵質(zhì)開關。 師生探究：打開盒子，用實物投影儀展示盒內(nèi)的電路圖（圖2），了解元件“干簧管”的結構。探明原因：當磁體靠近干簧管時，兩個由軟磁性材料制成的簧片因磁化而相互吸引，電路導通，干簧管起到了開關的作用。 教師點撥：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：教師出示一只音樂茶杯，茶杯平放桌上時，無聲無息，提起茶杯，茶杯邊播放悅耳的音樂，邊閃爍著五彩的光芒。 教師提問： 音樂茶杯的工作開關又在哪里？開啟的條件是什么？ 學生猜測：在茶杯底部，所受壓力發(fā)生改變。 實驗探究：提起茶杯，用手壓杯的底部，音樂并沒有停止。 學生猜測：是由于光照強度的改變。 實驗探究：用書擋住底部（不與底部接觸），音樂停止，可見音樂茶杯受光照強度的控制。 師生總結：現(xiàn)代技術中，我們可以利用一些元件設計電路，它能夠感受諸如力、溫度、光、聲、化學成分等非電學量，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：把非電學量轉(zhuǎn)換為電學量以后，就可以很方便地進行測量、傳輸、處理和控制了。 教師提問：實驗1中的干簧管是怎樣的傳感器，實驗2音樂茶杯中所用的元件又是怎樣的傳感器？ 學生回答：干簧管是一個能感受磁場的傳感器，音樂茶杯中所用的元件是能感受光照強度的傳感器。 傳感器的工作原理如下圖所示： 非電學量 敏感元件 轉(zhuǎn)換器件 轉(zhuǎn)換電路 電學量 歐姆表 2、認識一些制作傳感器的元器件 Ω （1）探究光敏電阻的特性 光敏電阻 學生實驗1：學生五人一組，用萬用電表的歐姆擋測量一只光敏電阻的阻值，實驗分別在暗環(huán)境和強光照射下進行。 ①、將光敏電阻與萬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，并把相應的阻值填入下表。 ④、結論：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：光敏電阻能夠把光照強弱這個光學量轉(zhuǎn)換為電阻這個電學量。 簡單介紹：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，是一種半導體材料，無光照時，載流子極少，導電性能不好；隨著光照的增強，載流子增多，導電性變好。 （2）探究金屬熱電阻和熱敏電阻的特性 提問：金屬導體的導電性能與溫度有關嗎？關系如何？ 回答：金屬導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。 演示實驗4：如圖6所示，AB間接有一段鎢絲（從舊日光燈管中取出），閉合開關，燈泡正常發(fā)光，當用打火機給鎢絲加熱時，燈泡亮度明顯變暗。 學生探究：鎢絲的電阻隨溫度的升高而增大。 師生總結：用金屬絲可以制作溫度傳感器，稱為熱電阻。如前面已經(jīng)學過的用金屬鉑可制作精密的電阻溫度計。 學生實驗2：學生五人一組，探究熱敏電阻的阻值大小與溫度的關系。 Ω 歐姆表 熱敏電阻 實驗器材：NTC熱敏電阻，萬用表，溫度計，水杯，涼水和熱水。 實驗方案：按照如圖所示的電路將熱敏電阻接入電路，將萬用表選擇開關置于歐姆檔，用溫度計測量溫度，用萬用表測量不同溫度下的電阻。 實驗步驟： 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放入熱水中 ③、同時測量并記錄水溫和電阻值 ④、倒入少許冷水，改變杯中的水溫，在同時測量水溫和電阻值，填入下表： 實驗數(shù)據(jù)： 次數(shù) 1 2 3 4 5 溫度（℃） 電阻（Ω） 實驗結論：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：半導體熱敏電阻也可以用作溫度傳感器。 師生總結比較：金屬熱電阻與熱敏電阻都能夠把溫度這個熱學量轉(zhuǎn)換為電阻這個電學量，金屬熱電阻的化學穩(wěn)定性好，測溫范圍大，但靈敏度較差。 （3）霍爾元件 教師介紹：霍爾元件是在一個很小的矩形半導體（例如砷化銦）薄片上，制作4個電極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U。 師生討論：霍爾元件的上的電壓U與電流I、磁感應強度B的關系，設霍爾元件長為a，寬為b，厚為d，則當薄片中載流子達到穩(wěn)定狀態(tài)時，，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的變化得知磁感應強度的變化。 師生共析：霍爾元件能夠把磁感應強度這個磁學量轉(zhuǎn)換為電壓這個電學量。 【課堂總結】 傳感器是指一些能把光、力、溫度、磁感應強度等非電學量轉(zhuǎn)化為電學量或轉(zhuǎn)換為電路的通斷的元器件，它在生活、生產(chǎn)和科技領域有著非常廣泛的應用。日本把傳感器技術列為上世紀八十年代十大技術之首，美國把傳感器技術列為九十年代的關鍵技術，而我國有關傳感器的研究和應用正方興未艾…… 【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．實驗設計：用熱敏電阻、繼電器等器材設計一個火警報警器。 3.P55，思考與練習2題完成填表。 【板書設計】 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、化學成分等非電學量，并能把它們按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換為電壓、電流等電學量，或轉(zhuǎn)換為電路的通斷的元件。 非電學量 敏感元件 轉(zhuǎn)換器件 轉(zhuǎn)換電路 電學量 2、 傳感器的優(yōu)點：把非電學量轉(zhuǎn)換為電學量，很方便地進行測量、傳輸、處理和控制。 3、 傳感器的工作原理： 4、 認識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，強光照射下電阻值很小。作用：光敏電阻能夠把光照強弱這個光學量轉(zhuǎn)換為電阻這個電學量。 （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強度這個磁學量轉(zhuǎn)換為電壓這個電學量。 【教學反思】 本節(jié)課依據(jù)學生的認知規(guī)律組織教學，引入新課從生活實例入手，設置懸念，提出問題，激發(fā)學生興趣，增強學生的求知欲；在進行“什么是傳感器”的教學中注重實驗探究，引導學生從兩個實驗的探究中加以歸納，并通過DISLab系統(tǒng)顯示傳感器的優(yōu)越性，讓學生了解把非電學量轉(zhuǎn)化為電學量的技術意義；在對光敏電阻、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中，注重將教師演示實驗與學生動手實驗相結合，注重理論與實踐相結合。整個教學過程符合新課程的三維目標，體現(xiàn)新課程的理念，注意培養(yǎng)學生的自主、合作、探究能力，注意從生活走向物理，從物理走向生活，以此增進學生的學習能力和科學素養(yǎng)。