傳感器及其工作原理的教學(xué)設(shè)計
傳感器及其工作原理的教學(xué)設(shè)計
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)一些簡單傳感器，以介紹為主，課程內(nèi)容比較簡單。
二．【教學(xué)目標】
一、知識與技能：
�。�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、過程與方法：
通過對實驗的觀察、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，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)生的觀察能力、實踐能力和創(chuàng)新思維能力。
三、情感、態(tài)度與價值觀：
�。�1）、體會傳感器在生活、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)生的知識視野，并加強物理與STS的聯(lián)系。
�。�2）、通過動手實驗，培養(yǎng)學(xué)生實事求是的科學(xué)態(tài)度、團隊合作精神和創(chuàng)新意識。
三．【教學(xué)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(xué)難點】：分析并設(shè)計傳感器的應(yīng)用電路。
四．學(xué)情分析：
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(shè)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(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單的自控裝置作一鋪墊。學(xué)生對傳感器了解較少，教學(xué)時力避深奧的理論，側(cè)重于聯(lián)系實際，讓學(xué)生感受傳感器的巨大作用，進而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生熱愛科學(xué)的情感和崇尚科學(xué)的精神。
五．【教學(xué)方法】：實驗、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、傳感器簡單應(yīng)用實驗盒、萬用表。
七．【課時安排】1課時
八．【教學(xué)過程】
預(yù)習(xí)檢查、總結(jié)疑惑
檢查落實了學(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(xué)習(xí)的傳感器。
二、新課教學(xué)
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(guān)，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(xué)生猜測：盒子里有彈性鐵質(zhì)開關(guān)。
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(jié)構(gòu)。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(dǎo)通，干簧管起到了開關(guān)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(guān)又在哪里？開啟的條件是什么？
學(xué)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(xué)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(jié)：現(xiàn)代技術(shù)中，我們可以利用一些元件設(shè)計電路，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。
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(xué)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：
2、認識一些制作傳感器的元器件
�。�1）探究光敏電阻的特性
學(xué)生實驗1：學(xué)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
�、�、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）
�、�、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(yīng)的阻值填入下表。
�、堋⒔Y(jié)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(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。
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(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。
（2）探究金屬熱電阻和熱敏電阻的特性
提問：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(guān)，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(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)過的用金屬鉑可制作精密的電阻溫度計。
學(xué)生實驗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(guān)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：
�、佟瓷鲜鲭娐愤B接電路
�、�、取半杯熱水，將熱敏電阻及溫度計放入熱水中
�、邸⑼瑫r測量并記錄水溫和電阻值
�、堋⒌谷肷僭S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)12345
溫度（℃）
電阻（Ω）
實驗結(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。
�。�3）霍爾元件
教師介紹：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（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(yīng)強度B的關(guān)系，設(shè)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(yīng)強度的變化。
師生共析：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。
【課堂總結(jié)】
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……
【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(shè)計：用熱敏電阻、繼電器等器材設(shè)計一個火警報警器。
3.P55，思考與練習(xí)2題完成填表。
九．【板書設(shè)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(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：把非電學(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)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(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個電學(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)強度這個磁學(xué)量轉(zhuǎn)換為電壓這個電學(xué)量。
十．【教學(xué)反思】
本節(jié)課依據(jù)學(xué)生的認知規(guī)律組織教學(xué)，引入新課從生活實例入手，設(shè)置懸念，提出問題，激發(fā)學(xué)生興趣，增強學(xué)生的求知欲；在進行“什么是傳感器”的教學(xué)中注重實驗探究，引導(dǎo)學(xué)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(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，注重將教師演示實驗與學(xué)生動手實驗相結(jié)合，注重理論與實踐相結(jié)合。整個教學(xué)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(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，以此增進學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和科學(xué)素養(yǎng)。
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