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传感器及其工作原理的教案


时间:2014-02 年级 高 二 课题 知 识 技 能 目标 过 程 方 法 目 标 情 感 态 度 价 值 观

星期 教材

备课人: 人教版 选修 3-2

授课人: 章节 第 6 章第 1 节 课型 新授课

第 课时 累计第 课时

传感器及其工作原理

/>教 学 目

(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)、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. 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. (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。 理解并掌握传感器的三种常见敏感元件的工作原理。 电路的设计,理解传感器工作原理及敏感元件在电路中的作用。 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。 实验探究法、理论探究法、分组讨论法、归纳总结法 教学内容及师生互动设计 【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 ①先在普通光照条件下,②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。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
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教学重点 教学难点 教具 教学方法 教学环节 一.课题的 引入

情感与方法

(演示实验 1:干簧 管传感器)

(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

二.什么是 传感器?

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

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,①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。② 楼梯道的电灯,晚上,有人经过楼道时,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 让学生列举 不亮,这种开关用的就是声光传感器。③为了防止火灾的发 师生讨论 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。④其他如宾馆洗手间的墙壁上干手机的湿度 传感器、电视机里换频道的红外传感器、电饭锅的温控开关、 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。 科学漫步: 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 金属铂(白金)的这 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,称为金属热 个特性很明显 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
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路 六.传感器 的设计思 路探究

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,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:①需要什么器材?②提出设计方案;③ 学生分两组实施组装;④讨论并提出改进意见;⑤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 c ?

1.金属导线; 2.热敏电阻。 (投影, 让学生来 说)

可自由讨论, 不一定 要很完美, 提出想法 就是好的

?S ,如 4? kd

何利用电容的电学量与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 I 件。 F N 如图,霍尔元件是在一个很 ? M ? 小的矩形半导体 (例如砷化铟) 薄 E B UH 片上,制作 4 个电极 E、F、M、N 而成。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 U H ? k
IB 。式中 d 为薄片的厚度, k 为霍尔系数,它的 d

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

霍尔电压的推导在 选修 3-1 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?

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
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测定霍尔电压 U 的变化得知该磁场磁感应强度的变化。 传感器是指一些能把光、力、温度、磁感应强度等非电 学量转化为电学量或转换为电路的通断的元器件,它在生活、 生产和科技领域有着非常广泛的应用。日本把传感器技术列 为上世纪八十年代十大技术之首,美国把传感器技术列为九 十年代的关键技术,而我国有关传感器的研究和应用正方兴 未艾??,请同学们课后通过查询资料或者向身边的内行人 请教,了解我们生活中都在哪些方面使用了哪些传感器以及 它们的工作原理。

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)

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