感測器及其工作原理的教學設計
感測器及其工作原理的教學設計
感測器及其工作原理的教學設計
一．【教材分析】：
《6.1 感測器及其工作》是新人教版高中物理選修3-2第六章第一節的教學內容，主要學習一些簡單感測器，以介紹為主，課程內容比較簡單。
二．【教學目標】
一、知識與技能：
（1）、瞭解什麼是感測器，知道非電學量轉化為電學量的技術意義；
（2）、知道感測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）、瞭解感測器的應用。
二、過程與方法：
透過對實驗的觀察、思考和探究，讓學生在瞭解感測器、熟悉感測器工作原理的同時，經歷科學探究過程，學習科學研究方法，培養學生的觀察能力、實踐能力和創新思維能力。
三、情感、態度與價值觀：
（1）、體會感測器在生活、生產、科技領域的種種益處，激發學生的學習興趣，拓展學生的知識視野，並加強物理與STS的聯絡。
（2）、透過動手實驗，培養學生實事求是的科學態度、團隊合作精神和創新意識。
三．【教學重點】：理解並掌握感測器的三種常見敏感元件的工作原理。
【教學難點】：分析並設計感測器的應用電路。
四．學情分析：
從上世紀八十年代起，國際上出現了“感測器熱”，感測器在當今科技發展中有著十分重要的地位。本課的設計思路是透過對實驗的觀察、思考和探究，瞭解什麼是感測器，感測器是如何將非電學量轉換成電學量的，感測器在生產、生活中有哪些具體應用，為學生利用感測器製作簡單的自控裝置作一鋪墊。學生對感測器瞭解較少，教學時力避深奧的理論，側重於聯絡實際，讓學生感受感測器的巨大作用，進而提高學生的學習興趣，培養學生熱愛科學的情感和崇尚科學的精神。
五．【教學方法】：實驗、探究、討論
六．【教學用具】：幹簧管，磁鐵，光敏電阻、熱敏電阻演示儀、感測器簡單應用實驗盒、萬用表。
七．【課時安排】1課時
八．【教學過程】
預習檢查、總結疑惑
檢查落實了學生的預習情況並瞭解了學生的疑惑，使教學具有了針對性
一、引入新課：
今天我們生活中常用的電視、空調的遙控器是如何實現遠距離操縱的？樓梯上的電燈如何能人來就開，人走就熄的？工業生產中所用的自動報警器、恆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感測器。
二、新課教學
1．什麼是感測器
演示實驗1：如圖1所示，小盒子的側面露出一個小燈泡，盒外沒有開關，當把磁鐵放到盒子上面，燈泡就會發光，把磁鐵移開，燈泡熄滅。
提問：盒子裡有怎樣的裝置，才能實現這樣的控制？
學生猜測：盒子裡有彈性鐵質開關。
師生探究：開啟盒子，用實物投影儀展示盒內的電路圖（圖2），瞭解元件“幹簧管”的結構。探明原因：當磁體靠近幹簧管時，兩個由軟磁性材料製成的簧片因磁化而相互吸引，電路導通，幹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透過燈泡的發光情況，感知幹簧管周圍是否存在著磁場。
演示實驗2：教師出示一隻音樂茶杯，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裡？開啟的條件是什麼？
學生猜測：在茶杯底部，所受壓力發生改變。
實驗探究：提起茶杯，用手壓杯的底部，音樂並沒有停止。
學生猜測：是由於光照強度的改變。
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，並能把它們按照一定的規律轉換為電壓、電流等電學量，或轉換為電路的通斷。我們把這種元件叫做感測器。它的優點是：把非電學量轉換為電學量以後，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中的幹簧管是怎樣的感測器，實驗2音樂茶杯中所用的元件又是怎樣的感測器？
學生回答：幹簧管是一個能感受磁場的感測器，音樂茶杯中所用的元件是能感受光照強度的感測器。
感測器的工作原理如下圖所示：
2、認識一些製作感測器的元器件
（1）探究光敏電阻的特性
學生實驗1：學生五人一組，用萬用電表的'歐姆擋測量一隻光敏電阻的阻值，實驗分別在暗環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於有光線照射的地方，觀察萬用表的讀數，把光敏電阻的阻值填入現表中。
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視窗的遮住，移動黑紙片，使光敏電阻受到的光線出現較亮、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，並把相應的阻值填入下表。
④、結論：光敏電阻在暗環境下電阻值很大，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，例如硫化鎘，是一種半導體材料，無光照時，載流子極少，導電效能不好；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：金屬導體的導電效能與溫度有關嗎？關係如何？
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：用金屬絲可以製作溫度感測器，稱為熱電阻。如前面已經學過的用金屬鉑可製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係。
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於歐姆檔，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、按上述電路連線電路
②、取半杯熱水，將熱敏電阻及溫度計放入熱水中
③、同時測量並記錄水溫和電阻值
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：
實驗資料：
次數12345
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感測器。
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換為電阻這個電學量，金屬熱電阻的化學穩定性好，測溫範圍大，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，製作4個電極E、F、M、N而成（如圖7所示）。若在E、F間通入恆定的電流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生偏轉，使M、N間出現電壓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的關係，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定狀態時， ，即 ，又因 ，所以 ，即 （ 為霍爾係數）。因此，我們就可以根據電壓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換為電壓這個電學量。
【課堂總結】
感測器是指一些能把光、力、溫度、磁感應強度等非電學量轉化為電學量或轉換為電路的通斷的元器件，它在生活、生產和科技領域有著非常廣泛的應用。日本把感測器技術列為上世紀八十年代十大技術之首，美國把感測器技術列為九十年代的關鍵技術，而我國有關感測器的研究和應用正方興未艾……
【佈置作業】
1．觀察與思考：日常生活中哪些地方用到了感測器，它們分別屬於哪種型別的感測器，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。
九．【板書設計】
第一節：感測器及其工作原理
1、感測器：能夠感受諸如力、溫度、光、聲、化學成分等非電學量，並能把它們按照一定的規律轉換為電壓、電流等電學量，或轉換為電路的通斷的元件。
2、感測器的優點：把非電學量轉換為電學量，很方便地進行測量、傳輸、處理和控制。
3、感測器的工作原理：
4、認識一些製作感測器的元器件
(1)、光敏電阻：光敏電阻在暗環境下電阻值很大，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感測器。
（3）、霍爾元件：霍爾元件能夠把磁感應強度這個磁學量轉換為電壓這個電學量。
十．【教學反思】
本節課依據學生的認知規律組織教學，引入新課從生活例項入手，設定懸念，提出問題，激發學生興趣，增強學生的求知慾；在進行“什麼是感測器”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，並透過DISLab系統顯示感測器的優越性，讓學生了解把非電學量轉化為電學量的技術意義；在對光敏電阻、熱敏電阻和熱電阻、霍爾元件這些製作感測器的元器件教學中，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，體現新課程的理念，注意培養學生的自主、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。