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2019-2020年高中物理 3.1 傳感器教案 教科版選修3-2 80年代以來，國際上出現(xiàn)了“傳感器熱”，日本把傳感器技術列為80年代十大技術之首，美國把傳感器技術列為90年代的關鍵技術，我國把傳感器技術列為“八五”、“九五”的重點研究項目之一。由此可見，傳感器在當今科技發(fā)展中所處的重要地位。xx年3月國家教育部頒布的《全日制高級中學物理課程標準》（以下簡稱《標準》）緊扣時代脈搏，將傳感器的教學納入其中，并在選修的所有三個模塊中都有對傳感器教學的要求，反映了《標準》的時代性。 本文將結合自己對課程標準中傳感器教學的認識和理解，提供部分教學資源實例，供教師組織教學時參考。 1　對課程標準中傳感器教學的理解 1．1 《標準》中對傳感器教學的要求 《標準》強調對傳感器教學應側重從技術應用的角度展示物理，強調物理學科與技術的結合，著重體現(xiàn)物理學的應用性、實踐性，并使用了諸如“了解”“知道”“體會”“制作”等動詞來描述對傳感器教學的要求。如，在《標準》的內容標準部分的選修1-1模塊、選修2-1模塊和選修3-2模塊中都有關于傳感器的教學描述；另外，在附錄的第一部分“物理實驗專題”供選擇的實驗示例中也有“選用傳感器制作控制電路”，可見課程標準重視傳感器及其應用的教學，并重視物理與STS的聯(lián)系。 那么，如何理解《標準》中這些關于傳感器的描述，從而搞好傳感器及其應用的教學呢？ 下面，以選修3－2模塊為例來說明對課程標準中對傳感器教學要求的理解。 1．2 對《標準》中傳感器教學要求的理解 選修3-2模塊的三個二級主題中有一個是“傳感器”，內容標準中要求學生“知道非電學量轉換為電學量的技術意義；通過實驗知道傳感器的工作原理；列舉傳感器在生產和生活中的應用”，活動建議又一次提出“利用傳感器制作簡單的自控裝置”。 對此，筆者的理解如下： 標準第一點是要求學生知道非電學量轉換為電學量的技術意義。對此，學生必須首先知道什么是非電學量和電學量，然后進一步了解二者之間可以相互轉換的事實，最后據(jù)此了解其在技術上的意義。如，知道溫度、照度、氣體濃度等為非電學量，而電流值、電壓值、電阻值等屬于電學量。 標準的第二點要求學生通過實驗知道傳感器的工作原理。例如，“通過實驗認識溫度傳感器將溫度信號轉變?yōu)殡娦盘柕淖饔谩?。此處只是指出通過實驗的方法，而并未指出究竟是教師演示實驗或是學生實驗、是課堂實驗還是課后實驗活動、是否需要探究，等等，所以，教師完全可以根據(jù)學生和學校的實際情況，設計符合實際的實驗方式。例如，若使用的傳感器為高壓傳感器，為學生安全著想，教師可以采用課堂演示實驗的方式；若使用的是低壓傳感器，就可以讓學生進行分組實驗。與此相對應，傳感器的工作原理可以用教師傳授，也可讓學生自行探究。若采用教師講授的方式，則教師應緊密聯(lián)系生產生活實際介紹傳感器的原理和應用，而不必深究傳感器的過深理論和難懂的工藝。 標準的第三點是要求學生列舉傳感器在生產和生活中的應用，如“了解光敏傳感器及其在日常生活中的應用”。這一方面要求有條件的學校帶領學生參觀工廠、商場等地的傳感器設備以了解各類傳感器的工作原理、外型和作用等，體會傳感器給生產、生活帶來的各種益處。另一方面還要求學生使用多種資源去收集信息，多整理信息，最后形成書面報告在課堂上與教師和同學交流。這不但能激發(fā)學生的學習興趣，拓展他們的視野，還能培養(yǎng)學生收集信息、與他人進行交流的能力。在教師進行教學評價時，可趁采取口頭匯報、照片展、調查報告展等形式，多在結果交流后將調查報告、照片等書面材料裝入學生的檔案袋中，以便于進行過程性評價。 “活動建議”提出“利用傳感器制作簡單的自控裝置”，即教師應啟發(fā)學生根據(jù)自己生活合實際需要，設計和制作自控裝置，而非教師完全包辦。在學生遇到困難時，教師可給予適當?shù)囊龑Ш蛦l(fā)。讓學生在設計和制作過程中加深對傳感器原理的理解，培養(yǎng)動腦和動手的技能，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和實踐能力，同時培養(yǎng)與他人合作的團隊精神，最終讓學生感受到成功的樂趣。 2　新課程標準理念指導下的傳感器教與資源實例 2．1 常見傳感器的種類和用途 傳感器是能將所感受到的物理量（如力熱、光、聲等）轉換成便于測量的量（一般是電學量）的元件。其應用十分廣泛，尤其是在自動繞制和信息處理技術方面的應用。我們大家生活中常用的電視遙控接收器、電冰箱、聲控電燈光控電燈、家里用的電飯鍋、話筒；工業(yè)生產用的紅外探測儀、自動報警器、恒溫烘箱、光電計數(shù)器、涂料添加器等都用到了傳感器。 根據(jù)其使用的元件不同，傳感器可分為電阻式傳感器、電容式傳感器、光電式傳感器、電感式傳感器、光柵式傳感器、熱電式傳感器、紅外線式傳感器、光纖式傳感器、超聲波式傳感器、激光式傳感器等。但不論哪種傳感器，其工作原理都大致相同。 2．2 傳感器的工作原理簡述 傳感器的工作原理為：通過對某一物理量敏感的元件將感受到的信號按一定的規(guī)律轉換成便于利用的信號。如光敏電阻和氣敏電阻分別對光的強度和氣體濃度非常敏感，可以將感受到的光信號和氣體濃度信號等電量轉化為電量──電阻。 下面，我們將以氣敏電阻傳感器為例來說明傳感器的工作原理。 氣敏電阻傳感器是一種能將檢測到的氣體的成分、濃度等變化轉化為電阻值（電壓、電流值）變化的傳感器。TGS109型就是當前被廣泛應用的一種。 圖1是TGS109型氣敏傳感器的外形結構。其核心是一個電阻──氣敏電阻（用Sn02半導體制成）。 如圖2所示，該氣敏傳感器等效于隨氣體濃度變化而變化的一個可變電阻R0在一定濃度范圍內，它的電阻值R和濃度C的關系近似為。其中，R0是在空氣中的電阻，C為被測氣體的濃度。 可見，測得了電阻R，便測得了氣體濃度C，這就把非電量（氣體濃度）的測量和控制轉化成了對電量（電阻）的測量和控制，實現(xiàn)了傳感器的功能。 2．3 利用傳感器制作簡單的天然氣報警器 目前，家用天然氣灶和天然氣熱水器應用十分普遍。天然氣的主要成分是甲烷（CH4），若天然氣灶或天然氣熱水器等漏氣，輕則影響人的健康，重則對人身安全和財產造成損害（甲烷濃度達到4-16%時會產生爆炸）。因此安裝天然氣報警器，放置在家中容易漏氣的地方，對空氣中的天然氣進行監(jiān)控和報警，是有意義和價值的。 由于TGS109型氣敏傳感器的制作工藝簡單、成本低、功耗小、靈敏度高，且主要用于制作燃氣報警器。所以，我們將簡單介紹如何利用TGS109型氣敏傳感器制作簡單天然氣報警器。 原理說明：氣敏傳感器TGS109在空氣中的電阻較大、電流較小、蜂鳴器不發(fā)聲；當室內天然氣濃度約為1%時，它的電阻較低，流經電路的電流較大（此時電流方向如圖3中箭頭所示），可直接驅動蜂鳴器報警。由于該報警器適用、經濟，其中的元件易購、電路簡單、方便學生動手制作，所以，廣大教師不妨在教學中讓學生自己動手制作。 制作前，師生共同準備好電源、蜂鳴器、電阻等制作報警器的必備材料。 制作中，讓學生根據(jù)簡易天然氣報警器電路圖（圖3）連接電路。培養(yǎng)他們的動手能力。 制作完畢后，教師可讓學生自行檢測其作品是否能實現(xiàn)預期功能。如，用蚊香的煙等來測試報警器。 此外，在部分有余力的學生制作完畢后，可引導他們在天然氣報警器的基礎上增加部分電路制作成一個自動排風扇。該自動排風扇能感知廚房的油煙、香煙等造成的室內空氣污染，少開動扇片，自動凈化室內空氣。學生若能制作該自動控制系統(tǒng)，對于他們對傳感器及其應用的理解會有更深一步的體會。 3　結語 傳感器的種類繁多，但各種傳感器的原理都是基于各種物理現(xiàn)象和物理效應的，都體現(xiàn)了物理的實踐性和應用性。我們對傳感器教學時，應側重于應用，應注意它與基礎物理知識合聯(lián)系，應關注學生的經驗，不要過于艱深，應注意培養(yǎng)學生的知識與技能、過程與方法、情感維度與價值觀。注意物理與生活的聯(lián)系，注意物理與STS的聯(lián)系，盡力提高學生的學習興趣，使學生感受到知識的巨大用途，培養(yǎng)其能力全面發(fā)展，這也是課程標準的總目標“進一步提高科學素養(yǎng)，滿足全體學生的終生發(fā)展需求”所倡導的。