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2019-2020年高中物理 《認(rèn)識(shí)傳感器》教案 粵教版選修3-2 【教學(xué)目標(biāo)】 1．知識(shí)與技能 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； 認(rèn)識(shí)一些制作傳感器的元器件，知道這些傳感器的工作原理。 2．過程與方法 通過對(duì)實(shí)驗(yàn)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(shí)，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(shí)踐能力和創(chuàng)新思維能力。 3．情感、態(tài)度與價(jià)值觀 體會(huì)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(shí)視野，并加強(qiáng)物理與STS的聯(lián)系。通過動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度、團(tuán)隊(duì)合作精神和創(chuàng)新意識(shí)。 【設(shè)計(jì)思路】 從上世紀(jì)八十年代起，國(guó)際上出現(xiàn)了“傳感器熱”，傳感器在當(dāng)今科技發(fā)展中有著十分重要的地位。新課程標(biāo)準(zhǔn)緊扣時(shí)代脈搏，對(duì)傳感器教學(xué)提出明確要求。本課的設(shè)計(jì)思路是通過對(duì)實(shí)驗(yàn)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(jiǎn)單的自控裝置作一鋪墊。教學(xué)時(shí)力避深?yuàn)W的理論，側(cè)重于聯(lián)系實(shí)際，讓學(xué)生感受傳感器的巨大作用，進(jìn)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。 【教學(xué)過程】 一、引入新課 教師：今天我們生活中常用的電視、空調(diào)的遙控器是如何實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)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(dòng)報(bào)警器、恒溫烘箱是如何工作的？“非典”病毒肆虐華夏大地時(shí)，機(jī)場(chǎng)、車站、港口又是如何實(shí)現(xiàn)快速而準(zhǔn)確的體溫檢測(cè)的？所有這些，都離不開一個(gè)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(shí)驗(yàn)1：如圖1所示，小盒子的側(cè)面露出一個(gè)小燈泡，盒外沒有開關(guān)，當(dāng)把磁鐵放到盒子上面，燈泡就會(huì)發(fā)光，把磁鐵移開，燈泡熄滅。 教師提問：盒子里有怎樣的裝置，才能實(shí)現(xiàn)這樣的控制？ 學(xué)生猜測(cè)：盒子里有彈性鐵質(zhì)開關(guān)。 師生探究：打開盒子，用實(shí)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(dāng)磁體靠近干簧管時(shí)，兩個(gè)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(diǎn)撥：這個(gè)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(chǎng)。 演示實(shí)驗(yàn)2：教師出示一只音樂茶杯，茶杯平放桌上時(shí)，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(cè)：在茶杯底部，所受壓力發(fā)生改變。 實(shí)驗(yàn)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(cè)：是由于光照強(qiáng)度的改變。 實(shí)驗(yàn)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(qiáng)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(jì)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(diǎn)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(jìn)行測(cè)量、傳輸、處理和控制了。 教師提問：實(shí)驗(yàn)1中的干簧管是怎樣的傳感器，實(shí)驗(yàn)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(gè)能感受磁場(chǎng)的傳感器，音樂茶杯中所用的元件是能感受光照強(qiáng)度的傳感器。 教師介紹：數(shù)字化信息系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室（Digital Information System Laboratory，簡(jiǎn)稱：DISLab） 就是由“傳感器+數(shù)據(jù)采集器+實(shí)驗(yàn)軟件包+計(jì)算機(jī)”構(gòu)成的新型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)成功克服了傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)儀器的諸多弊端，有力地支持了信息技術(shù)與物理教學(xué)的全面整合，在實(shí)驗(yàn)上收到了許多意想不到的成功。 投影展示： 圖3 DISLab系統(tǒng)構(gòu)成 演示實(shí)驗(yàn)3：通過朗威DISLab數(shù)據(jù)采集器、位移傳感器來觀察簡(jiǎn)諧振動(dòng)圖象。 圖4 彈簧振子實(shí)驗(yàn)裝置圖 圖5 彈簧振子振動(dòng)圖線 2、認(rèn)識(shí)一些制作傳感器的元器件 （1）光敏電阻 學(xué)生實(shí)驗(yàn)1：學(xué)生兩人一組，用萬用電表的歐姆擋測(cè)量一只光敏電阻的阻值，實(shí)驗(yàn)分別在暗環(huán)境和強(qiáng)光照射下進(jìn)行。 學(xué)生總結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果：光敏電阻在暗環(huán)境下電阻值很大，強(qiáng)光照射下電阻值很小。 師生總結(jié)：光敏電阻能夠把光照強(qiáng)弱這個(gè)光學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個(gè)電學(xué)量。 教師簡(jiǎn)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(shí)，載流子極少，導(dǎo)電性能不好；隨著光照的增強(qiáng)，載流子增多，導(dǎo)電性變好。 （2）熱敏電阻和金屬熱電阻 教師提問：金屬導(dǎo)體的導(dǎo)電性能與溫度有關(guān)嗎？關(guān)系如何？ 學(xué)生回答：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(shí)驗(yàn)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(dāng)用打火機(jī)給鎢絲加熱時(shí)，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(jì)。 學(xué)生實(shí)驗(yàn)2：學(xué)生兩人一組，用萬用電表的歐姆擋測(cè)一只熱敏電阻的阻值。第一次直接測(cè)量，第二次用手心捂住熱敏電阻再測(cè)量，記錄兩次測(cè)得的電阻值。 學(xué)生探究：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(gè)熱學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個(gè)電學(xué)量，金屬熱電阻的化學(xué)穩(wěn)定性好，測(cè)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(gè)很小的矩形半導(dǎo)體（例如砷化銦）薄片上，制作4個(gè)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(shí)外加與薄片垂直的勻強(qiáng)磁場(chǎng)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(qiáng)度B的關(guān)系，設(shè)霍爾元件長(zhǎng)為a，寬為b，厚為d，則當(dāng)薄片中載流子達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，，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(qiáng)度的變化。 師生共析：霍爾元件能夠把磁感應(yīng)強(qiáng)度這個(gè)磁學(xué)量轉(zhuǎn)換為電壓這個(gè)電學(xué)量。 演示實(shí)驗(yàn)5：利用朗威DISLab數(shù)據(jù)采集器、霍爾元件觀察通電螺線管內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小分布規(guī)律。 圖8 磁感應(yīng)強(qiáng)度測(cè)定的實(shí)驗(yàn)裝置圖 圖9 磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖線 三、小結(jié) 傳感器是指一些能把光、力、溫度、磁感應(yīng)強(qiáng)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(jì)八十年代十大技術(shù)之首，美國(guó)把傳感器技術(shù)列為九十年代的關(guān)鍵技術(shù)，而我國(guó)有關(guān)傳感器的研究和應(yīng)用正方興未艾…… 四、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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：用熱敏電阻、繼電器等器材設(shè)計(jì)一個(gè)火警報(bào)警器。 【教學(xué)反思】 本節(jié)課依據(jù)學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律組織教學(xué)，引入新課從生活實(shí)例入手，設(shè)置懸念，提出問題，激發(fā)學(xué)生興趣，增強(qiáng)學(xué)生的求知欲；在進(jìn)行“什么是傳感器”的教學(xué)中注重實(shí)驗(yàn)探究，引導(dǎo)學(xué)生從兩個(gè)實(shí)驗(yàn)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(duì)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(shí)驗(yàn)與學(xué)生動(dòng)手實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，注重理論與實(shí)踐相結(jié)合。整個(gè)教學(xué)過程符合新課程的三維目標(biāo)，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(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和科學(xué)素養(yǎng)。