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視頻標(biāo)簽：傳感器,及其工作原理

所屬欄目：高中物理優(yōu)質(zhì)課視頻

視頻課題：高中物理人教版選修3-2-6.1傳感器及其工作原理-重慶

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高中物理人教版選修3-2-6.1傳感器及其工作原理-重慶市

教學(xué)環(huán)節(jié) 教學(xué)內(nèi)容及師生互動(dòng)設(shè)計(jì) 
情感與方法     一．課題的引入      
二．什么是傳感器？        
【演示實(shí)驗(yàn)1】神奇的“溫度計(jì)” 
    將兩個(gè)一模一樣的紙杯里倒入冷水與熱水。并且蓋上相同的濕巾紙。 
    師問：如果不碰水杯，能不能區(qū)分出誰是熱水，誰是冷水呢？     生猜：（可以自由討論，也可以請(qǐng)學(xué)生回答） 
    師生探究：演示實(shí)驗(yàn)，將特制的溫度計(jì)靠近水杯，然后觀察歐姆表的示數(shù)， 根據(jù)電阻的變化區(qū)分出熱水與冷水，并將整個(gè)過程投影給學(xué)生觀察。 總結(jié)實(shí)驗(yàn): 
師：剛才的那個(gè)實(shí)驗(yàn)，用了一種元件，這些元件能夠感受某些信息，通過它能實(shí)現(xiàn)電路的自動(dòng)控制，這種元件有一個(gè)專門的名稱：傳感器。什么是傳感器呢？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。 
其實(shí)，傳感器并不神秘。你家里可能就有很多的傳感器。請(qǐng)大家相互說說看，你家里，或者在你的生活當(dāng)中，都
      
（演示實(shí)驗(yàn)1：區(qū)分熱水與冷水）讓學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象感興趣，愿意參與到課堂中，并且總結(jié)其含義 
         
年級(jí) 高二 教材 人教版 選修3-2 章節(jié) 第6章第1節(jié) 第 1 課時(shí) 
課題 傳感器及其工作原理 
課型 
新授課 
累計(jì)第 1 課時(shí) 
  教  學(xué)  目   標(biāo) 
知識(shí)技能目標(biāo) （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. 過程方法目 標(biāo) 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. 
情感態(tài)度價(jià)值觀 
（1）、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。 
（2）、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)。 
（3）、通過展示電磁炮，開拓學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)，并培養(yǎng)學(xué)生的愛國(guó)意識(shí)。 
教學(xué)重點(diǎn) 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(diǎn) 電路的設(shè)計(jì)，理解傳感器工作原理及敏感元件在電路中的作用。 
教具 干簧管，磁鐵，光敏電阻、熱敏電阻演示儀、傳感器簡(jiǎn)單應(yīng)用實(shí)驗(yàn)盒、萬用表。多媒體課件。 
教學(xué)方法 實(shí)驗(yàn)探究法、理論探究法、分組討論法、歸納總結(jié)法 
 
                    
             
                    
                             
2 
                 
三．光敏電阻                
四．金屬熱電阻和熱敏電阻        
使用過，或聽說過什么樣的電器中有傳感器？ 
    生討論并交流：例如，①當(dāng)冰箱內(nèi)的溫度高于設(shè)定值時(shí)，制冷系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)，而當(dāng)溫度低于設(shè)定值時(shí)，制冷系統(tǒng)又會(huì)自動(dòng)停止。冰箱的控制，是通過溫度傳感器實(shí)現(xiàn)的。②樓梯道的電燈，晚上，有人經(jīng)過樓道時(shí)，開關(guān)自動(dòng)接通，燈就亮；白天，不管是否有人經(jīng)過，開關(guān)都是斷開的，燈總是不亮，這種開關(guān)用的就是聲光傳感器。③為了防止火災(zāi)的發(fā)生，在賓館房間的天花板上大多有一個(gè)小盒子，當(dāng)房間失火時(shí)它能感知出現(xiàn)的煙霧，通過電路發(fā)出警報(bào)，這個(gè)小盒子就是煙霧傳感器。④其他如賓館洗手間的墻壁上干手機(jī)的濕度傳感器、電視機(jī)里換頻道的紅外傳感器、電飯鍋的溫控開關(guān)、養(yǎng)雞場(chǎng)里的孵化器、交警用來測(cè)駕駛員是否酒后開車的酒精氣體測(cè)試儀、磁懸浮列車?yán)锏募铀俣葴y(cè)試器、電容式話筒里的電容式傳感器、自動(dòng)洗衣機(jī)里的壓力傳感器等等.可以說，傳感器的廣泛使用，豐富了我們的生活，使我們的生活更加方便、安全和舒適。 
師：為了制作傳感器，需要一些元器件，下面我們就來看幾個(gè)實(shí)際的例子。 【演示實(shí)驗(yàn)2】比較光敏電阻在不同光照條件下的電阻之不同 學(xué)生完成：兩人一組，用萬用電表（由投影儀投出表盤）的歐姆擋測(cè)量一只光敏電阻的阻值，實(shí)驗(yàn)分別在室內(nèi)自然光的照射下和用手掌遮光時(shí)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。 
（師）工作原理：光敏電阻在光照射下電阻變化的原因。光敏電阻是由硫化鎘制成的，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。 
學(xué)生自學(xué)：半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理 
師問：金屬導(dǎo)體的導(dǎo)電性能與溫度有關(guān)嗎？關(guān)系如何？ 生答：（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） 
師生總結(jié)：用金屬絲可以制作溫度傳感器，稱為金屬熱電阻。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)。      （投影電阻R隨溫度變化的圖線） 
【演示實(shí)驗(yàn)3】熱敏電阻隨溫度的升高電阻減小 
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)1：半導(dǎo)體熱敏電阻也可以用作溫度傳感器。 
  
讓學(xué)生列舉 師生討論 
         
  
科學(xué)漫步：         
 
金屬鉑（白金）的這個(gè)特性很明顯 
 
 
                    
             
                    
                             
3 
     
五．學(xué)生利用光敏電阻和熱敏電阻自己設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的控制電路           
六．傳感器的設(shè)計(jì)思路探究                    
師生總結(jié)2：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。 
【設(shè)計(jì)方案1】音樂盒（設(shè)計(jì)要求：蓋子打開音樂響起，蓋子合上，音樂停止） 【設(shè)計(jì)方案2】火警報(bào)警器（設(shè)計(jì)要求：溫度過高，發(fā)生警報(bào)） 
學(xué)生分組討論：①需要什么器材？②提出設(shè)計(jì)方案；③學(xué)生分兩組實(shí)施組裝；④討論并提出改進(jìn)意見；⑤還可以用于生活中的哪些方面？ 
師：（ 對(duì)傳感器的工作原理作階段性的小結(jié)）傳感器是把非電學(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量的元件，它使得某些非電學(xué)量容易測(cè)量或者能實(shí)現(xiàn)電路的自動(dòng)通斷.傳感器的應(yīng)用豐富了我們的生活，使我們的生活更舒適、更安全。但從科技進(jìn)步的角度來說，傳感器的應(yīng)用還只是淺層次的，更重要的是傳感器的開發(fā)。那么，傳感器如何進(jìn)行開發(fā)呢？這還得從傳感器的工作原理入手。例如，電容器電容的決定式為4S
ckd
，如何利用電容的電學(xué)量與非電學(xué)量的關(guān)系設(shè)計(jì)一個(gè)電容式傳感器？ 師：1879年美國(guó)物理學(xué)家霍爾觀察到，在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中放置一個(gè)矩形截面的載流導(dǎo)體，當(dāng)磁場(chǎng)方向與電流方向垂直時(shí)，導(dǎo)體在與磁場(chǎng)、電流方向都垂直的方向上出現(xiàn)了電勢(shì)差。人們把這樣的現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)，所產(chǎn)生的電勢(shì)差叫霍爾電壓。人們利用霍爾效應(yīng)做成了霍爾元件。 如圖，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。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UH。這個(gè)電壓叫霍爾電壓，其決定式為HIB
Uk
d
。式中d為薄片的厚度，k為霍爾系數(shù)，它的大小與薄片的材料有關(guān)。 
師生共析：由上式看，一個(gè)霍爾元件的厚度d、k為定值，若保持I恒定，則UH的變化就與B成正比。也就是說：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。因此，我們可以把霍爾元件放置在某一未知的磁場(chǎng)中，通過測(cè)定霍爾電壓U的變化得知該磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化。 
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
1.金屬導(dǎo)線； 2.熱敏電阻。 （投影，讓學(xué)生來說） 
可自由討論，不一定要很完美，提出想法就是好的 
電容的測(cè)定：多用電表的電容檔 師介紹：電容式壓力傳感器、電容式位移
傳感器、電容式角度測(cè)試儀、電容式電解
液液面升降測(cè)試器  
 
霍爾電壓的推導(dǎo)在選修3－1中已經(jīng)解決過，本節(jié)課不作推導(dǎo) 
 
老師解釋為什么用霍爾元件測(cè)微小電流比用電流表好？ 
 學(xué)生分析：磁強(qiáng)計(jì)、霍爾電流測(cè)試器、霍
爾材料辨別 
 
分壓器、風(fēng)力測(cè)試儀、電子秤） （師點(diǎn)撥） 
        
HUEFMN
I
B
 
                    
             
                    
                             
4 
               
七．科技拓展——電磁炮的應(yīng)用  
未艾„„，今天咱們就來了解一下傳感器的一個(gè)實(shí)際應(yīng)用——電磁炮。 
 
 
磁軌炮（Rail Gun），即軌道炮是利用電磁發(fā)射技術(shù)制成的一種先進(jìn)的動(dòng)能殺傷武器。與常規(guī)的化學(xué)發(fā)射方式相比，軌道炮是利用電磁系統(tǒng)中電磁場(chǎng)的作用力，其作用的時(shí)間要長(zhǎng)得多，可大大提高彈丸的速度和射程。因而引起了世界各國(guó)軍事家們的關(guān)注。自80年代初期以來，電磁軌道炮在未來武器的發(fā)展計(jì)劃中，已成為越來越重要的部分。中國(guó)于上世紀(jì)80年代開始電磁研究。目前中國(guó)已成功研制了多種電磁軌道炮。 
為大家講解電磁炮中需要用的傳感器。第一：放電過程由于發(fā)生的非常快，因此電容間的放電需要即時(shí)進(jìn)行，因此當(dāng)炮彈第一次加速完畢后，需要第二級(jí)電容馬上放電。因此我在他們中間加了光電開關(guān)。第二：加壓過程中，電壓的多少會(huì)影響儀器的安全，因此我們需要即時(shí)知道電壓的示數(shù)，因此我加了電壓傳感器，將每次的加壓示數(shù)顯示出來。 
最后，就讓我們來見證一下物理的魅力。                 （演示實(shí)驗(yàn)）      
課堂的結(jié)束并不是探索過程的結(jié)束，請(qǐng)同學(xué)們課后通過查詢資料或者向身邊的內(nèi)行人請(qǐng)教，了解我們生活中都在哪些方面使用了哪些傳感器以及它們的工作原理。

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