高中物理《传感器及其工作原理》教案10 新人教版选修32.docx
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高中物理《传感器及其工作原理》教案10 新人教版选修32.docx
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高中物理《传感器及其工作原理》教案10新人教版选修32
2019-2020年高中物理《传感器及其工作原理》教案10新人教版选修3-2
全章概述
在日常生活中我们可能有这样的经历:
当走近自动门时,门会自动打开;电梯关门,当两门靠拢到接触人体时,门又会重新自动打开…….这是由于传感器在起作用,传感器是自动化控制装置中必不可少的器件,在信息技术高速发展的今天,传感器发挥着越来越重要的作用。
本章知识与我们的生活息息相关,在学习过程中,记要熟记各种敏感元件的特性,又要结合实例,认真体会传感器在实际中的应用,努力培养自己理论联系实际的能力和动手能力;同时应注意观察身边的与传感器有关的例子,并通过查资料或上网了解他们的工作原理,培养自己的观察能力和自学能力。
新课标要求
1.内容标准
(1)知道非电学量转换成电学量的技术意义。
(2)通过实验,知道常见传感器的工作原理。
例1通过实验认识温度传感器将温度信号转变为电信号的作用。
(3)列举传感器在生活和生产中的应用。
例2了解光敏传感器及其在日常生活中的应用。
2.活动建议
(1)调查日常生活中传感器的应用,对其中一种的工作原理、技术意义、经济效益进行分析。
(2)利用传感器制作简单的自动控制装置。
新课程学习
6.1传感器及其工作原理
★新课标要求
(一)知识与技能
1.知道什么是传感器。
2.了解光敏电阻、热敏电阻、霍尔元件的工作原理。
3.会使用霍尔电压公式。
(二)过程与方法
通过实验,知道常见传感器的工作原理。
(三)情感、态度与价值观
通过已有知识在传感器中的应用激发科学探究的兴趣。
★教学重点
认识各种常见的传感器;了解光敏电阻、热敏电阻、霍尔元件的工作原理。
★教学难点
光敏电阻、热敏电阻、霍尔元件的工作原理。
★教学方法
实验法、观察法、归纳法。
★教学工具
磁铁、干簧管、各种常见传感器、光敏电阻、热敏电阻、霍尔元件、多用电表、热水、冷水、台灯、投影仪等
★教学过程
(一)引入新课
师:
引导学生看教材55页“勇气号”火星探测器的彩色照片;列举生活中的一些自动控制实例,如遥控器控制电视开关、日光控制路灯的开关、声音强弱控制走廊照明灯开关等,激发学生学习兴趣,引出课题。
生:
列举自己知道的自动控制的其他实例。
如当走近自动门时,门会自动打开;电梯关门,当两门靠拢到接触人体时,门又会重新自动打开等等。
[板书课题]传感器及其工作原理
(二)进行新课
1、什么是传感器
师:
演示实验:
生:
观察实验现象。
激发学习兴趣。
师:
揭示实验“奥秘”:
盒子里用到了一种称为“干簧管”的元件。
介绍干簧管的构造和工作原理,干簧管是一种能够感知磁场的传感器。
师:
引导学生阅读教材2、3段,思考问题:
(1)什么是传感器?
(2)传感器的作用是什么?
生:
阅读教材,思考并回答问题。
(1)传感器是指这样一类元件:
它能够感知诸如力、温度、光、声、化学成分等非电学量,并把它们按照一定的规律转化成电压、电流等电学量,或转化为电路的通断。
(2)传感器的作用是把非电学量转化为电学量或电路的通断,从而实现很方便地测量、传输、处理和控制。
师:
出示几种常见的传感器,增加学生的感性认识。
为了制作传感器,常常需要一些元器件,下面看几个实例:
2.光敏电阻
师:
介绍光敏电阻的外形和构造。
如图6.1-4。
师:
实验:
生:
做实验,观察实验现象。
现象:
光敏电阻在被光照射时电阻发生明显变化。
普通电阻则不会发生变化。
师:
引导学生阅读教材57页的内容,思考问题:
(1)光敏电阻的电阻率与什么有关?
(2)光敏电阻受到光照时会发生什么变化?
怎样解释?
(3)光敏电阻能够将什么量转化为什么量?
生:
阅读教材,思考并回答问题。
(1)光敏电阻的电阻率与光照强度有关。
(2)光敏电阻受到光照时电阻会变小。
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;随着光照增强,载流子增多,导电性能变好。
(3)光敏电阻能够将光学量转化为电阻这个电学量。
3.热敏电阻和金属热电阻
师:
引导学生阅读教材58页有关内容,思考问题:
(1)金属导体与半导体材料的导电性能与温度的变化关系是否相同?
(2)热敏电阻和金属热电阻各有哪些优缺点?
(3)热敏电阻和金属热电阻能够将什么量转化为什么量?
生:
阅读教材,思考并回答问题。
(1)金属导体与半导体材料的导电性能与温度的变化关系不相同。
金属导体的导电性能随温度升高而降低;半导体材料的导电性能随温度升高而变好。
(2)热敏电阻灵敏度高,但化学稳定性较差,测量范围较小;金属热电阻的化学稳定性较好,测量范围较大,但灵敏度交差。
(3)热敏电阻或金属热电阻能够将热学量转化为电阻这个电学量。
师:
实验:
生:
做实验,观察实验现象。
现象:
热敏电阻随着温度的升高电阻发生明显变化。
温度越高,电阻值越小。
师:
引导学生看教材59页“说一说”栏目中的内容。
生:
对这个问题产生浓厚的兴趣,讨论热烈。
提示:
给电容器带上一定的电荷,然后用静电计来检测两板间电势差的变化,即可判断电容的变化。
师:
总结学生的回答,指出:
电容式传感器能够把位移这个力学量转化为电容这个电学量。
4.霍尔元件
师:
引导学生阅读教材关于霍尔元件的内容。
推导霍尔电压的公式。
生:
阅读教材并推导霍尔电压的公式。
师:
巡回指导,了解情况。
生:
推导过程:
设载流子的电荷量为q,沿电流方向定向运动的平均速率为v,单位体积内自由移动的载流子数为n,垂直电流方向导体板的横向宽度为a,则电流的微观表达式为
①
载流子在磁场中受到的洛伦兹力
载流子在洛伦兹力作用下侧移,两个侧面出现电势差,载流子受到的电场力为
当达到稳定状态时,洛伦兹力与电场力平衡,即②
由①②式得③
式中的nq与导体的材料有关,对于确定的导体,nq是常数。
令,则上式可写为
④
师:
总结点评学生的推导过程,指出:
一个确定的霍尔元件的d、k、为定值,再保持I不变,则UH的变化就与B成正比。
这样,霍尔元件能够把磁感应强度这个磁学量转化为电压这个电学量。
(三)课堂总结、点评
本节课主要学习了以下几个问题:
1.制作传感器需要的敏感元件光敏电阻、热敏电阻与金属热电阻、霍尔元件等。
2.光敏电阻的阻值随光的强度增大而减小。
光敏电阻将光学量转化为电阻这个电学量。
3.热敏电阻的阻值随温度的升高不一定减小。
有的热敏电阻阻值会随温度的升高而增大。
热敏电阻或金属热电阻将温度这个热学量转化为电阻这个电学量。
4.霍尔元件的霍尔电压公式为,霍尔元件把磁感应强度这个磁学量转化为电压这个电学量。
5.电容式传感器能够把位移这个力学量转化为电容这个电学量。
(四)实例探究
☆光敏电阻及其应用
【例1】如图所示为光敏电阻自动计数器的示意图,其中R1为光敏电阻,R2为定值电阻.此光电计数器的基本工作原理是()
A.当有光照射R1时,信号处理系统获得高电压
B.当有光照射R1时,信号处理系统获得低电压
C.信号处理系统每获得一次低电压就记数一次
D.信号处理系统每获得一次高电压就记数一次
解析:
1.光敏电阻在被光照射时电阻发生变化,这样光敏电阻可以把光照强弱转换为电阻大小这个电学量;
2.光敏电阻的电阻随光照的增强而减小.
3.光电计数器工作原理
当有物体挡住射到光敏电阻R1的光照时,R1电阻增大,电路中电流减小,R2两端电压降低,信号处理系统得到低电压,计数器每由高电压转到低电压,就计一个数,从而达到自动计数目的.
答案:
AC
点评:
光敏电阻一般由半导体材料做成,当半导体材料受到光照或者温度升高时,会有更多的电子获得能量成为自由电子,同时也形成更多的空穴,于是导电性能明显增强.
☆热敏电阻及其应用
【例2】有定值电阻、热敏电阻、光敏电阻三只元件,将这三只元件分别接入如图所示电路中的A、B两点后,用黑纸包住元件或者把元件置入热水中,观察欧姆表的示数,下列说法中正确的是()
A.置入热水中与不置入热水中相比,欧姆表示数变化较大,这只元件一定是热敏电阻
B.置入热水中与不置入热水中相比,欧姆表示数不变化,这只元件一定是定值电阻
C.用黑纸包住元件与不用黑纸包住元件相比,欧姆表示数变化较大,这只元件一定是光敏电阻
D.用黑纸包住元件与不用黑纸包住元件相比,欧姆表示数相同,这只元件一定是定值电阻
解析:
热敏电阻的阻值随温度变化而变化,定值电阻和光敏电阻不随温度变化;光敏电阻的阻值随光照变化而变化,定值电阻和热敏电阻不随之变化.
☆霍尔元件及其应用
【例3】如图所示,有电流I流过长方体金属块,金属块宽度为d,高为b,有一磁感应强度为B的匀强磁场垂直于纸面向里,金属块单位体积内的自由电子数为n,试问金属块上、下表面哪面电势高?
电势差是多少?
(此题描述的是著名的霍尔效应现象)
分析:
当电流在导体中流动时,运动电荷在洛伦兹力作用下,分别向导体上、下表面聚集,在导体中形成电场,其中上表面带负电,电势低,随着正、负电荷不断向下、上表面积累,电场增强,当运动电荷所受电场力与洛伦兹力平衡时,即qE=qvB时,电荷将不再向上或向下偏转,上、下表面间形成稳定电压.
解:
因为自由电荷为电子,故由左手定则可判定电子向上偏,则上表面聚集负电荷,下表面带多余等量的正电荷,故下表面电势高,设其稳定电压为U,即
又因为导体中的电流
故
点评:
(1)判断电势高低时注意载流子是正电荷还是负电荷.
(2)由以上计算得上、下两表面间的电压稳定时,其中n为单位体积内的自由电荷数,e为电子电荷量,对固定的材料而言为定值,若令,则,此即课本给出的公式。
★课余作业
1、课下阅读“科学漫步”了解有关半导体的导电机理。
2、思考并回答“问题与练习”第1、2题。
★教学体会
思维方法是解决问题的灵魂,是物理教学的根本;亲自实践参与知识的发现过程是培养学生能力的关键,离开了思维方法和实践活动,物理教学就成了无源之水、无本之木。
学生素质的培养就成了镜中花,水中月。
★课本“问题与练习”解答
1.甲图中在线圈4上串联电源和电流表.乙图中在线圈3上串联电源和电流表.甲中当待测物体位移变化时,2、3间的空气间隙变化,线圈4的电感值发生变化。
这一变化量通过转换电路测量电路输出电流,就反映出被测物体位移的变化量.
乙图中被测物体位移变化,带动软铁芯2在线圈中移动,线圈的电感值将变化,这一变化通过转换电路和检测电路输出电流,就得到了被测物体位移的变化。
2.
传感器名称
输入(感受)的物理量或化学量
输出的物理量
可能的工作原理
气体压强传感器
压强
电压(电流)
力电转换
硅光电池
光
电压
光电效应
光电二极管
光
电压
光电效应
湿敏电阻
湿
电压(电阻)
感湿材料受湿电阻变化
话筒
声音
电流
电磁感应
加速度传感器
加速度
电压
电磁感应
测速发电机
速度
电流(电压)
电磁感应
热电偶
温度
电压
热电效应
酒精气体传感器
酒精气体
电阻
化学反应后引起电阻变化
2019-2020年高中物理《传感器及其工作原理》教案11新人教版选修3-2
【教学目标】
1.知识与技能:
(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。
2.过程与方法:
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。
3.情感、态度与价值观
(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。
【教学重点】:
理解并掌握传感器的三种常见敏感元件的工作原理。
【教学难点】:
分析并设计传感器的应用电路。
【教学方法】:
实验、探究、讨论
【教学用具】:
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。
【教学过程】
一、引入新课
准备知识:
从上世纪八十年代起,国际上出现了“传感器热”,传感器在当今科技发展中有着十分重要的地位。
本课的设计思路是通过对实验的观察、思考和探究,了解什么是传感器,传感器是如何将非电学量转换成电学量的,传感器在生产、生活中有哪些具体应用,为学生利用传感器制作简单的自控装置作一铺垫。
教学时力避深奥的理论,侧重于联系实际,让学生感受传感器的巨大作用,进而提高学生的学习兴趣,培养学生热爱科学的情感和崇尚科学的精神。
今天我们生活中常用的电视、空调的遥控器是如何实现远距离操纵的?
楼梯上的电灯如何能人来就开,人走就熄的?
工业生产中所用的自动报警器、恒温烘箱是如何工作的?
“非典”病毒肆虐华夏大地时,机场、车站、港口又是如何实现快速而准确的体温检测的?
所有这些,都离不开一个核心,那就是本堂课将要学习的传感器。
二、新课教学
1.什么是传感器
演示实验1:
如图1所示,小盒子的侧面露出一个小灯泡,盒外没有开关,当把磁铁放到盒子上面,灯泡就会发光,把磁铁移开,灯泡熄灭。
提问:
盒子里有怎样的装置,才能实现这样的控制?
学生猜测:
盒子里有弹性铁质开关。
师生探究:
打开盒子,用实物投影仪展示盒内的电路图(图2),了解元件“干簧管”的结构。
探明原因:
当磁体靠近干簧管时,两个由软磁性材料制成的簧片因磁化而相互吸引,电路导通,干簧管起到了开关的作用。
教师点拨:
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:
教师出示一只音乐茶杯,茶杯平放桌上时,无声无息,提起茶杯,茶杯边播放悦耳的音乐,边闪烁着五彩的光芒。
教师提问:
音乐茶杯的工作开关又在哪里?
开启的条件是什么?
学生猜测:
在茶杯底部,所受压力发生改变。
实验探究:
提起茶杯,用手压杯的底部,音乐并没有停止。
学生猜测:
是由于光照强度的改变。
实验探究:
用书挡住底部(不与底部接触),音乐停止,可见音乐茶杯受光照强度的控制。
师生总结:
现代技术中,我们可以利用一些元件设计电路,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。
教师提问:
实验1中的干簧管是怎样的传感器,实验2音乐茶杯中所用的元件又是怎样的传感器?
学生回答:
干簧管是一个能感受磁场的传感器,音乐茶杯中所用的元件是能感受光照强度的传感器。
传感器的工作原理如下图所示:
欧姆表
2、认识一些制作传感器的元器件
(1)探究光敏电阻的特性
光敏电阻
学生实验1:
学生五人一组,用万用电表的欧姆挡测量一只光敏电阻的阻值,实验分别在暗环境和强光照射下进行。
①、将光敏电阻与万用表的欧姆档按右图所示连成电路
②、将光敏电阻受光面置于有光线照射的地方,观察万用表的读数,把光敏电阻的阻值填入现表中。
光敏电阻光照情况
较亮
稍暗
较暗
黑暗
光敏电阻的阻值(Ω)
③、用黑纸片将光敏电阻的透光窗口的遮住,移动黑纸片,使光敏电阻受到的光线出现较亮、稍暗、较暗、黑暗几种情况,观察几种情况下光敏电阻的阻值变化,并把相应的阻值填入下表。
④、结论:
光敏电阻在暗环境下电阻值很大,强光照射下电阻值很小。
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。
简单介绍:
光敏电阻在光照射下电阻变化的原因。
有些物质,例如硫化镉,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。
(2)探究金属热电阻和热敏电阻的特性
提问:
金属导体的导电性能与温度有关吗?
关系如何?
回答:
金属导体的电阻随温度的升高而增大,如白炽灯钨丝的电阻在正常工作情况下比常温下的电阻大得多。
演示实验4:
如图6所示,AB间接有一段钨丝(从旧日光灯管中取出),闭合开关,灯泡正常发光,当用打火机给钨丝加热时,灯泡亮度明显变暗。
学生探究:
钨丝的电阻随温度的升高而增大。
师生总结:
用金属丝可以制作温度传感器,称为热电阻。
如前面已经学过的用金属铂可制作精密的电阻温度计。
学生实验2:
学生五人一组,探究热敏电阻的阻值大小与温度的关系。
实验器材:
NTC热敏电阻,万用表,温度计,水杯,凉水和热水。
实验方案:
按照如图所示的电路将热敏电阻接入电路,将万用表选择开关置于欧姆档,用温度计测量温度,用万用表测量不同温度下的电阻。
实验步骤:
①、按上述电路连接电路
②、取半杯热水,将热敏电阻及温度计放入热水中
③、同时测量并记录水温和电阻值
④、倒入少许冷水,改变杯中的水温,在同时测量水温和电阻值,填入下表:
实验数据:
次数
1
2
3
4
5
温度(℃)
电阻(Ω)
实验结论:
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:
半导体热敏电阻也可以用作温度传感器。
师生总结比较:
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。
(3)霍尔元件
教师介绍:
霍尔元件是在一个很小的矩形半导体(例如砷化铟)薄片上,制作4个电极E、F、M、N而成(如图7所示)。
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U。
师生讨论:
霍尔元件的上的电压U与电流I、磁感应强度B的关系,设霍尔元件长为a,宽为b,厚为d,则当薄片中载流子达到稳定状态时,,即,又因,所以,即(为霍尔系数)。
因此,我们就可以根据电压U的变化得知磁感应强度的变化。
师生共析:
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。
【课堂总结】
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……
【布置作业】
1.观察与思考:
日常生活中哪些地方用到了传感器,它们分别属于哪种类型的传感器,它们的工作原理如何?
2.实验设计:
用热敏电阻、继电器等器材设计一个火警报警器。
3.P55,思考与练习2题完成填表。
【板书设计】
第一节:
传感器及其工作原理
1、传感器:
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的元件。
2、
传感器的优点:
把非电学量转换为电学量,很方便地进行测量、传输、处理和控制。
3、传感器的工作原理:
4、认识一些制作传感器的元器件
(1)、光敏电阻:
光敏电阻在暗环境下电阻值很大,强光照射下电阻值很小。
作用:
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。
(2)、热敏电阻:
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。
作用:
半导体热敏电阻也可以用作温度传感器。
(3)、霍尔元件:
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。
【教学反思】
本节课依据学生的认知规律组织教学,引入新课从生活实例入手,设置悬念,提出问题,激发学生兴趣,增强学生的求知欲;在进行“什么是传感器”的教学中注重实验探究,引导学生从两个实验的探究中加以归纳,并通过DISLab系统显示传感器的优越性,让学生了解把非电学量转化为电学量的技术意义;在对光敏电阻、热敏电阻和热电阻、霍尔元件这些制作传感器的元器件教学中,注重将教师演示实验与学生动手实验相结合,注重理论与实践相结合。
整个教学过程符合新课程的三维目标,体现新课程的理念,注意培养学生的自主、合作、探究能力,注意从生活走向物理,从物理走向生活,以此增进学生的学习能力和科学素养。
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- 传感器及其工作原理 高中物理传感器及其工作原理教案10 新人教版选修32 高中物理 传感器 及其 工作 原理 教案 10 新人 选修 32