高中物理必备知识点：传感器及其工作原理

高中物理必备知识点：传感器及其工作原理

第一节 传感器及其工作原理 1 课时 新授课 教学目标 1．知识与技能 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； 认识一些制作传感器的元器件，知道这些传感器的工作原理。 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[来源:学*科*网 Z*X*X*K] 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。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 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。 教学手段 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 教师：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。 教师提问：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。 教师介绍：数字化信息系统实验室（Digital Information System Laboratory，简 称：DISLab） 就是由“传感器+数据采集器+实验软件包+计算机”构成的新型实验系统。该 系统成功克服了传统物理实验仪器的诸多弊端，有力地支持了信息技术与物理教 学的全面整合，在实验上收到了许多意想不到的成功。 投影展示： [来源:Z+xx+k.Com] 图 3 DISLab 系统构成 演示实验 3：通过朗威 DISLab 数据采集器、位移传感器来观察简谐振动图象。 图 4 弹簧振子实验装置图 图 5 弹簧振子振动图线 2、认识一些制作传感器的元器件 （1）光敏电阻 学生实验 1：学生两人一组，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。 学生总结实验结果：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。 教师简单介绍：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）热敏电阻和金属热电阻 教师提问：金属导体的导电性能与温度有关吗？关系如何？ 学生回答：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：学生两人一组，用万用电表的欧姆挡测一只热敏电阻的阻值。第 一次直接测量，第二次用手心捂住热敏电阻再测量，记录两次测得的电阻值。 学生探究：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。 演示实验 5：利用朗威 DISLab 数据采集器、霍尔元件观察通电螺线管内部磁 感应强度的大小分布规律。[来源:学+科+网 Z+X+X+K] 图 8 磁感应强度测定的实验装置图 图 9 磁感应强度分布图线 三、小结 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…… 四、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。 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。[来源: 学科网] 板书设计 传感器及其工作原理[来源:学科网 ZXXK] 一、传感器 二、元器件 1、光敏电阻 2、热敏电阻和金属热电阻 3、霍尔元件