物理选修31 传感器及其工作原理教案

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第六章　传感器eq \o(\s\up7(),\s\do5(全章教学设计))全章教学内容分析　随着科学技术的发展，传感器的应用越来越普及。传感器技术是当今世界一项令人瞩目的迅猛发展起来的高新技术之一。这部分内容也是课程标准中“在课程内容上体现时代性”的一个标志。传感器的种类很多，教材中介绍的是一些工作原理和使用方法比较简单的常见传感器，主要目的是使学生对传感器知识有一个初步的了解，体会物理知识在技术中的应用。本章内容可分为三个单元，第一单元为第1节，介绍传感器及其工作原理；第二单元包括第2、3节，介绍常见传感器的应用；第三单元为第4节，是常见传感器的应用实验研究。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，就其中的一种从工作原理、技术意义、经济效益等方面进行分析。(2)利用传感器制作简单的自动控制装置。知识板块及知识结构传感器原理→传感器应用→传感器实验。知识结构图　　　　教学目标　　　　　1．知识与技能(1)知道非电学量转换成电学量的技术意义。知道在现代信息技术与自动控制中为什么要将非电学量转换成电学量。(2)通过具体事例，了解电学量便于控制、便于处理(放大、衰减和波形整理等)、便于显示和储存，也便于远距离传输等技术方面的优点。(3)知道常见传感器的工作原理。知道传感器是由敏感元件、电子线路与控制电路等组成的。2．过程与方法(1)用热敏电阻、光敏电阻、驻极体话筒等常用元器件做实验，了解传感器是怎样把非电学量转换成电学量的。(2)通过对实际传感器工作原理的分析，了解传感器是怎样应用到技术中，实现信息采集或自动控制的。(3)结合生活实际，在课外或家庭活动中设计组装简单的自动控制装置。(4)通过调查、上网或从图书馆查阅相关资料，列举传感器的应用实例。(5)根据设计与制作的需要，通过多种方式学习与拓展相关的知识和技能。3．情感、态度与价值观(1)在探究传感器工作原理的活动中拓展思维方式，增强创新意识。(2)与同学或家庭其他成员合作设计简单的自动控制装置，明确角色意识，体验合作的重要意义。(3)通过收集传感器的应用实例，体会传感器技术与生产生活的息息相关性。(4)对传感器技术、经济效益进行调查分析，关注物理与生活、技术及社会发展的紧密联系，体会“物理—技术—社会”的STS思想。学情分析　　　　　我们身边的传感器很多，引导学生从物理学角度认识身边的传感器，容易引起学生的浓厚兴趣，同时，很多创新设计或头脑奥林匹克竞赛都涉及传感器的应用，充分利用这些有利条件，可以对学生的长远发展产生深远的影响。教学要求与建议　　1．突出体现传感器与科学、技术、社会的关系。传感器已经广泛地应用到现代的生产和生活的诸多方面，成为进行测量和控制不可缺少的元件；传感器的应用在促进现代社会的发展中起了重要的作用；传感器技术中所包含的物理原理，可以使学生对科学与技术的关系有更全面和深入的体会。2．理论联系实际，培养分析具体事物的能力，学习制作控制电路的技能。以传感器的原理和使用为主线，让学生综合运用物理知识来认识它们的工作原理，培养学生认识和分析实际问题的能力。3．以点带动，全面开花。老师一般对本章相关知识不太熟悉，教学中可以选取一两个具体实例深入研究，带动学生领会研究方法，探索相关结论，让学生经历一两个实例的突破过程，树立自信心，然后放手让学生研究其余内容，形成兴趣浓厚、没有负担的氛围。课时分配建议　　　1　传感器及其工作原理eq \o(\s\up7(),\s\do5(整体设计))教学分析　　　　　本节以传感器的功能与原理为主线，让学生综合运用已经学过的或将要学到的物理知识来认识传感器的工作原理。这是本章第一节内容，侧重点在让学生了解传感器，认识其工作原理，知道有哪些重要的传感器元件，同时还要给学生以学习方法的指导，通过探究性学习和合作学习来学习新知识。传感器在现代生活中已经被广泛应用，是测量和控制电路中不可缺少的元器件。传感器的设计和使用中涉及相当多的物理学知识，将力学、电磁学的知识与传感器的设计、应用紧密联系，是物理教学中一项重要任务和内容，也是新课改中心思想的重要体现。传感器及其工作原理这一节内容要求学生能通过观察一些现象和常见的事例，初步形成传感器的概念，并介绍三种制作传感器所使用的敏感元件，运用以前学习过的物理知识了解它们的工作原理，从而为了解传感器的应用打下良好的基础。为了增加学生的技术知识和常识，提高应用知识以及进行电器复杂设计的能力，学好本节知识是非常必要的。教学设计　　　　　教学原则：学生主体，教师主导。以学生自主活动为主，以探究为原则。问题教学模式：一、是什么？通过出示大量的传感器应用及实例让学生了解传感器是什么。二、为什么？通过对传感器元件原理及功能的学习知道传感器为什么会起到转换物理量的作用。三、怎么用？通过学习让学生知道基本的应用，并加以简单的设计，以提高其知识应用的能力。由以上教学原则和教学模式出发，本节课设计了四个阶段：第一阶段：采用实例、实验引入新课。第二阶段：传感器原理认识。第三阶段：学生讨论电容式位移传感器的作用和原理。第四阶段：学以致用。教学目标　　　　　(1)通过实验及生活中的实例获得对传感器的感性认识。(2)知道干簧管、光敏电阻、热敏电阻、金属热电阻的特性和工作原理。(3)知道什么是传感器，它的作用、类别、目的。教学重点　　　　　传感器的概念，光敏电阻、热敏电阻的特性，热敏电阻、金属热电阻的特性差异。教学难点　　　　　传感器的工作原理。教学方法　　　　　探究式教学法：具体实例引导→感知传感器→传感器元件特性探究→引导学生观察→功能总结→尝试应用。问题解决教学模式：一、是什么？二、为什么？三、怎么用？使学生在获得知识的同时，能够掌握方法，提升能力。教具准备　　　　　声控光控灯泡1支，干簧管2只，光敏电阻、热敏电阻各30只，多用电表30只，火柴及香头。eq \o(\s\up7(),\s\do5(教学过程))导入新课　　　　　[事件1]教学任务：创设情景，导入新课师生活动：教师出示图片或播放视频：2010年1月17日零时12分，我国在西昌卫星发射中心用“长征三号丙”运载火箭，将第三颗“北斗”导航卫星成功送入预定轨道。介绍当卫星在宇宙中绕地球飞行过程中，人们可以在遥远的地面对它的运行姿态进行控制和调整。可见人们不必直接接触它就可以控制它，要想知道这其中的自动控制的原理就要学习一些有关传感器的知识。推进新课　　　　　[事件2]教学任务：认识身边的传感器，总结传感器概念。活动设计：由几个传感器的作用演示引起学生们的注意，去感受传感器的神奇。实验一、一盏常见的楼梯灯，它可以在光线昏暗的时候自动点亮。在正常光照条件下，接通电源，但灯泡并没有亮。当用一块黑色的胶布挡住灯座的光电传感器，灯泡就被点亮。实验二、通过声控开关点亮灯泡。灯泡过一会儿就熄灭，此时，拍一下巴掌，灯泡又被点亮。学生观察，描述现象：在这两个实验中，光照条件和声音都可以充当电路的开关。猜想：上述控制系统的转换方式？学生讨论、质疑、总结。结论：光控开关，将光照强弱转变为电阻的变化，从而控制电路。声控开关是利用声音的变化在传感器上产生的压力变化，将力的变化转变为电流的变化，从而控制电路。实验三、动画演示干簧管演示实验：现象：如图，小盒子的侧面露出一个小灯泡，盒外没有开关，但是把磁铁放到盒子上面，灯泡就会发光，把磁铁移走，灯泡熄灭。教师：盒子里有怎样的装置，才能实现这样的控制？教师提出要求，学生自由讨论猜想其控制原理。师生共同探究：打开盒子，用实物投影仪展示盒内的电路图，了解元件“干簧管”的结构。探明原因：玻璃管内封入两个软磁性材料制成的簧片。当磁铁靠近干簧管时，两个簧片被磁化而接通，电路导通。所以，干簧管能起到开关的作用。教师引申：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。解释：干簧管通过感受磁场的变化，达到通断电路的作用，工作原理是簧片被磁场磁化而相吸，使电路接通。[事件3]教学任务：总结传感器概念。活动设计：教师引导学生发现身边的实例。提问：你能列举出生活中与此相类似的自动控制的实例吗？教师做实例补充：(1)当冰箱内的温度高于设定值时，制冷系统自动启动，而当温度低于设定值时，制冷系统又会自动停止。冰箱的控制，是通过温度传感器实现的。(2)楼道的电灯，晚上有人经过楼道时，开关自动接通，灯就亮；而白天不管是否有人经过，开关都是断开的，灯总是不亮，这种开关用的就是声光传感器。(3)为了防止火灾的发生，在宾馆房间的天花板上大多有一个小盒子，当房间失火时它能感知出现的烟雾，通过电路发出警报，这个小盒子就是烟雾传感器。(4)其他如宾馆洗手间的墙壁上干手机的湿度传感器、电视机里换频道的红外传感器、电饭锅的温控开关、养鸡场里的孵化器、交警用来测驾驶员是否酒后开车的酒精气体测试仪、磁悬浮列车里的加速度测试器、电容式话筒里的电容式传感器、自动洗衣机里的压力传感器等。可以说，传感器的广泛使用，丰富了我们的生活，使我们的生活更加方便、安全和舒适。教师引导：在以上这些实例中都用到了一种元件，它能够感受某些信息，通过它能实现电路的自动控制，这种元件有一个专门的名称：传感器。那什么是传感器呢？活动设计：教师引导学生小结：学生总结传感器概念，其他同学不断补充和完善。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。展示传感器的定义：能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等非电学量并能将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。展示传感器实物照片：光敏电阻　　各种传感器[事件4]教学任务：通过实验认识传感器原理。活动设计：学生分组实验。实验指导：比较光敏电阻在不同光照条件下的电阻之不同。学生探究：两人一组，用万用电表(由投影仪投出表盘)的欧姆挡测量一只光敏电阻的阻值，实验分别在室内自然光的照射下和用手掌遮光时进行。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。教师讲解工作原理：光敏电阻在光照射下电阻变化的原因。光敏电阻是由硫化镉制成的，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，导电性能变好。热敏电阻随温度的升高电阻减小。[事件5]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：(1)半导体热敏电阻可以用作温度传感器。(2)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。典型材料：金属铂(白金)。学生活动：如图是两种不同材料的传感器电阻随温度变化的图象，1为金属导线；2为热敏电阻。请同学们说出它们的特征。教师总结：金属热电阻阻值随温度升高阻值变大，热敏电阻一般随温度升高阻值变小。[事件6]教学任务：通过阅读材料的理论推导，探究传感器原理。师生活动：活动设计：学生结合实验结论，阅读教材中提供的材料，完成表格的填写，再与组内同学一起交流表格填写的内容。教师通过PPT给出详细的表格填写内容，并指导学生改进自己所填内容中的不完善的地方。[事件7]活动设计：教师：1879年美国物理学家霍尔观察到，在匀强磁场中放置一个矩形截面的载流导体，当磁场方向与电流方向垂直时，导体在与磁场、电流方向都垂直的方向上出现了电势差。人们把这样的现象称为霍尔效应，所产生的电势差叫霍尔电压。人们利用霍尔效应做成了霍尔元件。如图，霍尔元件是在一个很小的矩形半导体(例如砷化铟)薄片上，若在霍尔元件中通入恒定的电流I(如图)，同时外加与薄片垂直的匀强磁场B(如图)，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UH。这个电压叫霍尔电压，其决定式为UH＝keq \f(IB,d)。式中d为薄片的厚度，k为霍尔系数，它的大小与薄片的材料有关。师生共同分析：由上式看，一个霍尔元件的厚度d、k为定值，若保持I恒定，则UH的变化就与B成正比。也就是说：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。因此，我们可以把霍尔元件放置在某一未知的磁场中，通过测定霍尔电压U的变化得知该磁场磁感应强度的变化。学生活动：请同学们用前面学习过的磁场的知识推导霍尔元件的电压与磁感应强度的关系，并交流推导经验。教师给出参考推导过程：已知：假设霍尔元件中形成电流的是正电荷，霍尔元件厚度为d，宽度为l，通入的电流为I，单位体积内正电荷的个数为n，正电荷的带电量为q。qBv＝qE＝qeq \f(U,l)I＝nqSv∴v＝eq \f(I,nqs)＝eq \f(I,nqld)qBeq \f(I,nqld)＝qeq \f(U,l)U＝eq \f(BI,nqd)＝eq \f(1,nq)·eq \f(BI,d)＝keq \f(BI,d)式中的d为薄片的宽度，k为霍尔系数，它的大小与制作材料有关。由式子可以看出如果保证k、d、I恒定，则霍尔电压U的变化就与B成正比。活动设计：动画演示霍尔元件工作原理，学生观察体会。[事件8]教学任务：学生讨论电容器式传感器的作用和原理。师生活动：演示两个电容式的传感器工作原理动画，引导学生总结它们的功能及相应的原理。操作：通过拖动按钮，使得电介质进入两平行板电极的位移发生变化，显示电容变化。操作：通过拖动按钮，使可动电极产生形变，使极板间的距离d发生变化，从而引起电容的变化。活动设计：组织学生分组讨论并填写下面表格：课堂巩固与反馈　　　　　[事件9]设计方案：要求将电容式位移传感器电容的变化，用电学量呈现出来。学生活动：学生小组讨论并给出解决方案。学生可能的方案：如图1所示：由于电容器直流电路是断路，电路的电流为零，而电压表是利用电流通过内阻产生电压的原理来工作的，所以没有电流的情况下，电压表是没有示数的。故这种办法不可行。图1教师示例方案：在学习电容器的时候，我们用静电计来测量电容器的电压，所以应该用图2的装置来完成，电容器的电容变化，反映在两极板间的电压变化上，是通过静电计的指针偏转来反映的。图2[事件10]教学任务：形成性测试，学生独立完成。1．简单地说，光敏电阻就是一个简单的传感器，热敏电阻就是一个简单的传感器。2．为解决楼道的照明，在楼道内安装一个传感器与电灯控制电路相接。当楼道内有走动而发出声响时，电灯即与电源接通而发光，这种传感器为传感器，它输入的是信号，经传感器转换后，输出的是信号。3．如图所示，是一个测定液面高度的传感器，在导线芯的外面涂上一层绝缘物质，放在导电液体中，导线芯和导电液体构成电容器的两极，把这两极接入外电路中，当外电路的电流显示电容值增大时，则导电液体的深度h变化为(　　) A．h增大B．h减小C．h不变D．无法确定4．如图所示，R1为定值电阻，R2为热敏电阻，L为小灯泡，当温度降低时(　　) A．R1两端的电压增大B．电流表的示数增大C．小灯泡的亮度变强D．小灯泡的亮度变弱第5题5．如图所示，为一种测定角度的传感器，当彼此绝缘的金属板构成的动片与定片之间的角度θ发生变化时，试分析传感器是如何将它的这种变化转化为电学量的。参考答案：1．光电　热电　2.声电　声音　电　3.A　4.C　5.角度增大，正对面积减小，电容器电容变小[事件11]课堂小结　　　　　教学任务：引导学生从以下三个方面小结本节课的学习活动。1．本节课我学到了什么？2．我的收获是什么？3．我还有什么疑问？eq \o(\s\up7(),\s\do5(设计说明))学生对传感器的知识很感兴趣，但由于高中物理中与具体的工业设计和控制方面的知识结合的不多，所以在教学的过程中应通过尽量多的实物、图片、动画等途径多方面增加学生的感性认识，提高学生的学习兴趣，增加学生的求知欲，并引导学生进行主动探究。课程设计上，运用问题解决模式，以学生的感性认识作为出发点，在教师所提出的逐个循序渐进的问题的引导下，学生自主展开探究。只有这样才能让学生成为学习的主体，而教师的主导作用也能充分发挥。本节课的设计上，充分应用多媒体手段，充分发挥动画演示的功能，让学生通过动画了解电容式传感器的功能与原理。本节课设计几个学生的讨论环节，目的在于让学生在交流中学习，让别人的智慧启发自己，从而进行有效的合作学习。同时，增加“学以致用”环节，让学生利用自己已经学习过的知识，结合新学习的知识来解决问题。这一环节在这种实践性很强的知识学习过程中是非常必要，也是非常重要的。eq \o(\s\up7(),\s\do5(备课资料))一、压力传感器通过压力传感器，可以把探知物体的运动状态的问题转换为测量力的问题，只要测得所受的力，就可以探知其运动状态。1将金属块m用压缩的轻弹簧卡在一个矩形的箱中，如图所示，在箱的上顶板和下底板装有压力传感器，箱可以沿竖直轨道运动。当箱以a＝2.0 m/s2的加速度竖直向上做匀减速运动时，上顶板的压力传感器显示的压力为6.0 N，下底板的压力传感器显示的压力为10.0 N。(取g＝10 m/s2) (1)若上顶板压力传感器的示数是下底板压力传感器的示数的一半，试判断箱的运动情况。(2)要使上顶板压力传感器的示数为零，箱沿竖直方向运动的情况可能是怎样的？解析：(1)当箱子以a＝2.0 m/s2的加速度竖直向上做匀减速运动时，金属块进行受力分析可得：mg＋FN－F＝ma…①　代入数值得m＝0.50 kg。当上顶板压力传感器的示数是下底板压力传感器的示数的一半时，对金属块受力分析应用牛顿第二定律可得mg＋eq \f(1,2)F－F＝ma1，可解得a1＝0，箱子处于静止或匀速直线运动状态。(2)当上顶板压力传感器的示数为零时，FN＝0，由牛顿第二定律得mg－F＝ma2…②　解得a2＝－10 m/s2，负号表示a方向向上。若箱和金属块的加速度a>10 m/s2时，进一步压缩弹簧，此时传感器示数也为0，因此，只要a≥10 m/s2，均能使上顶板压力传感器的示数为零。所以箱子可能做a≥10 m/s2的竖直向上的匀加速直线运动或自由落体运动。二、电容式传感器如果某一物理量(如角度、位移、深度等)的变化会引起电容器极板正对面积S、两板间的距离d以及极板间的电介质等物理量的变化，从而引起电容的变化，那么，通过测定电容器的电容就可以确定上述物理量的变化，作这种用途的传感器称为电容式传感器。2如图是一种测定液面高度的电容式传感器的示意图，金属芯线与导电液体形成一个电容器，从指示器显示的电容C大小的变化就能反映液面的升降情况。两者的关系是(　　) ①C增大表示h增大；②C增大表示h减小；③C减小表示h减小；④C减小表示h增大。A．①② B．①③C．①④ D．②④解析：电容器的电容C决定于极板正对面积S、极板间距离d以及极板间的电介质这几个因素。如果某一物理量的变化能引起上述某个因素的变化，从而引起电容的变化，那么，通过测定电容器的电容就可以确定上述物理量的变化。在此题中，当液面高度h发生变化时，将导致接触面积的变化时，液面上升，接触面积增大，电容增大；液面下降，接触面积减小，电容减小。因而本题选择B。答案：B3如图所示是一种测定压力的电容式传感器，当待测压力F作用于可动膜片电极上时，可使膜片产生形变，引起电容的变化，将电容器、灵敏电流计和电源串接成闭合电路，那么(　　) A．当F向上压膜片电极时，电容将减小B．当F向上压膜片电极时，电容将增大C．若电流计有示数，则压力F发生变化D．若电流计有示数，则压力F不发生变化解析：当待测压力F作用于可动膜片电极上时，可使膜片产生形变，使极板间的距离d发生变化，从而引起电容的变化。因为d减小，C增大，若电流表有示数，表明电容器正在充放电，电容正在发生变化。从以上分析可得正确答案为B、C。答案：BC三、光电传感器4激光液面控制仪的原理是固定的一束激光AO以入射角i照射到液面上，反射光OB射到水平的光屏上，屏上用光电管将光信号转变成电信号，电信号输入控制系统用以控制液面高度，如图1所示如果发现光点B在屏上向右移动了d的距离到C，由此可知：图1图2A．液面降低了(d cot i)/2B．液面降低了(d cot 2i)/2C．液面降低了(d tg i)/2D．液面降低了(d tg 2i)/2解析：由分析图2可知，当液面下降时，可使反射点从B移到C。从图中可知，O′C∥OB，所以液面下降的高度为(d cot i)/2。答案：A四、力电传感器5某学生为了测量一物体的质量，找到一个力电转换器，该转换器的输出电压正比于受压面的压力(比例系数为k)，如图所示。测量时先调节输入端的电压，使转换器空载时的输出电压为零，而后在其受压面上放一物体，即可测得与物体的质量成正比的输出电压U。现有下列器材：1个力电转换器，1个质量为m0的砝码，1块电压表，1个滑动变阻器，1节干电池，开关及导线若干，1个待测物体(可置于力电转换器的受压面上)。请完成对该物体质量的测量。(1)设计一个电路，要求力电转换器的输入电压可调，并且使电压的调节范围尽可能大，在图中画出完整的测量电路图。(2)简要说明测量步骤，求出比例系数k，并测出待测物体的质量m。(3)请设想实验中可能会出现的一个问题。解析：这是一道设计型实验题，属开放型题最重要的一种。力电转换器是学生没有用过的新仪器，能不能在试题所提供的各种信息中抓住最关键的有用信息，对学生的处理信息能力提出了较高要求。(1)根据“可测得与物体的质量成正比的输出电压U”可知：输出端应接电压表。又根据“为了使输入电路的电压调节范围尽可能大”可知：必须用滑动变阻器组成如图所示的分压电路。(2)测量步骤与结果：①调节滑动变阻器，使转换器的输出电压为零；②将质量为m0的砝码放在转换器上，记下输出电压U0；③将待测物体放在转换器上，记下输出电压U，则U0＝km0g，U＝kmg，得k＝eq \f(U0,m0g)，所以m＝eq \f(U,U0)·m0。(3)该实验中可能会出现的问题有：①因电源电压小而输出电压调不到零；②待测物体的质量超出转换器量程。1　传感器及其工作原理2课时2　传感器的应用(一)2课时3　传感器的应用(二)1课时4　传感器的应用实验2课时电容式传感器输入(感受)的物理量输出的物理量可能的工作原理电介质的位移电容的变化电介质相对极板的位移，使电容器对应的介电常数发生变化，从而引起电容的变化作用在可动电极上的压力电容的变化压力可使膜片产生形变，使极板间的距离d发生变化，从而引起电容的变化