1、傳感器及其工作原理【教學(xué)設(shè)計(jì)說明】本章的教學(xué)特點(diǎn)是定性研究一些原理，不做定量的計(jì)算。本節(jié)教學(xué)的關(guān)鍵是 多舉些例子和多做些實(shí)驗(yàn)，不要求展開。首先，通過觀察一些現(xiàn)象和常見的事例，了解什么是 傳感器，知道傳感器是如何將非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量的，初步形成傳感器的概念。然后，介 紹三種制作傳感器所使用的敏感元件，運(yùn)用以前學(xué)習(xí)的物理知識(shí)了解它們的工作原理。為傳感 器的應(yīng)用打下基礎(chǔ)。教學(xué)目標(biāo)（1）通過觀察一些現(xiàn)象和常見的事例，初步形成傳感器的概念，感受傳感技術(shù)在信息時(shí)代 的作用與意義。（2）介紹三種敏感元件：光敏電阻、熱敏電阻和霍爾元件，通過實(shí)驗(yàn)知道它們的性能，了 解它們的工作原理，感悟基礎(chǔ)知識(shí)學(xué)習(xí)和應(yīng)用的重

2、要性。（3）通過比較金屬熱電阻和熱敏電阻的r-t圖線，討論兩種材料制成的溫度傳感器在 使用功能上各有什么優(yōu)缺點(diǎn)，滲透?jìng)鞲衅鞯膽?yīng)用上也遵循具體問題具體分析的哲學(xué)思 想。（4）知道非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量的技術(shù)意義，進(jìn)一步拓展學(xué)生的思維，進(jìn)一步探討科技發(fā) 展給人類帶來的利弊。教學(xué)重點(diǎn)（1）知道非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量的技術(shù)意義；（2）通過實(shí)驗(yàn)，知道常見傳感器的工作原 理；教學(xué)難點(diǎn)傳感器的工作原理，傳感器的實(shí)際應(yīng)用?！窘虒W(xué)過程】（一）體驗(yàn)生活和技術(shù)的方法引入課題 背景：課前讓學(xué)生收集家庭 中所能找到的傳感器，初步了解它們的特點(diǎn)。如可以收集電飯煲、電熨斗、冰箱、各種遙控 器、手機(jī)等的說明書，閱讀說明并對(duì)它們的

3、使用及原理有一個(gè)初步的認(rèn)識(shí)。提出問題：今天我們生活中有哪些設(shè)備使用了傳感器？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？展示技術(shù)資料：飛機(jī)駕駛員在飛行時(shí)要知道“飛行狀態(tài)”的有關(guān)信息，包括飛行參 數(shù)：迎仰角、側(cè)滑角、空速、高度、氣溫、航向、角速度、加速度等；發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)：溫度、壓 力、壓差、流量、湍振、角位置、角位移、線位移、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、推力、金屬屑末、火焰等； 燃燒參數(shù)：溫度、壓力、油位、油量、密度、介電常數(shù)、流量、結(jié)冰狀態(tài)、煙霧等。航天飛機(jī)在執(zhí)行飛行任務(wù)時(shí)，約需

4、監(jiān)測(cè)3250個(gè)信號(hào)；試飛研究時(shí)約需監(jiān)測(cè)2750個(gè)緩 變信號(hào)，幾百個(gè)速變信號(hào)。這說明現(xiàn)代飛行器上需要監(jiān)測(cè)的參數(shù)多而且廣。其大致分為7大 類：飛行參數(shù)；導(dǎo)航參數(shù)；運(yùn)載火箭和飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)；座艙環(huán)境參數(shù)；航行員生理參數(shù)； 航行員生活用品供應(yīng)系統(tǒng)參數(shù)等；飛行器結(jié)構(gòu)參數(shù)。對(duì)這些參數(shù)，必須要通過相應(yīng)的傳感器進(jìn)行測(cè)量；也可以收集火星探測(cè)器的視頻，增強(qiáng)學(xué)生感性的認(rèn)識(shí)。通過學(xué)生事先的準(zhǔn) 備，可以讓他們有一個(gè)初步的體會(huì)，了解通過傳感器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)對(duì)象（被測(cè)目標(biāo)）的測(cè) 量，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行分析、反饋（監(jiān)控）、處理，從而掌握被測(cè)對(duì)象的運(yùn)行狀態(tài)與趨勢(shì)。提出問題：駕駛員是如何來獲得上述各種參數(shù)的信息呢？航天飛機(jī)、人造衛(wèi)

5、星或火星探測(cè) 器等在執(zhí)行任務(wù)時(shí)需要監(jiān)測(cè)許多信號(hào)，這些信號(hào)是如何獲得呢？展示技術(shù)資料：要獲取這些信息都需要用到傳感器。（-）新課教學(xué)1）什么是傳感器感知敏感元件和傳感器實(shí)驗(yàn)1：如圖6-1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。問題：盒子里有怎樣的裝置，才能實(shí)現(xiàn)這樣的控制？猜測(cè)：圖6-2探究：提起茶杯，用手壓盒子里有彈性鐵質(zhì)開關(guān)。探究：打開盒子，用實(shí)物投影儀展示盒內(nèi)的電路圖（圖6-2 ） , 了解“干簧管”元件的結(jié)構(gòu)。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。拓展：這個(gè)裝

6、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)。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。問題：音樂茶杯的工作開關(guān)在哪里？開啟的條件是什么？猜 測(cè)：在茶杯底部，所受壓力發(fā)生改變，或者是由于光照強(qiáng)度的改變。杯的底部，音樂并沒有停止。用書擋住底部（不與底部接觸）音樂停止?？梢娨魳凡璞芄庹?強(qiáng)度的控制。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。我們把這種設(shè)備元件叫做傳感器。它的

7、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。問題：實(shí)驗(yàn)1中的“干簧管”是怎樣的敏感元件？實(shí) 2中的音樂茶杯所用的元件又 驗(yàn)怎樣的敏感元件？（干簧管是一個(gè)能感受磁場(chǎng)的敏感元 是音樂茶杯中所用的元件是能 件，光照強(qiáng)度的敏感元件。）從生活中認(rèn)識(shí)敏感元件，體驗(yàn)傳感器的結(jié)構(gòu)模式背景：傳感器離我們并不遙遠(yuǎn)，隨著自動(dòng)控制系統(tǒng)的普及，傳感器已經(jīng)走進(jìn)了我們的生活。以家用光聲控延時(shí)開關(guān)為例，如圖6.3所示，樓道里的自控照明 路燈有哪些自動(dòng)控制功能？出示光聲控延時(shí)電燈演示板（自己制作光聲控延時(shí)電燈演示板，一般燈座的延時(shí)時(shí)間60s 左右，由于上課是在短時(shí)間內(nèi)演示,應(yīng)將延時(shí)時(shí)間縮短

8、到510s。縮 短延時(shí)時(shí)間的方法：可以在fl上并聯(lián)一個(gè)200k左右的電阻，估計(jì) 燈亮的時(shí)間5-6so但是要看具體電路情況，如果電容g較大，r2就 會(huì)更小些，并聯(lián)的電阻，應(yīng)為r2的十分之一可能合適。如電路圖6-4圖6-3所示）6-4光聲控延時(shí)開關(guān)電路圖演示：光聲控延時(shí)開關(guān)電路的功能在光照情況下，聲音不能控制電燈點(diǎn)亮。 關(guān)閉教室內(nèi)的光源或其它方法降低光照，聲音能“打開”電燈，并延時(shí)幾秒后熄滅。 用物體遮擋光眼處，在光照情況下聲音能控制電燈。猜想：通過上述現(xiàn)象，你能猜出光 聲控延時(shí)開關(guān)里有什么功能性元件嗎？體驗(yàn)：驗(yàn)證你的猜想，學(xué)生活動(dòng)：觀察光聲控延時(shí) 開關(guān)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。在不帶電情況下,放手讓學(xué)生自己拆

9、裝光聲控延時(shí)電燈燈座，自己尋找到話筒、光敏元件及 轉(zhuǎn)換電路邏輯處理器延時(shí)電浴光電轉(zhuǎn)換 器 若度轉(zhuǎn)換器控被制開/關(guān)控 開電關(guān)器展示：光聲控延時(shí)開關(guān)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖6.5所示，對(duì)照主要元件介紹原理圖。認(rèn)識(shí):從這些簡單的例子中，概括出傳感器的般概念。（2）認(rèn)識(shí)一些制作傳感器的元器件1、光敏電阻的教學(xué)當(dāng)有光線照射到某些半導(dǎo)體時(shí)，這些半導(dǎo)體就像導(dǎo)體一樣，導(dǎo)電能力 很強(qiáng)；當(dāng)沒有光線照射時(shí)，這些半導(dǎo)體就像絕緣體一樣導(dǎo)電性能很弱，人們根據(jù)光照會(huì) 使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著變化這一特性，用半導(dǎo)體材料制成了各種電子元件。把跟光 線照射有關(guān)的半導(dǎo)體材料制成的電子元件（電阻）稱為光敏電阻。探究光敏元件的性能演示實(shí)驗(yàn)裝置

10、：將兩節(jié)5號(hào)干電池（串聯(lián)）及音樂集成塊固定在小塑料盒內(nèi)，由盒內(nèi)引出兩 根導(dǎo)線，連接到光敏電阻上（光敏電阻裝在一個(gè)黑色小圓柱管中）。操作方法：打開電源開關(guān)，再將裝光敏電阻的黑色圓柱管一端打開，可以聽到音樂集成塊 發(fā)出音樂聲，但因光敏電阻藏在管的內(nèi)部，只受到微弱光照，故音樂聲較小，并且有些“走 調(diào)”，同時(shí)二極管發(fā)出的也是淡淡的色光；把光敏電阻從黑管中拿出來，音樂聲變大，二極 管發(fā)出了較亮的色光。用手電筒光照射光敏電阻，音樂聲更大，二極管發(fā)出的色光更亮。簡要評(píng)價(jià)：讓學(xué)生以實(shí)驗(yàn)操作的方式進(jìn)行教學(xué)，學(xué)生體驗(yàn)深刻，能很好地激起學(xué)生的探 究欲 望。定性研究光敏電阻的導(dǎo)電特性組織學(xué)生討論實(shí)驗(yàn)方案方案a：如課本

11、圖6.1.5所示用歐姆表測(cè)定；方案b：用直流電路、小燈泡的亮度顯示。 學(xué)生活動(dòng)將光敏電阻感光面迎光、背光、放抽屜里讀歐姆表示數(shù)或觀察小燈泡亮度。光敏電 阻無極性之分，暗電阻2 1m。、亮電阻w 1kq,所以多用表應(yīng)選用“x 100或x 1k” 檔。交流評(píng)價(jià)學(xué)生交流實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分享實(shí)驗(yàn)中對(duì)光敏電阻特性認(rèn)識(shí)的體驗(yàn)。2、熱敏電阻和熱電阻的教學(xué)熱敏電阻是人們根據(jù)溫度變化會(huì)使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著 變化這一特性，用半 導(dǎo)體材料制成各種電子元件（電阻）。探究熱敏電阻、金屬電阻隨溫度變化的關(guān)系實(shí)驗(yàn)裝置：如圖6.7所示操作要求：注意歐姆表倍率的選擇，建議熱敏電阻選“x1k”，金屬熱電阻選x 10 o（學(xué)生觀察

12、并記錄不同溫度下的兩個(gè)歐姆表的讀數(shù)，并記錄在表格中。實(shí)驗(yàn)時(shí)將兩個(gè)多用電表放在實(shí)物投影儀上，學(xué)生看屏幕上多用電表指針?biāo)傅目潭?，同時(shí)請(qǐng)三位同學(xué)到講臺(tái)前，讓一個(gè)同學(xué)觀察溫度計(jì)的示數(shù)，讓另外兩個(gè)同學(xué)各讀一個(gè)表的讀 數(shù)，并且與全班同學(xué)統(tǒng)一好各溫度下的表的讀數(shù)。r1與數(shù)據(jù)記錄：一 一,- |c9 laml |溫度熱敏電阻金屬熱電阻數(shù)據(jù)處理：請(qǐng)一位同學(xué)將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)輸入到excel的表格中，并插入圖表，顯示出r-t圖象。用 excel處理表格中的數(shù)據(jù)，繪出兩種傳感器的電阻隨溫度的變化的電阻一溫度特性圖線。 圖象分析：組織學(xué)生相互討論兩種傳感器的電阻隨溫度的變化關(guān)系圖線給我們的信息，并能 用簡潔的語言表達(dá)出來：

13、 當(dāng)溫度升高時(shí)，這兩種電阻將發(fā)生怎樣的變化？如果變化相同的溫度，你會(huì)發(fā)現(xiàn)這兩種電阻哪個(gè)將明顯地變化？討論兩種材料制成的溫度傳感器在使3、用功能上各有什么優(yōu)缺點(diǎn)？霍爾元件的教學(xué)建議霍爾元件是利用霍爾效應(yīng)制成的新型磁敏元件。霍爾傳感器是由霍爾元件、 放大器、溫度補(bǔ)償電路及穩(wěn)壓電路構(gòu)成的?；魻栐?duì)磁場(chǎng)敏感的原理背景知識(shí)：霍爾元件是在一個(gè)很小的矩形半導(dǎo)體（例如神 化摑）薄片上，制作4個(gè)電極e、f、m、n而成（如圖6-8所示）。若在ex圖6-8片中uo關(guān)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 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 理論探究：霍爾元件上的電壓u與電流

14、i、磁感應(yīng)強(qiáng)度的 系。設(shè)霍爾元件長為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)，又因所以（為霍爾系數(shù)）。因此，在ef方向電流一定的條件下，mn間的電壓跟磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比。我們就可 以根據(jù)電壓u的變化得知磁感應(yīng)強(qiáng)度b的變化。結(jié)論：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。3）傳感器的小結(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。（三）教學(xué)反思本節(jié)課的內(nèi)容依據(jù)學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律組織教學(xué)，以體驗(yàn)生活和技術(shù)的方法引入新課，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)行傳感器的概念的教學(xué)中注重實(shí)驗(yàn) 探究，讓學(xué)生感知敏感元件，從日常生活的例子認(rèn)識(shí)敏感元件，引導(dǎo)學(xué)生歸納傳感器