高中物理 3传感器的应用实例教案 新人教版选修3

1 3 3 传感器的应用实例传感器的应用实例 整整体体设设计计 教学分析 传感器在实际应用中 大多情况是用来完成一定控制任务的 本节使用常见的少量电 子元器件 组装实用的光控开关和温度报警电路 目的是使学生动手体会传感器的应用 培养组装和调试电子电路的能力 本实验可行性强 电路简单 容易操作 元件可以反复 使用 实验使用的元器件符合现在市场发展水平 教学理念先进 用集成数字电路实现控 制功能 能够帮助学生了解现在电子行业的发展层次 加强理论联系实际 树立学以致用 的教育理念 教学目标 1 识别各种晶体管 逻辑集成电路块 集成电路实验板 知道各种元器件的性能和引 脚关系 2 了解光控开关电路及控制原理 会组装光控开关 3 了解温度报警器及控制原理 会组装温度报警器 4 通过实验的方法 让学生在组装和调试中 更为深入地认识传感器的应用 5 培养学生的学习兴趣 倡导以创新为主 实践为重的素质教育理念 教学重点难点 1 传感器的应用实例 2 由门电路控制的传感器的工作原理 教学方法与手段 PPT 课件 演示实验 讲授 课前准备 教学媒体 斯密特触发器或非门电路 二极管 三极管 蜂鸣器 滑线变阻器 热敏电阻 光敏 电阻 知识准备 介绍发光二极管 74LS14 集成电路块 集成电路实验板 面包板 等元件的功能和作用 以及如何识别这些元件的外部引脚 教学过程 导入新课 事件 1 教学任务 创设情景 导入新课 问题展示 上节课我们学习了温度传感器 光传感器及其工作原理 请大家回忆一下 我们学了哪些具体的温度 光传感器 思考并回答 电饭锅 测温仪 鼠标器 火灾报警器 导入新课 随着人们生活水平的提高 传感器在工农业生产中的应用越来越广泛 如走廊里的声 光控开关 温度报警器 孵小鸡用的恒温箱 路灯的自动控制 银行门口的自动门等 都 用到了传感器 传感器的工作离不开电子电路 传感器只是把非电学量转换成电学量 对 2 电学量的放大 处理均是通过电子元件组成的电路来完成的 这节课我们就来动手组装光控开关或温度报警器 推进新课 事件 2 教学任务 相关元件的作用功能及其工作原理 师生活动 在我们学习这些知识之前 先要学习一些相关的元件的作用 功能及其工作原理 1 发光二极管 发光二极管 发光二极管简称为 LED 如下图所示 发光二极管与普通二极管一样是由一个 PN 结 组成 也具有单向导电性 当给发光二极管加上正向电压后 从 P 区注入 N 区的空穴和由 N 区注入 P 区的电子 在 PN 结附近数微米内分别与 N 区的电子和 P 区的空穴复合 产生 自发辐射的荧光 不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同 当电子和空穴复 合时释放出的能量多少不同 释放出的能量越多 则发出的光的波长越短 常用的是发红 光 绿光或黄光的二极管 演示 实验 检测发光二极管 按照图 1 连接电路使发光二极管工作 电源为 3 V 的电池组 串联的限流电阻 R 可取 220 或 270 接通开关 二极管就会发光 这时通过它的电流约为几毫安 如果将电源 改为 1 5 V 二极管就不发光了 因为这类发光二极管正向导通电压大于 1 8 V 发光二极管的工作电路 用欧姆表检测发光二极管 观察与描述 学生观察实验 逐一描述实验现象 其他学生补充和修正 思考 正向导通电压是多少 实验中为何要串联一电阻 R 学生预测 正向导通电压大于 1 8 V 普通发光二极管工作电流只需要几毫安 最大不 得超过 10 mA 过大的电流会损坏发光二极管 因此 在使用时必须串联合适的限流电阻 R 总结 1 二极管具有单向导电性 2 发光二极管除了具有单向导电性外 导电时还能发光 普通发光二极管使用磷化镓 或磷砷化镓等半导体材料制成 直接将电能转化为光能 该类发光二极管工作电流只需要 几毫安 最大不得超过 10 mA 正向导通电压大于 1 8 V 随堂练习 1 普通二极管具有导电性 在电子电路中有多种运用 在用多用电表欧 姆挡测量二极管的正向导通电阻时 黑表笔应接二极管的极 若发现阻值较大 则与黑表 笔接触的是二极管的极 发光二极管除了具有单向导电性外 导电时还能发光 用磷化镓或磷砷化镓等半导 3 体材料制成 直接将能转化为能 答案 答案 单向 阳 阴 电 光 2 晶体三极管 晶体三极管是电子电路的核心元件 具有电流放大作用 其实质是三极管能以基极电 流微小的变化量来控制集电极电流较大的变化 三极管是在一块半导体基片上制作两个相距很近的 PN 结 两个 PN 结把整块半导体 分成三部分 中间部分是基区 两侧部分是发射区和集电区 排列方式有 PNP 和 NPN 两 种 如下图所示 从三个区引出相应的电极 分别为基极 b 发射极 e 和集电极 c 发射区和基区之间的 PN 结叫发射结 集电区和基区之间的 PN 结叫集电极 基区很 薄 而发射区较厚 杂质浓度大 PNP 型三极管发射区 发射 的是空穴 其移动方向与 电流方向一致 故发射极箭头向里 NPN 型三极管发射区 发射 的是自由电子 其移动 方向与电流方向相反 故发射极箭头向外 发射极箭头指向也是 PN 结在正向电压下的导 通方向 硅晶体三极管和锗晶体三极管都有 PNP 型和 NPN 型两种类型 总结 1 三极管具有电流放大作用 2 晶体三极管能够将微弱的信号放大 三极管的三个极分别是发射极 e 基极 b 和集 电极 c 3 传感器输出的电流和电压很小 用一个三极管可以放大几十倍或几百倍 三极管的 放大作用表现为基极 b 的电流对集电极 c 的电流起了控制作用 随堂练习 2 晶体三极管能够把微弱的信号 常用的三极管是用和制成的 它有三 个极 分别为 传感器输出的电流或电压很 用一个三极管可以放大几十倍以至上百倍 三极管的 放大作用表现为的电流对的电流起了控制作用 2 逻辑电路 逻辑电路是以二进制为原理 实现数字信号逻辑运算和操作的电路 分组合逻辑电路 和时序逻辑电路 前者的逻辑功能与时间无关 即不具记忆和存储功能 后者的操作按时 间程序进行 由于只分高 低电平 抗干扰力强 精度和保密性佳 广泛应用于计算机 数字控制 通信 自动化和仪表等方面 逻辑门电路包括与门 或门 非门 1 与门 只要一个输入端输入为 0 则输出端一定是 0 只有当所有输入端输入都同 为 1 时 输出才是 1 2 或门 只要一个输入端输入为 1 则输出一定是 1 反之 只有当所有输入端都为 0 时 输出端才是 0 3 非门 当输入为 0 时 输出总是 1 当输入为 1 时 输出反而是 0 非门电路也称 反相器 4 斯密特电路 斯密特触发器是特殊的非门电路 当加在它的输入端 A 的电压逐渐上升到某个值 1 6 V 时 输出端 Y 会突然从高电平调到低电平 0 25 V 而当输入端 A 的电压下降到另一个值 0 8 V 的时候 Y 会从低电平跳到高电平 3 4 V 斯密特触发器可以将连续变化的模拟信号 转换为突变的数字信号 而这正是进行光控所需要的 对于斯密特触发器的性能描述 可 用下图所示的图象来描述 4 随堂练习 3 试判断下列各是什么门电路的真值表 各有何特点 输入输出 ABY 000 010 100 111 与 门 输入输出 ABY 000 011 101 111 或 门 输入输出 AY 01 10 非 门 3 集成电路实验板 教师介绍 实验板由塑料制成 上下两面的结构如下图所示 板的上面有许多整齐排列的小插孔 分布在凹槽的两侧 每个孔内都有一个用来夹持元件引线的铜爪 它们由若干条形铜片按 一定的规律连接起来 揭去板的下面的塑料膜 就能看清楚 其中标有 X 的一行小孔是用 整条铜片连通的 通常用来连接电源的正极 标有 Y 的一行小孔也是用整条铜片连通的 通常用来连接电源的负极 接地端 其余的孔则是每五个为一组纵向连通 例如第一列的 A B C D E 五个孔连通 F G H I J 五个孔连通 使用实验板时 集成电路要跨在凹槽之上 让它两侧的引脚分别插入 E F 等孔 其 余的元件按照电路的结构插入合适的孔中 并且让应该连接在一起的引脚插入同一组的五 5 个孔就可以了 不需要焊接 也不需要接线柱 事件 3 教学任务 实验 1 光控开关 师生活动 甲 问题展示 PPT 投影 如图所示光控电路 用发光二极管 LED 模仿路灯 RG 为光敏 电阻 R1的最大电阻为 51 k R2为 330 k 试分析其工作原理 思考并讨论 电路由哪几部分组成 学生回答 斯密特触发器 光敏电阻 发光二极管 LED 模仿路灯 滑线变阻器 定值 电阻 思考并分析 组装电路图应注意些什么 交流结果 图甲中的接地符号表示电路的公共端 并非与大地连接 5 V 电源的负 极是与接地端连接的 在电子技术中 习惯上常用 电平 来描述逻辑电路的输入端和输出端的状态 其 实 电平值就是某个端点与 地 之间的电压 因为控制门电路的逻辑状态的物理量是输入端的电平 而不是电流或电阻 所以要 将电阻 R1与光敏电阻 RG 组成串联分压电路 把光敏电阻因光照而发生的电阻的变化 转 化为电压的变化 加到非门的输入端 A 控制灯的亮 灭需要的是一种跳变的开关量 而光敏电阻输出的是连续变化的模拟 量 所以要使用触发器把模拟信号转换为数字信号 R2是发光二极管的限流电阻 使通过它的电流不超过 10 mA 思考并讨论 电流是怎样流动的 预测 学生难回答 感到困惑 此电路含有门电路 表示的是逻辑关系 这部分与学 生原有的认知相冲突 教师作讲解 教师讲解 解 图甲是对电路的简化画法 甲图实际上各个支路的电流都构成了回路 可 用下图表示 在集成块中 既流过了它本身的工作电流 又流过了通过发光二极管的电流 都从标有 GND 的引脚汇集流出 回到电源 教师提问 请同学们试着分析一下光控电路的工作原理 原理分析 白天 光强度较大 光敏电阻 RG 电阻值较小 加在斯密特触发器 A 端的 电压较低 则输出端 Y 输出高电平 发光二极管 LED 不导通 当天色暗到一定程度时 RG 的阻值增大到一定值 斯密特触发器的输入端 A 的电压上升到某个值 1 6 V 输出端 Y 突然从高电平跳到低电平 则发光二极管 LED 导通发光 相当于路灯亮了 这样就达到 6 了使路灯天明熄灭 天暗自动开启的目的 互助合作 学生分小组根据电路图连接实物图 培养学生的动手能力 教师巡回指导 功能预测 连接完毕后 教师可让学生自行检测其作品是否能实现预期功能 思考讨论 要想在天色更暗时路灯才会亮 应该把 R1的阻值调大些还是调小些 为什 么 交流结果 应该把 R1的阻值调大些 这样要使斯密特触发器的输入端 A 电压达到某 个值 如 1 6 V 就需要 RG 的阻值达到更大 即天色更暗 实验验证 学生再次动手做实验 验证分析的结果 体验成功的喜悦 思维拓展 PPT 投影 在下图中 用白炽灯模仿路灯 为何要用到继电器 分析交流 由于集成电路允许通过的电流较小 要用白炽灯泡模仿路灯 就要使用继 电器来启闭工作电路 提出问题 J 是什么 Ja 是什么 学生预测 继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点 称为 常开触点 深入探究 PPT 投影 如下图所示电磁继电器工作电路 图中虚线框内即为电磁继电 器 D 为动触点 E 为静触点 试分析电磁继电器的工作原理 学生分析 当线圈 A 中通电时 铁芯中产生磁场 吸引衔铁 B 向下运动 从而带动触 点 D 向下与 E 接触 将工作电路接通 当线圈 A 中电流为零时 电磁铁失去磁性 衔铁 B 在弹簧作用下拉起 带动触点 D 与 E 分离 自动切断工作电路 问题拓展 说明控制电路的工作原理 学生分析 天较亮时 光敏电阻 RG 阻值较小 斯密特触发器输入端 A 电势较低 则 输出端 Y 输出高电平 线圈中无电流 工作电路不通 天较暗时 光敏电阻 RG 电阻增大 斯密特触发器输入端 A 电势升高 当升高到一定值 输出端 Y 由高电平突然跳到低电平 有电流通过线圈 A 电磁继电器工作 接通工作电路 使路灯自动开启 天明后 RG 阻 值减小 斯密特触发器输入端 A 电势逐渐降低 降到一定值 输出端 Y 突然由低电平跳到 高电平 则线圈 A 不再有电流 则电磁继电器自动切断工作电路的电源 路灯熄灭 事件 4 教学任务 实验 2 温度报警器 热敏电阻式报警器 师生活动 创设问题 上一节我们学习了火灾报警器 它是利用烟雾对光的散射作用 使火灾发 出的光引起光敏电阻的阻值变化 从而达到报警目的的 这种设计其敏感性是否值得怀疑 你想过吗 既然发生火灾时 环境温度要升高 我们能不能用温度传感器来做成火灾报警 器呢 学生预测 小组分工 讨论并交流结果 7 交流结果 PPT 投影 温度报警器的工作电路 如图所示 思考讨论 电路由哪几部分组成 学生回答 斯密特触发器 热敏电阻 蜂鸣器 变阻器 定值电阻 教师提问 请同学们试着分析一下温度报警器的工作原理 原理分析 常温下 调整 R1的阻值使斯密特触发器的输入端 A 处于低电平 则输出 端 Y 处于高电平 无电流通过蜂鸣器 蜂鸣器不发声 当温度升高时 热敏电阻 RT 阻值 减小 斯密特触发器输入端 A 电势升高 当达到某一值 高电平 其输出端由高电平调到 低电平 蜂鸣器通电 从而发出报警声 R1的阻值不同 则报警器温度不同 互助合作 学生分小组根据电路图连接实物图如图所示 功能预测 连接完毕后 教师可让学生自行检测其作品是否能实现预期功能 教师巡 回指导 思考讨论 要使热敏电阻在感测到更高的温度时才报警 应该把 R1的阻值调大些还是 调小些 为什么 交流结果 应该减小 R1的阻值 R1阻值越小 要使斯密特触发器输入端达到高电平 则热敏电阻阻值要求越小 即温度越高 实验验证 学生再次动手验证分析的结果 体验成功的喜悦 事件 5 教学任务 学以致用 解决实际问题 师生活动 实例探究 PPT 投影 现有热敏电阻 电炉丝 电源 电磁继电器 滑动变阻器 开 关和若干导线 如下图所示 试设计一个控温电路 要求温度低于某一温度时 电炉丝自 动通电供热 超过某一温度时 又自动断电 画出电路图 说明工作原理 解析 解析 PPT 投影 1 电路图如下图所示 热敏电阻 R1与滑动变阻器及电磁继电器构成低压控制电路 8 2 工作过程 闭合 S 当温度低于设计值时 热敏电阻阻值大 通过电磁继电器的电流 不能使它工作 K 接通电炉丝加热 当温度达到设计值时 热敏电阻减小到某值 通过电磁 继电器的电流达到工作电流 K 断开 电炉丝断电 停止加热 当温度低于设计值 又重复前 述过程 课堂小结 事件 6 教学任务 PPT 投影 引导学生小结本节课的学习活动 9 布置作业 1 复习本节教材 2 完成课本课后问题与练习 板书设计 3 传感器的应用实例 1 二极管的特点和作用 单向导电性 发光二极管不但能单向导电 还能发光 2 三极管的特点和作用 能放大微弱的电流 3 斯密特触发器的特点和作用 触发器其实由 6 个非门电路组成 4 斯密特触发器的应用 光控电路 温度报警