高中物理《传感器及其工作原理》教案3 新人教版选修3-2

用心 爱心 专心1 第六章第六章 传传 感感 器器 全章概述全章概述 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 新课程学习新课程学习 6 6 1 1 传感器及其工作原理传感器及其工作原理 新课标要求新课标要求 一 知识与技能 一 知识与技能 用心 爱心 专心2 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 d IB kUH 二 过程与方法 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 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 教学方法教学方法 实验法 观察法 归纳法 教学工具教学工具 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 教学过程教学过程 一 引入新课 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 3 二 进行新课 二 进行新课 1 1 什么是传感器 什么是传感器 师 演示实验 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 4 为了制作传感器 常常需要一些元器件 下面看几个实例 2 2 光敏电阻 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 5 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光学量转化为电阻这个电学量 3 3 热敏电阻和金属热电阻 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 6 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位移这个力学量力学量转化为电容这个电学电学 量量 4 4 霍尔元件 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 nqadvI 载流子在磁场中受到的洛伦兹力qvBf 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 a U qF H 当达到稳定状态时 洛伦兹力与电场力平衡 即 qvB a U q H 7 由 式得 nqd IB UH 式中的nq与导体的材料有关 对于确定的导体 nq是常数 令 nq k 1 则上式可写为 d IB kUH 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磁感应强度这个磁学量转化为电压这个电学量电压这个电学量 三 课堂总结 点评 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 d IB kUH 霍尔元件把磁感应强度这个磁学量磁感应强度这个磁学量转化为 电压这个电学量电压这个电学量 5 电容式传感器能够把位移位移这个力学量力学量转化为电容这个电学量电学量 四 实例探究 四 实例探究 光敏电阻及其应用光敏电阻及其应用 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 8 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 霍尔元件及其应用霍尔元件及其应用 9 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qvB b U q 又因为导体中的电流bdnevneSvI 故 ned IB U 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 ned IB U 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 ne k 1 则 d IB kU 此即 课本给出的公式 课余作业课余作业 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 10 课本课本 问题与练习问题与练习 解答解答 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