《实验：传感器的应用》名师教案

1/106.3实验：传感器的应用安徽省阜阳二中侯伟杰教材分析本章讲述传感器的相关知识。这部分内容是《课程标准》中“在课程内容上体现时代性”的一个标志。本章共有三节，第一节介绍常见的传感器及其基本工作原理；第二节介绍常见传感器在生活中的应用；本节是常见传感器的应用研究。教材在本节安排了两个用传感器完成一定控制任务的学生实验，其目的是使学生动手体会传感器的应用，培养学生组装和调试电子电路的能力。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。学情分析通过第一节和第二节的学习，学生对传感器已经有了初步的了解。但是学生在技术方面的知识仍然十分匮乏的，动手能力也亟待培养。核心素养通过《实验：传感器的应用》的探究学习过程，培养学生的动手能力，体会物理知识在实际中的应用，在现代社会中的作用及意义。增强学生理论联系实际的意识，激发学习兴趣，培养良好的科学态度。教学目标1．了解斯密特触发器的工作特点，了解两个实验的基本原理。2．通过实验，加深对传感器作用的体会，培养动手能力。教学重点、难点重点：1．了解斯密特触发器的工作特点，能够分析光控电路的工作原理。2．理解温度报警器的电路工作原理。难点：光控电路和温度报警器电路的工作原理。教学方法讲授法、谈论法、演示法、讨论法、启发法课前准备斯密特触发器（74ls14集成电路块），二极管，蜂鸣器，变阻器，热敏电阻，光敏电阻，5V直流电源，面包板等。教学过程课前：登陆优教平台，发送预习任务。根据优教平台上学生反馈的预习情况，发现薄弱点，针对性教学。（优教提示：请登陆优教平台，发送本节预习任务）（一）引入新课随着科技的发展，传感器的应用越来越广泛，如走廊里的声、光控开关（实物展示内部结构），火灾报警器，路灯的自动控制，商场酒店门口的自动门等都用到了传感器。就连我们每天都用的手机，也用了多种传感器。请同学们讨论一下手机用到了哪些类型的传感器？接下来请欣赏老师自制智能机器人小车的超声波避障表演（实物展示）大家想不想也制作一些类似的科技作品呢？首先我们需要学习一些与传感器相关的知识和技能，这节课我们就来动手制作光控开关或温度报警器吧！（二）进行新课教学任务1：了解相关元件的功能及其工作原理。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简称为LED，如图所示。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。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如图连接电路使发光二极管工作，电源为5V的电源，串联的限流电阻R可取220Ω，调节变阻器，二极管就会发光，这时通过它的电流仅为几毫安。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：正向导通电压大于1.8V，普通发光二极管工作电流只需要几毫安，最大不得超过10mA。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保护电阻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10mA，正向导通电压大于1.8V。2.逻辑电路（快速复习3-1逻辑电路）以二进制为原理、实现数字信号逻辑运算和操作的电路。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。3.斯密特电路（74ls14集成电路块）斯密特触发器是一种特殊的非门电路，当加在它的输入端A的电压逐渐上升到某个值1.6V时，输出端Y会突然从高电平调到低电平0.25V，而当输入端A的电压下降到另一个值0.8V的时候，Y会从低电平跳到高电平3.4V。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，可用如图所示的图象来描述。4.集成电路实验板（俗称面包板）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个孔就可以了，不需要焊接，也不需要接线柱。教学任务2：实验Ⅰ——光控开关师生活动：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51kΩ，R2为330kΩ，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、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：①图中的接地符号表示电路的公共端，并非与大地连接。5V电源的负极是与接地端连接的。②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。③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A端。④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。⑤R2是发光二极管的限流电阻，使通过它的电流不超过10mA。教师提问：请同学们在如图的提示下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(1.6V)，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9。(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1.6V)，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。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。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。教学任务：实验Ⅱ——温度报警器(热敏电阻式报警器)师生活动：创设问题：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。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)那么大家学完以上实验以后是不是就可以制作本课开始的时候大家看到的机器人小车了呢？暂时还不行，大家还需要了解一些自动化方面的知识。开拓视野（教师展示）展示：基于Arduino开发板的一些智能化的控制作品。谈一谈：学生以摄像头（光学传感器）为例从正反两个方面谈一谈传感器给人们生活带来的影响？进一步探讨了科技发展给人类带来的利和弊。体会传感器给人带来方便的同时也会给人们带来负面影响。突出物理教学与文化、社会生活的联系。对学生进一步进行情感态度和价值观方面的教育。课堂小结教学任务：(PPT投影)引导学生小结本节课的学习活动。课堂训练（优教提示：打开优教配套习题，使用互动答题卡